DE3037078C2 - Elektrisch angesteuertes Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch angesteuertes Stellglied mit einem auf einen Stempel einwirkenden, aus einem Stapel von Piezooxydscheiben bestehenden piezoelektrischen Wandler, der zwischen einer mit ihm verbundenen Basisplatte und einer mit dieser durch Abstandselemente verbundenen Führungsplatte angeordnet ist

Stellglieder in Form piezoelektrischer Wandler sind an sich bekannt (DE-OS 24 02 085) und es ist bezüglich derselben auch bekannt daß sie Schaltzeiten ermöglichen, die im Bereich von 50 bis 100 Mikrosekunden liegen. Sie ermöglichen aber nur sehr kleine Stellwege, die bei vertretbaren Stapelgrößen bei etwa 0,03 mm liegen. Dies reicht zwar, wie bereits vorgeschlagen, für die Verwendung als Vorsteuerventil in Verbindung mit Logistoren, jedoch nicht für eine direkte Anwendung als Stellglied für hydraulische Ventile, Pumpen usw.

Diese bekannten piezoelektrischen Stellglieder haben neben der Tatsache, daß sie nur sehr geringe Arbeitswege zulassen, auch den Nachteil, daß sie nur für einen begrenzten Temperaturbereich, für den sie ausgelegt sind, einsetzbar sind. Durch den üblicherweise vorliegenden konstruktiven Aufbau (Kombination Keramik — Stahl) verhalten sie sich über der Temperatur so, daß sich der Arbeitsweg werkstoffbedingt vielfach reduziert oder aufhebt Bei stark schwankenden Temperaturen sind solche Stellglieder nicht verwendbar.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Stellglied nach dem piezoelektrischen Prinzip zu schaffen, welches außer seiner bekannt schnellen Schaltgeschwindigkeit einen ausreichend großen Arbeitsweg aufweist, der ausschließlich von der angelegten Spannung, nicht aber von Temperaturänderungen beeinflußbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Abstandselement aus einem Stapel von Piezooxydscheiben besteht, dessen Polarisationsachse senkrecht zur Polarisationsachse des piezoelektrischen Wandlers angeordnet ist und daß die Abstandselemente und der Wandler sowohl einzeln als auch gleichzeitig elektrisch ansteuerbar sind.

Dadurch wird gegenüber bisher bekannten Lösungen ein etwa doppelt so großer Arbeitsweg erreicht und ein Einsatz auch unter stark schwankenden Temperaturen ermöglicht, da sich Abstandselemente und Wandler bei Temperaturänderungen stets gleichsinnig um gleiche Beträge verändern. Diese Eigenschaften erlauben es, das erfindungsgemäße Stellglied beispielsweise für die direkte oder indirekte Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen, für das digitale Positionieren von Stellzylindern hydraulischer Regelsysteme usw. einzusetzen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeipieles näher erläutert, das in schematischer Darstellung ein piezoelektrisches Stellglied und ein von diesem betätigtes 3-Wege-Plattenventil zeigt In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch das Stellglied und ίο durch ein von ihm betätigtes Ventil und

F i g. 2 einen Querschnitt des Stellgliedes.
Der in F i g. 1 dargestellte Längsschnitt durch ein piezoelektrisches Stellglied zeigt eine Basisplatte 1 und eine Führungsplatte 2, welche durch in diesem Beispiel vier Abstandselemente 3 miteinander verbunden sind. Jedes Abstandselement 3 besteht aus einem Stapel von geschichteten Piezooxydscheiben, deren Polarisationsachse quer zur Hauptachse des Stellgliedes verläuft Hier sei angemerkt daß sich eine Piezooxydscheibe beim Anlegen einer elektrischen Spannung entsprechend der Höhe dieser Spannung in Richtung seiner Polarisationsachse ausdehnt und sich dementsprechend in Richtung quer zu dieser Polarisationsachse zusammenzieht.

Konzentrisch zur Hauptachse des Stellgliedes ist ein weiterer, mit der Basisplatte verbundener Stapel von Piezooxydscheiben, deren Polarisationsachse in Richtung der Hauptachse verläuft, angeordnet dessen anderes Ende mit dem Stempel 5 des Stellgliedes verbunden ist Dieser Plattenstapel bildet den piezoelektrischen Wandler 4. Um diesen piezoelektrischen Wandler 4 sind die Abstandselemente 3, welche die Basisplatte 1 mit der Führungsplatte 2 verbinden, symmetrisch angeordnet, wie dem Grundriß nach F i g. 2 zu entnehmen ist. Der Stempel 5 des Stellgliedes ist durch eine konzentrisch zur Hauptachse verlaufende Bohrung in der Führungsplatte 2 geführt.

Die piezoelektrischen Plattenstapel des Wandlers 4 und der Abstandselemente 3 sind, was nicht dargestellt ist, in üblicher Weise mit den entsprechenden elektrischen Zuleitungen verbunden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Wandler 4 wird erreicht, daß dessen Plattenstapel sich ausdehnt und den Stempel 5 von der Basisplatte 1 entfernt Durch gleichzeitiges Anlegen von elektrischen Spannungen an die Plattenstapel der Abstandselemente 3 ziehen diese sich in Richtung der Hauptachse zusammen und ziehen dadurch die Führungsplatte 2 in Richtung zur Basisplatte 1. Hierdurch entsteht zwischen Führungsplatte 2 und Stempel 5 eine Relativbewegung, welche etwa dem doppelten Wert eines bisher bekannten piezoelektrischen Stellgliedes vergleichbarer Größe entspricht. Da die Plattenstapel der Abstandselemente und des Wandlers aus gleichem Material mit gleichem Temperaturkoeffizienten bestehen und untereinander gleiche Länge aufweisen, bewirken Temperaturschwankungen keine Relativbewegungen zwischen Stempel und Führungsplatte.
Je nach Anwendungsfall können die Richtungen der Polarisationsachsen von Wandler 4 und Abstandselementen 3 untereinander vertauscht werden, so daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung der Stempel 5 in Richtung zur Basisplatte gezogen wird und die Führungsplatte 2 von der Basisplatte weg bewegt wird.

es Als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Stellglied ist dieses in F i g. 1 mit einem 3-Wege-Plattenventil zusammengeschaltet, dessen Gehäuse 6 mit der Führungsplatte 2 fest verbunden ist. In dem zwischen

Gehäuse und Führungsplatte gebildeten Hohlraum befindet sich eine Ventilplatte 7, welche von einer Tellerfeder 8 gegen den Stempel S gedrückt wird. In nicht betätigtem Zustand des Stellgliedes verschließt die Ventilplatte 7 einen in der Führungsplatte 2 angeordneten Ringkanal 9, welcher mit einer Rücklaufleitung C verbunden ist Dem Ringkanal 9 gegenüber der Ventilplatte 7 befindet sich ein zweiter Ringkanal 10 im Ventilgehäuse 6, welcher mit einer Druckleitung A verbunden ist Im Ventilgehäuse 6 befindet sich eine konzentrisch zur Hauptachse angeordnete Auslaßöffnung B. In der Ventilplatte 7 sind Bohrungen 11 angeordnet welche dem Strömungsmittel — Gas oder Flüssigkeit — einen ungehinderten Durchfluß durch das Ventil ermöglichen sollen.

In der gezeichneten Stellung ist die Druckleitung A mit der Auslaßöffnung B verbunden, so daß Druckmittel von A nach B strömen kann. Durch Betätigen des Stellgliedes wird die Ventilplatte 7 gegen die Kraft der Tellerfeder 8 nach unten gedrückt Dadurch wird der Ringkanal 10 und mit ihm die Druckleitung A verschlossen. In dieser Stellung ist die Auslaßöffnung B mit der Rücklaufleitung C verbunden, so daß ein sofortiger Druckabfall erfolgen kann.

Es wäre auch denkbar, das erfindungsgemäße Stellglied als Pumpe auszubilden und die dafür erforderlichen 2-Wege-Ventile ebenfalls nach Art des erfindungsgemäßen Stellgliedes auszubilden. Dazu müßte die Ventilplatte 7 in F i g. 1 als Kolben ausgebildet werden und es müßven die erforderlichen Saug- und Druckleitungen geschaffen werden. Das Fördermedium würde bei Anlegen einer Spannung an der Unterseite des Kolbens angesaugt und an der

ίο Oberseite des Kolbens ausgedrückt werden und bei Abschalten der Spannung an der Unterseite ausgedrückt und an der Oberseite angesaugt.

Neben der spannungsproportionalen Spaltbreitensteuerung ist auch sowohl eine freqiienzproportionale als auch eine impulsdauerproportionale Durchflußmengensteuerung möglich, so daß von dem Einspritzgesetz folgenden Kurven bis zu intermittierender Einspritzung (innerhalb einer Einspritzung von z. B. 18 Grad Kurbelwellendrehung) jeder gewünschte Verlauf darstellbar ist.

Es ist auch denkbar, ein Kraftstoffeinspritzventil ais Dreiwegeventil nach F i g. 1 mit einer Rücklaufleitung auszubilden, in welche ein Rückschlagventil oder eine Drosselstelle odc beide parallel eingebaut sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elektrisch angesteuertes Stellglied mit einem auf einen Stempel einwirkenden, aus einem Stapel von Piezooxydscheiben bestehenden piezoelektrischen Wandler, der zwischen einer mit ihm verbundenen Basisplatte und einer mit dieser durch Abstandselemente verbundenen Führungsplatte angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abstandselement (3) aus einem Stapel von Piezooxydscheiben besteht, dessen Polarisationsachse senkrecht zur Polarisationsachse des piezoelektrischen Wandlers (4) angeordnet ist und daß die Abstandselemente und der Wandler sowohl einzeln als auch gleichzeitig elektrisch ansteuerbar sind.