DE3608494A1

DE3608494A1 - ELECTRICALLY CONTROLLABLE ACTUATOR

Info

Publication number: DE3608494A1
Application number: DE19863608494
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Brueggen; Dieter Karr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-03-14
Filing date: 1986-03-14
Publication date: 1987-09-17
Also published as: EP0298076A1; WO1987005670A1; JPH01501812A; EP0298076B1; DE3668954D1

Abstract

An electrically controllable adjustment system with a piston (52) which is inserted in a leak-tight and slidable manner in a bore (51), said system being characterized by short actuation times. The adjustment system comprises an electric setting element (63) whose clamping force, effective around the entire circumference of the piston, prevents the movement of the piston. The electrically controlled setting elements (63) used are preferably rings made from piezo-ceramic material.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einer elektrisch ansteuerbaren Stelleinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 30 39 915 ist eine elektrisch ansteuerbare Ven tileinrichtung bekannt, bei der ein elektrischer Steller auf ein in einer Ventilbohrung geführtes, von einer Stell kraft verschiebbares, kolbenartiges Ventilglied eine Klemm kraft ausübt und dessen Bewegung verhindert. Der Steller ist dabei als Elektromagnet oder als zu einer Säule ge schichtete piezoelektrische Scheiben ausgeführt. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die unsymmetrische Kraft einwirkung des Stellers auf das kolbenartige Ventilglied, indem es gegen die dem Steller gegenüberliegende Wandung der Ventilbohrung gepreßt wird.The invention is based on an electrically controllable Actuator according to the type of the main claim. Out DE-OS 30 39 915 is an electrically controllable Ven tileinrichtung known in which an electrical actuator on a guided in a valve bore from a position force-displaceable, piston-like valve member a clamp exerts force and prevents its movement. The Steller is as an electromagnet or as a column layered piezoelectric disks. A The disadvantage of this arrangement is the asymmetrical force action of the actuator on the piston-like valve member, by pushing against the wall opposite the actuator the valve bore is pressed.

Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung mit den kennzeich nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Kraftwirkung zur Einklemmung eines Kolbens symmetrisch auf den Kolben- bzw. Bohrungsumfang verteilt ist. In einem ersten Ausführungsbeispiel befindet sich der Kol ben in der Durchbruchsöffnung eines piezokeramischen Ringes und wird durch Ein- bzw. Ausschalten einer Betriebsspannung von dem Ring festgeklemmt. In einem zweiten Ausführungsbei spiel ist das piezokeramische Material ein Teil des Kolbens oder auch der Kolben selbst und klemmt den Kolben nach Ein- bzw. Ausschalten einer Betriebsspannung in der Bohrung fest. Zur Erhöhung der Klemmfläche ist es vorteilhaft, im Klemm bereich eine Vergrößerung des Kolbenquerschnitts bzw. der Bohrung vorzusehen. Das die Druckkraft erzeugende Medium ist zweckmäßigerweise das durch die Stelleinrichtung zu steuernde Medium. Dieses ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kolben ein Teil eines Ventiles ist.The actuating device according to the invention with the character features of the main claim has the Advantage that the force effect for pinching a piston is distributed symmetrically on the piston or bore circumference. In a first embodiment, the Kol ben in the opening of a piezoceramic ring and is switched on or off by an operating voltage clamped by the ring. In a second embodiment The piezoceramic material is part of the piston or the piston itself and clamps the piston after or switching off an operating voltage in the bore. To increase the clamping area, it is advantageous to clamp area an enlargement of the piston cross section or Drill hole. The medium generating the pressure force this is expediently due to the adjusting device controlling medium. This is particularly advantageous if when the piston is part of a valve.

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung eignet sich besonders für schnelle Steller mit Ansprechzeiten im Mikrosekundenbe reich. Eine bevorzugte Anwendung ist gegeben bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Verbrennungsmotoren, da man dort bestrebt ist, einen möglichst rechteckförmigen Druck- bzw. Mengenverlauf als Funktion der Zeit zu errei chen. Die Anwendungsmöglichkeiten sind jedoch nicht auf Ventile beschränkt. Bei anderen Anwendungen kann ein mit dem Kolben verbundenes Stellelement vorgesehen sein, wel ches die Kolbenbewegung in einen Bereich außerhalb der Kolbenbohrung überträgt.The actuating device according to the invention is particularly suitable for fast actuators with response times in microseconds rich. A preferred application is in a Fuel injection device for internal combustion engines, since one endeavors to have a rectangular shape as possible To achieve pressure or quantity curve as a function of time chen. However, the uses are not on Valves limited. For other applications, a with the piston connected actuator may be provided, wel ches the piston movement in an area outside the Piston bore transmits.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung ergeben sich aus wei teren Unteransprüchen in Verbindung mit der folgenden Be schreibung. Further details and advantageous developments of the actuating device according to the invention result from white tere subclaims in connection with the following Be spelling.

drawing

Es zeigen Fig. 1 ein erstes und Fig. 2 ein zweites Aus führungsbeispiel einer elektrisch ansteuerbaren Stell einrichtung und Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer elek trisch ansteuerbaren Ventileinrichtung.In the drawings Fig. 1 shows a first and Fig. 2 is a second guide for example from an electrically activatable actuating device and Fig. 3 an embodiment of an elec trically triggerable valve device.

Description of the embodiments

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrisch ansteuerbaren Stelleinrichtung. Sie hat ein Gehäuse 10, welches eine Bohrung 11 aufweist. In der Bohrung 11 ist dicht und gleitend ein Kolben 12 geführt, der zwei Stirnflächen 13, 14 aufweist. An beiden Enden der Bohrung 11 sind jeweils Querschnittsverengungen 15, 16 vorgesehen, die an der Über gangsstelle zu der Bohrung 11 jeweils Anschlagsflächen 17, 18 für den Kolben 12 bilden. Die Querschnitssverengungen 15, 16 stehen mit Bohrungen 19, 20 zur Führung eines stellkrafter zeugenden Mediums in Verbindung. Der Kolben 12 weist ein Stell element 21 zur Übertragung der Kolbenbewegung in einem Bereich außerhalb des Gehäuses 10 auf. In ihrem Mittenbereich weist die Bohrung 11 eine Querschnittserweiterung 22 auf in welche ein als Ring aus piezoelektrischem Material ausgebildeter Steller 23 eingebracht ist. An der Stelle der Querschnitts erweiterung 22 übernimmt die Innenfläche des Ringes 23 die Führung des Kolbens 12. Die Betriebsspannung zur Quer schnittsänderung wird dem Ring 23 über die beiden Leitungen 24, 25 zugeführt. Fig. 1 shows a first embodiment of an electrically controllable actuating device. It has a housing 10 which has a bore 11 . A piston 12 , which has two end faces 13 , 14 , is guided tightly and slidingly in the bore 11 . At both ends of the bore 11 , cross-sectional constrictions 15 , 16 are provided, which form stop surfaces 17 , 18 for the piston 12 at the transition point to the bore 11 . The cross-sectional constrictions 15 , 16 are connected to bores 19 , 20 for guiding a medium which produces a force. The piston 12 has an actuating element 21 for transmitting the piston movement in an area outside the housing 10 . In its central region, the bore 11 has a cross-sectional widening 22 , into which an actuator 23 designed as a ring made of piezoelectric material is introduced. At the location of the cross-sectional enlargement 22 , the inner surface of the ring 23 takes over the guidance of the piston 12 . The operating voltage for cross-sectional change is supplied to the ring 23 via the two lines 24 , 25 .

Die Stelleinrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet folgendermaßen: . The adjusting device according to FIG 1 operates as follows:

Befindet sich der Kolben 12 in der in Fig. 1 gezeigten Stellung, bei der die Stirnfläche 14 an die Anschlags fläche 18 angrenzt, und soll eine Hinbewegung in die entgegengesetzte Stellung erfolgen, dann wird der Kolben 12 mit Hilfe des Ringes 23 zunächst festgeklemmt. Dazu wird der reziproke Piezoeffekt des aus piezoelektrischem Mate rial bestehenden Ringes 23 ausgenutzt. Eine Verringerung des Ringinnendurchmessers ergibt sich in Abhängigkeit von dem Herstellungsprozess des piezoelektrischen Ringes 23 durch Ein- oder durch Ausschalten der Betriebsspannung an den Zuleitungen 24, 25. Die Zuleitungen 24, 25 können hier bei zu zwei Elektroden führen, die am Innen- bzw. Außen umfang des Ringes 23, vorteilhafterweise jedoch auf den beiden Stirnseiten des Ringes 23 angeordnet sind. Nach dem der Kolben 12 festgeklemmt ist, wird ein in der Bohrung 20 befindliches Medium, welches gasförmig oder auch flüs sig sein kann, auf hohen Druck gebracht, der auf die Stirn fläche 14 des Kolbens 12 eine Stellkraft ausübt. Die Höhe der Kraft ist durch die maximale Klemmkraft des Ringes 23 gegeben. Die Hinbewegung wird ausgelöst durch eine elek trisch gesteuerte Querschnittsvergrößerung des Ringes 23. Wird auf die gegenüberliegende Stirnfläche 13 des Kolbens 12 nur ein geringer oder kein Druck ausgeübt, so bewegt sich der Kolben 12 in Hin-Richtung bis seine Stirnfläche 13 an der gegenüberliegenden Auflagefläche 17 aufschlägt. Damit ist die Hinbewegung abgeschlossen. Die Vorbereitung und Auslösung der Herbewegung entspricht dem beschriebenen Vorbereitungs- und Auslösevorgang der Hinbewegung.Is the piston 12 in the position shown in Fig. 1, in which the end face 14 is adjacent to the stop surface 18 , and is intended to move towards the opposite position, then the piston 12 is first clamped with the aid of the ring 23 . For this purpose, the reciprocal piezo effect of the ring 23 made of piezoelectric material is used. A reduction in the inner ring diameter results depending on the manufacturing process of the piezoelectric ring 23 by switching the operating voltage on the leads 24 , 25 on or off. The leads 24 , 25 can lead to two electrodes here, which are arranged on the inner or outer circumference of the ring 23 , but advantageously on the two end faces of the ring 23 . After the piston 12 is clamped, a medium located in the bore 20 , which can be gaseous or liquid, brought to high pressure, which exerts an actuating force on the end face 14 of the piston 12 . The magnitude of the force is given by the maximum clamping force of the ring 23 . The outward movement is triggered by an elec trically controlled increase in cross section of the ring 23 . If only a slight or no pressure is exerted on the opposite end face 13 of the piston 12 , the piston 12 moves in the forward direction until its end face 13 hits the opposite bearing surface 17 . This concludes the outward movement. The preparation and triggering of the moving movement corresponds to the described preparation and triggering process of the forward movement.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsge mäßen Stellvorrichtung gezeigt. In einem Gehäuse 30 befindet sich eine Bohrung 31. In der Bohrung 31 ist dicht und gleitend ein Kolben 32 geführt, der zwei Stirnflächen 33, 34 aufweist. Der Kolben 32 besteht wenigstens teilweise aus piezoelek trischem Material 35 welches gleichzeitig als Steller dient. Das übrige Material kann so ausgewählt werden, daß es der Aufschlagsbelastung beim Auftreffen auf jeweils eine der beiden Auflageflächen 36, 37, welche durch Querschnitts verengungen 38, 39 der Bohrung 31 entstehen, standhält. Die Querschnittsverengungen 38, 39 stehen mit Bohrungen 40, 41 in Verbindung, welche ein stellkrafterzeugendes Medium führen. Der Kolben 32 ist mit einem Stellelement 42 ausge stattet, das die in der Bohrung 31 stattfindende Kolben bewegung nach außen überträgt. Die Betriebsspannung zur Querschnittsänderung wird durch zwei Zuleitungen 43, 44 dem piezoelektrischen Material 35 zugeführt.In FIG. 2, a second embodiment of the erfindungsge MAESSEN locking device is shown. A bore 31 is located in a housing 30 . A piston 32 , which has two end faces 33 , 34 , is guided tightly and slidably in the bore 31 . The piston 32 consists at least partially of piezoelectric material 35 which also serves as an actuator. The remaining material can be selected so that it withstands the impact load when it hits one of the two contact surfaces 36 , 37 , which are caused by cross-sectional constrictions 38 , 39 of the bore 31 . The cross-sectional constrictions 38 , 39 are connected to bores 40 , 41 , which carry a medium that generates a positioning force. The piston 32 is equipped with an actuating element 42 which transmits the piston movement taking place in the bore 31 to the outside. The operating voltage for changing the cross section is supplied to the piezoelectric material 35 through two supply lines 43 , 44 .

Die Wirkungsweise des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht weitgehend derjenigen des in Fig. 1 gezeigten Aus führungsbeispiels. Ein Unterschied besteht darin, daß das piezokeramische Material 35 im Kolben 32 durch Vergrößerung des Querschnitts gegen die Innenwandung der Bohrung 31 drückt und die Kolbenbewegung dadurch verhindert.The operation of the embodiment shown in Fig. 2 largely corresponds to that of the exemplary embodiment shown in Fig. 1. One difference is that the piezoceramic material 35 in the piston 32 presses against the inner wall of the bore 31 by enlarging the cross section, thereby preventing the piston from moving.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Stelleinrichtung als elektrisch ansteuerbare Ventileinrichtung. Ein Gehäuse 50 weist eine Ventilbohrung 51 auf. In der Ventilbohrung 51 ist dicht und gleitend ein kolbenartiges Ventilglied 52 ge führt. Das Ventilglied 52 hat eine kegelförmige Stirnfläche 53, die mit einer entsprechenden, hohlkegelförmigen Sitz fläche 54 zusammenwirkt. Die Sitzfläche 54 ist am Übergang einer Einlaßbohrung 55 in die koaxial angeordnete Ventil bohrung 51 angeordnet, wobei die Ventilbohrung 51 einen größeren Durchmesser als die Einlaßbohrung 55 aufweist. An das innere Ende der Sitzfläche 54 anschließend ist koaxial zur Ventilbohrung 51 eine Ringkammer 56 vorgesehen. In die Ringkammer 56 mündet eine Auslaßbohrung 57 ein. Fig. 3 shows an embodiment of the actuating device as an electrically controllable valve device. A housing 50 has a valve bore 51 . In the valve bore 51 is a piston-like valve member 52 leads tight and sliding. The valve member 52 has a conical end face 53 which cooperates with a corresponding hollow conical seat surface 54 . The seat 54 is at the junction of an inlet bore 55 in the coaxial valve bore 51 is arranged, said valve bore 51 has a larger diameter than the inlet bore 55th At the inner end of the seat 54, an annular chamber 56 is provided coaxially with the valve bore 51 . An outlet bore 57 opens into the annular chamber 56 .

Die der kegelförmigen Stirnfläche 53 gegenüberliegende End fläche 58 des Ventilgliedes 52 stützt sich auf eine Druck feder 59 ab, die mit ihrem anderen Ende gegen einen in der Ventilbohrung 51 angeordneten Anschlag 60 anliegt. Der An schlag 60 weist wenigstens einen Durchbruch 61 auf.The conical end face 53 opposite end surface 58 of the valve member 52 is based on a compression spring 59 , which rests with its other end against an arranged in the valve bore 51 stop 60 . The impact 60 has at least one opening 61 .

Etwa auf der Mitte der axialen Erstreckung des Ventilgliedes 52 ist eine Querschnittserweiterung 62 der Ventilbohrung 51 vorgesehen, in welcher ein koaxial zum Ventilglied 52 ange ordneter, als Ring aus piezokeramischen Material ausge bildeter Steller 63 vorgesehen ist. Der Ring 63 kann über Zuführungsleitungen 64, 65 an eine Betriebsspannung gelegt werden.Approximately in the middle of the axial extension of the valve member 52 , a cross-sectional widening 62 of the valve bore 51 is provided, in which a coaxial to the valve member 52 is arranged, provided as a ring made of piezoceramic material actuator 63 is provided. The ring 63 can be connected to an operating voltage via supply lines 64 , 65 .

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung arbeitet folgendermaßen:The arrangement shown in FIG. 3 works as follows:

Wird an die Zuführungsleitungen 64, 65 eine Betriebspannung angelegt, so verringert sich der Innendurchmesser des piezo elektrischen Ringes 63. Durch die Kontraktion wird das Ven tilglied 52 eingeklemmt, so daß eine Bewegung des Ventil gliedes 52 in der Bohrung 51 ausgeschlossen ist. In der Ein laßbohrung 55 kann sich nun ein hoher Druck aufbauen, ohne daß das Ventilglied 52 von der Sitzfläche 54 abgehoben wird. Erst wenn die Betriebsspannung des Ringes 63 abgeschaltet wird und somit die Klemmkraftwirkung aufgehoben wird, kann der in der Einlaßbohrung 55 herrschende Druck das Ventil glied 52 gegen die Kraft der Druckfeder 59 von seinem Sitz abheben. Die beim Bewegungsvorgang des Ventilgliedes 52 er reichbare Geschwindigkeit - d.h. also die erreichbare Stell zeit - hängt nur noch von der Masse des Ventilgliedes 52 ab. Zur Erreichung einer möglichst geringen Stellzeit wird das Ventilglied 52 möglichst massearm ausgeführt. In diesem Aus führungsbeispiel erzeugt das durch das Ventilglied 52 zu steuernde Medium in der Einlaßbohrung 55 selbst die Stell kraft zur Öffnungsbewegung des Ventilgliedes 52. If an operating voltage is applied to the supply lines 64 , 65 , the inner diameter of the piezoelectric ring 63 is reduced. By contraction, the Ven valve member 52 is clamped so that movement of the valve member 52 in the bore 51 is excluded. In the laßbohrung 55 can now build up a high pressure without the valve member 52 is lifted from the seat 54 . Only when the operating voltage of the ring 63 is switched off and thus the clamping force effect is released, the pressure prevailing in the inlet bore 55 can lift the valve member 52 against the force of the compression spring 59 from its seat. The attainable speed during the movement of the valve member 52 - that is, the achievable actuating time - depends only on the mass of the valve member 52 . In order to achieve the shortest possible actuating time, the valve member 52 is designed with as little mass as possible. In this exemplary embodiment, the medium to be controlled by the valve member 52 in the inlet bore 55 itself generates the actuating force for the opening movement of the valve member 52 .

Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Klemm kraft symmetrisch auf den Kolben 12, 32 bzw. das Ventil glied 52 wirkt. Die symmetrische Kraftverteilung in Ver bindung mit der sich über den gesamten Umfang des Kolbens 12, 32 bzw. des Ventilgliedes 52 erstreckende druckbeauf schlagte Fläche hat eine hohe Klemmkraft bei geringen Ar beitshüben der Piezokeramik 23, 35, 63 zur Folge. Nach Auslösung des Umschaltvorgangs wird das bewegliche Teil 12, 32, 52 an seinem gesamten Außenumfang gleichzeitig freigegeben, so daß die Gleitreibung zwischen dem sich in Bewegung setzenden Teil 12, 32, 52 und dem Steller 23, 63 bzw. zwischen dem Steller 35 und der Innenwandung der Bohrung 31 extrem schnell auf vernachlässigbare geringe Werte absinkt. Dies trägt zum Erreichen kurzer Schalt zeiten bei.All embodiments have in common that the clamping force acts symmetrically on the piston 12 , 32 or the valve member 52 . The symmetrical distribution of force in connection with the pressure surface which extends over the entire circumference of the piston 12 , 32 or the valve member 52 has a high clamping force with low ar beitshüben the piezoceramic 23 , 35 , 63 result. After triggering the switching process, the movable part 12 , 32 , 52 is released simultaneously on its entire outer circumference, so that the sliding friction between the moving part 12 , 32 , 52 and the actuator 23 , 63 or between the actuator 35 and the Inner wall of the bore 31 drops extremely quickly to negligible low values. This helps to achieve short switching times.

Eine Erhöhung der Klemmkraft in den beiden Ausführungsbei spielen gemäß den Fig. 1 und 3 läßt sich durch Vergrö ßerung der Klemmflächen zwischen dem Kolben 12 bzw. dem Ventilglied 52 und dem Ring 23, 63 mittels Querschnitts erweiterungen beider zusammenwirkender Teile 12, 23 und 52, 63 erreichen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 kann zu diesem Zweck eine Querschnittserweiterung im Bereich des Stellers 35 in der Bohrung 31 vorgenommen werden. Eine Beschränkung der Querschnittserweiterung auf nur einen Teil der axialen Erstreckung verbindet den Vorteil der Erhöhung der Klemmfläche mit einer nur gerin gen Erhöhung der Masse.An increase of the clamping force in the two Ausführungsbei play shown in FIGS. 1 and 3 can be carried-magnified of the clamping surfaces between the piston 12 and the valve member 52 and the ring 23, 63 by means of the cross-section extensions of both of cooperating parts 12, 23 and 52, Reach 63 . In the exemplary embodiment according to FIG. 2, a cross-sectional expansion can also be carried out in the area of the actuator 35 in the bore 31 for this purpose. A limitation of the cross-sectional expansion to only a part of the axial extent combines the advantage of increasing the clamping area with only a slight increase in mass.

Claims

1. Electrically controllable actuating device with a tightly and slidingly guided in a bore, from a preferably generated by pressurization of a actuating force generated by a medium displaceable piston with a piezoelectric actuator, a clamping force on the piston until switching on or off an operating voltage exercises and prevents its movement, characterized in that at least one actuator ( 23 , 63 ) acts on almost the entire circumference of the piston ( 12 , 52 ).

2. Setting device according to claim 1, characterized in that the actuator ( 23 , 63 ) is at least one ring made of piezoelectric material.

3. Electrically controllable actuating device with a tightly and slidingly guided in a bore, displaceable by an actuating force generated preferably by pressurization through a medium, piston with a piezoelectric actuator, which prevents the movement of the piston until an operating voltage is switched on or off, characterized in that at least one actuator ( 35 ) acts on almost the entire circumference of the bore ( 31 ).

4. Setting device according to claim 3, characterized in that the actuator ( 35 ) is part of the piston ( 32 ).

5. Adjusting device according to claim 3, characterized in that the actuator ( 35 ) with the piston ( 32 ) is identical.

6. Adjusting device according to claim 1 or 2, characterized in that the piston ( 12 , 52 ) in the region of the axial extent of the actuator ( 23 , 63 ) has a cross-sectional expansion.

7. Actuating device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the bore ( 31 ) in the region of the axial extent of the actuator ( 35 ) has a cross-sectional extension.

8. Actuating device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the piston ( 12 , 32 , 52 ) is movable in particular against the force of a compression spring ( 59 ) from the pressure-generating medium.

9. Actuating device according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one end face ( 53 ) of the piston ( 52 ) cooperates with a hollow cone-shaped seat surface ( 54 ) tapering in particular in the closing movement direction of a valve.

10. Actuating device according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one adjusting element ( 21 , 42 ) is provided for transmitting the piston movement into an area outside the bore ( 11 , 31 , 51 ).

11. Adjusting device according to one of claims 1 to 10, there characterized in that the pressurizing the Actuating medium that generates by means of the piston movement medium to be controlled.