DE4136007C2 - Vorrichtung zur Verstärkung des Hubes eines Piezostellgliedes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung des Hubes eines Pie­ zostellgliedes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise in Stoßdämpfern mit verstellbarer Dämpfungskraft eingesetzt.

Ein Beispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Verstärkung des Hubes eines Piezostellgliedes in einem Stoßdämpfer mit verstellbarer Dämpfung wird in JP 61-85210 A beschrieben. Zur näheren Erläuterung dieses Standes der Technik soll bereits hier auf Fig. 1 der Zeichnungen Bezug genommen werden.

Wenn eine bestimmte Spannung an ein Piezostellglied 23 mit Schichtaufbau angelegt wird, so dehnt sich das Piezostellglied 23 entsprechend der Span­ nung aus. Diese Ausdehnung führt zu einer leichten Verschiebung eines Kol­ bens 25, so daß ein Druck auf eine in einer Kammer 27 eingeschlossene Hy­ draulikflüssigkeit ausgeübt wird. Dieser Druck wirkt über die Hydraulikflüs­ sigkeit auf einen Kolben 19, der hierdurch nach unten verdrängt wird und ein Dämpfungskraft-Steuerventil im Sinne einer Öffnung oder Schließung be­ tätigt. Bei dem oben beschriebenen Mechanismus zur Verstärkung des Hubes des Piezostellgliedes ist die Wirkfläche des Primärkolbens 25, die der Hy­ draulikflüssigkeit ausgesetzt ist, größer als die entsprechende Wirkfläche des Sekundärkolbens 19. Wenn der Primärkolben 25 um einen bestimmten Hub­ weg in Längsrichtung des Piezostellgliedes 23 bewegt wird, ergibt sich des­ halb ein vergrößerter Hubweg des Sekundärkolbens 19.

Da jedoch bei dieser herkömmlichen Vorrichtung die Kolben 25 und 19 je­ weils mit einem O-Ring versehen sind, der den Durchtritt der Hydraulikflüs­ sigkeit durch einen ringförmigen Spalt zwischen dem Primärkolben 25 und dem zugehörigen Zylinder bzw. zwischen dem Sekundärkolben 19 und dem zugehörigen Zylinder verhindert, besteht die Gefahr, daß der Sekundärkol­ ben 19 auch dann, wenn keine Spannung an das Piezostellglied angelegt wird, aufgrund einer thermischen Ausdehnung der in der Kammer 27 einge­ schlossenen Hydraulikflüssigkeit entgegen der elastischen Kraft einer Rück­ holfeder 21 verstellt wird.

Wenn zur Vermeidung dieses Problems der auf dem Sekundärkolben 19 montierte O-Ring entfernt wird, so daß die Hydraulikflüssigkeit bei thermi­ scher Ausdehnung durch den Ringspalt zwischen den Sekundärkolben 19 und dem zugehörigen Zylinder aus der Kammer 27 entweichen kann, besteht die Gefahr, daß der Sekundärkolben 19 auch dann nicht betätigt wird, wenn eine bestimmte Spannung an das Piezostellglied 23 angelegt wird und der Primärkolben 25 einen Druck auf die Hydraulikflüssigkeit in der Kammer 27 ausübt, also, wenn eigentlich eine Abwärtsbewegung des Sekundärkolbens 19 erwünscht ist. Selbst wenn sich der Sekundärkolben 19 geringfügig bewegen sollte, kehrt er nach und nach, innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne von beispielsweise etwa zwei Sekunden in seine Ausgangsstellung zurück.

Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Lösung dieses Problems wird ein impulsförmiges Spannungssignal bestimmter Höhe erneut an das Piezostell­ glied 23 angelegt, um die Kammer 27 wieder mit Hydraulikflüssigkeit zu fül­ len. Diese Verfahren erschwert jedoch die Steuerung und hat zudem den Nachteil, daß sich ein erhöhter Energieverbrauch ergibt.

Idealerweise sollten deshalb Mittel vorhanden sein, die den Fluß der Hydrau­ likflüssigkeit nur dann einschränken, wenn das Piezostellglied erregt ist.

Mittel dieser Art werden in JP 64-26041 A (1989) beschrieben. Gemäß die­ ser Veröffentlichung werden elastische Dichtungselemente wie O-Ringe und Gummiblätter eingesetzt, um den Fluß der Hydraulikflüssigkeit nur dann zu beschränken, wenn der Primärkolben ausgelenkt ist. Diese elastischen Dich­ tungselemente haben jedoch nur eine geringe Haltbarkeit, wenn sie im Öff­ nungs-/Schließ-Bereich eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Gattung zu schaffen, die sich durch eine einfachere Steuerungsmög­ lichkeit und eine größere Haltbarkeit auszeichnet und bei der dennoch ein angemessener Ausgleich der thermischen Volumenänderungen der Hydrau­ likflüssigkeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Ausgleich von thermischen Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit wird durch eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit durch einen Spalt er­ reicht. Der Strömungsdurchsatz einer Hydraulikflüssigkeit durch einen Ring­ spalt ist bekanntlich direkt proportional zur Querschnittsfläche des Ringspal­ tes und umgekehrt proportional zur Länge des Ringspaltes (in Axialrichtung) und zur Viskosität der Hydraulikflüssigkeit. Somit kann im Prinzip jeder der drei Faktoren: Querschnittsfläche des Ringspaltes, Länge des Ringspaltes und Viskosität der Hydraulikflüssigkeit zur Steuerung des Durchsatzes der Hy­ draulikflüssigkeit eingesetzt werden. Anders als bei dem oben beschriebenen Stand der Technik nach der JP 64-26041 A, bei dem der Durchsatz durch Steuerung der Querschnittsfläche des Ringspaltes beeinflußt wird, ist erfin­ dungsgemäß eine Steuerung des Durchsatzes über die Viskosität der Hydrau­ likflüssigkeit vorgesehen. Auf diese Weise kann auf verschleißanfällige elasti­ sche Dichtungselemente wie O-Ringe und dergleichen verzichtet werden, und ein angemessener Ausgleich der thermischen Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit sowie ein präzises Ansprechen der Vorrichtung bei Betä­ tigung des Piezostellgliedes läßt sich mit einfachen Steuerungsmitteln ver­ wirklichen.

Zu diesem Zweck wird eine Hydraulikflüssigkeit verwendet, deren Viskosität sich in Gegenwart eines elektrischen Feldes ändert, und zur Steuerung der Viskosität sind Mittel vorgesehen, mit denen ein auf die Hydraulikflüssigkeit wirkendes elektrisches Feld erzeugt werden kann. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes weist die Hydraulikflüssigkeit eine niedrige Viskosität auf, so daß eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit zum Ausgleich der thermi­ schen Ausdehnung oder Schrumpfung möglich ist.

Wenn eine Erregungsspannung an das Piezostellglied angelegt wird, so kann gleichzeitig das elektrische Feld in der Hydraulikflüssigkeit erzeugt werden, so daß sich deren Viskosität erhöht und der durch das Piezostellglied erzeug­ te Druck sich unverfälscht auf den Stellkolben auswirkt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an­ gegeben.

Bevorzugt ist eine Elektrode in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Strö­ mungskanal für die Hydraulikflüssigkeit angeordnet, und wenn ein Befehl zum Anlegen einer Spannung an das Piezostellglied eintrifft, so wird auch ei­ ne bestimmte Spannung an die Elektrode angelegt, so daß sich die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit in dem Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Zy­ linder erhöht. Auf diese Weise wird die Bewegungsfreiheit der Hydraulikflüs­ sigkeit nur dann eingeschränkt, wenn das Piezostellglied erregt ist.

Bei dem Betrieb der Vorrichtung zur Verstärkung des Hubes des Piezostell­ gliedes wird folglich die in den Zylindern zwischen dem Primärkolben und dem Sekundärkolben eingeschlossene Hydraulikflüssigkeit stets in einem Zu­ stand gehalten, der eine präzise und fehlerfreie Steuerung des Hubes des Se­ kundärkolbens und somit eine präzise Einstellung der Dämpfungskraft des Stoßdämpfers gestattet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Stoßdämpfer mit verstellbarer Dämpfung und mit einer herkömmlichen Vorrichtung zur Ver­ stärkung des Hubes eines Piezostellgliedes;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Stoßdämpfer mit verstellbarer Dämpfung mit einer erfindungsgemaßen Vorrichtung zur Ver­ stärkung des Hubes des Piezostellgliedes;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 2;

Fig. 4A einen Schnitt durch einen Elektrodenbereich einer abgewan­ delten Ausführungsform der Vorrichtung, wobei die Schnittebe­ ne der Linie B-B in Fig. 4B entspricht;

Fig. 4B einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäß dem abgewan­ delten Ausführungsbeispiel;

Fig. 5A einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verstärkungsvorrichtung;

Fig. 5B einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 5A;

Fig. 6A einen Schnitt durch den Elektrodenbereich gemäß einer weite­ ren Ausführungsform der Verstärkungsvorrichtung; und

Fig. 6B einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 6A.

In Fig. 2 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Verstärkung des Hubes eines Piezostellgliedes in einem Stoßdämpfer mit einstellbarer Dämpfung gezeigt.

An der Bodenfläche eines Piezostellgliedes 101 mit Schichtaufbau ist ein Pri­ märkolben 103 montiert.

Wenn im Betrieb eine bestimmte Spannung (beispielsweise 500 V) über ein Kabel 111 an das Piezostellglied 101 angelegt wird, so dehnt sich das Piezo­ stellglied 101 um einen bestimmten Hubweg von beispielsweise 50 µm in seiner Längsrichtung, also in senkrechter Richtung in Fig. 2 aus. Wenn an­ schließend die angelegte Spannung wieder abgeschaltet wird, hat das Piezo­ stellglied 101 die Tendenz, sich wieder auf seine ursprüngliche Länge zu ver­ kürzen.

Diese Rückstelltendenz wird unterstützt durch eine Rückstellfeder 102, die an dem Primärkolben 103 angreift und diesen sowie die Unterseite des Pie­ zostellgliedes 101 nach oben vorspannt. Im Betrieb wird somit der Primär­ kolben 103 innerhalb eines in einem Gehäuse 109 ausgebildeten Zylinders 109a gleitend aufwärts und abwärts bewegt, wenn sich das Piezostellglied 101 ausdehnt und zusammenzieht. Ein Spalt zwischen dem Primärkolben 103 und dem ersten Zylinder 109a wird durch einen an dem Primärkolben angebrachten O-Ring 104 abgedichtet, so daß eine Hydraulikflüssigkeit 107 hermetisch in dem ersten Zylinder 109a eingeschlossen ist.

Ein Sekundärkolben 105 aus elektrisch isolierendem Material ist gleitend verschiebbar in einen zweiten Zylinder 109b (der ebenfalls in dem Gehäuse 109 ausgebildet ist) und einem dritten Zylinder 113a angeordnet, der in ei­ nem axial mit dem zweiten Zylinder 109b ausgerichteten Halter 113 ausge­ bildet ist. In dem Gehäuse 109 weist der zweite Zylinder 109b einen kleine­ ren Durchmesser als der erste Zylinder 109a auf, und der erste Zylinder 109a und der zweite Zylinder 109b sind koaxial miteinander ausgerichtet.

Ein Spalt 109d zwischen dem Sekundärkolben 105 und dem zweiten Zylin­ der 109b hat eine Breite von beispielsweise etwa 30 µm in Radialrichtung des Kolbens 105, so daß die in dem ersten Zylinder 109a enthaltene Hydrau­ likflüssigkeit 107 mit verhältnismäßig geringem Widerstand durch den Spalt 109d hindurchströmen kann, wenn sich die Hydraulikflüssigkeit 107 auf­ grund thermischer Einflüsse ausdehnt oder zusammenzieht. Beim Betrieb der Vorrichtung gemäß Fig. 2 dient der Spalt 109d als Flüssigkeitskanal zum Aus­ gleich von thermischen Volumenänderungen der in dem ersten Zylinder 109a eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit 107.

Andererseits ist gemäß Fig. 2 ein Spalt zwischen dem Sekundärkolben 105 und dem dritten Zylinder 113a durch einen an dem Sekundärkolben 105 an­ gebrachten O-Ring 106 abgedichtet, so daß ein Durchtritt der Hydraulikflüs­ sigkeit 107 durch diesen Spalt verhindert wird. Die Viskosität der Hydraulik­ flüssigkeit 107 ist unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes veränder­ lich. Wenn bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Hydraulikflüs­ sigkeit 107 einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, so nimmt ihre Viskosi­ tät zu. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, füllt die Hydraulikflüssigkeit 107 den er­ sten Zylinder 109a und den zweiten Zylinder 109b in dem Gehäuse 109 aus. Die überschüssige Menge an Hydraulikflüssigkeit 107 wird in einem Reser­ voir 109c aufgenommen, das durch den Spalt 109d zwischen dem Sekundär­ kolben 105 und dem zweiten Zylinder 109d mit dem Inneren des zweiten Zylinders verbunden ist. Das Reservoir 109c wird begrenzt durch das Gehäu­ se 109, den Halter 113 und den Sekundärkolben 105. Der obere Teil des Re­ servoirs ist mit einem geeigneten Gas 110 gefüllt, beispielsweise mit Luft un­ ter Atmosphärendruck, mit Stickstoff unter niedrigem Druck oder derglei­ chen. Im Betrieb dient die Gasfüllung im oberen Teil des Reservoirs 109c als eine Art Druckpolster für den Ausgleich der thermischen Volumenänderun­ gen der Hydraulikflüssigkeit 107.

In die Wände des zweiten Zylinders 109b sind zwei Elektroden (108) einge­ bettet, die ein elektrisches Feld in einem Elektrodenbereich des zweiten Zy­ linders 109b erzeugen, wenn eine Spannung an sie angelegt wird. Im Betrieb ist die in dem Spalt 109d zwischen dem Sekundärkolben 105 und den Wän­ den des zweiten Zylinders 109b enthaltene Hydraulikflüssigkeit den von den Elektroden 108 erzeugten elektrischen Feldern ausgesetzt. Die beiden Elek­ troden 108 bilden somit eine Einrichtung zum Erzeugen eines auf die Hy­ draulikflüssigkeit 107 einwirkenden elektrischen Feldes. Die Anordnung der Elektroden 108 ist in der Querschnittdarstellung gemäß Fig. 3 deutlicher zu erkennen. Der Kolben 105 sowie die Wände des zweiten Zylinders 109b, die sandwichartig zwischen den beiden Elektroden 108 eingeschlossen sind, be­ stehen aus elektrisch isolierendem Material, so daß die Hydraulikflüssigkeit 107 dem von den Elektroden 108 erzeugten elektrischen Feld ausgesetzt ist.

Die Elektroden 108 sind durch Leitungen 123 mit einer geeigneten Span­ nungsquelle verbunden.

Gemäß Fig. 2 ist unter dem Sekundärkolben 105 eine Ventilspindel 114 an­ geordnet, die durch eine Druckfeder 115 nach oben vorgespannt wird, so daß sie in enger Berührung mit der Bodenfläche des Sekundärkolbens 105 steht. Wenn im Betrieb die Ventilspindel in Vertikalrichtung ausgelenkt wird, so wird ein Flüssigkeitskanal 117 eines die Ventilspindel 114 aufnehmenden Ventils 116 geöffnet und geschlossen. Wenn der Flüssigkeitskanal 117 des Ventils 116 geschlossen wird, so ergibt sich eine erhöhte Dämpfungskraft des in Fig. 2 gezeigten Stoßdämpfers, da durch das Ventil 116 verhindert wird, daß das in einer Kammer 100 des Kolbens eingeschlossene Hydrauliköl ein Dämpferventil 118 des Stoßdämpfers umgeht. Wenn dagegen der Flüssig­ keitskanal 117 des Ventils 116 geöffnet ist, so kann das Hydrauliköl das Dämpferventil 118 umgehen, so daß sich eine geringere Dämpfungswirkung des Stoßdämpfers ergibt.

Nachfolgend soll die Wirkungsweise der Vorrichtung zur Verstärkung des Hubweges des Piezostellgliedes näher erläutert werden.

Wenn sich ein Fahrzeug, in das der Stoßdämpfer gemäß Fig. 2 eingebaut ist, auf einer glatten Fahrbahn bewegt, so ist es wünschenswert, die durch den Stoßdämpfer erzeugte Dämpfungswirkung zu erhöhen. In diesem Zustand wird deshalb keine Spannung an das mit dem Piezostellglied 101 des Stoß­ dämpfers verbundene Kabel 111 angelegt, und es wird auch keine Spannung an die beiden Elektroden 108 angelegt, so daß kein elektrisches Feld auf die Hydraulikflüssigkeit 107 in dem Spalt 109d zwischen dem Kolben 105 und den Wänden des zweiten Zylinders 109b wirkt. Die Hydraulikflüssigkeit in dem Spalt 109d behält deshalb eine geringe Viskosität. Wenn sich unter die­ sen Umständen die Umgebungstemperatur ändert, so daß es zu einer ther­ mischen Ausdehnung oder Kontraktion der Hydraulikflüssigkeit 107 kommt, so werden die Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit ausgeglichen, da der Spalt 109d den Durchtritt der niedrigviskosen Hydraulikflüssigkeit 107 kaum behindert. Unter diesen Umständen ist es somit möglich, die in dem ersten Zylinder 109a und 109b enthaltene Hydraulikflüssigkeit 107 konstant unter niedrigem Druck zu halten.

Wenn ein nicht gezeigter Fahrbahnsensor, der an dem mit dem Stoßdämpfer ausgerüsteten Fahrzeug montiert ist, plötzliche Schlaglöcher oder Schwellen in der Fahrbahn feststellt, so erzeugt dieser Sensor unverzüglich ein Signal, durch das die folgenden Vorgänge ausgelöst werden: Eine bestimmte Span­ nung, beispielsweise eine Spannung von einigen hundert Volt, wird umge­ hend an das Piezostellglied 101 angelegt, so daß dieses sich in Längsrichtung ausdehnt und den Primärkolben 103 um einen bestimmten Hubweg L1 von beispielsweise einigen zehn µm in den ersten Zylinder 109a hinein ver­ schiebt. Hierdurch wird ein bestimmter Druck der in dem ersten Zylinder 109a eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit 107 erzeugt. Dieser Druck führt unverzüglich zu einer Abwärtsverschiebung oder Auslenkung des Sekundär­ kolbens 105 um einen bestimmten Hubweg L2. Wenn die der Hydraulikflüs­ sigkeit 107 ausgesetzte Wirkfläche des Primärkolbens 103 mit A1 und die dieser Flüssigkeit ausgesetzte Wirkfläche des Sekundärkolbens 105 mit A2 bezeichnet ist, so gibt das Flächenverhältnis A1/A2 einen Verstärkungsfaktor an, um den der Hubweg L2 des Sekundärkolbens im Verhältnis zum Hubweg L1 des Primärkolbens vergrößert (oder verkleinert) wird. (Die Größen L1, L2, A1 und A2 sind in der Zeichnung nicht dargestellt.)

Aufgrund des oben beschriebenen Effekts ist es möglich, die Auslenkung des Piezostellgliedes in einem gewünschten Ausmaß zu verstärken. Wenn bei­ spielsweise das Flächenverhältnis A1/A2 40/1 beträgt und die Auslenkung L1 des Primärkolbens 103 50 µm beträgt, so ergibt sich für die Auslenkung L2 des Sekundärkolbens 105 ein Wert von etwa 2 mm.

Gleichzeitig mit dem oben beschriebenen Anlegen der Spannung an das Pie­ zostellglied 101 wird auf der Grundlage desselben Signals des Fahrbahnsen­ sors auch eine bestimmte Spannung an die beiden Elektroden 108 in dem Elektrodenbereich des zweiten Zylinders 109b in dem Gehäuse 109 ange­ legt, um bestimmte elektrische Felder in dem zwischen den beiden Elektro­ den 108 eingeschlossenen Gebiet zu erzeugen. Die Hydraulikflüssigkeit 107 in dem Spalt 109d ist den so erzeugten elektrischen Feldern ausgesetzt, so daß ihre Viskosität zunimmt. Hierdurch wird die Strömung der Hydraulik­ flüssigkeit 107 durch den Spalt 109d stark eingeschränkt, so daß die Flüssig­ keit im wesentlichen in dem ersten Zylinder 109a und dem zweiten Zylinder 109b eingeschlossen und unter hohem Druck gehalten wird.

Wenn im Betrieb keine Spannung an die Elektroden 108 angelegt und somit die Hydraulikflüssigkeit 107 in dem Spalt 109d keinem elektrischen Feld ausgesetzt wäre, so würde der Sekundärkolben 105 innerhalb eines relativ kurzen Zeitintervalls, beispielsweise innerhalb von etwa zwei Sekunden, nachdem das Fahrzeug die Schlaglöcher verlassen hat, wieder in die ur­ sprüngliche Position zurückkehren. Wenn dagegen die Hydraulikflüssigkeit 107 in dem Spalt 109d beispielsweise einem elektrischen Feld von 2 kV/mm ausgesetzt wird, so nimmt die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit 107 auf das Zehnfache im Vergleich zum feldfreien Zustand zu. Folglich wird durch das elektrische Feld von 2 kV/mm der Durchsatz der Hydraulikflüssigkeit 107 durch den Spalt 109d bei angelegter Spannung etwa um den Faktor 10 ge­ genüber dem feldfreien Zustand verringert. Infolgedessen benötigt der Se­ kundärkolben 105 eine relativ lange Zeitspanne von etwa 20 Sekunden, bis er in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt ist. Hierdurch wird das Problem vermieden, daß der Sekundärkolben 105 zu schnell in seine Ausgangsstel­ lung zurückkehrt.

Nachdem das Fahrzeug die Schlaglöcher oder Schwellen auf der unebenen Fahrbahn überfahren hat, kann somit der Stoßdämpfer, der mit der oben be­ schriebenen Vorrichtung ausgerüstet ist, seine niedrige Dämpfungskraft bei­ behalten, ohne daß irgendwelche verschleißanfälligen elastischen Elemente benötigt würden und ohne daß eine teure und störanfällige Steuereinheit be­ nötigt würde, mit der zusätzlich eine bestimmte Spannung an das Piezostell­ glied 101 angelegt würde, um die Leckströmung der Hydraulikflüssigkeit 107 durch den Spalt 109d auszugleichen.

Wenn das Fahrzeug den unebenen Fahrbahnabschnitt verlassen hat, so wird die Erregungsspannung für das Piezostellglied 101 des Stoßdämpfers abge­ schaltet, so daß die Dämpfungskraft des Stoßdämpfers wieder erhöht wird. Im einzelnen bewirkt das Abschalten der Spannung, daß sich das Piezostell­ glied 101 wieder zusammenzieht. Diese Tendenz wird durch die Rückstellfe­ der 102 unterstützt. Gleichzeitig beginnt auch der Primärkolben 103 unter der Wirkung einer Druckfeder 112, wieder in seine Ausgangsstellung zurück­ zukehren, so daß der Druck der in dem ersten Zylinder 109a eingeschlosse­ nen Hydraulikflüssigkeit 107 abnimmt. Infolgedessen verringert sich der Druck auf den Sekundärkolben 105 und auf die Ventilspindel 114, so daß auch diese Bauteile unter der Wirkung einer weiteren Druckfeder 115 in ihre Ausgangsstellung zurückkehren. Im Ergebnis wird der Flüssigkeitskanal 117 durch die Ventilspindel 114 verschlossen, so daß das Hydrauliköl des Stoß­ dämpfers das Dämpfungsventil 118 nicht mehr umgehen kann. Hierdurch wird die Erhöhung der Dämpfungskraft des Stoßdämpfers erreicht.

Wenn die Spannung an den Elektroden 108 gleichzeitig mit der Erregungs­ spannung für das Piezostellglied 101 abgeschaltet wird, nimmt die Leckströ­ mung der Hydraulikflüssigkeit 107 durch den Spalt 109d zu, so daß thermi­ sche Volumenänderungen der in dem ersten Zylinder 109a eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit 107 wieder kompensiert werden können.

In der obigen Beschreibung wurde die Wirkungsweise der Vorrichtung zur Verstärkung des Hubweges des Piezostellgliedes in einem Stoßdämpfer mit veränderbarer Dämpfung erläutert. Die beschriebene Vorrichtung zur Ver­ stärkung des Hubweges ist jedoch nicht allein in Verbindung mit Stoßdämp­ fern anwendbar, sondern findet auch bei anderen Einrichtungen Anwendung, beispielsweise bei hydraulischen Steuerventilen für industrielle Anwendun­ gen.

Fig. 4A und 4B zeigen eine erste Abwandlung des Elektrodenbereichs bei dem Stoßdämpfer gemäß Fig. 2 und 3. Die Schnittdarstellung gemäß Fig. 4A entspricht dabei der Darstellung in Fig. 3 zu dem zuvor beschriebenen Aus­ führungsbeispiel.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4A und 4B besteht der Sekundärkolben 121 (der dem Kolben 105 in Fig. 2 entspricht) aus elektrisch leitendem Ma­ terial, so daß eine von zwei Elektroden 121, 120, die den Elektroden 108 bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entsprechen, unmittelbar durch den Sekundärkolben gebildet wird. Die andere Elektrode 120 ist kon­ zentrisch in die Wand des zweiten Zylinders 109b eingebettet, so daß der Spalt zwischen den Elektroden 121, 120 minimiert wird. Dieser Spalt ist so­ mit wesentlich kleiner als der Abstand zwischen den Elektroden 108 in Fig. 2, so daß durch Anlegen einer vergleichweise niedrigen Spannung an die Elektroden 121, 120 ein stärkeres elektrisches Feld in diesem Spalt erzeugt werden kann, das auf die Hydraulikflüssigkeit 107 in diesem Spalt wirkt.

Der Unterschied zwischen den Durchmessern der Außenfläche des Kolbens 121 und der Innenfläche des Zylinders 109b beträgt beispielsweise etwa 30 µm, entsprechend einer Spaltbreite von 15 µm, und eine Isolierschicht auf der Innenfläche des zweiten Zylinders 109b, durch welche die eingebettete Elektrode 120 von der Hydraulikflüssigkeit 107 getrennt wird, hat eine Dicke von 85 µm, so daß der Abstand zwischen der Elektrode 120 und der die Gegenelektrode bildenden Kolbenoberfläche nur etwa 0,1 mm beträgt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4A und 4B kann somit die oben er­ wähnte elektrische Feldstärke von 2 kV/mm erzeugt werden, indem eine Spannung von nur 200 V an die Elektroden 121, 120 angelegt wird. Diese Spannung (200 V), die von einer nicht gezeigten Hochspannungsquelle er­ zeugt wird, entspricht zugleich der Erregungsspannung des Piezostellgliedes 101. Somit ist es möglich, für die Erregung des Piezostellgliedes 101 und für die Elektroden 121, 120 eine gemeinsame Spannungsquelle einzusetzen. Die Elektroden 121, 120 sind mit dieser Spannungsquelle über Leitungsdrähte 124 verbunden, wie in Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Die Kontaktierung der durch die Oberfläche des Sekundärkolbens 121 gebildeten Elektrode erfolgt dabei über den leitenden O-Ring 122.

Als Hydraulikflüssigkeit 107 kann generell auch eine herkömmliche hochvis­ kose, temperaturempfindliche Arbeitsflüssigkeit eingesetzt werden (also eine Arbeitsflüssigkeit, deren Viskosität sich in Abhängigkeit von der Umgebungs­ temperatur ändert), sofern diese konventionelle Arbeitsflüssigkeit in der La­ ge ist, ihre Viskosität innerhalb einer Zeitspanne in der Größenordnung von einigen Millisekunden zu ändern.

Wenn dieselbe Spannung an das Piezostellglied 101 und an die Elektroden 108 oder 121 und 120 angelegt wird (im folgenden soll der Einfachheit hal­ ber für die Elektroden generell das Bezugszeichen 108 verwendet werden), so ist es auch möglich, außer der Hochspannungsquelle auch weitere Schal­ tungskomponenten wie beispielsweise Leitungsdrähte, eine Leistungstransis­ tor-Einheit und dergleichen für das Piezostellglied 101 und die Elektroden 108 gemeinsam zu verwenden, so daß eine beträchtliche Verringerung der Herstellungskosten erreicht wird.

Sofern dagegen die Spannungserregung des Piezostellgliedes 101 und der Elektroden 108 (oder 121, 120) nacheinander erfolgt, wobei zuerst die Span­ nung an die Elektroden 108 angelegt wird, so kann die Leckströmung der Hydraulikflüssigkeit 107 durch den Spalt 109d zwischen dem Kolben 105 (oder 121) und der Innenwand des zweiten Zylinders 109b minimiert wer­ den. Wenn andererseits die Spannung zuerst an das Piezostellglied 101 ange­ legt wird, so läßt sich verhindern, daß das Ansprechverhalten des Stoßdämp­ fers dadurch beeinträchtigt wird, daß sich der viskose Widerstand, der der Expansion des Piezostellgliedes 101 entgegenwirkt, infolge der Zunahme der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit erhöht wird. Durch geeignete Wahl der Reihenfolge, in der die Spannungen an das Piezostellglied 101 und die Elek­ troden 108 angelegt werden, kann somit die Vorrichtung zur Verstärkung des Hubes jeweils an die speziellen Erfordernisse des Gerätes angepaßt wer­ den, in dem diese Vorrichtung eingesetzt wird.

Fig. 5A und 5B zeigen eine weitere Abwandlung des Elektrodenbereichs bei dem Stoßdämpfer mit variabler Dämpfung gemäß Fig. 2. Fig. 5B zeigt dabei einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 5A.

Gemäß Fig. 5A ist das Gehäuse 109 waagerecht orientiert, und die Vertikal­ richtung wird durch einen Pfeil Y angegeben. Das Reservoir 109c für die Hy­ draulikflüssigkeit 107 ist in einem oberen Teil des Gehäuses 109 unterge­ bracht und steht über einen engen Flüssigkeitskanal 109e mit dem Inneren des ersten Zylinders 109a in Verbindung. Thermische Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit 107 in dem ersten Zylinder 109a werden somit da­ durch ausgeglichen, daß ein Tell der Hydraulikflüssigkeit durch den Flüssig­ keitskanal 109e strömt. Im Betrieb kann die Hydraulikflüssigkeit 107 in dem Flüssigkeitskanal 109e elektrischen Feldern ausgesetzt werden, die durch zwei Elektroden 108 erzeugt werden, die einander diametral gegenüberlie­ gend am Umfang des Flüssigkeitskanals 109e angeordnet sind, wie in Fig. 5B zu erkennen ist. Der Spalt zwischen dem Sekundärkolben 105 und dem zweiten Zylinder 109b ist durch einen O-Ring 119 abgedichtet, so daß der zweite Zylinder 109b hermetisch abgeschlossen ist. Abgesehen von den oben beschriebenen Abwandlungen entspricht der Aufbau der Vorrichtung gemäß Fig. 5A und 5B einschließlich des Piezostellgliedes 101 im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 und 3.

Wenn im Betrieb die Spannung gleichzeitig an das Piezostellglied 101 und die Elektroden 108 angelegt wird, so nimmt die Viskosität der Hydraulikflüssig­ keit 107 in dem Flüssigkeitskanal 109e zu, und die Hydraulikflüssigkeit 107 bleibt im wesentlichen in den durch O-Ringe 104 und 119 abgedichteten er­ sten und zweiten Zylindern 109a und 109b eingeschlossen, so daß die Rück­ stellbewegung des Sekundärkolbens 105 weitgehend vermieden wird.

Wenn dagegen keine Spannung an das Piezostellglied 101 angelegt wird, so sind auch die Elektroden 108 spannungslos, und die Hydraulikflüssigkeit 107 kann mit geringem Widerstand durch den Flüssigkeitskanal 109e strömen, so daß temperaturbedingte Volumenänderungen der in den Zylindern 109a, 109b eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit 107 ausgeglichen werden. Da bei diesem Ausführungsbeispiel der Flüssigkeitskanal 109e oberhalb der beiden Zylinder 109a und 109b angeordnet ist, läßt sich verhindern, daß im Betrieb Gas oder Luft in den Zylindern 109a und 109b verbleibt. Andernfalls könnten derartige Gaseinschlüsse in den Zylindern 109a, 109b zu einem Funktionsaus­ fall der Vorrichtung nach Fig. 5A führen.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist es mit dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 5A und 5B möglich, thermische Volumenänderungen der in den Zylindern 109, 109b eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit 107 auszu­ gleichen, das Eindringen von Gas durch den Flüssigkeitskanal 109e in die Zy­ linder 109a, 109b zu verhindern und sicherzustellen, daß der Hub des Piezo­ stellgliedes 101 wirksam und zuverlässig verstärkt wird. Bei der Herstellung ist es deshalb nicht erforderlich, die gegebenenfalls in der Hydraulikflüssig­ keit 107 gelösten Gase zu entfernen und/oder die Zylinder 109a, 109b zu ent­ lüften. Dies führt zu einer beträchtlichen Verringerung der Herstellungsko­ sten.

Wie aus Fig. 5B hervorgeht, ist es auch bei diesem Ausführungsbeispiel mög­ lich, den Abstand zwischen den Elektroden 108 zu minimieren, so daß mit einer vergleichsweise geringen Spannung an den Elektroden 108 ein hinrei­ chend starkes elektrisches Feld erzeugt werden kann.

Darüber hinaus bietet diese Konstruktion die Möglichkeit, die Gestalt und die Position des Flüssigkeitskanals 109e in dem Gehäuse 109 nach Wunsch zu va­ riieren. Der Flüssigkeitskanal kann beispielsweise auch eine relativ kompli­ zierte Form aufweisen, wie in Fig. 6A und 6B gezeigt ist. Der Flüssigkeitskanal ist dort mit dem Bezugszeichen 125 bezeichnet und verläuft spiralförmig oder mäanderförmig in zahlreichen Windungen. Fig. 6B zeigt einen Schnitt durch den Flüssigkeitskanal 125 längs der Linie D-D in Fig. 6A. Wie aus Fig. 6A hervorgeht, ist eine Elektrode 127 eines Elektrodenpaares 126, 127 (das dem Elektrodenpaar 108 in Fig. 2 entspricht) in eine Hälfte 130 des aus iso­ lierendem Material bestehenden Gehäuses 126, 130 eingebettet. Der Flüssig­ keitskanal 125 ist in dem Gehäuse 126, 130 ausgebildet.

Die andere Elektrode 126 des Elektrodenpaares wird durch die andere Hälf­ te 126 des Gehäuses gebildet. Die beiden Gehäusehälften 126, 130 sind bei­ spielsweise in einem Stück hergestellt oder miteinander verklebt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6A und 6B ist die Hydraulikflüssigkeit 107 somit in einem relativ langen Flüssigkeitskanal 125 eingeschlossen und dem durch die Elektroden 126 und 127 erzeugten elektrischen Feld ausgesetzt, wobei die Elektrode 127 eine minimale Wärmekapazität und ein minimales Volumen aufweist. Dies gestattet es, die Hydraulikflüssigkeit unter optimalen Bedingungen in den ersten und zweiten Zylindern 109a, 109b einzuschließen. Die Spannungszufuhr zu den Elektroden 126 und 127 erfolgt gemäß Fig. 6a über Leitungsdrähte 128.

Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist es bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 6A eher möglich, zuerst die Spannung an die Elektroden 126, 127 (die den Elektroden 108 in Fig. 2 entsprechen) anzulegen, um die Leckströmung der Hydraulikflüssigkeit 107 durch den Flüssigkeitskanal 125 zu minimieren. Dies liegt daran, daß hier nicht die Gefahr einer Beeinträchti­ gung des Ansprechverhaltens der Vorrichtung durch die Wirkung des elektri­ schen Feldes auf die Hydraulikflüssigkeit 107 besteht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5A und 5B ist es auch möglich, den engen Flüssigkeitskanal 109e in dem Primärkolben statt im Gehäuse 109 auszubil­ den, um so den Einsatz der Vorrichtung nach Fig. 5A in Stoßdämpfern mit variabler Dämpfung oder dergleichen zu ermöglichen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Verstärkung des Hubes eines Piezostellgliedes (101) mit

• - einem ersten Zylinder (109a),
• - einem gleitend in dem ersten Zylinder (109a) beweglichen Primärkolben (103), der durch das Piezostellglied (101) betätigbar ist, wenn dieses durch Anlegen einer Erregungsspannung expandiert und kontrahiert wird,
• - einem zweiten Zylinder (109b), der einen kleineren Durchmesser als der erste Zylinder (109a) aufweist und mit dem ersten Zylinder (109a) in Verbindung steht,
• - einem gleitend in dem zweiten Zylinder (109b) beweglichen Sekundär­ kolben (105; 121),
• - einem Reservoir (109c), das über einen Flüssigkeitskanal (109d; 109e; 125) mit dem ersten Zylinder (109a) in Verbindung steht, und
• - einer Hydraulikflüssigkeit (107), die den ersten Zylinder (109a) und den zweiten Zylinder (109b) sowie zumindest teilweise das Reservoir (109c) ausfüllt, dadurch gekennzeichnet,
• - daß eine Einrichtung (108; 124; 126,127) zur Erzeugung eines elektri­ schen Feldes in der Hydraulikflüssigkeit (107) in dem Flüssigkeitskanal (109d; 109e; 125) entsprechend der Spannungszufuhr zu dem Piezostell­ glied (101) vorgesehen ist, und
• - daß die Hydraulikflüssigkeit (107) eine in Abhängigkeit von der elektri­ schen Feldstärke veränderliche Viskosität aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüs­ sigkeitskanal (109d) zwischen dem Sekundärkolben (105) und den Wänden eines den Sekundärkolben aufnehmenden Gehäuses (109) ausgebildet ist und daß die Mittel zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine in dem Gehäuse (109) angeordnete Elektrode (108; 124) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reser­ voir (109c) benachbart zu dem ersten Zylinder (109a) angeordnet ist, daß der Flüssigkeitskanal (109e; 125) durch die Wand des ersten Zylinders (109a) verläuft und daß die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Fel­ des eine in der Wand des ersten Zylinders (109a) angeordnete Elektrode (108; 126, 127) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (125) in mehreren Windungen verläuft und daß die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine den Windungen des Flüssigkeitskanals (125) benachbarte Elektrode (126,127) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekun­ därkolben (121) zumindest an seiner Umfangsfläche elektrisch leitend ist und eine Gegenelektrode für die in die Gehäusewand eingebettete Elektrode (124) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekun­ därkolben (121) über einen Dichtungsring (122) aus elektrisch leitendem Material leitend mit der Innenfläche einer den Sekundärkolben aufnehmen­ den Bohrung verbunden ist.