DE4228214A1

DE4228214A1 - Linearhebel-wegtransformator fuer den piezoelektrischen aktor eines einlassventils

Info

Publication number: DE4228214A1
Application number: DE4228214A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-08-25
Publication date: 1993-04-01

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wegtransformator für den piezoelektrischen Aktor eines Einlaßventils, insbesondere eines Kraftstoff-Einspritzventils in einem Kfz-Motor.

Der Durchsatz eines geöffneten Ventils ist durch dessen klein sten Durchströmungsquerschnitt bestimmt. Bei kleiner Ventilbau größe, d. h. bei kleinem Umfang der beispielsweise zylinderför migen Öffnungsfläche muß daher die Höhe der Mantellinie der Öffnungsfläche groß werden. Diese Höhe wird durch den Nadelhub des Ventils definiert. Für Kfz-Kraftstoff-Einspritzventile gilt beispielsweise: Durchmesser der Dichtfläche der Ventilnadel = 1 . . . 6 mm, Nadelhub = 50 . . . 200 µm.

Piezoelektrische Aktoren erreichen typischerweise eine Auslen kung von 1000 ppm ihrer Länge. Mit einer aus Gründen der An sprechzeit und der Kosten sinnvollen Aktorlänge von < 20 mm sind die für solche Ventile notwendigen Auslenkungen nicht zu erreichen. Daher muß eine Transformation von der Auslenkung des Aktors auf den notwendigen Nadelhub derart durchgeführt werden. Die Mittel dazu müssen so beschaffen sein, daß eine kompakte Bauform gewährleistet ist. Hierfür kommen lineare Hebel oder hydraulische Kammern in Frage, wie sie aus Lehrbüchern hinrein chend bekannt sind.

Herkömmliche Konstruktionen für lineare Hebel für die Anwendung in Ventilen weisen folgende Nachteile auf:

- Das erforderliche Gelenk des Hebels hat ein relativ großes Spiel, wodurch ein Teil der Aktorauslenkung nicht für die Transformation genutzt werden kann;
- die Hebelabmessungen sind relativ zu groß, wodurch die Masse groß ist und die erste Biegeresonanz des Hebels zu niedrig liegt;
- die relativ zu langen Hebel sind für die Übertragung der für Ventilanwendungen notwendigen Kräfte zu nachgiebig, wodurch das erreichbare Transformationsverhältnis herabgesetzt wird.

Herkömmliche Konstruktionen von hydraulischen Transformatoren für die Anwendung in Ventilen weisen folgende Nachteile auf:

- Es besteht die Notwendigkeit für einen Flüssigkeitsnachschub;
- die Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit setzt bei den üblichen Kammervolumina den Transformations-Wirkungsgrad zu stark herab;
- Nachgiebigkeiten in der Hydraulikkammer wirken sich wie die Kompressibilität nachteilig auf den Wirkungsgrad aus;
- es liegen zu große bewegte Massen vor.

Es sind bereits verschiedene Transformations-Prinzipien vorge schlagen worden, die entweder mit einem linearen Hebel oder mit einer hydraulischen Kammer arbeien, jedoch die zuvor genannten Nachteile aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wegtransformator der eingangs genannten Art und gemäß dem Ober begriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der eine kompakte Bauweise mit kleinen bewegten Massen und hohem Transformations- Wirkungsgrad gestattet und dessen Herstellungskosten niedrig sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Linearhebel-Wegtransformator nach Patentanspruch 1, 6 oder 7 vorgeschlagen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist ein optimaler linearer Hebel für die Trans formation der Aktorauslenkung auf den notwendigen Nadelhub vor gesehen, der praktisch kein Spiel (< 3 µm) und keine Rückstell kräfte im Gelenk sowie keine Durchbiegung unter Last aufweist.

Im folgenden wird die Erfidnung anhand mehrerer Figuren im ein zelnen beschrieben, die jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele betreffen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsge mäßen linearen Hebels mit einem Gelenk, das durch eine Material-Einschnürung realisiert ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsge mäßen linearen Hebels mit einem Gelenk, das durch ein walzenförmiges Lager realisiert ist.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Einzelheit des erfindungsgemäßen linearen Hebels, die eine vorteilhafte Anordnung eines Widerlagers mit punktueller Belastung nahe an dem Gelenk veranschaulicht, welches Widerlager mittels einer Spannschraube vorgespannt ist.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Einzelheit des erfindungsgemäßen linearen Hebels, die eine vorteilhafte Anordnung eines Widerlagers mit punktueller Belastung nahe an dem Gelenk veranschaulicht, welches Widerlager mittels zweiter Spannbleche vorgespannt ist.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungs beispiels des erfindungsgemäßen Hebels mit externem Gelenk, der die Form eines Doppel-T-Profils aufweist, in Längsschnitt- und Querschnittsansicht.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hebels mit einem internen Gelenk, der mittels einer Fügetechnik herge stellt ist.

Fig. 1 zeigt, wie bereits erläutert, eine schematische Darstel lung eines erfindungsgemäßen linearen Hebels 1 mit einem Gelenk 2, das durch eine Material-Einschnürung realisiert ist.

Ein Piezoaktor 3 greift in Nähe des Gelenks 2 an den erfin dungsgemäßen Hebel 1 an, dessen kurzer Hebelteil von einer Hal terung 4 in der gezeigten Weise eingespannt ist und dessen lan ger Hebelteil auf eine Nadel 5 des zu betätigenden Ventils (nicht gezeigt) einwirkt. Das (interne) Gelenk 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Material-Einschnürung reali siert. Die Einschnürung besitzt eine Weite von 0.05 < w < 1 mm, vorzugsweise 0.1 < w < 0.35 mm und eine Restdicke von 0.1 < d < 2,5 mm, vorzugsweise 0.5 < d < 1.2 mm.

Fig. 2 zeigt, wie bereits erläutert, eine schematische Darstel lung eines erfindungsgemäßen linearen Hebels 6 gemäß einem wei teren Ausführungsbeispiel mit einem (externen) Gelenk, das durch walzenförmige Lager realisiert ist. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel ist jeweils ein walzenförmiger Körper aus einem hochbelastbaren Material mit niedriger Nachgiebigkeit in kreis bogenförmige Vertiefungen in dem Hebel 6 und in einem Widerla ger angebracht. Der Hebel 6 wird gegen das als Halterung 7 fun gierende Widerlager gedrückt. Der Piezoaktor 3 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel auf den Walzenkörper auf der der Halterung 7 abgewandten Seite des Hebels 6. In beiden Ausführungsformen muß der Hebel in der Nähe des Gelenks (im Falle des Hebels 1) bzw. an Walzenlager (im Falle des Hebels 6) mit möglichst ge ringer Nachgiebigkeit des Widerlagers gehalten werden, vergl. Fig. 3 bzw. Fig. 4.

Der Aktoransatzpunkt ist in beiden Fällen durch ein Walzenlager realisiert, wobei, wie bereits ausgeführt, ein walzenförmiger Körper aus einem hochbelastbaren Material mit niedriger Nach giebigkeit in einer kreisbogenförmigen Vertiefung in dem Hebel und in einer kreisbogenförmigen Vertiefung in dem Aktor bzw. in einer Auflage auf dem Aktor angebracht ist, vergl. Fig. 1 u. Fig. 2, und wobei der Aktor gegen den Hebel gedrückt wird. Für den Fall, daß das Gelenk entsprechend Fig. 2 ausgeführt ist, drückt der Aktor 3 gegen den Hebel 6 und damit diesen gegen das Widerlager. Aufgrund der kreisbogenförmigen Vertiefungen kann der Hebel nicht seitlich ausweichen.

Der Abstand x zwischen Aktoransatzpunkt und Gelenk (im Falle des Hebels 1) bzw. zwischen den beiden Walzenlagern (im Falle des Hebels 6) beträgt 0.4 < x < 9 mm und wird in Abhängigkeit von der Hebelbauform so gewählt, daß die auf den Aktor wirken den Kräfte minimal, das tatsächlich erreichte Transformations verhältnis dagegen maximal wird. Für typische Anwendungen gilt 1.2 < x < 4 mm.

Durch die Baulänge des Hebels wird ein geometrischer Transfor mationsfaktor T von 2 < T < 30 erreicht.

Für den Hebel werden leichte Materialien hoher Festigkeit (Elastizitätsmodul < 5×10¹⁰ N/m2) verwendet, z. B. Leichtme talle, faserverstärkte Kunststoffe, Verbundwerkstoffe.

Fig. 3 zeigt, wie bereits erläutert, eine schematische Darstel lung einer Einzelheit des erfindungsgemäßen linearen Hebels, die eine vorteilhafte Anordnung eines Widerlagers 8 mit punktu eller Belastung nahe an dem Gelenk veranschaulicht, welches Wi derlager 8 mittels einer Spannschraube 9 vorgespannt ist.

Fig. 4 zeigt, wie bereits erläutert, eine schematische Darstel lung einer Einzelheit des erfindungsgemäßen linearen Hebels, die eine vorteilhafte Anordnung eines Widerlagers mit punktuel ler Belastung nahe an dem Gelenk veranschaulicht, welches Wi derlager mittels zweiter Spannbleche 10, 10 vorgespannt ist.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hebels mit externem Gelenk, der die Form eines Doppel-T-profils aufweist, in Längsschnitt- und Querschnittansicht. Gemäß diesem Ausführungs beispiel hat der Hebel 11 eine Form, die die Übertragung hoher Stellkräfte am Hebelende erlaubt, ohne daß die Verbiegung bei der maximal notwendigen Kraft mehr als 70% der theoretisch mög lichen Endauslenkung ausmacht. Die maximale Stellkraft wird nur zu Beginn der Bewegung benötigt, wo die Auslenkung eine unter geordnete Rolle spielt. Die Form des Hebels 11 ist zudem so ge wählt, daß seine Eigenresonanzfrequenz bei Werten über 1000 Hz liegt, z. B. über die Höhe des Steges oder die Wand stärken im Doppel-T, um kurze Ansprechzeiten zu gewährleisten.

Die Form des Hebels ist so optimiert, daß seine Masse minimal ist, z. B. durch eine konische Form zum Hebelende hin.

Die Material-Einschnürung (im Falle des Hebels 1) kann durch spanende Bearbeitung oder Abtragen von Material durch Erodie rung erzielt werden.

Die Material-Einschnürung kann jedoch auch durch Zusammenfügen mehrerer Bauteile erzielt werden (vergl. Fig. 6), und zwar durch eine Fügetechnik, wie z. B. Kleben, Schweißen, Löten.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hebels mit einem internen Gelenk, der mittels einer derartigen Fügetechnik her gestellt ist. Der Hebel 12 besteht aus einem ersten Hebelteil 12 ₁, einem zweiten Hebelteil 12₂ und einem dritten Hebelteil 12 ₃, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Hebelteil einer seits und dem dritten Hebelteil andererseits Fügeflächen 13 ₁ bzw. 13 ₂ liegen und wobei das Gelenk zwischen dem ersten und dem zweiten Hebelteil ausgebildet ist.

Die relativ kleinen Auslenkungen des Aktors verursachen bei ei nem Abstand des Aktoransatzpunktes zum Gelenk von z. B. 2 mm eine Abknickung im Gelenk von 0.6°, wodurch die Materialbela stung im Falle des internen Gelenks in erlaubten Bereichen bleibt und ein Ermüdungsbruch nicht zu früh erwartet werden muß. Die Materialbelastungen sind je nach gewählter Form für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 niedriger als für das Aus führungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Claims

1. Linearhebel-Wegtransformator für den piezoelektrischen Aktor eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils in einem Kfz-Motor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linearhebel (1) mit einem Gelenk (2) vorgesehen ist, das durch eine Material-Einschnürung realisiert ist (internes Gelenk gemäß Fig. 1).

2. Linearhebel-Wegtransformator nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einschnürung eine Weite von 0.05 < w < 1 mm, vorzugsweise 0.1 < w < 0.35 mm, und eine Restdicke von 0.1 < d < 2,5 mm, vorzugsweise 0.5 < d < 1.2 mm, aufweist.

3. Linearhebel-Wegtransformator nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einschnürung durch spanen de Bearbeitung erzeugt ist.

4. Linearhebel-Wegtransformator nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einschnürung durch Materi al-Abtragung durch Erodierung erzeugt ist.

5. Linearhebel-Wegtransformator nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einschnürung durch Zusam menfügen mehrerer Bauteile (12 ₁, 12 ₂, 12 ₃) erzeugt ist.

6. Linearhebel-Wegtransformator für den piezoelektrischen Aktor eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils in einem Kfz-Motor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linearhebel (6) mit einem Gelenk vorgesehen ist, das durch ein Walzenlager realisiert ist (externes Gelenk gemäß Fig. 2), wobei jeweils ein walzenförmiger Körper, der aus einem hochbelastbaren Material mit niedriger Nachgiebigkeit be steht, in kreisbogenförmige Vertiefungen in dem Linearhebel (6) und in einem Widerlager (7) angebracht ist und der Line arhebel (6) gegen das Widerlager (7) gedrückt ist.

7. Linearhebel-Wegtransformator für den piezoelektrischen Ak tor eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils in einem Kfz-Motor, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linearhebel (11) mit einem externen Gelenk (Fig. 5) vorgesehen ist, der eine Doppel-T-Form aufweist, die die Übertragung hoher Stellkräfte an dem betreffenden Hebelende erlaubt, ohne daß die Verbiegung bei der maximal notwendi gen Kraft mehr als 70% der theoretisch möglichen Endauslen kung ausmacht.

8. Linearhebel-Wegtransformator nach Anspruch 6 oder 7, da durch gekennzeichnet, daß ein Aktoransatz punkt durch ein Walzenlager realisiert ist, wobei jeweils ein walzenförmiger Körper aus einem hochbelastbaren Mate rial mit niedriger Nachgiebigkeit in kreisbogenförmigen Vertiefungen in dem Linearhebel und in dem Aktor oder einer Auflage auf dem Aktor angebracht ist (Fig. 2 oder Fig. 4) und der Aktor über den betreffenden walzenförmigen Körper gegen den Linearhebel gedrückt ist.

9. Linearhebel-Wegtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand x zwischen Aktoransatzpunkt und Gelenk oder zwi schen den beiden Walzenlagern 0.4 < x < 9 mm beträgt und in Abhängigkeit von der Hebelbauform so gewählt ist, daß die auf den Aktor wirkenden Kräfte minimal, das tatsächlich erreichte Transformationsverhältnis dagegen maximal ist.

10. Linearhebel-Wegtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß leichte Materialien hoher Festigkeit (Elastizitätsmodul < 5×10¹⁰ N/m2), z. B. Leichtmetalle, faserverstärkte Kunst stoffe, Verbundwerkstoffe, verwendet sind.

11. Linearhebel-Wegtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelform derart gewählt, daß die Eigenresonanzfrequenz des Linearhebels bei Werten über 1000 Hz liegt, um kurze Ansprechzeiten zu gewährleisten.

12. Linearhebel-Wegtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelform dahingehend optimiert ist, daß die Masse minimal ist, beispielsweise durch eine konische Form zum Hebelende hin.