DE4333871C2 - Elektro-hydraulischer Aktuator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro-hydraulischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektro-hydraulische Aktuatoren zur Umwandlung elektrischer in hydro­ mechanische Energie sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt, etwa als Haupt- oder Radbremszylinder von Fahrzeug-Bremssystemen, zur periodischen Druckentlastung von Antiblockiersystemen, als elektrisch an­ getriebene Flüssigkeitspumpen oder in Form von elektro-hydraulischen Stellantrieben. Gemeinsam ist diesen Aktuatoren, daß die elektrische Ein­ gangsenergie zunächst in rein mechanische Arbeitsenergie umgewandelt wird, die dann ihrerseits in eine entsprechende Druck- bzw. Volumenände­ rung der flüssigkeitsgefüllten Arbeitskammer des Aktuators umgesetzt wird. Dies hat zur Folge, daß solche Aktuatoren zumeist unerwünscht hohe Leistungsverluste und einen dementsprechend niedrigen Wirkungsgrad aufweisen, auf niederfrequente Regelgeschwindigkeiten beschränkt sind und/oder eine relativ aufwendige, verschleißanfällige Bauweise besitzen.

Ferner sind aus dem Stand der Technik (DE 41 27 860 A1, DE 93 00 509 U1) Pumpensysteme bekannt, bei denen das negative oder positive Ausdeh­ nungsverhalten von elektrostriktiven Festkörpern in Form von Piezoelemen­ ten zur Förderung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums ausgenutzt wird. Bei einem bekannten Pumpensystem der eingangs genannten Art be­ findet sich in einer von der Förderkammer der Pumpe durch eine Membran getrennten, mit einer konstanten Hydraulikmenge gefüllten Arbeitskammer eine piezoelektrisch beschichtete Folie, die periodisch mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, um so durch eine Dickenänderung der Piezo­ folie eine periodische Volumenvergrößerung der Arbeitskammer und da­ durch auf dem Wege über eine pulsierende Membranbewegung eine Flüssigkeits- oder Gasförderung zu erzeugen. Ein derartiges Pumpensystem ist zwar einem solchen konventioneller Bauart in vielfacher Hinsicht überlegen, besitzt aber den Nachteil, daß die erzielbaren Volumenände­ rungen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Arbeitskammer, äußerst ge­ ring sind, zum einen weil ein Piezoelektrikum bei einer Längendehnung unter dem Einfluß einer elektrischen Spannung eine gegensinnige Querkontraktion erfährt und daher naturgemäß einen sehr niedrigen volumetrischen Ausdehnungsko­ effizienten aufweist, und zum anderen weil die Arbeitskammer nur zum Teil mit der Piezofolie ausgefüllt werden kann, während der restli­ che Teil des Arbeitskammervolumens für die an der elektrisch indu­ zierten Volumenänderung nicht beteiligte Hydraulikfüllung benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektro-hydraulischen Aktuator der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine trägheitsarme, hochfrequente Regelbarkeit und eine sehr einfache, verschleißarme und platzsparende Bauweise besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Aktuator gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Aktuator wird die elektrische Eingangs­ energie auf der Grundlage des positiven oder negativen Ausdehnungs­ verhaltens des elektrostriktiven Fluids auf direktem Wege ohne Zwi­ schenschaltung irgendwelcher mechanisch bewegter Bauelemente in eine als Volumen- und/oder Druckänderung nutzbare Ausgangsenergie des Ak­ tuators umgewandelt, mit dem besonderen Effekt, daß im Vergleich zu dem eingangs geschilderten, piezoelektrischen Pumpensystem deutlich größere Volumenänderungen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Ar­ beitskammer, erzielbar sind, zum einen weil die Arbeitskammer im we­ sentlichen vollständig mit dem elektrostriktiven Medium ausgefüllt ist, und zum anderen weil elektrostriktive Fluide aufgrund der feh­ lenden Querkontraktion einen wesentlich höheren, volumetrischen Aus­ dehnungskoeffizienten als Piezoelektrika erreichen können. Der er­ findungsgemäße Aktuator verfügt über eine äußerst einfache, störun­ anfällige, verlustarme, aber auch platzsparende Bauweise und besitzt eine sehr schnelle Regelbarkeit, die Arbeitsfrequenzen von mehr als 1 KHz ermöglicht.

Das wirksame Druckniveau bzw. Arbeitsvolumen des erfindungsgemäßen Aktuators ist allein durch das an der Elektrodenanordnung anliegende Spannungspotential auf einen innerhalb bestimmter Grenzen beliebigen Wert einregulierbar, so daß zu diesem Zweck die Füllmenge der Ar­ beitskammer nicht geändert werden muß, sondern, wie in weiterer bau­ lich vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 be­ vorzugt, die Arbeitskammer eine vollkommen geschlossene Bauweise mit einer konstanten Füllmenge des elektrostriktiven Fluids besitzen kann.

Die aufgrund des Elektrostriktionseffekts erzeugten Volumenänderun­ gen des Aktuators werden gemäß Anspruch 3 zweckmäßigerweise durch eine bewegliche Begrenzungswand der Arbeitskammer, die nach Anspruch 4 vorzugsweise aus einer flexiblen Membran besteht, nach außen wei­ tergegeben.

Bei Ausbildung des Aktuators als Stellantrieb gemäß Anspruch 5, etwa zur Ventilbetätigung nach Anspruch 6, ist die bewegliche Begren­ zungswand der Arbeitskammer mit dem Stellelement des Stellantriebs gekoppelt. Der Stellweg des Stellelements ist somit nach Maßgabe des an der Elektrodenanordnung anliegenden Spannungsniveaus einstellbar.

Wahlweise oder zusätzlich können die Druck- und/oder Volumenänderun­ gen des elektrostriktiven Fluids aber auch gemäß Anspruch 7 auf bau­ lich einfache Weise an ein von der Arbeitskammer getrenntes Fluid-, vorzugsweise Hydrauliksystem weitergegeben werden, dessen über eine bewegliche Trennwand an die Arbeitskammer des Aktuators angrenzende Hydraulikkammer durch den in der Arbeitskammer erzeugten Elektro­ striktionseffekt selektiv druckbeaufschlagt und -entlastet wird. Nach Anspruch 9 ist die von dem elektrostriktiven Fluid getrennte Hydraulikkammer vorzugsweise die Förderkammer einer Flüssigkeitspum­ pe.

Gemäß einem weiteren, besonders bevorzugten Aspekt wird der erfin­ dungsgemäße Aktuator nach Anspruch 9 zur selektiven Druckregelung eines hydraulischen Bremssystems verwendet, und zwar nach Anspruch 10 in besonders zweckmäßiger Weise zur Bremsdruckabsenkung für den Fall eines drohenden Blockierzustandes der Fahrzeugräder bei einem Antiblockiersystem.

Schließlich empfiehlt es sich nach Anspruch 11, die Elektrodenanord­ nung in der Arbeitskammer aus einer Vielzahl von flächenförmig pa­ rallel zueinander verlaufenden Einzelelektroden wechselweise glei­ cher Spannungspolarität aufzubauen, um so mit einer relativ niedri­ gen Betriebsspannung ein ausreichend starkes, die Arbeitskammer im wesentlichen gleichförmig durchsetzendes elektrisches Feld zu erzeu­ gen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematischer Darstellung:

Fig. 1 einen Schnitt eines elektrostriktiven Aktuators zur Betätigung eines Steuerventils;

Fig. 2a einen Längsschnitt eines elektrostriktiven Aktuators in Verbindung mit einem Pumpensystem;

Fig. 2b einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 2a; und

Fig. 3 einen Schnitt eines elektrostriktiven Aktuators in Verbindung mit einem Antiblockiersystem.

Der in Fig. 1 gezeigte Aktuator 2 enthält eine Arbeitskammer 4 in gekapselter, durch eine bewegliche Begrenzungswand in Form einer flexiblen Membran 6 abgeschlossener Bauweise, die mit einer elektro­ striktiven Flüssigkeit ausgefüllt ist. In der Flüssigkeitsfüllung befindet sich eine Elektrodenanordnung 8, bestehend aus mehreren, gleichförmig zueinander beabstandeten Plattenelektroden 10 zur Er­ zeugung eines die Flüssigkeitsfüllung im wesentlichen gleichförmig durchsetzenden, elektrischen Feldes. Die Plattenelektroden 10 sind wechselweise mit den Anschlußleitungen 12 einer äußeren Spannungs­ quelle (nicht gezeigt) verbunden. An der Membran 6 ist ein Stellele­ ment 14 befestigt, welches zur Betätigung eines Steuerventils 16 vorgesehen und durch eine Druckfeder 18 in der Ventilschließlage ge­ halten wird.

Wird an die Elektrodenanordnung 8 eine äußere Spannung V angelegt, so erfährt die elektrostriktive Flüssigkeitsfüllung unter dem Ein­ fluß des einwirkenden, elektrischen Feldes eine Volumenexpansion, so daß sich das Stellelement 14 nach unten bewegt und das Steuerventil 16 geöffnet wird. Da die Volumenexpansion eine Funktion der elektri­ schen Feldstärke ist, läßt sich das Steuerventil 16 durch entspre­ chende Wahl der Eingangsspannung V sehr genau auf jede beliebige Zwischenstellung einsteuern.

Als Vertreter eines elektrostriktiven Fluids, das unter der Wirkung eines elektrischen Feldes eine Volumenexpansion bzw. Druckerhöhung erfährt (Typ I),sei beispielsweise 1-Pentanol in n-Heptan (mit einem Mol-Anteil von 33%) genannt. Dieses Gemisch ändert sein Volumen um etwa 1 Promille, wenn ein elektrisches Feld von 4 MV/m angelegt wird. Bekanntlich gibt es aber auch elektrostriktive Fluide mit ne­ gativem Ausdehnungsverhalten (Typ II). Zu diesem Fluidtyp gehört beispielsweise Nitrobenzol. Durch Verwendung dieses zweiten Fluid­ typs ließe sich der Aktuator 2 so ausbilden, daß das Steuerventil 16 im spannungslosen Zustand der Elektrodenanordnung 8 vollständig ge­ öffnet und mit zunehmender Eingangsspannung V mehr und mehr zuge­ steuert wird.

Der in Fig. 2 gezeigte Aktuator, dessen dem ersten Ausführungsbei­ spiel entsprechenden Bauelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugs­ zeichen gekennzeichnet sind, ist Bestandteil einer Hydraulikpumpe 20 und in deren mit einem Ein- und einem Auslaßventil 22, 24 versehener Förderkammer 26 angeordnet. Der Aktuator 102 besteht in diesem Fall aus einer zylinderförmigen Arbeitskammer 104 in wiederum gekapselter Bauweise, die zumindest im Bereich des Zylindermantels mit einer flexiblen Begrenzungswand in Form einer Membran 106 versehen ist. Die Arbeitskammer 104 ist mit einer elektrostriktiven Flüssigkeit ausgefüllt, in der sich eine Elektrodenanordnung 108 befindet, die in diesem Fall aus zueinander konzentrischen, gleichförmig über den Arbeitskammerquerschnitt verteilten Ringelektroden 110 (Fig. 2b) besteht, die wiederum mit wechselweise gleicher Spannungspolarität über Anschlußleitungen 112 mit einer äußeren Steuerspannung V be­ aufschlagbar sind.

Die elektrostriktive Flüssigkeitsfüllung ist vorzugsweise vom Typ I, jedoch sind auch Fluide vom Typ II verwendbar. Durch Anlegen einer pulsierenden Steuerspannung V wird die Membran 106 in zyklische Be­ wegungen versetzt. Wegen der sehr schnellen Regelbarkeit des Aktua­ tors (der Elektrostriktionsvorgang läuft in weniger als 1 ms ab) sind hohe Pulsationsfrequenzen in der Größenordnung von 1 KHz er­ reichbar. Unter Berücksichtigung der Kompressibilität des elektro­ striktiven Fluids liegt der erzielbare Differenzdruck und - bei Ver­ nachlässigung der Kompressibilität der Förderflüssigkeit - demzufol­ ge auch der maximale Förderdruck bei etwa 40 bar.

In Fig. 3, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bau­ elemente durch ein um 200 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, ist der Aktuator 202 in Verbindung mit einem Antiblockiersy­ stem im Zuge einer hydraulischen Fahrzeug-Bremsanlage dargestellt, zwischen deren Hauptbremszylinder 28 und deren Radbremszylinder 30 sich eine hydraulische Druckentlastungskammer 32 befindet, die auf Seiten der vom Hauptbremszylinder 28 kommenden Druckzufuhrleitung 34 mit einem federnd in die Schließlage vorgespannten Absperrventil 36 versehen ist. Angrenzend an die Druckentlastungskammer 32 und von dieser durch die Membran 206 getrennt befindet sich die wiederum mit einem elektrostriktiven Fluid vollständig gefüllte und mit einem aus Plattenelektroden 210 bestehenden Elektrodenpaket 208 versehene Ar­ beitskammer 204 des Aktuators 202.

Fig. 3 zeigt die Arbeitskammer 204 im Zustand maximaler Volumenver­ größerung. Das Absperrventil 36 wird durch die Membran 206 über das Stellelement 214 in der Öffnungslage gehalten, so daß der am Haupt­ bremszylinder 28 erzeugte Flüssigkeitsdruck über die Druckentla­ stungskammer 32, deren Volumen in diesem Zustand auf den Minimalwert verkleinert ist, unvermindert auf den Radbremszylinder 30 einwirkt.

Sobald das Antiblockiersystem jedoch anspricht, wird die Steuerspan­ nung V (über einen nicht gezeigten Regelkreis) so verändert, daß die elektrostriktive Flüssigkeit in der Arbeitskammer 204 eine Volumen­ kontraktion durchführt, so daß das Absperrventil 36 von der Membran 206 freigegeben wird und in die Schließlage gelangt, also die Druck­ entlastungskammer 32 und der Radbremszylinder 28 vom Hauptbremszy­ linderdruck abgesperrt werden, und gleichzeitig infolge der Volumen­ kontraktion der Arbeitskammer 204 der Hydraulikdruck in der Druck­ entlastungskammer 32 und damit auch im Radbremszylinder 30 verrin­ gert wird. Durch entsprechende Steuerung der Eingangsspannung V läßt sich eine sehr feinfühlige und rasche Bremsdruckregulierung am Rad­ bremszylinder 30 erreichen.

Das elektrostriktive Fluid ist in diesem Fall vorzugsweise vom Typ II, besitzt also unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes ein negatives Ausdehnungsverhalten, so daß die Bremsdruckanlage bei ei­ nem Spannungsausfall, wenn auch ohne Antiblockierregelung, funk­ tionsfähig bleibt.

Claims (11)

1. Elektro-hydraulischer Aktuator, insbesondere für einen Stell­ antrieb oder ein Pump- oder Bremssystem, mit einer flüssig­ keitsgefüllten Arbeitskammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (4, 104, 204) ein elektrostriktives Fluid enthält und mit einer elektrisch angesteuerten Elektrodenan­ ordnung (8, 108, 208) zur Erzeugung eines auf das Fluid ein­ wirkenden, elektrischen Feldes versehen ist.

2. Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (4, 104, 204) eine gekapselte Bauweise mit einer konstanten Füllmenge des elektrostriktiven Fluids be­ sitzt.

3. Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer (4, 104, 204) mit mindestens einer bei einer Volumenänderung des elektrostriktiven Fluids unter dem Einfluß des elektrischen Feldes bewegten Begrenzungswand (6, 106, 206) versehen ist.

4. Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Begrenzungswand (6, 106, 206) als flexible Mem­ bran ausgebildet ist.

5. Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung für einen Stellantrieb an der beweglichen Be­ grenzungswand (6, 206) ein durch Ansteuerung der Elektrodenan­ ordnung (8, 208) verschiebliches Stellelement (14, 214) vorge­ sehen ist.

6. Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (214) ein Ventilbetätigungselement ist.

7. Elektro-hydraulischer Aktuator nach einem oder vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von der Arbeitskammer (104, 204) durch mindestens eine be­ wegliche Begrenzungswand (106, 206) getrennte und durch diese selektiv druckbeaufschlagte und -entlastete Zusatzkammer (26, 32).

8. Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkammer die Förderkammer (26) eines Pumpensystems ist.

9. Elektro-hydraulischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeits- bzw. die Zusatzkammer (204, 32) im Zuge eines durch Ansteuerung der Elektrodenanordnung (208) selektiv druck­ geregelten, hydraulischen Bremssystems (28, 30, 34) angeordnet ist.

10. Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 9 in Verbindung mit den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzkammer (32) im Zuge eines Antiblockiersystems (28, 30, 34, 36) angeordnet und eingangsseitig mit einem durch das Stellelement (214) betätigten Absperrventil (36) versehen ist.

11. Elektro-hydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (8, 108, 208) aus einer Vielzahl von flächenförmig parallel zueinander verlaufenden, gleichförmig im elektrostriktiven Fluid verteilten Einzelelektroden (10, 110, 210) wechselweise gleicher Spannungspolarität besteht.