DE4406522C1

DE4406522C1 - Elektrohydraulisches Antriebselement

Info

Publication number: DE4406522C1
Application number: DE19944406522
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Phys Kappel; Randolf Dipl Phys Dr Mock; Hans Dipl Phys Dr Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2014-03-01

Description

Für die elektromechanische Energiewandlung lassen sich insbe sondere elektromagnetische, thermomechanische, thermohydrau lische, piezoelektrische, elektrostriktive und magnetostrik tive Effekte nutzen. Entsprechende Wandler stehen in den un terschiedlichsten Bauformen zur Verfügung. Um die mit solchen Wandlern erzeugten Stellwege und Stellkräfte sinnvoll nutzen zu können, ist oftmals eine mechanische Übertragungsanpassung erforderlich. Dies gilt in besonderem Maße für die auf pie zoelektrischen, elektrostriktiven und magnetostriktiven Mate rialien basierenden Aktoren, die hohe Energiedichten und sehr gute elektromechanische Wandlungswirkungsgrade aufweisen. Wandler dieser Art besitzen einen kompakten Aufbau und gute dynamische Eigenschaften. Mit ihnen lassen sich auch große Stellkräfte erzeugen, wobei die erreichbaren Stellwege aller dings nur sehr klein sind und typischerweise in der Größen ordnung Δl/l = 1 × 10^-3 (l: Aktorlänge) liegen. Hinsichtlich vieler Anwendungen besteht daher eine mechanische Fehlanpas sung, die es zu beseitigen gilt, wenn man diesen Aktoren wei tere Anwendungsfelder erschließen will.

In elektromagnetischen Antrieben verwendet man vielfach He belsysteme oder Getriebe, um die mechanische Übertragungsan passung zu bewerkstelligen. Bekannt sind auch Lösungsansätze, die sich einer hydraulischen Weg-/Kraftübersetzung bedienen (siehe beispielsweise die der WO 93/06625 A1 entsprechende EP-A-477 400). Die allen bekannten Ausführungsformen anhaf tenden Nachteile, wie große bewegte Massen und Resonanzer scheinungen bei Hebelsystemen oder Kavitation, Undichtig keiten und asymmetrisches Schaltverhalten bei hydraulischen Systemen sowie die damit einhergehenden Einbußen an Dynamik, Temperaturstabilität, Betriebsfrequenz und Zuverlässigkeit erwiesen sich als so gravierend, daß derartige Antriebe bisher keine kommerzielle Bedeutung erlangt haben.

Aus der DE 37 42 241 A1 ist ein Einspritzventil bekannt, das einen piezoelektrischen Aktor als Antriebselement und einen auf einen Ventilkörper wirkenden Hubtransformator enthält. Der der Übersetzung des vom Aktor erzeugten Stellweges die nende Hubtransformator besteht im wesentlichen aus zwei un terschiedlich großen, in zylindrischen Bohrungen axialver schiebbar gelagerten Kolben und mehreren mit Hydrauliköl ge füllten Gehäusekammern, die über Kanäle oder Ringspalte paar weise miteinander in Verbindung stehen. Da der den Ventilkör per tragende Kolben in einer axialen Bohrung des vom Aktor angetriebenen größeren Kolbens geführt ist, hat jede Ver schiebung eines der Kolben eine dem Hubübersetzungsverhältnis proportionale bzw. umgekehrt proportionale Verschiebung des jeweils anderen Kolbens in der entgegengesetzten Richtung zur Folge.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Antriebselements, das eine Transformation des Primäraktorstellwegs und der Pri märaktorkraft über einen weiten Bereich ermöglicht und gleichzeitig gute dynamische Eigenschaften aufweist. Außerdem soll das Antriebselement eine hohe Betriebszuverlässigkeit besitzen, innerhalb eines großen Temperaturbereichs arbeiten können sowie einfach und kompakt aufgebaut sein. Diese Auf gaben werden erfindungsgemäß durch elektrohydraulische An triebselemente gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst.

Die Erfindung ermöglicht den Bau vom Kraftstoff-Einspitzven tilen, die auch bei hohen Betriebsfrequenzen f < 500 Hz Öff nungs- und Schließzeiten im Bereich von τ < 0,1 ms erreichen. Mit diesen Ventilen lassen sich daher auch kleinste Kraftstoffmengen exakt und reproduzierbar dosieren. Außerdem gewährleisten die sehr kurzen Öffnungs- und Schließzeiten ei nen definierten Strahlaufbau- und -abriß.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun gen und Ausgestaltungen der im folgenden anhand der Zeichnun gen erläuterten Erfindung. Hierbei zeigt

Fig. 1 und 2 elektrohydraulische Antriebselemente für Kraft stoff-Einspritzventile;

Fig. 3 mögliche Ausführungsformen des in den Antriebselemen ten verwendeten Aktors;

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Antriebselemente.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Antriebsele ments für ein schnelles Kraftstoff-Einspritzventil mit einem auf einen hydraulischen Hubtransformator (DK, HK, SF, KT) wirkenden elektromechanischen Aktor P. Zur Erzeugung relativ großer Primärhübe bei moderaten Betriebsspannungen eignen sich piezoelektrische Multilayerstacks in besonderer Weise, da sie relative Längenänderungen von etwa Δl/l = 1 × 10^-3 bei Antriebskräften von typischerweise F = 100 bis 10 000 N ermöglichen.

Bedingt durch die hohe mechanische Steifigkeit der piezoelek trischen Sinterkörper liegt deren elektromechanische Resonanz im Bereich von 10 bis 1000 kHz, so daß sich Ansprechzeiten von etwa 0,001 bis 0,1 ms prinzipiell erzielen lassen. Die im praktischen Betrieb realisierbaren Ansprechzeiten sind aller dings größer und hängen unter anderem von der elektrischen Ansteuerung und Beschaltung des Piezostacks sowie von der Größe der bewegten Massen ab. Da die elektrische Kapazität C_P des Piezostacks typischerweise im Bereich von etwa C_P = 1 bis 10 µF liegt und der Innenwiderstand R_i der dem Stack zu geordneten Spannungsquelle etwa R_i = 1 bis 10 Ohm beträgt, ergeben sich für die durch τ = C_P × R_i definierte Ladezeit konstante Werte von etwa τ = 1 bis 10 µs. Die Ansprechzeiten des Piezostacks liegen also um 1 bis 2 Größenordnungen unter denen vergleichbarer elektromagnetischer Antriebe, was in Verbindung mit einem kompakten Ventilaufbau und kleinen be wegten Massen extrem kurze Ventilöffnungs- und Ventil schließzeiten ermöglicht.

Weitere Elemente des Antriebs sind der in einer Bohrung des Ventilgehäuses VG axialverschiebbar angeordnete Druckkolben DK, der auf den Ventilstößel KT und die Spiralfeder SF wir kende, in einer zylindrischen Bohrung ZY des Druckkolbens DK spielpassend gelagerte Hubkolben HK, die Tellerfeder TF, der Anschlag AG, die O-Ring-Dichtung OR, die elektrische Span nungsdurchführung LD und das druckerhaltende Element AV.

Die Einspritzung des über die Zuleitung Z herangeführten Kraftstoffs in einen nicht dargestellten Motorraum erfolgt durch Abheben des Ventilstößels KT von dem mit VD bezeichne ten Dichtsitz. Dies geschieht durch elektrische Ansteuerung des Aktors P, dessen axiale Längenänderung Δl_P sich auf den spielpassend eingebauten Druckkolben DK überträgt. Dessen Verschiebung nach oben hat in der mit einer Hydraulikflüssig keit gefüllten Kammer KA1 einen Überdruck, in den ebenfalls mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten und durch eine Bohrung B1 strömungstechnisch verbundenen Kammern KA2 und KA3 hingegen eine Druckerniedrigung zur Folge. Übersteigen die durch die Druckdifferenz zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 auf den Hubkolben HK ausgeübten hydraulischen Kräfte die Schließkraft der in der Kammer KA3 angeordneten Spiralfeder SF, so bewegt sich der Hubkolben HK nach unten, hebt damit den Ventilstößel KT vom Dichtsitz VD ab und der Einspritzvorgang beginnt. Beendet wird die Kraftstoffeinspritzung durch die elektrische Entladung des sich am Gehäuseboden abstützenden Piezoaktors P. Infolge der damit einhergehenden Kontraktion des Aktors P bewegt sich der Druckkolben DK unter dem Zwang der von einer starken Tellerfeder TF ausgeübten Rückstell kraft und der zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 bestehen den Druckdifferenz wieder nach unten. Unterstützt durch die Spiralfeder SF führen der Hubkolben HK und der Ventilstößel KT demzufolge eine gegenläufige Bewegung nach oben aus, wo durch der O-Ring-gedichtete Ventilstößel KT die Abspritzöff nung wieder verschließt.

Die transiente Arbeitsweise des Ventils macht es erforder lich, den Piezoaktor p mechanisch vorzuspannen. Die dazu not wendige Federkraft erzeugt man mit Hilfe der in der Kammer KA1 angeordneten Tellerfeder, die auch die Rückführung des Druckkolbens DK in seiner Ruhelage unterstützt. Um den Flüs sigkeitsaustausch zwischen dem von der Tellerfeder TF, dem äußeren Bereich der Druckkolbenoberseite AD1 und dem Ventil gehäuse VG eingeschlossenen Volumen und der oberen Hydrau likkammer KA1 nicht zu behindern, ist die Druckkolbenobersei te AD1 mit Kanälen SK versehen. Der mit AG bezeichnete An schlag soll sicherstellen, daß der Ventilstößel KT bei nicht elongiertem Aktor P eine definierte Ausgangsstellung ein nimmt.

Im Vergleich zu einer rein mechanischen Übersetzung des Ak torhubes erlaubt der hydraulische Hubtransformator einen sehr kompakten rotationssymmetrischen Aufbau, große Übersetzungs verhältnisse und die Übertragung sehr großer Kräfte. Aufgrund der kleinen bewegten Massen weist er auch ein gutes dynami sches Verhalten auf. Ein solcher Antrieb ist bei Verwendung geeigneter Hydraulikflüssigkeiten äußerst betriebssicher und weitgehend wartungsfrei. Zudem ermöglicht die hydraulische Kraftübertragung die Integration eines adaptiven Toleranzaus gleichs, der das System unanfällig macht gegenüber den durch Temperatur, Druck, Vibrationen usw. hervorgerufenen Drifter scheinungen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Antriebselement handelt es sich im wesentlichen um zwei gekoppelte hydraulische Hub transformatoren, wobei das Übersetzungsverhältnis η₁ des obe ren Hubtransformators durch den Quotienten η₁ = (AD1/AH1) der Fläche AD1 der Druckkolbenoberseite und der Fläche AH1 der Hubkolbenoberseite gegeben ist. Ändert der Aktor P sein Vo lumen trotz einer Längenänderung Δl_P nicht, so berechnet sich das Hubübersetzungsverhältnis η₂ des unteren hydraulischen Transformators in entsprechender Weise aus dem Quotienten η₂ = AD2/AH2) der Fläche AD2 der Druckkolbenunterseite und der Fläche AH2 der Hubkolbenunterseite. Ein in guter Näherung vo lumeninvariantes Verhalten zeigen piezoelektrische, elek trostriktive, magnetostriktive oder elektromagnetische Akto ren.

Falls der Aktor P einer der Längenänderung Δl_P proportionale Volumenänderung ΔV_P erfährt, kann man ihm eine effektiv wirk same Aktoroberfläche AP = (ΔV_P/Δl_P) zuschreiben. In diesem Fall ergibt sich das Hubübersetzungsverhältnis η₂ des unteren hydraulischen Transformators durch den Quotienten aus der um den Aktorbeitrag AP reduzierten Fläche AD2 der Druckkolbenun terseite zur Fläche AH2 der Hubkolbenunterseite, d. h. η₂ = ((AD2 - AP)/AH2).

Aufgrund der hydraulischen Kopplung bauen sich bei jeder Län genänderung des Aktors P komplementäre Drücke in den Kammern KA1 und KA2/KA3 auf. Eine Verschiebung des Hubkolbens HK nach oben führt daher zu einer Druckerhöhung in der Kammer KA1 bzw. zu einer Druckerniedrigung in den Kammern KA2 und KA3. Übersteigen die durch die Druckdifferenz zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 auf den Hubkolben HK ausgeübten hydraulischen Kräfte die Schließkraft der Spiralfeder SF, so erfolgt eine der Druckkolbenverschiebung entgegengesetzte und entsprechend der hydraulischen Übersetzung vergrößerte Bewegung des Hub kolbens HK mit dem daran befestigten Ventilstößel KT. Eine aktive Rückstellung des Ventilstößels KT erfolgt in entspre chender Weise bei Kontraktion des Aktors P (Druckerhöhung in den Kammern KA2 und KA3, Druckerniedrigung in der Kammer KA1)
Im Idealfall sollten oberes und unteres Hubtransformations verhältnis identisch sein (η₁ = η₂), was sich durch eine ent sprechende Auslegung der Druck- und Hubkolbenflächen immer erreichen läßt. So ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Aus führungsbeispiel die untere Druckkolbenfläche AD2 gegenüber der oberen Druckkolbenfläche AD1 aufgrund der stufigen Aus führung des Druckkolbens DK vergrößert, um der durch die Querschnittsfläche des Ventilstößels KT reduzierten Hubkolbe noberfläche AH1 Rechnung zu tragen. Um Kompressionseffekte in der ringförmigen Kammer RV zu vermeiden, ist diese über eine Bohrung B2 mit einem unter Überdruck stehenden Ausgleichsvo lumen AV verbunden. Eine solche Verbindung hat außerdem den Vorteil, daß sie temperaturabhängige Driften kompensiert und Kavitation verhindert.

Aufgrund der Kompressibilität hydraulischer Medien und der Nachgiebigkeit des Ventilgehäuses VG und der Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) ist eine eingeschränkte Funk tion des Antriebselements aber auch dann noch gegeben, wenn die Bedingung η₁ = η₂ nur näherungsweise gilt.

Ein symmetrisches Schaltverhalten und sehr kurze Schaltzeiten lassen sich insbesondere dann erreichen, wenn das obere und das untere hydraulische System eine möglichst hohe und iden tische Eigenfrequenz

besitzen. In dieser Formel bezeichnet c (N/m) die aus den Kammervolumina KA1, KA2, KA3 in Verbindung mit dem Hydraulikfluid und der Nachgiebigkeit des Ventilgehäuses VG resultierende hydraulische Steifigkeit und m (kg) die angekoppelte bewegte Masse. Der Antrieb ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor P selbst in ei ner der druckübertragenden Hydraulikkammern angeordnet ist.

Um eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit des Antriebs zu gewährleisten. Sind die Hydraulikkammern KA1, KA2, KA3, RV sowohl untereinander als auch über die zwischen den Kolben und den entsprechenden Zylinderbohrungen vorhandenen Kapil larspalte KS mit einem Druckölanschluß ÖL oder dem unter Über druck stehenden Ausgleichsvolumen AV verbunden. Temperaturbe dingte Volumenänderungen der Hydraulikflüssigkeit können da her weder zur Ausbildung statischer Differenzdrücke zwischen den Kammern KA1 und KA2/KA3 (dies hätte undefinierte Stellun gen des Ventilstößels KT zur Folge), noch zur Ausbildung un definierter Druckzustände im gesamten System führen. Die Ver bindung mit dem Druckölanschluß ÖL bzw. mit dem Ausgleichsvo lumen AV stellt die vorteilhafterweise im Bereich des ring förmigen Kanals RV angeordnete Gehäusebohrung B2 her. Wie schon oben erläutert, soll die Verbindung mit dem Aus gleichsvolumen AV

1. die Temperaturabhängigkeit des Antriebs gewährleisten,
2. Kavitation im gesamten hydraulischen System unterdrücken und
3. Kompressionseffekte der in dem ringförmigen Volumen RV eingeschlossenen Flüssigkeit bei Verschiebung des Druck kolbens DK verhindern.

Zur Gewährleistung dieser verschiedenen Funktionen können statt eines einzigen ohne weiteres auch mehrere verteilt an gebrachte Ausgleichsvolumina vorgesehen sein. Als Ausgleichs volumina AV eignen sich beispielsweise sogenannte Hydrospei cher, die man auch in das Ventilgehäuse VG integrieren kann.

Um die quasistatische Funktion des Antriebs durch die oben genannten Maßnahmen nicht unzulässig zu beeinträchtigen, muß man die Viskosität der verwendeten Hydraulikflüssigkeit und die Strömungswiderstände der Kapillarspalte KS so aufeinander abstimmen, daß die angestrebten Betätigungsdauern im relevan ten Arbeitstemperaturbereich in jedem Fall gewährleistet sind. Ein großer Strömungswiderstand stellt sich ein, wenn man die Zuführungsbohrung B2 wie bei dem in Fig. 1 darge stellten Ausführungsbeispiel im Bereich der Druckkolbendicht fläche vorsieht. Sie kann prinzipiell aber auch in jedem an deren Bereich des Ventilgehäuses angebracht sein, sofern durch Strömungswiderstände in Form von Blenden, Spalten, Drosseln, Verengungen usw. sichergestellt ist, daß zwischen der im Ventilgehäuse VG eingeschlossenen und der im Aus gleichsvolumen AV vorhandenen Hydraulikflüssigkeit bzw. zwi schen den Flüssigkeiten der einzelnen Kammern KA1, KA2, KA3 und RV nur vergleichsweise langsame Ausgleichsvorgänge stattfinden können. Gegebenenfalls sind die verschiedenen Vo lumina bzw. Kammern soweit gegeneinander abzudichten, daß man die geforderten Betätigungsdauern erreicht und die Tem peraturunabhängigkeit des Antriebs weiterhin gegeben ist. Zur temperaturabhängigen Verringerung der Spaltströmungen ist es auch möglich, das Ventilgehäuse VG und die Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) so aus Materialien mit unter schiedlichen thermischen Volumen- /Längenausdehnungskoeffizienten herzustellen, daß sich die Spaltbreiten mit zunehmender Temperatur verringern und sich demzufolge die entsprechenden Strömungswiderstände erhöhen. Derartige temperaturgesteuerte Strömungswiderstände können auch als diskrete Bauelemente realisiert und zu den obenge nannten Zwecken in die entsprechenden Bohrungen oder Leitun gen eingefügt werden.

Eine andere Möglichkeit die quasistatischen Betätigungsdauern zu verlängern besteht darin, den die Stößelbewegung be grenzenden Anschlag AG als Dichtsitz auszuführen und ihn in den Bereich der zylindrischen Bohrung ZY innerhalb des Druck kolbens DK zu verlagern. In den Ansteuerungspausen findet der beschriebene Toleranzausgleich dann über die Kapillarspalte KS statt. Bei angesteuertem Aktor P wird durch das Aufsetzen der vorzugsweise als Ventilteller gestalteten Hubkolbenend fläche auf den als Dichtsitz fungierenden Anschlag das obere gegen das untere Kammersystem verstärkt abgedichtet, was die Druckausgleichsvorgänge verlangsamt und die Betätigungsdauern entsprechend erhöht.

Um den Ventilstößel KT, den Druckkolben DK und den Hubkolben HK abzudichten, kann man bei Bedarf auf konventionelle Dicht elemente wie beispielsweise O-Ringe, Kolbenringe, Membranen usw. zurückgreifen.

Im Unterschied zu bekannten vergleichbaren hydraulischen Sy stemen weist das erfindungsgemäße Antriebselement wesentliche Vorteile auf. Bei gleicher Baugröße führt die durch den sym metrischen komplementären Antrieb mögliche Verdopplung der Kolbenflächen zu einer Halbierung der Kammerdrücke. Verlust mechanismen, die beispielsweise durch das Nachgeben des Ven tilgehäuses VG oder aufgrund der Kompressibilität der Hy draulikflüssigkeit auftreten, sind damit deutlich reduziert. Grundsätzlich besteht damit die Möglichkeit, den Antrieb weiter zu verkleinern. Das Antriebskonzept erlaubt ein symme trisches kavitationsfreies Schalten mit sehr kurzen Schalt zeiten, äußerst geringen Totzeiten und hohen Betätigungsfre quenzen. Weiterhin zeichnet sich der Antrieb aufgrund seines einfachen und kompakten Aufbaus und des großen Arbeitstempe raturbereichs durch eine hohe Betriebszuverlässigkeit aus. Hierzu trägt auch der Umstand bei, daß der Aktor P hermetisch gekapselt in einer der Hydraulikkammern angeordnet ist. Eine optimale Abfuhr der Wärmeverluste und ein optimaler Schutz gegen Umwelteinflüsse sind daher gewährleistet. Das Antriebs system ist auch weitgehend abgeschlossen, da man die elektri schen Anschlüsse L des Aktors P durch eine druckdichte elek trisch isolierende Leitungsdurchführung LD nach außen führt.

Das erfindungsgemäße Antriebselement ist universell einsetz bar, da es sich insbesondere auch zum Antreiben von Pumpen oder zur Betätigung von Ventilen jeder Art eignet. Einige weitere Ausführungsformen werden im folgenden vorgestellt.

Fig. 2 zeigt, wie sich unter Beibehaltung aller Eigenschaften des oben beschriebenen Systems die Bewegungsrichtung der Kol benstange KT gegenüber dem Gehäuse VG bei Elongation des Ak tors P umkehren läßt. Hierzu weist der Aktor P eine Bohrung BP auf, durch die man die Kolbenstange KT führt. Da die durch die Bohrung BP gebildete Kammer KA4 mit den Kammern KA3 und KA2 über Bohrungen B1 bzw. B3 fluidisch verbunden ist, wirken sich Druckänderungen in einer der Kammern KA2, KA3, KA4 auch gleichzeitig in den jeweils anderen Kammern KA2, KA3, KA4 aus. Eine Elongation des Aktors P führt auf die schon be schriebene Weise zu einer Druckerhöhung in der Kammer KA1 und zu einer Druckerniedrigung in den Kammern KA2, KA3 und KA4, was bei Überschreitung der Federschließkraft eine hubüber setzte Kolbenstangenbewegung hervorruft.

Neben der Verwendung von ringförmigen Aktoren P (s. Fig. 2) oder von Aktoren mit durchgehender Mittelbohrung (s. Fig. 3a) ist es auch möglich, den Aktor P aus mehreren Einzelaktoren (P1, P2 . . . Pn) aufzubauen (s. Fig. 3b und Fig. 3c).

Zur Umsetzung der in den einzelnen Kammern erzeugten Druck differenzen und Volumenänderungen in translatorische oder rotatorische Bewegungen können nach entsprechender Modifika tion die aus dem Bereich der Hydraulik bekannten Elemente wie Hydromotoren, Pumpen, Differentialkolben, usw. verwendet werden. Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungs beispiele sind demgemäß lediglich als repräsentativ für der artige Elemente anzusehen. Insbesondere sind auch die Anbrin gung, Anordnung und Ausführung der Federn und Anschläge sowie die Art und Weise der Abdichtung in weiten Grenzen variabel und den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen.

Sehr universelle Einsatzmöglichkeiten ergeben sich durch die räumliche Trennung des druckerzeugenden Elements (Druckzylinder DZ) vom Arbeitszylinder (AZ), welcher den Hub kolben HK und die Kolbenstange KT1 enthält. Wie Fig. 4 zeigt, werden dazu das obere und das untere Hydraulikkammervolumen KA1 und KA2 des Druckzylinders DZ über externe Bohrungen DÖ1, DÖ2 und Rohrleitungen RL1, RL2 mit dem entsprechende Zufüh rungsbohrungen AÖ1 und AÖ2 aufweisenden Arbeitszylinder AZ verbunden. Die Verbindungen RL1 und RL2 können auch durch Gehäusebohrungen realisiert werden. Idealerweise sollte auch hier das Hubübersetzungsverhältnis für die oberen Kammern KA1 und KA4 mit dem der unteren Kammern KA2 und KA3 identisch sein, also η₁ = η₂ gelten. Diese Bedingung kann man auf die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Weise sicherstellen. Wesent liche Merkmale auch dieser Antriebe sind die Erzeugung kom plementärer Drücke in den Kammern KA1 und KA2 und der mit ih nen verbundenen Volumina KA4 bzw. KA3 im Arbeitszylinder AZ bei Längenänderung des Aktors P sowie die Anordnung des Ak tors P in einer der Hydraulikkammern.

Der in Fig. 4 dargestellte Arbeitszylinder AZ ermöglicht eine Bewegung des Hubkolbens HK und der Kolbenstange KT vom An schlag AG weg, sofern die aufgrund der Elongation des Aktors P in den Kammern KA1/KA4 und KA2/KA3 erzeugten komplementären Drücke die von der Feder SF ausgeübte Schließkraft überstei gen. Die Gleichheit der hydraulischen Hubübersetzungsver hältnisse für das obere und das untere System wird hierbei durch die stufige Ausführung des Druckkolbens DK erreicht (AD1 < AD2).

Aufgrund des symmetrischen Aufbaus des in Fig. 5 dargestellten Antriebselements (AH1 = AH2, AD1 = AD2) ist die Gleichheit der Hubübertragungsverhältnisse von vornherein gegeben. Die stu fige Ausgestaltung der Kolben kann somit entfallen. Im Gegen satz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist die Ruhelage der Kolbenstange KT hier jedoch durch die Gleichgewichtslage zweier gegensinnig wirkender Federn SF1 und SF2 definiert. Der Arbeitszylinders AZ entspricht in seiner Funktion damit einem Differentialkolben, wobei die Kolbenstange KT bezüglich ihrer statischen Ruhelage Bewegungen in beiden Richtungen ausführen kann.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschrie benen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispiels weise auch möglich, die Hydraulikkammern mit einem plastisch verformbaren Medium (Fett, Gummi) zu füllen.

Claims

1. Elektrohydraulisches Antriebselement mit den folgenden Merkmalen:

1.1 Ein Druckkolben (DK) ist in einer Bohrung eines ersten Ge häuses (VG) axialverschiebbar angeordnet, wobei
- 1.1.1 der Druckkolben (DK) und die Gehäusebohrung eine erste (KA1) und eine zweite Kammer (KA2) bilden und
- 1.1.2 die erste (KA1) und die zweite Kammer (KA2) jeweils mit einem Hydraulikmedium gefüllt sind;
1.2. auf den Druckkolben (DK) wirkt ein in der zweiten Kammer (KA2) angeordneter Aktor (P), dessen axiale Ausdehnung sich steuerbar ändern läßt;
1.3. ein Hubkolben (KH) ist in einer Bohrung (ZY) des Druckkol bens (DK) axialverschiebbar angeordnet, wobei
- 1.3.1 der Hubkolben (HK) auf ein gedichtet aus dem Gehäuse (VG) geführtes Stellelement (KT) und ein Rückstellelement (SF) wirkt,
- 1.3.2 der Hubkolben (HK) und die Druckkolbenbohrung (ZY) ei ne mit dem Hydraulikmedium gefüllte dritte Kammer (KA3) bilden und
- 1.3.3 die dritte Kammer (KA3) mit der zweiten Kammer (KA2) in Verbindung steht;
1.4. die druckwirksamen Flächen des Druckkolbens (DK) und des Hubkolbens (HK) genügen zumindest näherungsweise der Be dingung (AD1/AH1) ≈ ((AD2 - AP)/AH2),wobei AD2 und AH2 die druckwirksamen aktorseitigen Flächen des Druck- bzw. Hubkolbens (DK, HK), AD1 und AH1 die der ersten Kammer (KA1) zugewandten Flächen des Druck- bzw. Hubkolbens (DK, HK) bezeichnen und die Größe AP durchAP:= (ΔV_P/Δl_P)Δl_P: Längenänderung des Aktors (P)
ΔV_P: die sich aufgrund der Längenänderung Δl_P ergebende Volumenänderung des Aktors (P)
definiert ist.

2. Elektrohydraulisches Antriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückstellelement in der dritten Kammer (KA3) angeord net und als Schließfeder (SF) ausgebildet ist.

3. Elektrohydraulisches Antriebselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (P) eine eine vierte Kammer (KA4) bildende Boh rung (BP) aufweist, daß die mit dem Hydraulikmedium gefüllte vierte Kammer (KA4) mit der dritten Kammer (KA3) in Verbin dung steht und daß das Stellelement (KT) durch die vierte Kammer (KA4) aus dem Gehäuse (VG) gedichtet nach außen ge führt ist.

4. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Stellelements (KT) durch einen An schlag (AG) begrenzt ist.

5. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine die zweite und die dritte Kammer (KA2, KA3) verbindende Druckkolbenbohrung (B1).

6. Elektrohydraulisches Antriebselement mit den folgenden Merkmalen:

6.1. Ein Druckkolben (DK) ist in einer ersten Bohrung eines er sten Gehäuses (DZ) axialverschiebbar angeordnet, wobei
- 6.1.1 der Druckkolben (DK) und die erste Bohrung eine erste und eine zweite Kammer (KA1, KA2) bilden und
- 6.1.2 die erste und die zweite Kammer (KA1, KA2) jeweils mit einem Hydraulikmedium gefüllt sind;
6.2. auf den Druckkolben (DK) wirkt ein in der zweiten Kammer (KA2) angeordneter Aktor (P), dessen axiale Ausdehnung sich steuerbar ändern läßt;
6.3. ein Hubkolben (HK) ist in einer zweiten Bohrung eines zweiten Gehäuses (AZ) axialverschiebbar angeordnet, wobei
- 6.3.1 der Hubkolben (HK) auf mindestens ein gedichtet aus dem zweiten Gehäuse (AZ) geführtes erstes Stellelement (KT1) und mindestens ein erstes Rückstellelement (SF1) wirkt,
- 6.3.2 der Hubkolben (HK) und die zweite Bohrung eine jeweils mit dem Hydraulikmedium gefüllte dritte und vierte Kammer (KA3, KA4) bilden und
- 6.3.3 die erste Kammer (KA1) mit der vierten Kammer (KA4) und die zweite Kammer (KA2) mit der dritten Kammer (KA3) in Verbindung steht;
6.4. die druckwirksamen Flächen des Druck- und Hubkolbens (DK, HK) genügen zumindest näherungsweise der Bedingung (AD1/AH1) ≈ ((AD2 - AP)/AH2)wobei AD1 die der ersten Kammer (KA1) zugewandte Fläche des Druckkolbens (DK), AD2 die druckwirksame aktorseitige Fläche des Druckkolbens (DK), AH1 die der vierten Kammer (KA4) zugewandte Fläche des Hubkolbens (HK) und AH2 die der dritten Kammer (KA3) zugewandte Fläche des Hubkolbens (HK) bezeichnet und die Größe AP durchAP:= (ΔV_P/Δl_P)Δl_P: Längenänderung des Aktors (P)
ΔV_P: die sich aufgrund der Längenänderung Δl_P
ergebende Volumenänderung des Aktors (P)
definiert ist.

7. Elektrohydraulisches Antriebselement nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Hubkolben (HK) auf ein zweites Stellglied (KT2) und ein zweites Rückstellelement (SF2) wirkt, wobei das zweite Stellglied (KT2) spiegelsymmetrisch zum ersten Stellglied (KT1) angeordnet und gedichtet aus dem zweiten Gehäuse (AZ) nach außen geführt ist.

8. Elektrohydraulisches Antriebselement nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellelemente (SF1, SF2) im Arbeitszylinder (AZ) symmetrisch bezüglich des Hubkolbens (HK) angeordnet sind.

9. Elektrohydraulisches Antriebselement nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen die axiale Verschiebung des Hubkolbens begrenzenden An schlag (AG).

10. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (DK) stufig ausgebildet ist.

11. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck- und/oder der Hubkolben (DK, HK) spielpassend eingebaut sind.

12. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Kolben (DK, HK) und der entsprechenden Ge häusebohrung jeweils ein Kapillarspalt (KS) vorhanden ist.

13. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein auf den Druckkolben (DK) wirkendes Federelement (TF).

14. Elektrohydraulisches Antriebselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (TF) in der ersten Kammer (KA1) angeord net ist.

15. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gehäuse (VG) im Bereich einer Seitenfläche des Druckkolbens (DK) eine mit einem Druckspeicher (AV) verbundene zweite Bohrung (B2) aufweist.

16. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Aktor (P) oder einen Aktor (P) mit Mittel bohrung.

17. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der An sprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Aktor (P) aus mehreren Elementen (P1, P2, P3) zusammensetzt.

18. Elektrohydraulisches Antriebselement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen, elektrostriktiven, magnetostriktiven oder elektromagnetischen Aktor (P).