EP1525393B1 - Device for transmitting a displacement of an actuator with an elastomer ring - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors mit einem Elastomerring.The invention relates to a device for transmitting a deflection of an actuator with an elastomer ring.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for transmitting a deflection of an actuator according to the preamble of patent claim 1.
Es ist aus dem Bereich der Einspritzventile bekannt, Vorrichtungen zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors einzusetzen. Die Vorrichtung übernimmt dabei beispielsweise die Einstellung eines gewünschten Spieles zwischen dem Aktor und einem anzusteuernden Stellglied. Je nach Ausführungsform der Vorrichtung kann auch eine Übersetzung der Auslenkung des Aktors erreicht werden. Beispielsweise ist es bei piezoelektrischen Aktoren von Vorteil, den relativ geringen Auslenkungshub des piezoelektrischen Aktors zu vergrößern, um beispielsweise ein Schließglied eines Ventils oder eine Einspritznadel anzusteuern.It is known from the field of injection valves to use devices for transmitting a deflection of an actuator. The device takes over, for example, the setting of a desired game between the actuator and an actuator to be controlled. Depending on the embodiment of the device, a translation of the deflection of the actuator can be achieved. For example, in the case of piezoelectric actuators, it is advantageous to increase the relatively small deflection stroke of the piezoelectric actuator in order, for example, to control a closing member of a valve or an injection needle.
Zur Übertragung der Auslenkung sind Übertragerkammern vorgesehen, die von einem ersten und einem zweiten Kolben und einem Gehäuse begrenzt sind. Die Übertragerkammern sind mit einem Übertragungsmedium wie z.B. einem Hydrauliköl gefüllt. Für eine korrekte Funktionsweise der Vorrichtung ist es erforderlich, dass in den Übetragerkammern ein Mindestdruck herrscht. Zu diesem Zweck sind die Übetragerkammern mit einer Ausgleichskammer hydraulisch verbunden. Die Ausgleichskammer dient dazu, eine Volumenänderung der Übetragerkammern auszugleichen und die Übetragerkammern mit einem Übertragermedium mit einem festgelegten Druck zu versorgen. Für eine flexible Gestaltung des Volumens der Ausgleichskammer ist es bekannt, die Ausgleichskammer über eine Metallmembran abzudichten, so dass sich das Volumen der Ausgleichskammer verändern kann. Die Abdichtung mit einer Metallmembran ist jedoch relativ aufwendig und die Metallmembran selbst ist relativ teuer.To transmit the deflection transmission chambers are provided, which are bounded by a first and a second piston and a housing. The transmission chambers are filled with a transmission medium such as a hydraulic oil. For a correct operation of the device, it is necessary that in the Übetragerkammern a minimum pressure prevails. For this purpose, the transfer chambers are hydraulically connected to a compensation chamber. The compensation chamber serves to compensate for a change in volume of Übetragerkammern and supply the Übetragerkammern with a transfer medium with a specified pressure. For a flexible design of the volume of the compensation chamber, it is known to seal the compensation chamber via a metal membrane, so that the volume of the compensation chamber can change. However, the sealing with a metal membrane is relatively expensive and the metal membrane itself is relatively expensive.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors bereitzustellen, deren Übertragermedium an einen Elastomerring angrenzt, der mit einem Spannmittel stabilisiert wird.The object of the invention is to provide a device for transmitting a deflection of an actuator whose transfer medium is adjacent to an elastomeric ring which is stabilized with a tensioning means.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object of the invention is achieved by the device according to the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous developments of the device according to the invention are specified in the dependent claims.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Ausgleichskammer von einem Elastomerring begrenzt ist. Die Verwendung von Elastomer ermöglicht zum einen ein variables Volumen der Ausgleichskammer und zum anderen eine Druckbeaufschlagung des Fluides der Ausgleichskammer. Durch die Verwendung eines Ringes als Elastomer ist es möglich, relativ große Drücke mit Elastomer abzudichten.A significant advantage of the device according to the invention is that the compensation chamber is limited by an elastomeric ring. The use of elastomer allows for a variable volume of the compensation chamber and on the other hand, a pressurization of the fluid of the compensation chamber. By using a ring as elastomer, it is possible to seal relatively large pressures with elastomer.
In einer einfachen Ausführungsform ist der Elastomerring an einer Außenseite mit einer Innenwandung eines Gehäuses und an einer Innenseite mit einer Kolbenstange umlaufend dicht verbunden.In a simple embodiment, the elastomeric ring on one outer side with an inner wall of a housing and on an inner side with a piston rod circumferentially sealed.
In Abhängigkeit von dem verwendeten Herstellungsverfahren ist es vorteilhaft, auf der Außenseite und/oder an der Innenseite des Elastomerringes eine erste bzw. eine zweite Hülse vorzusehen. Die erste, äußere Hülse ist mit der Innenwand des Gehäuses und mit dem Elastomerring umlaufend dicht verbunden. Die zweite, innere Hülse ist mit dem ersten Kolben oder der Kolbenstange und mit dem Elastomerring umlaufend dicht verbunden. Durch die Verwendung der äußeren Hülse kann die Innenwandung des Gehäuses kürzer ausgebildet werden. Zudem muss die Fläche der Innenwandung des Gehäuses nicht für einen Vulkanisierungsprozess, mit dem das Elastomer mit der Innenwandung dicht verbunden werden muss, geeignet sein. Somit ist eine größere Flexibilität bei der Herstellung der Innenwandung gegeben. Zudem kann beispielsweise die äußere Hülse umlaufend dicht mit einer Stirnseite des Gehäuses verbunden werden. Somit ist auch eine erhöhte Flexibilität in Bezug auf den Verbindungsbereich zwischen Gehäuse und Elastomerring gegeben.Depending on the manufacturing method used, it is advantageous to provide a first or a second sleeve on the outside and / or on the inside of the elastomer ring. The first outer sleeve is circumferentially sealed to the inner wall of the housing and to the elastomeric ring. The second, inner sleeve is circumferentially tightly connected to the first piston or the piston rod and the elastomer ring. By using the outer sleeve, the inner wall can the housing are made shorter. In addition, the surface of the inner wall of the housing need not be for a vulcanization process, with which the elastomer must be tightly connected to the inner wall, be suitable. Thus, a greater flexibility in the production of the inner wall is given. In addition, for example, the outer sleeve can be circumferentially tightly connected to a front side of the housing. Thus, there is also an increased flexibility with respect to the connection area between the housing and the elastomer ring.
Die Verwendung der zweiten, inneren Hülse bietet auch die Möglichkeit, die Herstellung des Kolbens bzw. der Kolbenstange unabhängig von der hydraulisch dichten Verbindung mit dem Elastomerring herzustellen. Damit ist auch für die Herstellung der Kolbenstange eine erhöhte Flexibilität gegeben.The use of the second inner sleeve also provides the ability to manufacture the piston or piston rod independently of the hydraulically sealed connection to the elastomeric ring. This is given an increased flexibility for the production of the piston rod.
Zudem ist es möglich, den Vulkanisierungsprozess, mit dem der Elastomerring mit der inneren und der äußeren Hülse umlaufend dicht verbunden wird, unabhängig von dem Gehäuse und dem ersten Kolben auszuführen. Erst nach dem Verbindungsprozeß des Elastomerringes mit der äußeren und der inneren Hülse werden die äußere und die innere Hülse mit dem Gehäuse bzw. mit dem Kolben oder mit der Kolbenstange umlaufend dicht verschweißt. Die erste und die zweite Hülse sind vorzugsweise aus Stahl gefertigt.In addition, it is possible to carry out the vulcanization process with which the elastomeric ring with the inner and the outer sleeve circumferentially tightly connected, regardless of the housing and the first piston. Only after the connection process of the elastomeric ring with the outer and the inner sleeve, the outer and the inner sleeve with the housing or with the piston or with the piston rod circumferentially sealed welded. The first and the second sleeve are preferably made of steel.
Das verwendete Elastomer weist eine Elastizität auf, die jedoch bei hohen Drücken in der Ausgleichskammer oder über einen längeren Zeitraum nachlassen kann. Zur Stabilisierung des Elastomerringes ist vorzugsweise ein Spannmittel vorgesehen, das den Elastomerring von außen mit einer Vorspannung beaufschlagt. Auf diese Weise wird die elastische Funktion des Elastomerringes durch das Spannmittel unterstützt.The elastomer used has an elasticity which, however, can be reduced at high pressures in the compensation chamber or over an extended period of time. To stabilize the elastomeric ring, a tensioning means is preferably provided, which acts on the elastomeric ring from the outside with a bias voltage. In this way, the elastic function of the elastomeric ring is supported by the clamping means.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Spannmittels besteht in der Ausbildung einer Spiralfeder, die zwischen das Elastomer und einer Anlagefläche eingespannt ist, die mit der Kolbenstange fest verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Vorspannung erreicht, die unabhängig von der Position des ersten Kolbens ist.A preferred embodiment of the clamping means consists in the formation of a spiral spring which is clamped between the elastomer and a bearing surface which is fixedly connected to the piston rod. In this way, a bias achieved, which is independent of the position of the first piston.
Für eine wirksame Einleitung der Vorspannung ist es vorteilhaft, ein Druckübertragungsmittel vorzusehen, das die Vorspannung flächig auf den Elastomerring überträgt. Durch die flächige Übertragung wird eine punktuelle Überbelastung des Elastomerringes vermieden.For an effective initiation of the bias, it is advantageous to provide a pressure transmission means which transmits the bias surface on the elastomer ring. Due to the areal transmission, a punctual overloading of the elastomeric ring is avoided.
Vorzugsweise weist das Druckübertragungsmittel die Form eines Ringes auf.Preferably, the pressure transmitting means has the shape of a ring.
Vorzugsweise weist der Ring eine abgestufte Durchführung auf, wobei der Ring an der Kolbenstange geführt ist und zudem mit dem Bereich mit dem größeren Durchmesser auf dem Elastomerring aufliegt. Durch die Führung des Ringes parallel zur Kolbenstange wird die Vorspannkraft gleichmäßig über die gesamte Ringfläche auf den Elastomerring übertragen. Ein Verkippen des Ringes und damit eine nur teilflächige Belastung des Elastomerringes wird durch die Führung entlang der Kolbenstange vermieden.Preferably, the ring has a stepped passage, wherein the ring is guided on the piston rod and also rests with the region with the larger diameter on the elastomer ring. By guiding the ring parallel to the piston rod, the biasing force is transmitted uniformly over the entire annular surface on the elastomer ring. Tilting of the ring and thus only a partial load on the elastomeric ring is avoided by the guide along the piston rod.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Oberfläche des Elastomerringes, auf der das Spannmittel einwirkt, mit einer Schutzschicht zu schützen. Die Funktion der Schutzschicht besteht in einer Reduzierung der Abnutzung der Oberfläche des Elastomerringes. Vorzugsweise ist die Schutzschicht in Form einer Gummischicht ausgebildet, die auf dem Ring aufgebracht ist.Furthermore, it is advantageous to protect the surface of the elastomeric ring on which the clamping means acts with a protective layer. The function of the protective layer is to reduce the wear of the surface of the elastomeric ring. Preferably, the protective layer is in the form of a rubber layer applied to the ring.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines Einspritzventils,
- Fig. 2
- eine Übertragungsvorrichtung,
- Fig. 3
- eine perspektivische Darstellung eines Elastomerringes,
- Fig.
- 4 eine Draufsicht auf einen Druckring und
- Fig. 5
- eine weitere Übertragungsvorrichtung.
- Fig. 1
- a schematic representation of an injection valve,
- Fig. 2
- a transmission device,
- Fig. 3
- a perspective view of an elastomeric ring,
- FIG.
- 4 is a plan view of a pressure ring and
- Fig. 5
- another transmission device.
Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel eines Einspritzventils 1 erläutert. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Übertragungsvorrichtung ist jedoch nicht auf Einspritzventile begrenzt, sondern die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung kann in den verschiedensten technischen Bereichen zur Übertragung einer Auslenkung eines Aktors eingesetzt werden.The invention is explained below using the example of an injection valve 1. However, the application of the transmission device according to the invention is not limited to injectors, but the transmission device according to the invention can be used in a variety of technical fields for transmitting a deflection of an actuator.
Je nach Ausführungsform kann die Übertragungsvorrichtung 3 auch eine Umkehrfunktion aufweisen, so dass bei einer Auslenkung des Aktors 2 in Richtung der Einspritznadel 4 das Stellglied, das mit der Einspritznadel 4 in Wirkverbindung steht, von der Einspritznadel 4 zurückgezogen wird.Depending on the embodiment, the transmission device 3 may also have an inverse function, so that upon a deflection of the
Anstelle der Übersetzungsfunktion kann die Übertragungsvorrichtung 3 auch eine reine Übertragungsfunktion aufweisen, mit der die Auslenkung des Aktors in eine entsprechende Auslenkung der Einspritznadel übertragen wird.Instead of the translation function, the transmission device 3 may also have a pure transfer function, with which the deflection of the actuator is transmitted to a corresponding deflection of the injection needle.
Es ist ein erster Kolben 6 vorgesehen, der eine einseitig offene Hülsenform aufweist. Der hülsenförmige Teil des Kolbens begrenzt eine erste Übertragerkammer 10, in die ein zweiter Kolben 7 geführt ist. Der erste und der zweite Kolben 6, 7 begrenzen die erste Übertragerkammer 10. Der erste Kolben 6 ist wiederum in einer zylinderförmigen Kammer eines Gehäuses 4 geführt, das stirnseitig zum ersten Kolben 1 eine Endfläche 15 aufweist. In der Endfläche 15 ist eine Öffnung 16 eingebracht, durch die eine Kolbenstange des zweiten Kolbens 7 geführt ist. Die Kolbenstange weist einen kleineren Durchmesser als der zweite Kolben 7 auf. Die Kolbenstange geht über einen ringförmigen Absatz in den verbreiterten Durchmesser des zweiten Kolbens 7 über. Zwischen der Endfläche 5, dem Absatz und einer ringförmigen Stirnfläche 17 des ersten Kolbens 6 ist eine zweite Übertragerkammer 11 ausgebildet. Die zweite Übertragerkammer 11 ist über einen ersten Dichtspalt 18, der zwischen einer Seitenwand des zweiten Kolbens 7 und einer Innenwand des ersten Kolbens 6 ausgebildet ist, mit der ersten Übertragerkammer 10 hydraulisch verbunden. Die erste Übertragerkammer 10 wird von einer zweiten Endfläche 19 des ersten Kolbens 6 und einer zweiten Stirnfläche 20 des zweiten Kolbens 7 begrenzt. Der erste Dichtspalt 18 ist eng ausgelegt, so dass kurzzeitige Druckunterschiede nicht ausgeglichen werden. Weiterhin ist die zweite Übertragerkammer 11 über einen zweiten Dichtspalt 21, der zwischen der Außenwand des ersten Kolbens 6 und der Innenwand des Gehäuses 4 ausgebildet ist, mit einer Ausgleichskammer 22 verbunden. Die erste Übertragerkammer 10 ist über eine Bohrung 60, die in den ersten Kolben 6 eingebracht ist, mit der Ausgleichskammer 22 hydraulisch verbunden. Der erste Kolben 6 geht über einen zweiten Absatz in die Kolbenstange 51 über. Die Kolbenstange 51 weist im Wesentlichen eine Zylinderform auf und hat einen geringeren Durchmesser als der erste Kolben 6.It is a
In einer ersten Ausführungsform gemäß
Die Geometrie des Elastomerrings ist in der Weise gewählt, dass der Elastomerring eine ausreichende Elastizität und zugleich eine notwendige Stabilität zur Begrenzung des Druckes der Ausgleichskammer 22 aufweist. Der Elastomerring soll durch seine elastischen Eigenschaften eine Vergrößerung des Volumens in der Ausgleichskammer ermöglichen und zudem eine zu große Druckerhöhung vermeiden.The geometry of the elastomer ring is selected in such a way that the elastomer ring has sufficient elasticity and at the same time a necessary stability for limiting the pressure of the
Die erste und die zweite Übetragerkammer 10, 11 und die Ausgleichskammer sind mit einem Übertragungsfluid gefüllt. Auf diese Weise wird eine Bewegungskopplung zwischen dem ersten und zweiten Kolben 6, 7 erreicht. Wird der erste Kolben 6 tiefer in das Gehäuse 5 durch den Aktor bewegt, so wird der zweite Kolben 7 auch tiefer in das Gehäuse 5 bewegt. Somit wird eine Bewegungsumkehr zwischen dem ersten und zweiten Kolben 6, 7 erreicht. Die Ausgleichskammer 22 ist über den zweiten Dichtspalt 21 mit der zweiten Übetragerkammer 11 verbunden, wobei der zweite Dichtspalt 21 so eng ausgelegt ist, dass kurzzeitige Druckunterschiede zwischen der Übetragerkammer 11 und der Ausgleichskammer 22 nicht ausgeglichen werden. Unter dem Begriff kurzzeitig werden Betätigungszeiten des Aktors verstanden, die der Aktor zum Betätigen eines Stellgliedes, in dem dargestellten Beispiel zum Betätigen der Einspritznadel benötigt.The first and
Zeitlich länger andauernde Druckunterschiede werden über den zweiten Dichtspalt 21 zwischen der zweiten Übetragerkammer und der Ausgleichskammer 22 ausgeglichen. Auf diese Weise kann ein Spielausgleich automatisch erreicht werden. Damit kann der erste und zweite Kolben 6, 7 immer in Anlage an einen Aktor bzw. ein Stellglied gebracht werden. Vorzugsweise steht das Übertragungsglied unter Druck. Der Druck kann beispielsweise durch ein Spannmittel über den Elastomerring 50 auf das Übertragungsfluid übertragen werden. Anstelle der in
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Spannmittel vorgesehen, mit dem der Elastomerring 50 in Richtung auf die Ausgleichskammer 22 vorgespannt ist. In einer einfachen Ausführungsform ist dazu eine Spiralfeder 54 vorgesehen, die zwischen einen Anschlagring 55 und den Elastomerring 50 eingespannt ist. Der Anschlagring 55 ist fest mit der Kolbenstange 51 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Spannmittel und dem Elastomerring 50 ein Druckübertragungsmittel vorgesehen, das die Vorspannkraft der Spiralfeder 54 mit einer größeren Fläche auf die Oberfläche des Elastomerringes 50 überträgt. Vorzugsweise ist das Druckübertragungsmittel in Form eines Druckringes 56 ausgebildet. Der Druckring 56 weist vorzugsweise eine Auflagefläche auf, die im Wesentlichen der Oberfläche des Elastomerringes 50 entspricht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Druckring 56 eine abgestufte Durchführung auf, wobei der Druckring 56 in dem Bereich der Durchführung mit dem kleineren Durchmesser von der Kolbenstange 51 geführt ist. Auf diese Weise wird eine axiale Führung des Druckringes 56 erreicht, so dass der Druckring 56 nicht verkippen kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Druckring 56 die von der Spiralfeder 54 vorgegebene Vorspannkraft gleichmäßig über die Anlagefläche des Druckringes 56 auf den Elastomerring 50 überträgt.In a preferred embodiment, a tensioning means is provided, with which the
In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der Oberfläche des Druckringes 56, die dem des Elastomerring 50 zugeordnet ist, eine Schutzschicht 57 aufgebracht. Die Schutzschicht 57 besteht beispielsweise aus Gummi und dient dem Schutz des Elastomerringes 50 gegenüber Abrieb durch den Druckring 56. Vorzugsweise weist die Schutzschicht 57 eine größere Härte als der Elastomerring 50 auf.In a preferred embodiment, a
Claims (9)
- Device to transmit a displacement of an actuator, in particular for an injection valve, with a housing (5), the housing (5) having an opening (8), a first and second piston (6, 7) being supported in a moveable manner in the first opening (8), the first and second pistons (6, 7) being mechanically linked via a fluid through at least one transmission chamber (11), the mechanical link causing a shift in the second piston (7), when the first piston (6) is moved and inversely,
the transmission chamber (10) being hydraulically connected to a compensation chamber (22) via a sealing gap (18, 21),
the sealing gap (18, 21) compensating pressure differences between the transmission chamber (10) and compensation chamber (22) in a delayed manner,
characterised in that,
the compensation chamber (22) is delimited by a ring made out of elastomer (50), and
the ring (50) is connected in a sealed manner to the housing (5) and in a sealed manner to a piston (6, 7),
a tension device (54) is provided, and
the tension device (54) supports the elastomer ring (50) against an outward displacement or externally subjects it to pretension. - Device according to claim 1,
characterised in that,
the first piston (6) has a first opening (9), in which the second piston (7) is guided in a moveable manner,
the second piston (7) in the first opening (9) delimits a first transmission chamber (10),
a face surface (17) of the first piston (6) and a reverse side of the second piston (7), which is bordered by the face surface (17), delimiting a second transmission chamber (11) with an end surface (15) of the housing (5),
the first transmission chamber (10) is hydraulically connected to the second transmission chamber (11) via a first sealing gap (18), which is configured between an inner wall of the first piston (6) and outer wall of the second piston (7),
the first transmission chamber (10) is connected to the compensation chamber (22) via a bore (60)
the second transmission chamber (11) is hydraulically connected to the compensation chamber (22) via a second sealing gap (21), which is configured between an outer wall of the first piston (6) and inner wall of the housing (5),
and the compensation chamber (22) is delimited by the inner wall of the housing and by the first piston (6) or a piston rod (51) of the first piston (6). - Device according to claim 1 or 2,
characterised in that,
a first and/or second sleeve (52, 53) is provided on the outside and/or inside of an elastomer ring (50),
the first sleeve (52) is connected in a circumferentially sealed manner to the housing (5) and to the elastomer ring (50),
the second sleeve (53) is connected in a circumferentially sealed manner to the first piston (6) or the piston rod (51) and to the elastomer ring (50). - Device according to one of claims 1 to 3,
characterised in that,
a transmission device (56) is provided, which transmits pretension evenly onto the elastomer ring (50). - Device according to claim 4,
characterised in that,
the transmission device is configured in the form of a ring (56). - Device according to claim 4 or 5,
characterised in that,
a protective film (57) is affixed on the surface of the transmission device (56), which acts on the elastomer ring (50), said film attenuating the action on the elastomer ring (50). - Device according to claim 6,
characterised in that,
the protective film (57) is configured in the form of a rubber film. - Device according to claim 5,
characterised in that,
the ring (56) has a guide (59) with a graduated diameter,
the part of the ring having the smaller diameter is guided on the piston rod (51), and
the part of the ring having the larger diameter is supported on the elastomer ring (50). - Device according to one of claims 1 to 8,
characterised in that,
the tension device is configured in the form of a spiral spring (54),
the spiral spring (54) is clamped between the elastomer ring (50) and a support surface, which is connected to the piston rod (51).
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