WO1993006625A1 - Hydraulic displacement transformer for the piezoelectric actuator of an inlet valve - Google Patents

Hydraulic displacement transformer for the piezoelectric actuator of an inlet valve Download PDF

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WO1993006625A1
WO1993006625A1 PCT/EP1992/002206 EP9202206W WO9306625A1 WO 1993006625 A1 WO1993006625 A1 WO 1993006625A1 EP 9202206 W EP9202206 W EP 9202206W WO 9306625 A1 WO9306625 A1 WO 9306625A1
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hydraulic
piston
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membrane
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PCT/EP1992/002206
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Dieter Stein
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04Constructional details
    • H02N2/043Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification

Definitions

  • Hydraulic displacement transformer for the piezoelectric act of an intake valve
  • the present invention relates to a path transformer for the piezoelectric actuator of an intake valve, in particular a fuel injection valve in a motor vehicle engine.
  • the throughput of an open valve is determined by its smallest flow cross-section.
  • a small valve size i.e. H. with a small circumference of the, for example, cylindrical opening area
  • the height of the surface line of the opening area must therefore be large. This height is defined by the needle of the valve.
  • needle stroke 50 ... 200 / im.
  • Piezoelectric actuators typically reach a deflection of 1000 ppm in length. With an actuator length of ⁇ 20 mm that is reasonable for reasons of response time and costs, the deflections necessary for such valves cannot be achieved. Therefore, a transformation from the deflection of the actuator to the necessary needle stroke must be carried out in such a way that the means must be such that a compact design is guaranteed. For this, linear levers or hydraulic chambers come into question, as they are known from textbooks.
  • the present invention has for its object to provide a Wegtran ⁇ former of the type mentioned and according to the preamble of claim 1, which allows a compact design with small moving masses and high Transfor ations efficiency and its manufacturing costs are low.
  • a further embodiment according to the invention is proposed to achieve the stated object in accordance with an independent claim.
  • An optimal hydraulic transformation of the actuator deflection (10 to 20 / um) to the necessary needle stroke (50 to 200 / im) has no resilience due to construction and hydraulic fluid, and there are no reaction forces caused by pistons and / or membranes and / or membranes and / or flow resistances against the liquid flow.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a hydraulic transformer according to the invention with two sealed pistons in an arrangement which has a transformation ratio of T-AT / A.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber with a membrane with a circular soft membrane holder.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber with a piston-shaped diaphragm and with a circular spring plate on the underside of the membrane.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber according to the arrangement according to FIG. 3, but with the arc direction of the circular spring plate reversed.
  • FIG. 5 e ⁇ 'ne schemati ⁇ che view showing a detail of a hydraulic chamber corresponding to the arrangement according to FIG. 3, but with a construction in which the membrane is arranged below a circular spring plates.
  • FIG. 6 shows a typical representation of a detail a hydraulic chamber in which an O-ring can be used instead of a mechanical bracket because of the small strokes in the respective application.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a piston seal according to the invention, an annular gap remaining between the piston and the cylinder wall and the hydraulic chamber being hermetically sealed only via a soft membrane.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which the space above a membrane can be filled with a gas or a liquid under pressure, the pressure being able to be transferred to a lower chamber through the deformation of the membrane .
  • FIG. 9 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which an upper chamber can be designed in such a way that it has an inflow which
  • Gas or liquid to be metered in with the valve in question is supplied under pressure, this pressure also being transmitted via the membrane to a lower chamber.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which a body which is pressed onto a white membrane increases the pressure in the hydraulic chamber, the body being shaped, for example, over a selected curvature such that the
  • FIG. 11 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which pistons are either pushed back after each working stroke or, if the pressure of an upper chamber is used, the middle position of the pistons is to be defined, for this purpose.
  • a piezo actuator 1 acts on a piston 3 with an area A 1 which is located within a hydraulic chamber 2.
  • a second piston 4 with a surface A2 within the hydraulic chamber 2 is coupled to a valve pin of a valve to be actuated (not shown).
  • the hydraulic chamber 2 must be filled gas-free due to the high degree of flexibility of gas and then sealed off.
  • the pressure piston 3 and the lifting piston 4 are sealed in such a way that the tightness is guaranteed for 10 10 working cycles.
  • the pistons are sealed in the following way
  • an O-ring is applied to the piston in question.
  • the cylinder has polished inner surfaces to ensure that the O-ring, which acts as a sealing ring, slides easily.
  • an O-ring can be attached in the cylinder.
  • the piston has a polished outer surface to ensure easy sliding of the sealing ring.
  • one or both sealing surfaces can also be coated with plastics which reduce sliding friction (eg Teflon), or a corresponding plastic part can be installed.
  • plastics which reduce sliding friction eg Teflon
  • Easier sliding of the seals with the same sealability can also be achieved by using more than one sealing ring per sealing location.
  • the sealing rings should only be squeezed by a small amount ( ⁇ 10%).
  • Stroke pistons can the pressure piston or the lifting piston or both can be replaced by a hermetically sealed membrane with a low actuating force. This eliminates the need for more complex sealing measures for the small moving pistons. 7 to 9 show examples of this
  • the compatibility of usable hydraulic fluids is 0.5 - 2.10 9 1 / Pa, so the chamber volume is chosen so that the change in volume ( ⁇ V) due to the actuator stroke becomes as large as possible in relation to the chamber volume:
  • fine-grained particles (3 / im ⁇ particle size ⁇ 100 / im) can be added.
  • the particles are made of a light material with a considerably lower compressibility than the liquid.
  • materials for the particles come z. B. aluminum, glass, Kun ⁇ t ⁇ toffe or metal oxides in question.
  • the mixture of "liquid particles” then has a compressibility which is improved in accordance with the mixing ratio.
  • the gap between the piston and cylinder should be smaller than the particle size so that the piston is not jammed by the particles.
  • the resilience of the chamber is kept structurally small.
  • materials (high elasticity), wall thicknesses, construction geometry of pistons or membranes and chamber wall are to be selected in an optimized manner.
  • the membranes in particular, it must be prevented that the region which is very flexible with respect to the movement also yields with respect to the pressure of the chamber. Constructions as shown in FIGS. 2 to 6 are used here.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber 6 with a membrane 7 with a circular, soft membrane holder 8.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a detail a hydraulic chamber 6 with a piston-shaped membrane 9 and with a circular spring plate 10 on the underside of the membrane 9.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a detail of a hydraulic chamber 6 corresponding to the arrangement according to FIG. 3, but with the arc direction of the circular spring plate 11 being reversed.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a detail of a hydraulic chamber 6 corresponding to the arrangement according to FIG. 3, but with a construction in which the membrane is arranged below the circular spring plate 11.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber 6, in which an O-ring 12 can be used instead of a membrane holder because of the small strokes in the respective application in question.
  • the geometric transformation ratio is determined by the ratio of the piston areas A ⁇ / A2.
  • the force F to be exerted by the smaller piston is m, needle stroke s and stroke time t:
  • the piston area A2 is dimensioned such that the pressure in the chamber required to achieve F is 4 ⁇ P ⁇ 400 bar, lower pressures (e.g. 4 ⁇ P ⁇ 70 bar) are preferable because of the flexibility of the liquid and chamber.
  • Replacement sheet 1
  • the piston can either be hermetically sealed like the pressure piston, or it has a small annular gap (0.1 ... 10 ⁇ m gap width) to the cylinder.
  • a membrane which is soft in the deflection direction is hermetically sealed above the piston to the piston and to the cylinder housing.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a piston seal according to the invention, an annular gap 15 remaining between a piston 13 and a cylinder wall of a cylinder housing 14 and the hydraulic chamber 16 being hermetically sealed only via a soft membrane 17 .
  • the membrane 17 is made, for example, of soft, hard-wearing plastics or of rubber materials.
  • the throughput dm / dt through the gap 15 between the piston 13 and the cylinder wall should be less than ( ⁇ V / 5 • ⁇ t), where ⁇ V is the volume change in the hydraulic chamber 16 caused by the actuator (not shown) and ⁇ t is the longest to be specified Valve opening time (not shown).
  • the hydraulic chamber 16 which can be constructed, for example, as shown in FIG. 8, can be pressurized externally. This is done in that a static pressure of 0.5 ... 40 bar is exerted on the diaphragm 17 from the side facing away from the hydraulic chamber 16. Due to the flexibility of the membrane 17, this pressure is transmitted to the hydraulic fluid.
  • the pressure can be exerted by
  • a spring 19 presses a body 20 onto the membrane 17 so that the pressure in the chamber 16 assumes the selected value.
  • the printed body 20 has such a shape that the membrane 17 retains its flexibility in the stroke direction, but does not escape into the chamber 16 because of the pressure.
  • An upper and a lower piston can also be reset after each working cycle with their own spring 23/24.
  • the spring constant C of these springs 23/24 should be chosen to be as low as possible so that a force independent of the path is exerted on the pistons 21/22. Possible values are: 1 ⁇ C ⁇ 50 N / mm.
  • the force of one or both of the springs 23/24 is chosen so large that the mass of the piston 21/22 and possibly other masses attached (e.g. the needle 25 of the valve in question) in the time to be specified specifies the stroke. Depending on the specification, a spring force of 3 ... 150 N is required.
  • the pressure on the hydraulic fluid can also be used to reset the reciprocating piston 22.
  • the spring force can be significantly reduced to values of 0.2 ... 30 N.
  • Tolerance compensation can be integrated in the hydraulic chamber.

Abstract

A hydraulic displacement transformer for the piezoelectric actuator of an inlet valve, in particular the fuel injection valve of the engine of a vehicle, has a hydraulic chamber (2) filled with a hydraulic medium and comprising two cylinders whose widths differ in a ratio that corresponds to the required transformation ratio T. The cylinders receive a first piston (3) coupled with the actuator (1), having a surface A1, and a second piston (4) coupled with a valve needle (5), having a surface A2. The hydraulic chamber (2) has a conical inner wall in a transition zone between the cylinder for the first piston (3) and the cylinder for the second piston (4).

Description

Hydraulischer Wegtransformator für den piezoelektrischen Akt eines EinlaßventilsHydraulic displacement transformer for the piezoelectric act of an intake valve
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wegtransformator fü den piezoelektrischen Aktor eines Einlaßventils, insbesonder eines Kraftstoff-Einspritzventils in einem Kfz-Motor.The present invention relates to a path transformer for the piezoelectric actuator of an intake valve, in particular a fuel injection valve in a motor vehicle engine.
Der Durchsatz eines geöffneten Ventils ist durch dessen klei sten Durchströmungsquerschnitt bestimmt. Bei kleiner Ventilb größe, d. h. bei kleinem Umfang der beispielsweise zylinderf igen Öffnungsfläche muß daher die Höhe der Mantellinie der Öffnungsfläche groß werden. Diese Höhe wird durch den Nadelh des Ventils definiert. Für Kfz-Kraftstoff-Einspritzventile g beispielsweise: Durchmesser der Dichtfläche der Ventialnadel 1 ... 6 mm, Nadelhub = 50 ... 200 /im.The throughput of an open valve is determined by its smallest flow cross-section. With a small valve size, i.e. H. with a small circumference of the, for example, cylindrical opening area, the height of the surface line of the opening area must therefore be large. This height is defined by the needle of the valve. For motor vehicle fuel injection valves g, for example: diameter of the sealing surface of the potential needle 1 ... 6 mm, needle stroke = 50 ... 200 / im.
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 d Aktors auf den notwendigen Nadelhub derart durchgeführt werde 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 hinrei chend bekannt sind.Piezoelectric actuators typically reach a deflection of 1000 ppm in length. With an actuator length of <20 mm that is reasonable for reasons of response time and costs, the deflections necessary for such valves cannot be achieved. Therefore, a transformation from the deflection of the actuator to the necessary needle stroke must be carried out in such a way that the means must be such that a compact design is guaranteed. For this, linear levers or hydraulic chambers come into question, as they are known from textbooks.
Herkömmliche Konstruktionen für lineare Hebel für die Anwendu in Ventilen weisen folgende Nachteile auf:Conventional linear lever designs for use in valves have the following disadvantages:
- Das erforderliche Gelenk des Hebels hat ein relativ großes Spiel, wodurch ein Teil der Aktorauslenkung nicht für die Transformation genutzt werden kann;- The required joint of the lever has a relatively large game, which means that part of the actuator deflection cannot be used for the transformation;
- die Hebelabmessungen sind relativ zu groß, wodurch die Mass groß ist und die erste Biegeresonanz des Hebels zu niedrig liegt ;- The lever dimensions are relatively too large, which means that the dimension is large and the first bending resonance of the lever is too low lies ;
- die relativ zu langen Hebel sind für die Übertragung der für Ventilanwendungen notwendigen Kräfte zu nachgiebig, wodurch das erreichbare Transformationsverhältnis herabgeetzt wird.- The relatively long levers are too flexible for the transmission of the forces required for valve applications, whereby the achievable transformation ratio is reduced.
Herkömmliche Konstruktionen von hydraulischen Transformatoren für die Anwendung in Ventilen weisen folgende Nachteile auf:Conventional designs of hydraulic transformers for use in valves have the following disadvantages:
- Es besteht die Notwendigkeit für einen Flüssigkeitsnachschub- There is a need for liquid replenishment
- die Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit setzt bei den üblichen Kammervolumina den Transformations-Wirkungsgrad zu stark herab ;- The compressibility of the hydraulic fluid reduces the transformation efficiency too much with the usual chamber volumes;
- Nachgiebigkeiten in der Hydraulikkammer wirken sich wie die Kompressibilität nachteilig auf den Wirkungsgrad aus;- Resilience in the hydraulic chamber, like the compressibility, adversely affects the efficiency;
- es liegen zu große bewegte Massen vor.- Moving masses are too large.
Es sind bereits verschiedene Transformations-Prinzipien vorge¬ schlagen worden, die entweder mit einem linearen Hebel oder mi einer hydraulischen Kammer arbeiten, jedoch die zuvor genannte Nachteile aufweisen.Various transformation principles have already been proposed, which operate either with a linear lever or with a hydraulic chamber, but which have the aforementioned disadvantages.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wegtranεformator der eingangs genannten Art und gemäß dem Ober¬ begriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der eine kompakte Bauweise mit kleinen bewegten Massen und hohem Transfor ations- Wirkungsgrad gestattet und dessen Herstellungskosten niedrig sind.The present invention has for its object to provide a Wegtranεformer of the type mentioned and according to the preamble of claim 1, which allows a compact design with small moving masses and high Transfor ations efficiency and its manufacturing costs are low.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein hydraulischer Wegtransforma¬ tor nach Patentanspruch 1 vorgeschlagen.To achieve this object, a hydraulic path transformer according to claim 1 is proposed.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform wird zur Lösung der genannten Aufgabe gemäß einem nebengeordneten Anspruch vor¬ geschlagen.A further embodiment according to the invention is proposed to achieve the stated object in accordance with an independent claim.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet. Eine optimale hydraulische Transformation der Aktorauslenkung (10 bis 20 /um) auf den notwendigen Nadelhub (50 bis 200 /im) weist keinerlei Nachgiebigkeiten durch Konstruktion und Hydra likflüεsigkeit auf, und es treten keine Rückwirkungskräfte de durch zu bewegende Kolben und/oder Membranen und/oder Strö¬ mungswiderstände gegen die Flüssigkeitsεtrö ung auf.Advantageous developments of the invention are characterized by the features specified in the subclaims. An optimal hydraulic transformation of the actuator deflection (10 to 20 / um) to the necessary needle stroke (50 to 200 / im) has no resilience due to construction and hydraulic fluid, and there are no reaction forces caused by pistons and / or membranes and / or membranes and / or flow resistances against the liquid flow.
Mit den im folgenden anhand mehrerer Figuren beschriebenen An ordnungen soll diesem Optimum möglichst nahe gekommmen werden Die Figuren betreffen jeweils bevorzugte AusführungsbeispieleWith the arrangements described below with the aid of several figures, this optimum is to be come as close as possible. The figures relate in each case to preferred exemplary embodiments
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsg mäßen hydraulischen Transformators mit zwei gedichtet Kolben in einer Anordnung, die ein Transformationsver hältniε von T - Aτ/A aufweist.1 shows a schematic representation of a hydraulic transformer according to the invention with two sealed pistons in an arrangement which has a transformation ratio of T-AT / A.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer mit einer Membran mit kreisför¬ miger weicher Membranhalterung.2 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber with a membrane with a circular soft membrane holder.
Fig. 3 zeigt eine sche atiεche Darstellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer mit einer kolbenförmigen Membra und mit einem kreisförmigem Federblech auf der Unter¬ seite der Membran.3 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber with a piston-shaped diaphragm and with a circular spring plate on the underside of the membrane.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer entsprechend der Anordung gemäß Fig. 3, jedoch mit umgekehrter Bogenrichtung des krei förmigen Federblechs.Fig. 4 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber according to the arrangement according to FIG. 3, but with the arc direction of the circular spring plate reversed.
Fig. 5 zeigt e^'ne schematiεche Darstellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer entsprechend der Anordnung gemä Fig. 3, jedoch mit einer Konstruktion, bei der die Membran unterhalb kreisförmiger Federbleche angeordnet ist.Fig. 5 e ^ 'ne schematiεche view showing a detail of a hydraulic chamber corresponding to the arrangement according to FIG. 3, but with a construction in which the membrane is arranged below a circular spring plates.
Fig. 6 zeigt eine εche atiεche Darstellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer, bei der wegen der geringen Hübe in dem jeweils betreffenden Anwendungsfall statt einer Me branhalterung ein O-Ring verwendet werden kann.6 shows a typical representation of a detail a hydraulic chamber in which an O-ring can be used instead of a mechanical bracket because of the small strokes in the respective application.
Fig. 7 zeigt eine schematiεche Darstellung einer erfindungsge mäßen Kolbendichtung, wobei zwischen Kolben und Zylin¬ derwand ein Ringspalt bleibt und die Hydraulikkammer erst über eine weiche Membran hermetisch verschloεsen wird.7 shows a schematic illustration of a piston seal according to the invention, an annular gap remaining between the piston and the cylinder wall and the hydraulic chamber being hermetically sealed only via a soft membrane.
Fig. 8 zeigt eine εchematiεche Darεtellung einer erfindungsge äßen Anordnung, bei der der Raum oberhalb einer Mem¬ bran mit einem Gaε oder einer Flüssigkeit unter Druck gefüllt werden kann, wobei der Druck durch die Verfor- mungen der Membran auf eine untere Kammer übertragen werden kann.8 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which the space above a membrane can be filled with a gas or a liquid under pressure, the pressure being able to be transferred to a lower chamber through the deformation of the membrane .
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsge¬ mäßen Anordnung, bei der eine obere Kammer derart auε- gebildet sein kann, daß sie einen Zufluß beεitzt, derFIG. 9 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which an upper chamber can be designed in such a way that it has an inflow which
Gaε oder Flüεεigkeit, die mit dem betreffenden Ventil zugemeεεen werden εoll, unter Druck zuführt, wobei dieεer Druck ebenfallε über die Membran auf eine untere Kammer übertragen wird.Gas or liquid to be metered in with the valve in question is supplied under pressure, this pressure also being transmitted via the membrane to a lower chamber.
Fig. 10 zeigt eine εchematiεche Darεtellung einer erfindungsge¬ mäßen Anordnung, bei der ein Körper, der auf eine wei¬ che Membran aufgedrückt ist, den Druck in der Hydrau¬ likkammer erhöht, wobei der Körper beispielεweiεe über eine gewählte Krümmung derart geformt iεt, daß der10 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which a body which is pressed onto a white membrane increases the pressure in the hydraulic chamber, the body being shaped, for example, over a selected curvature such that the
Druck über ein Auεweichen der Membran geεenkt wird.Pressure is reduced by soaking the membrane.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungεge- äßen Anordnung, bei der mittelε Federn Kolben entweder nach jedem Arbeitεhub zurückgedrückt werden oder, wenn hierfür der Druck einer oberen Kammer auεgenutzt wird, die mittlere Lage der Kolben zu definieren ist. Wie bereitε erläutert, zeigt Fig. 1 eine εchematische Darstel lung eines erfindungεgemäßen hydraulischen Tranεformatorε mit zwei gaε- oder flüεεigkeitε äßig gedichteten Kolben in einer Anordnung, die ein Tranεformationεverhältniε von T = Aτ/A2 au weiεt. In dieεer Anordnung wirkt ein Piezoaktor 1 auf einen e sten Kolben 3 mit einer Fläche A^, der εich innerhalb einer Hydraulikkammer 2 befindet. Ein zweiter Kolben 4 mit einer Fl che A2 innerhalb der Hydraulikkammer 2 iεt mit einer Ventilna del eineε zu betätigenden Ventilε (nicht gezeigt) gekoppelt. Die Hydraulikammer 2 iεt wegen der hohen Nachgiebigkeit von G sen gaεblaεenfrei zu füllen und dann her etiεch abzuεchließen. Der Druck-Kolben 3 und der Hub-Kolben 4 werden εo gedichtet, daß die Dichtheit für größenordnungεmäßig 1010 Arbeitεεpiele gewährleistet iεt.11 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention, in which pistons are either pushed back after each working stroke or, if the pressure of an upper chamber is used, the middle position of the pistons is to be defined, for this purpose. As already explained, FIG. 1 shows a schematic representation of a hydraulic transformer according to the invention with two gaseous or liquid-sealed pistons in an arrangement which has a transformation ratio of T = AT / A2. In this arrangement, a piezo actuator 1 acts on a piston 3 with an area A 1 which is located within a hydraulic chamber 2. A second piston 4 with a surface A2 within the hydraulic chamber 2 is coupled to a valve pin of a valve to be actuated (not shown). The hydraulic chamber 2 must be filled gas-free due to the high degree of flexibility of gas and then sealed off. The pressure piston 3 and the lifting piston 4 are sealed in such a way that the tightness is guaranteed for 10 10 working cycles.
Die Kolben werden auf folgende Weise gedichtetThe pistons are sealed in the following way
Eε wird beiεpielεweise jeweils ein O-Ring auf den betreffenden Kolben aufgebracht. Der Zylinder hat polierte Innenflächen, um ein leichtes Gleiten des als Dichtring fungierenden O-Rings εicherzuεteilen.For example, an O-ring is applied to the piston in question. The cylinder has polished inner surfaces to ensure that the O-ring, which acts as a sealing ring, slides easily.
Alternativ dazu kann ein O-Ring im Zylinder befestigt εein. Da bei hat der Kolben eine polierte Außenfläche, um ein leichtes Gleiten deε Dichtrings sicherzustellen.Alternatively, an O-ring can be attached in the cylinder. The piston has a polished outer surface to ensure easy sliding of the sealing ring.
Um ein leichteres Gleiten des Dichtrings sicherzustellen, kann eine oder können beide Dichtflächen auch mit gleitreibungsver- mindernden Kunstεtoffen (z. B. Teflon) beεchichtet εein, oder eε kann ein entεprechendeε Kunεtεtoffteil eingebaut εein.In order to ensure easier sliding of the sealing ring, one or both sealing surfaces can also be coated with plastics which reduce sliding friction (eg Teflon), or a corresponding plastic part can be installed.
Ein leichtereε Gleiten der Dichtungen bei gleicher Dichtfähig¬ keit kann auch erreicht werden, indem mehr alε ein Dichtring pro Dichtungεεtelle verwendet wird. Hierbei εollten die Dicht- ringe nur um einen kleinen Betrag (< 10%) gequetscht werden.Easier sliding of the seals with the same sealability can also be achieved by using more than one sealing ring per sealing location. The sealing rings should only be squeezed by a small amount (<10%).
Wegen der kleinen Auslenkungen von Druck- u. Hub-Kolben können der Druck- oder der Hub-Kolben oder beide durch eine hermetis zum Gehäuse gedichtete Membran mit geringer Stellkraft ersetz sein. Hierdurch entfallen aufwendigere Dichtmaßnahmen für die kleinen bewegten Kolben. Fig. 7 bis 9 zeigen Beiεpiele hierfüBecause of the small deflections of pressure u. Stroke pistons can the pressure piston or the lifting piston or both can be replaced by a hermetically sealed membrane with a low actuating force. This eliminates the need for more complex sealing measures for the small moving pistons. 7 to 9 show examples of this
Die Kompreεsibilität von verwendbaren Hydraulikflüsεigkeiten liegt bei 0.5 - 2.109 1/Pa, daε Kammervolumen wird daher εo ge wählt, daß die Volumenänderung (ΔV) durch den Aktorhub im Ver- hältniε zum Kammervolumen möglichεt groß wird:The compatibility of usable hydraulic fluids is 0.5 - 2.10 9 1 / Pa, so the chamber volume is chosen so that the change in volume (ΔV) due to the actuator stroke becomes as large as possible in relation to the chamber volume:
0.01 < (ΔV)/V < 5.0.01 <(ΔV) / V <5.
Zur Erhöhung der Kompreεεibilität der Flüεsigkeit können ihr feinkörnige Partikel (3 /im < Partikelgröße < 100 /im) zugesetzt werden. Die Partikel sind aus einem leichten Material mit we¬ sentlich niedrigerer Kompreεεibilität alε die Flüεεigkeit. Alε Materialien für die Partikel kommen z. B. Aluminium, Glaε, Kunεtεtoffe oder Metalloxide in Frage. Daε Gemenge "Flüsεigkeit-Partikel" weiεt dann eine dem Miεchungεverhältnis entsprechend verbeεserte Kompressibilität auf. Der Spalt zwi¬ schen Kolben und Zylinder sollte hierbei kleiner als die Parti kelgröße sein, damit der Kolben nicht durch die Partikel ver¬ klemmt wird.To increase the compatibility of the liquid, fine-grained particles (3 / im <particle size <100 / im) can be added. The particles are made of a light material with a considerably lower compressibility than the liquid. As materials for the particles come z. B. aluminum, glass, Kunεtεtoffe or metal oxides in question. The mixture of "liquid particles" then has a compressibility which is improved in accordance with the mixing ratio. The gap between the piston and cylinder should be smaller than the particle size so that the piston is not jammed by the particles.
Die Nachgiebigkeiten der Kammer werden konstruktiv klein gehal ten. Hierfür εind Werkεtoffe (hoheε Elaεtizitätε odul) , Wand- εtärken, Baugeometrie von Kolben bzw. Membranen und Kammerwand optimiert auεzuwählen. Vor allem bei den Membranen muß verhin¬ dert werden, daß der gegenüber der Bewegung εehr nachgiebige Bereich auch gegenüber dem Druck der Kammer nachgibt. Hier wer¬ den Konstruktionen wie in Fig. 2 bis 6 gezeigt verwendet.The resilience of the chamber is kept structurally small. For this purpose, materials (high elasticity), wall thicknesses, construction geometry of pistons or membranes and chamber wall are to be selected in an optimized manner. In the case of the membranes in particular, it must be prevented that the region which is very flexible with respect to the movement also yields with respect to the pressure of the chamber. Constructions as shown in FIGS. 2 to 6 are used here.
Fig. 2 zeigt, wie bereits erläutert, eine schematiεche Darstel¬ lung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer 6 mit einer Membran 7 mit kreisförmiger weicher Membranhalterung 8.As already explained, FIG. 2 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber 6 with a membrane 7 with a circular, soft membrane holder 8.
Fig. 3 zeigt eine εchematiεche Darεtellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer 6 mit einer kolbenförmigen Membran 9 und mit einem kreisförmigem Federblech 10 auf der Unterseite der Membran 9.3 shows a schematic representation of a detail a hydraulic chamber 6 with a piston-shaped membrane 9 and with a circular spring plate 10 on the underside of the membrane 9.
Fig. 4 zeigt eine εchematiεche Darstellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer 6 entsprechend der Anordung gemäß Fig. 3, jedoch mit umgekehrter Bogenrichtung des kreisförmige Federblechs 11.FIG. 4 shows a schematic illustration of a detail of a hydraulic chamber 6 corresponding to the arrangement according to FIG. 3, but with the arc direction of the circular spring plate 11 being reversed.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer 6 entsprechend der Anordnung gemäß Fig. 3, jedoch mit einer Konstruktion, bei der die Mem bran unterhalb des kreiεförmigen Federblecheε 11 angeordnet iεt.5 shows a schematic illustration of a detail of a hydraulic chamber 6 corresponding to the arrangement according to FIG. 3, but with a construction in which the membrane is arranged below the circular spring plate 11.
Fig. 6 zeigt eine εchematiεche Darεtellung einer Einzelheit einer Hydraulikkammer 6, bei der wegen der geringen Hübe in dem jeweils betreffenden Anwendungεfall εtatt einer Membranhalterung ein O-Ring 12 verwendet werden kann.6 shows a schematic representation of a detail of a hydraulic chamber 6, in which an O-ring 12 can be used instead of a membrane holder because of the small strokes in the respective application in question.
Das geometriεche Transformationsverhältnis wird bekanntermaße durch das Verhältnis der Kolbenflächen Aτ/A2 festgelegt. Für den erfindungsgemäßen hydraulischen Transformator soll gelten:As is known, the geometric transformation ratio is determined by the ratio of the piston areas Aτ / A2. The following should apply to the hydraulic transformer according to the invention:
Aι/A2 < 30.Aι / A 2 <30.
Die vom kleineren Kolben auszuübende Kraft F beträgt je nach Nadelmaεse m, Nadelhub s und Hubzeit t:Depending on the needle size, the force F to be exerted by the smaller piston is m, needle stroke s and stroke time t:
F - m-a = 2-πrs/t2 F - ma = 2-πrs / t 2
und liegt im Bereich 4N < F < 200 N. Die Kolbenfläche A2 wird so diemensioniert , daß der zur Erreichung von F notwendige Druck in der Kammer 4 < P < 400 bar beträgt, wobei niedrigere Drücke (z. B. 4 < P < 70 bar) wegen der Nachgiebigkeiten von Flüssigkeit und Kammer zu bevorzugen sind. Ersatzblatt 1and lies in the range 4N <F <200 N. The piston area A2 is dimensioned such that the pressure in the chamber required to achieve F is 4 <P <400 bar, lower pressures (e.g. 4 <P <70 bar) are preferable because of the flexibility of the liquid and chamber. Replacement sheet 1
Der Hubkolben kann entweder hermetisch dicht wie der Druckkolben ausgeführt sein, oder er weist einen kleinen Ringspalt (0.1 ... 10 um Spaltbreite) zum Zylinder auf.The piston can either be hermetically sealed like the pressure piston, or it has a small annular gap (0.1 ... 10 µm gap width) to the cylinder.
Dann wird eine in Auslenkrichtung weiche Membran oberhalb des Kolbens hermetisch dicht zum Kolben und zum Zylindergehäuse angebracht. Fig. 7 zeigt, wie bereits erläutert, eine schema¬ tische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kolbendichtung, wobei zwischen einem Kolben 13 und einer Zylinderwand eines Zylindergehäuses 14 ein Ringspalt 15 bleibt und die Hydrau¬ likkainmer 16 erst über eine weiche Membran 17 hermetisch ver¬ schlossen wird. Die Membran 17 ist beispielsweise aus weichen strapazierfähigen Kunststoffen oder aus Gummimaterialien ge¬ fertigt. Der Durchsatz dm/dt durch den Spalt 15 zwischen Kolben 13 und Zylinderwand sollte kleiner sein als (ΔV/5 • Δt) , wobei ΔV die Volumenänderung in der Hydraulikkammer 16, hervorgerufen durch den Aktor (nicht gezeigt) ist und Δt die längste zu spezifizierende Öffnungszeit des Ventils (nicht gezeigt) ist.Then a membrane which is soft in the deflection direction is hermetically sealed above the piston to the piston and to the cylinder housing. 7, as already explained, shows a schematic representation of a piston seal according to the invention, an annular gap 15 remaining between a piston 13 and a cylinder wall of a cylinder housing 14 and the hydraulic chamber 16 being hermetically sealed only via a soft membrane 17 . The membrane 17 is made, for example, of soft, hard-wearing plastics or of rubber materials. The throughput dm / dt through the gap 15 between the piston 13 and the cylinder wall should be less than (ΔV / 5 • Δt), where ΔV is the volume change in the hydraulic chamber 16 caused by the actuator (not shown) and Δt is the longest to be specified Valve opening time (not shown).
Nachdem die Kompressibilität der meisten hydraulischen Flüs¬ sigkeiten mit zunehmendem Druck abnimmt (z. B. wegen eines Gasgehalts) , kann die Hydraulikkammer 16, die beispielsweise wie in Fig. 8 gezeigt aufgebaut sein kann, extern unter Druck gesetzt werden. Dies geschieht dadurch, daß auf die Membran 17 von der Seite, die der Hydraulikkammer 16 abgewandt ist, ein statischer Druck von 0.5 ... 40 bar ausgeübt wird. Aufgrund der Nachgiebigkeit der Membran 17 wird dieser Druck auf die Hydraulikflüssigkeit übertragen. Der Druck kann ausgeübt werden durchAfter the compressibility of most hydraulic fluids decreases with increasing pressure (eg due to a gas content), the hydraulic chamber 16, which can be constructed, for example, as shown in FIG. 8, can be pressurized externally. This is done in that a static pressure of 0.5 ... 40 bar is exerted on the diaphragm 17 from the side facing away from the hydraulic chamber 16. Due to the flexibility of the membrane 17, this pressure is transmitted to the hydraulic fluid. The pressure can be exerted by
Preßluft oder andere Gase unter Druck, die in die Hydrau¬ likkammer 16a, die hermetisch verschlossen ist (vgl. Fig. 8), über der Membran 17 eingebracht wurde;Compressed air or other gases under pressure, which was introduced into the hydraulic chamber 16a, which is hermetically sealed (see FIG. 8), above the membrane 17;
Flüssigkeiten unter Druck, die durch das Ventil 18 austreten sollen, z. B. Kraftstoffe (vgl. Fig. 9);Liquids under pressure which are to escape through the valve 18, e.g. B. fuels (see FIG. 9);
EKSAXZBLATT ISA/EP Ersatzblatt 2EKSAXZBLATT ISA / EP Replacement sheet 2
ein Federsystem 19 gemäß Fig. 10, bei dem eine Feder 19 einen Körper 20 so auf die Membran 17 drückt, daß der Druck in der Kammer 16 den gewählten Wert annimmt. Der aufgedruckte Körper 20 besitzt eine solche Form, daß die Membran 17 ihre Nachgiebigkeit in Hubrichtung behält, jedoch nicht wegen des Druckes in die Kammer 16 ausweicht.10, in which a spring 19 presses a body 20 onto the membrane 17 so that the pressure in the chamber 16 assumes the selected value. The printed body 20 has such a shape that the membrane 17 retains its flexibility in the stroke direction, but does not escape into the chamber 16 because of the pressure.
Es können auch ein oberer und ein unterer Kolben (Kolben 21 und Kolben 22 in Fig. 11) jeweils nach einem Arbeitszyklus mit einer eigenen Feder 23/24 zurückgestellt werden. Die Federkonstante C dieser Federn 23/24 sollte möglichst niedrig gewählt werden, damit eine wegunabhängige Kraft auf die Kolben 21/22 ausgeübt wird. Mögliche Werte sind: 1 < C < 50 N/mm.An upper and a lower piston (piston 21 and piston 22 in FIG. 11) can also be reset after each working cycle with their own spring 23/24. The spring constant C of these springs 23/24 should be chosen to be as low as possible so that a force independent of the path is exerted on the pistons 21/22. Possible values are: 1 <C <50 N / mm.
Die Kraft einer der beiden oder beider Federn 23/24 ist so groß gewählt, daß die Masse von Kolben 21/22 und evtl. mi anhängender anderer Massen (z. B. die Nadel 25 des betreffenden Ventils) in der zu spezifizierenden Zeit den zu spezifizierenden Hub zurücklegt. Hierfür wird je nach Spezifikation eine Federkraft von 3 ... 150 N benötigt.The force of one or both of the springs 23/24 is chosen so large that the mass of the piston 21/22 and possibly other masses attached (e.g. the needle 25 of the valve in question) in the time to be specified specifies the stroke. Depending on the specification, a spring force of 3 ... 150 N is required.
Der Druck auf der Hydraulikflüssigkeit kann auch für die Rückstellung des Hubkolbens 22 verwendet werden. Hierbei kann die Federkraft wesentlich auf Werte von 0.2 ... 30 N gesenkt werden.The pressure on the hydraulic fluid can also be used to reset the reciprocating piston 22. The spring force can be significantly reduced to values of 0.2 ... 30 N.
In die Hyraulikkammer kann ein Toleranzausgleich integriert sein.Tolerance compensation can be integrated in the hydraulic chamber.
ERSATZBLATT ISA/EP SPARE SHEET ISA / EP

Claims

Patentanεprüche Claims
1. Hydrauliεcher Wegtransformator für den piezoelektriεchen Aktor eineε Einlaßventilε, inεbeεondere eine Kraftεtoff- Einεpritzventilε in einem Kfz-Motor, dadurch g e e n n z e i c h n e t , daß eine mit einem Hydraulikmedium ge¬ füllte Hydraulikkammer (2) mit zwei in einem beεti mten, dem geforderten Tranεformationεverhältniε T entsprechende Verhältniε unterεchiedlich weiten Zylindern für einen mit dem Aktor (1) gekoppelten erεten Kolben (3) mit einer Flä¬ che Aj und einen mit einer Ventilnadel (5) gekoppelten zweiten Kolben (4) mit einer Fläche A2 vorgeεehen ist und daß die Hydraulikkammer (2) in einem Obergangεbereich von dem Zylinder für den erεten Kolben (3) zu dem Zylinder für den zweiten Kolben (4) eine koniεch auεgebildete Innenwand hat (Fig. 1) .1. Hydraulic displacement transformer for the piezoelectric actuator of an intake valve, in particular a fuel injection valve in a motor vehicle engine, characterized in that a hydraulic chamber (2) filled with a hydraulic medium has two ratios corresponding to the required transformation ratio T different cylinders for a first piston (3) coupled to the actuator (1) with a surface A j and a second piston (4) coupled with a valve needle (5) with a surface A2 are provided and that the hydraulic chamber (2 ) has a conical inner wall in a transition area from the cylinder for the first piston (3) to the cylinder for the second piston (4) (FIG. 1).
2. Hydrauliεcher Wegtransformator nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Hydraulikmedium eine Hydraulikflüssigkeit iεt, die gasblasenfrei in die Hydrau¬ likkammer (2) eingefüllt iεt2. Hydraulic displacement transformer according to claim 1, characterized in that the hydraulic medium is a hydraulic fluid which is filled with gas bubbles in the hydraulic chamber (2)
3. Hydrauliεcher Wegtranεformator nach Anεpruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolben (3, 4) jeweil zumindeεt einen dichtenden O-Ring tragen und daß die In¬ nenwände der Zylinder polierte Oberflächen haben, um ein leichteε Gleiten der O-Ringe εicherzuεtellen.3. Hydraulic displacement transformer according to claim 1, characterized in that the pistons (3, 4) each carry at least one sealing O-ring and that the inner walls of the cylinders have polished surfaces in order to ensure easy sliding of the O-rings.
4. Hydraulischer Wegtranεformator nach Anεpruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an den betreffenden Orte der Innenwände der Zylinder jeweilε zumindeεt ein dichten¬ der O-Ring in einer Ringnut der Innenwand εitzt und daß die Kolben (3, 4) polierte Außenflächen haben, um ein leichtes Gleiten an den O-Ringen εicherzuεtellen.4. Hydraulic Wegtranεformator according to Anεpruch 1, characterized in that at the relevant locations of the inner walls of the cylinder respective ¬ seated a Dicht¬ the O-ring in an annular groove of the inner wall and that the pistons (3, 4) have polished outer surfaces to a to ensure easy sliding on the O-rings.
Hydraulischer Wegtranεformator nach Anεpruch 3 oder 4, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine oder beide der Oberflächen mit einem gleitreibungεmindernden Materia vorzugsweise Teflon, beschichtet ist.Hydraulic path transformer according to claim 3 or 4, characterized in that one or both the surface is coated with a sliding friction-reducing material, preferably Teflon.
6. Hydraulischer Wegtranεformator nach Anεpruch 3 oder 4, da durch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Gleitreibung minderung zumindest ein Zusatzteil auε einem gleitreibung mindernden Material, vorzugεweiεe Teflon, zwiεchen der Zy linder-Innenwand und dem Kolben (3, 4) angeordnet iεt.6. Hydraulic path transformer according to claim 3 or 4, since it is due to the fact that at least one additional part made of a material that reduces sliding friction, preferably Teflon, is arranged between the inner cylinder wall and the piston (3, 4) to reduce sliding friction.
7. Hydrauliεcher Wegtranεformator für den piezoelektriεchen Aktor eineε Einlaßventilε, inεbeεondere eine Kraftεtoff- Einspritzventils in einem Kfz-Motor, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine mit einem Hydraulikmedium ge¬ füllte Hydraulikkammer (2) mit zwei in einem bestimmten, dem geforderten Transfor ationεverhältniε T entεprechende Verhältniε unterεchiedlich weiten Zylindern für eine mit dem Aktor (1) gekoppelte erεte Membran mit einer Flä¬ che A^ und eine mit einer Ventilnadel (5) gekoppelte zweite Membran mit einer Fläche A2 vorgeεehen iεt und daß die Hydraulikkammer (2) in einem Übergangsbereich von dem Zylinder für die erste Membran zu dem Zylinder für die zweite Membran eine konisch ausgebildete Innenwand hat.7. Hydraulic path transformer for the piezoelectric actuator of an inlet valve, in particular a fuel injector in a motor vehicle engine, characterized in that a hydraulic chamber (2) filled with a hydraulic medium has two ratios corresponding to the required transformation ratio T different cylinders for a first membrane coupled to the actuator (1) with a surface A ^ and a second membrane coupled with a valve needle (5) with a surface A2 are provided and that the hydraulic chamber (2) is in a transition area from the Cylinder for the first membrane to the cylinder for the second membrane has a conical inner wall.
8. Hydraulischer Wegtransformator nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Hydraulikmedium eine Hydraulikflüssigkeit ist, die gasblaεenfrei in die Hydrau¬ likkammer (2) eingefüllt iεt8. Hydraulic displacement transformer according to claim 7, characterized in that the hydraulic medium is a hydraulic fluid which is filled with gas bubbles in the hydraulic chamber (2)
9. Hydrauliεcher Wegtranεformator nach Anεpruch 2 oder 8, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erniedrigung der Kompreεεibilität der Hydraulikflüεεigkeit dieεer fein¬ körnige Partikel auε einem leichten Material mit weεentlic niedrigerer Kompreεεibilität als derjenigen der Hydraulik- flüsεigkeit zugeεetzt εind.9. Hydraulic displacement transformer according to Claim 2 or 8, by virtue of the fact that, in order to reduce the compatibility of the hydraulic fluid, these fine-grained particles are added to a light material with a significantly lower compressibility than that of the hydraulic fluid.
10. Hydrauliεcher Wegtranεformator nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die feinkörnigen Partike eine Partikelgröße von10. Hydraulic path transformer according to claim 9, characterized characterized in that the fine-grained particles have a particle size of
3 im < Partikelgröße < 100 /im3 im <particle size <100 / im
haben.to have.
11. Hydraulischer Wegtransformator nach Anspruch 1 oder 7, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß daε geometeriεche Tranεformationεverhältnis T durch das Verhältnis der Kol¬ ben- oder Membranflächen Aτ/A2 beεtimmt iεt und daß daε Tranεformationεverhältniε zu T < 30 gewählt iεt.11. Hydraulic displacement transformer according to claim 1 or 7, because of the fact that the geometric transformation ratio T is determined by the ratio of the piston or membrane areas Aτ / A2 and that the transformation ratio is chosen to be T <30.
12. Hydrauliεcher Wegtransformator nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der erste und der zweite Kolben (3, 4) jeweils durch eine zugeordnete Feder rückzu- εtellen εind und daß die Federkonεtante dieser Federn zu12. Hydraulic displacement transformer according to claim 1, characterized in that the first and second pistons (3, 4) are each reset by an associated spring and that the spring constant of these springs is increased
1 < C 50 N/mm1 <C 50 N / mm
gewählt ist (Fig. 11) . is selected (Fig. 11).
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