WO2003052261A1 - Vorrichtung zum übersetzen einer auslenkung eines aktors, insbesondere für ein einspritzventil - Google Patents

Vorrichtung zum übersetzen einer auslenkung eines aktors, insbesondere für ein einspritzventil Download PDF

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WO2003052261A1
WO2003052261A1 PCT/DE2002/004465 DE0204465W WO03052261A1 WO 2003052261 A1 WO2003052261 A1 WO 2003052261A1 DE 0204465 W DE0204465 W DE 0204465W WO 03052261 A1 WO03052261 A1 WO 03052261A1
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chamber
housing
ring
bellows
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PCT/DE2002/004465
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Willibald SCHÜRZ
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02M2200/707—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic with means for avoiding fuel contact with actuators, e.g. isolating actuators by using bellows or diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a device for translating a deflection of an actuator according to the preamble of patent claim 1.
  • Injectors such as piezoelectrically operated injection valves use an actuator whose maximum deflection when actuated is relatively small. So that an injection needle or a servo valve for actuating an injection needle can be actuated safely despite the small deflection of the piezoelectric actuator, a translation of the deflection of the actuator is required. Appropriate translation devices are used for the translation.
  • a hydraulic device for transmitting an actuator movement has a first piston element which is fixedly connected to an actuator.
  • a second piston element is provided which is connected to an actuator.
  • a hydraulic chamber is provided between the first piston element and the second piston element.
  • a storage chamber is formed, which is connected to the hydraulic chamber via a throttle gap.
  • the storage chamber comprises a pressure-loaded storage chamber area, the area limits of which are elastic.
  • the range limits are represented by bellows arrangements, which are preloaded against the housing of the injection valve by a preload spring.
  • the prestressing of the storage chamber area provides a pressure in the storage chamber, which ensures reliable filling of the hydraulic chamber.
  • a fuel injector is known that a piezoelectric or agnetostrictive Ak- gate has.
  • a lifting device with two reciprocating pistons is provided between the actuator and a valve needle.
  • the lifting device is hermetically sealed against a valve interior.
  • the first reciprocating piston is operatively connected to the actuator and has a hollow cylinder shape open on one side, the opening of which is arranged facing away from the actuator.
  • the second reciprocating piston is guided in the cylinder opening.
  • the first reciprocating piston is in turn located in a hollow cylindrical housing.
  • a transfer chamber is formed between an end surface of the housing and the first and second pistons.
  • the second piston is operatively connected to an injection needle.
  • a piston chamber is formed between the first and the second piston.
  • a second bellows is fastened tightly all around, so that a first pressure chamber is formed.
  • a first bellows is fastened tightly all round, so that a second pressure chamber is formed.
  • the piston chamber is connected to the first and to the second pressure chamber via openings.
  • a tension spring is provided in the piston chamber and biases the first and second pistons in opposite directions.
  • the injector described is relatively large due to the arrangement of the tension spring.
  • the piston chamber has a relatively large dead volume. The dead volume leads to a restriction of the movement dynamics of the first and the second piston.
  • a device for translating a deflection of an actuator according to the preamble of claim 1 is known from the applicant's unpublished patent application entitled "Closed Hydraulic System” with the file number 10046323.1.
  • a tensioning element is arranged in the piston chamber between a first and a second piston.
  • the dead volume in the piston chamber is also relatively large in this embodiment. The relatively large dead volume leads to a Impairment of the movement dynamics of the first and the second piston.
  • the object of the invention is to provide a device for translating a deflection of an actuator, which has a smaller dead volume in the piston chamber.
  • An advantage of the invention is that the dead volume in the piston chamber is reduced.
  • the advantage of the invention is achieved in that the tensioning element for prestressing the second piston is arranged outside the piston chamber. Since the tensioning element is arranged outside the piston chamber, the piston chamber can be made significantly smaller. The smaller piston chamber achieves an overall greater dynamic in the transmission of the movement of the first piston and to the second piston.
  • a tension spring is provided as the tensioning means, which is clamped between the housing and a contact ring.
  • the bearing ring is attached to a piston rod of the second piston.
  • the bearing ring preferably has the shape of a sleeve on which a support collar is formed.
  • the tension spring lies on the support collar.
  • the bearing ring is connected to the piston rod via a lock washer. Tilting of the tension spring is avoided by using a sleeve-shaped contact ring.
  • the formation of a support collar creates a secure contact surface for the tension spring provided.
  • a locking washer a safe and simple connection technology is also formed between the contact ring and the piston rod. This ensures reliable operation of the translation device with great long-term stability.
  • a second tension spring is provided, which is also arranged outside the piston chamber and is clamped between the housing and a piston rod of the first piston. In this way, a preload of the first piston in the opposite direction to the preload of the second piston is achieved. An initial position of the first piston is thus reliably established. As a result, it is not necessary, for example, to firmly connect the first piston to an actuator.
  • the second tension spring is arranged outside the housing and is clamped between the first and the second bellows and the piston rod of the first piston. In this way, in addition to the pretension of the piston rod, a pressure is also generated in the compensation chamber, which is limited by the first and second bellows.
  • the piston chamber is hydraulically connected via a bore to a sealing area which is arranged outside the housing and is preferably sealed by a bellows which is connected to the housing and the second piston in a sealed manner all around. This enables the piston chamber to be emptied quickly.
  • the piston chamber is additionally hydraulically connected to the compensation chamber via a bore. The connection to the compensation chamber also enables the fluid to flow out of the piston chamber quickly. This enables the first piston to move against the second piston without a greater counterforce.
  • Another advantageous embodiment consists in closing the housing via a ring, a piston rod of the first piston being guided through the opening of the ring.
  • the ring preferably has a closable bore for filling the device with fluid.
  • the figure shows a schematic cross section through the device according to the invention for transmitting a deflection of an actuator to an actuator.
  • the transmission device according to the invention can be used with any type of actuator and actuator, but is particularly suitable for use in an injection valve, for example for controlling a servo valve by a piezoelectric actuator.
  • a first piston 1 is provided, which has a sleeve shape that is open on one side.
  • the sleeve-shaped part of the piston delimits a piston chamber 3 into which a second piston 2 is guided.
  • the first and the second pistons 1, 2 delimit the piston chamber 3.
  • the first piston 1 is in turn guided in a cylindrical chamber 48 of a housing 4 which has an end face 5 on the face of the first piston 1.
  • An opening 6 is made in the end face 5, through which a piston rod 7 of the second piston 2 is guided.
  • the piston rod 7 has a smaller diameter than the second piston 2.
  • the piston rod 7 passes over an annular shoulder 8 into the widened diameter of the second piston 2.
  • a transfer chamber 10 is formed between the end face 5, the shoulder 8 and an annular end face 9 of the first piston 1.
  • the transmission chamber 10 is hydraulically connected to the piston chamber 3 via a first sealing gap 11, which is formed between a side wall of the second piston 2 and an inner wall of the first piston 1.
  • the piston chamber 3 is delimited by an end surface 47 of the first piston 1 and an end surface 49 of the second piston 2.
  • the transfer chamber 10 has a second sealing gap 12, which is between the outer wall of the first piston
  • the further sealing gap 13 is formed between an end ring 14 and a first section 16 of a second piston rod 17.
  • the first piston 3 merges via a second shoulder 15 into the first section 16 of the second piston rod 17.
  • the first section 16 is essentially cylindrical and merges via a third shoulder 21 into a second section 18 of the second piston rod 17.
  • the second section 18 of the second piston rod 17 has a substantially cylindrical shape and has a smaller diameter than the first section 16.
  • the end ring 14 has a circumferential annular groove 20 which is formed on the outer edge region of the end ring 14 and is assigned to an annular end face 19 of the housing 4.
  • the inner diameter of the end ring 4, which is tapered by the annular groove 20, is preferably matched to the inner diameter of the cylindrical recess of the housing 4. This enables a good fit and thus a good seal between the housing 4 and the end ring 14.
  • the end ring 14 is connected to the housing 4, for example, via a circumferential, tight weld seam.
  • a first bellows 22 which is essentially sleeve-shaped, is tightly attached to the third shoulder 21 with a first end area.
  • the first bellows 22 is preferably made of a metallic material and is therefore preferably welded to the metallic second piston
  • a second end of the first bellows 22 is connected in a circumferentially tight manner to a connecting ring 23.
  • the second section 18 of the second piston rod 17 is guided through the opening of the connecting ring 23.
  • the connecting ring 23 has a fourth shoulder 24, via which the diameter of the connecting ring 23 increases.
  • a second bellows 25, which is essentially cylindrical, is tightly connected to the connecting ring 23.
  • the second bellows 25 is connected with its other edge region in a circumferentially tight manner to an end face of the end ring 14 which faces the connection ring 23. In this way, a compensation chamber 26 is formed between the first and second bellows 22, 25 and the connecting ring 23.
  • the compensation chamber 26 is hydraulically connected to the transmission chamber 10 via the further sealing gap 13 and the second sealing gap 12.
  • the hydraulic connection is designed in such a way that pressure differences between the transfer chamber 10 and the compensation chamber 26 are only compensated for if the pressure differences last for a minimum time.
  • the sealing gaps and the selected geometries define the minimum time in such a way that the time required for transmitting a force from the first piston to the second piston must be exceeded before pressure equalization takes place. This ensures that the power transmission from the first piston to the second piston 1, 2 is possible with almost no losses, but pressure differences that are long-term are nevertheless compensated for. This enables complete filling of the transfer chamber 10 even in the event of temperature fluctuations or wear. This ensures that the transfer chamber 10 is always completely filled with a transfer fluid such as e.g. a pressure oil is filled.
  • a first bore 27 is made in the first piston 1 as far as the further sealing gap 13.
  • the compensation chamber 26 is thus connected to the piston chamber 3 via a hydraulic connection.
  • the hydraulic connection light a quick pressure equalization between the equalizing chamber 26 and the piston chamber 3rd
  • a locking groove 28 is made, in which a locking washer 29 is fastened.
  • a second connecting ring 30 bears against the locking washer 29.
  • a first spring 31 is clamped between the second and the first connecting ring 30, 23. The first spring 31 exerts a prestressing force on the first connecting ring 23 and thus on the first and second bellows 22, 25. As a result, the transmission fluid, which is located in the compensation chamber 26, is pressurized.
  • the end ring 14 has a continuous second bore 32. Via the second bore 32, transmission fluid can be filled from the outside into the third sealing gap 13 and the volumes hydraulically connected to the third sealing gap 13. After all the volumes that are hydraulically connected to the sealing gap 13 are filled, the second bore 32 is closed by a closing element 33.
  • the closing element 33 is designed in the form of a ball.
  • the housing 4 tapers in the outer diameter in the area of the first piston rod 7 via a shoulder to form a ring part
  • the ring part 34 surrounds the first piston rod 7.
  • the first piston rod 7 extends up to a predetermined distance from the ring part 34.
  • the ring part 34 has an annular second end face
  • a third end ring 36 is tightly connected to the piston rod 7 all round.
  • the third end ring 36 has an annular third end face 37 which faces the ring part 34.
  • a third fold bellows 38 is formed, which is essentially in the form of a cylinder and is tightly sealed all around with one end region on the second end face of the ring part 34 and with the other end region on the third end face 37 of the third end ring 36. In this way, a third sealing gap 50, which is formed between the housing 4 and the piston rod 7 and is connected to the transmission chamber 10, is reliably sealed.
  • a second locking groove 39 is formed, in which a second locking washer 40 is introduced.
  • a fourth connecting ring 41 rests on an inside of the second securing washer 40, which faces the housing 4.
  • a second spring 42 is clamped between the fourth connecting ring 41 and the housing 4.
  • the second spring 42 rests on a fourth end face 43 of the housing 4, which is formed by the shoulder of the housing 4, in which the housing 4 merges from a larger outer diameter to the ring part 34 with the smaller outer diameter.
  • the second piston 2 has a third bore 44 made centrally to the end face 49 of the second piston 2, which extends from the end face 49 into the piston rod 7 into an edge region of the piston rod 7, which is arranged at the same height as the third bellows 38 is. There is thus a hydraulically conductive connection between the piston chamber 3 and an equalizing space 45, which is delimited by the piston rod 7 and the third bellows 38.
  • the piston chamber is designed in the form of a blind hole with a blind hole 46 running in the center.
  • the blind hole 46 is hydraulically connected to the third sealing gap 13 via the first bore 27.
  • the translation device works as follows: The volumes that are generated in the transmission device are formed and hydraulically connected to the transfer chamber 10 are completely filled with a liquid medium, which is preferably incompressible.
  • a rest position the first piston 1 is held by the first spring 31 in a starting position with pretension.
  • the starting position is set, for example, by the first piston bearing the second shoulder 15 on the connecting ring 14.
  • the second piston 2 is in a rest position in an initial length in which the second piston 2 is biased by the second spring 42.
  • the rest position is determined, for example, by the second piston 2 resting with the shoulder 8 on the end face 5 of the housing 4.
  • the piston rods 7, 17 of the first and second pistons 1, 2 are biased in the rest position by the housing 4 in the opposite direction.
  • the volume formed between the pistons 1, 2 and the housing 4 and between the bellows 22, 25 and between the third bellows 38 and the piston rod 7 is filled with a transmission medium, in particular with a hydraulic fluid.
  • the filling takes place via the second bore 32, which is then closed with the closing element 33.
  • the idle state of the first and second pistons is preferably also determined in that the first and second piston rods 7, 17 rest against an actuator or an actuator, so that there is a play-free operative connection between the actuator and the actuator.
  • the actuator can be designed, for example, as a piezoelectric actuator. If the actuator is now actuated, the actuator displaces the first piston 1 in the direction of the housing 4. Due to the hydraulic coupling of the second piston 2 via the transmission chamber 10 to the first piston 1, the second piston 2 and the piston rod 7 of the second piston 2 also moved away from the housing against the direction of movement of the first piston 1. The piston rod is standing 7 in operative connection with an injection needle, then the injection needle is lifted from a sealing seat, for example by the movement of the piston rod 7, so that fuel can be injected into an internal combustion engine. In another embodiment, a servo valve is opened or closed, for example, by actuating the second piston, so that a pressure change can act on an injection needle and the injection needle is thereby lifted off a sealing seat.
  • the volume in the piston chamber 3 can be made small. Due to the small volume of the piston chamber 3, the volume is reduced overall, which is filled with transmission medium. This eliminates unnecessary dead volume in the carrier reduced. The functionality of the transmission device is thus improved.
  • the arrangement of the first spring 31 preferably applies pressure to the transmission medium in the compensation chamber 26. This ensures a safe and quick filling of the transmitter chamber 10 with the transmission medium. A play-free coupling between the first and second pistons 1, 2 and a corresponding actuator or actuator is thus reliably ensured. Since the first spring 31 is coupled to the piston rod 17 of the first piston 1, the pressure in the compensation chamber 26 is increased when the first piston 1 is actuated by the actuator. As a result, the overall pressure from the outside onto the transfer chamber 10 is increased when the transfer device is actuated, so that the escape of transfer medium from the transfer chamber 10 is made more difficult.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Übersetzen einer Auslenkung eines Aktors, insbesondere für ein Einspritzventil beschrieben. Die Vorrichtung weist im Wesentlichen zwei gegeneinander verschiebbare Kolben auf, die über eine Übertragerkammer miteinander spielfrei gekoppelt sind. Die Übertragerkammer ist mit einem Übertragermedium gefüllt und steht über einen Dichtspalt mit einer Ausgleichskammer in Verbindung. Der Dichtspalt gleicht nur zeitlich lang andauernde Druckunterschiede zwischen der Übertragerkammer und der Ausgleichskammer aus. Einer der zwei Kolben ist über eine extern angeordnete Feder in eine Ausgangsposition vorgespannt. Durch die Anordnung der Feder außerhalb der Kolben ist eine Reduzierung des Totvolumens zwischen den Kolben möglich. Damit wird insgesamt die Funktionsweise der Übertragervorrichtung verbessert.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Übersetzen einer Auslenkung eines Aktors, insbesondere für ein Einspritzventil
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übersetzen einer Auslenkung eines Aktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Einspritzventile wie z.B. piezoelektrisch betriebene Einspritzventile, verwenden einen Aktor, dessen maximale Auslenkung bei einer Ansteuerung relativ klein ist. Damit trotz der kleinen Auslenkung des piezoelektrischen Aktors eine Einspritznadel oder ein Servoventil zur Ansteuerung einer Einspritznadel sicher betätigt werden kann, ist eine Übersetzung der Auslenkung des Aktors erforderlich. Für die Übersetzung werden entsprechende Übersetzungsvorrichtungen eingesetzt.
Aus DE 19 962 177 AI ist eine hydraulische Vorrichtung zum Übertragen einer Aktorbewegung bekannt. Die Vorrichtung weist ein erstes Kolbenelement auf, das fest mit einem Aktor verbunden ist. Zudem ist ein zweites Kolbenelement vorgesehen, das mit einem Stellglied verbunden ist. Zwischen dem ersten Kolbenelement und dem zweiten Kolbenelement ist eine Hydraulikkammer vorgesehen. Weiterhin ist eine Speicherkammer ausgebildet, die mit der Hydraulikkammer über einen Drosselspalt verbunden ist. Die Speicherkammer umfasst einen druckbelasteten Speicherkammerbereich, dessen Bereichsgrenzen elastisch ausgebildet sind. Die Bereichsgrenzen werden durch Falten- balganordnungen dargestellt, die durch eine Vorspannfeder gegenüber dem Gehäuse des Einspritzventiles vorgespannt sind. Durch die Vorspannung des Speicherkammerbereiches wird ein Druck in der Speicherkammer bereitgestellt, der für eine zuverlässige Auffüllung der Hydraulikkam er sorgt.
Aus DE 19 950 760 AI ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen piezoelektrischen oder agnetostriktiven Ak- tor aufweist. Zwischen dem Aktor und einer Ventilnadel ist eine Hubeinrichtung mit zwei gegeneinander beweglichen Hubkolben vorgesehen. Die Hubeinrichtung ist hermetisch gegenüber einem Ventilinnenraum abgeschlossen. Der erste Hubkolben steht mit dem Aktor in Wirkverbindung und weist eine einseitig offene Hohlzylinderform auf, deren Öffnung vom Aktor abgewandt angeordnet ist. In der Zylinderöffnung ist der zweite Hubkolben geführt. Der erste Hubkolben befindet sich wiederum in einem hohlzylindrischen Gehäuse. Zwischen einer Endfläche des Gehäuses und dem ersten und dem zweiten Kolben ist eine Übertragerkammer ausgebildet. Der zweite Kolben steht mit einer Einspritznadel in Wirkverbindung. Zwischen dem ersten und dem zweiten Kolben ist eine Kolbenkammer ausgebildet. Mit dem Gehäuse und einer Kolbenstange des zweiten Kolbens ist ein zweiter Faltenbalg umlaufend dicht befestigt, so dass eine erste Druckkammer ausgebildet ist. Ebenso ist mit dem Gehäuse und dem ersten Kolben ein erster Faltenbalg umlaufend dicht befestigt, so dass eine zweite Druckkammer ausgebildet ist. Die Kolbenkammer ist über Öffnungen mit der ersten und mit der zweiten Druckkammer verbunden. In der Kolbenkammer ist eine Spannfeder vorgesehen, die den ersten und zweiten Kolben in entgegengesetzte Richtungen vorspannt. Das beschriebene Einspritzventil ist aufgrund der Anordnung der Spannfeder relativ groß ausgebildet. Zudem weist die Kolbenkammer ein relativ großes Totvolumen auf. Das Totvolumen führt zu einer Einschränkung der Bewegungsdynamik des ersten und des zweiten Kolbens .
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Geschlossenes Hydrauliksystem" mit dem Aktenzeichen 10046323.1 ist eine Vorrichtung zum Übersetzen einer Auslenkung eines Aktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Auch in dieser Anordnung ist ein Spannelement in der Kolbenkammer zwischen einem ersten und einem zweiten Kolben angeordnet. Somit ist auch in dieser Ausführungsform das Totvolumen in der Kolbenkammer relativ groß ausgebildet. Das relativ große Totvolumen führt zu einer Beeinträchtigung der Bewegungsdynamik des ersten und des zweiten Kolbens.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Übersetzen einer Auslenkung eines Aktors bereitzustellen, die ein geringeres Totvolumen in der Kolbenkammer aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Totvolumen in der Kolbenkammer reduziert ist. Der Vorteil der Erfindung wird dadurch erreicht, dass das Spannelement zum Vorspannen des zweiten Kolbens außerhalb der Kolbenkammer angeordnet ist. Da das Spannelement außerhalb der Kolbenkammer angeordnet ist, kann die Kolbenkammer wesentlich kleiner ausgebildet sein. Durch die kleinere Kolbenkammer wird eine insgesamt größere Dynamik bei der Übertragung der Bewegung des ersten Kolbens und auf den zweiten Kolben erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist als Spannmittel eine Spannfeder vorgesehen, die zwischen das Gehäuse und einem Anlagering eingespannt ist. Der Anlagering ist an einer Kolbenstange des zweiten Kolbens befestigt. Durch die Anordnung eines Anlageringes wird eine einfache und zuverlässige Anlagefläche für die Spannfeder bereitgestellt.
Vorzugsweise weist der Anlagering die Form einer Hülse auf, an der ein Auflagebund ausgebildet ist. Am Auflagebund liegt die Spannfeder an. Der Anlagering wird über eine Sicherungsscheibe mit der Kolbenstange verbunden. Durch die Verwendung eines hülsenförmigen Anlageringes wird eine Verkippung der Spannfeder vermieden. Zudem wird durch die Ausbildung eines Auflagebundes eine sichere Anlagefläche für die Spannfeder bereitgestellt. Durch die Verwendung einer Sicherungsscheibe wird zudem eine sichere und einfache Verbindungstechnik zwischen dem Anlagering und der Kolbenstange ausgebildet. Damit wird eine zuverlässige Funktionsweise der Übersetzungsvorrichtung mit einer großen Langzeitstabilität erreicht.
In der bevorzugten Ausführungsform ist eine zweite Spannfeder vorgesehen, die ebenfalls außerhalb der Kolbenkammer angeordnet ist und zwischen das Gehäuse und einer Kolbenstange des ersten Kolbens eingespannt ist. Auf diese Weise wird auch eine Vorspannung des ersten Kolbens in entgegengesetzter Richtung zur Vorspannung des zweiten Kolbens erreicht. Somit wird eine Ausgangsposition des ersten Kolbens zuverlässig festgelegt. Dadurch ist es beispielsweise nicht erforderlich, den ersten Kolben fest mit einem Aktor zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Spannfeder außerhalb des Gehäuses angeordnet und zwischen dem ersten und dem zweiten Faltenbalg und der Kolbenstange des ersten Kolbens eingespannt. Auf diese Weise wird neben der Vorspannung der Kolbenstange zusätzlich ein Druck in der Ausgleichskammer erzeugt, die von dem ersten und dem zweiten Faltenbalg begrenzt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kolbenkammer über eine Bohrung mit einem Abdichtbereich hydraulisch verbunden, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und vorzugsweise durch einen Faltenbalg abgedichtet ist, der mit dem Gehäuse und dem zweiten Kolben umlaufend dicht verbunden ist. Auf diese Weise wird eine schnelle Entleerung der Kolbenkammer ermöglicht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kolbenkammer zusätzlich über eine Bohrung hydraulisch mit der Ausgleichskammer verbunden. Auch die Verbindung mit der Ausgleichskammer ermöglicht ein schnelles Ausströmen des Fluids aus der Kolbenkammer. Somit wird eine Bewegung des ersten Kolbens gegen den zweiten Kolben ohne eine größere Gegenkraft ermöglicht. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, das Gehäuse über einen Ring zu verschließen, wobei durch die Öffnung des Ringes eine Kolbenstange des ersten Kolbens geführt ist. Der Ring weist vorzugsweise eine verschließbare Bohrung zum Befüllen der Vorrichtung mit Fluid auf. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors auf ein Stellglied. Die erfindungsgemäße Übertragungsvorrichtung kann bei jeder Art von Aktor und Stellglied eingesetzt werden, ist jedoch insbesondere für den Einsatz in einem Einspritzventil beispielsweise zur Steuerung eines Servoventils durch einen piezoelektrischen Aktor geeignet.
Es ist ein erster Kolben 1 vorgesehen, der eine einseitig offene Hülsenform aufweist. Der hülsenförmige Teil des Kolbens begrenzt eine Kolbenkammer 3, in die ein zweiter Kolben 2 geführt ist. Der erste und der zweite Kolben 1, 2 begrenzen die Kolbenkammer 3. Der erste Kolben 1 ist wiederum in einer zy- linderförmigen Kammer 48 eines Gehäuses 4 geführt, das stirnseitig zum ersten Kolben 1 eine Endfläche 5 aufweist. In der Endfläche 5 ist eine Öffnung 6 eingebracht, durch die eine Kolbenstange 7 des zweiten Kolbens 2 geführt ist. Die Kolbenstange 7 weist einen kleineren Durchmesser als der zweite Kolben 2 auf. Die Kolbenstange 7 geht über einen ringförmigen Absatz 8 in den verbreiterten Durchmesser des zweiten Kolbens 2 über. Zwischen der Endfläche 5, dem Absatz 8 und einer ringförmigen Stirnfläche 9 des ersten Kolbens 1 ist eine Übertragerkammer 10 ausgebildet. Die Übertragerkammer 10 ist über einen ersten Dichtspalt 11, der zwischen einer Seitenwand des zweiten Kolbens 2 und einer Innenwand des ersten Kolbens 1 ausgebildet ist, mit der Kolbenkammer 3 hydraulisch verbunden. Die Kolbenkammer 3 wird von einer Endfläche 47 des ersten Kolbens 1 und einer Stirnfläche 49 des zweiten Kolbens 2 begrenzt. Weiterhin ist die Übertragerkammer 10 über einen zweiten Dichtspalt 12, der zwischen der Außenwand des ersten Kolbens
1 und der Innenwand des Gehäuses 4 ausgebildet ist, mit einem weiteren Dichtspalt 13 verbunden. Der weitere Dichtspalt 13 ist zwischen einem Abschlussring 14 und einem ersten Abschnitt 16 einer zweiten Kolbenstange 17 ausgebildet. Der erste Kolben 3 geht über einen zweiten Absatz 15 in den ersten Abschnitt 16 der zweiten Kolbenstange 17 über. Der erste Abschnitt 16 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und geht über einen dritten Absatz 21 in einen zweiten Abschnitt 18 der zweiten Kolbenstange 17 über. Der zweite Abschnitt 18 der zweiten Kolbenstange 17 weist im Wesentlichen eine Zylinderform auf und hat einen geringeren Durchmesser als der erste Abschnitt 16.
Der Abschlussring 14 weist eine umlaufende ringförmige Nut 20 auf, die am äußeren Randbereich des Abschlussringes 14 ausgebildet ist und einer ringförmigen Stirnseite 19 des Gehäuses 4 zugeordnet ist. Vorzugsweise ist der durch die ringförmige Nut 20 verjüngte Innendurchmesser des Abschlussringes 4 an den Innendurchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung des Gehäuses 4 angepasst. Dadurch wird eine gute Passform und damit eine gute Abdichtung zwischen dem Gehäuse 4 und dem Abschlussring 14 ermöglicht. Der Abschlussring 14 ist beispielsweise über eine umlaufende, dichte Schweißnaht mit dem Gehäuse 4 verbunden.
Im Bereich des dritten Absatzes 21 ist ein erster Faltenbalg 22, der im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist, mit einem ersten Endbereich an den dritten Absatz 21 umlaufend dicht befestigt. Der erste Faltenbalg 22 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gefertigt und deshalb vorzugsweise über eine Schweißnaht mit dem metallischen zweiten Kolben
2 umlaufend dicht verbunden. Ein zweites Ende des ersten Faltenbalges 22 ist an einen Anschlussring 23 umlaufend dicht angeschlossen. Durch die Öffnung des Anschlussringes 23 ist der zweite Abschnitt 18 der zweiten Kolbenstange 17 geführt. Der Anschlussring 23 weist einen vierten Absatz 24 auf, über den sich der Durchmesser des Anschlussringes 23 vergrößert. Im Bereich des vierten Absatzes 24 ist ein zweiter Faltenbalg 25, der im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, an den Anschlussring 23 umlaufend dicht angeschlossen. Der zweiten Faltenbalg 25 ist mit seinem anderen Randbereich an eine Stirnseite des Abschlussringes 14 umlaufend dicht angeschlossen, die dem Anschlussring 23 zugewandt ist. Auf diese Weise wird zwischen dem ersten und dem zweiten Faltenbalg 22, 25 und dem Anschlussring 23 eine Ausgleichskammer 26 ausgebildet.
Die Ausgleichskammer 26 ist über den weiteren Dichtspalt 13 und den zweiten Dichtspalt 12 mit der Übertragerkammer 10 hydraulisch verbunden. Die hydraulische Verbindung ist in der Weise ausgebildet, dass Druckunterschiede zwischen der Übertragerkammer 10 und der Ausgleichskammer 26 nur ausgeglichen werden, wenn die Druckunterschiede eine Mindestzeit andauern. Die Dichtspalte und die gewählten Geometrien legen die Mindestzeit in der Weise fest, dass die Zeit, die zur Übertragung einer Kraft von dem ersten Kolben auf den zweiten Kolben benötigt wird, überschritten werden muss, bevor ein Druckausgleich stattfindet. Dadurch wird gewährleistet, dass die Kraftübertragung von dem ersten Kolben auf den zweiten Kolben 1, 2 nahezu ohne Verluste möglich ist, aber trotzdem zeitlich lang andauernde Druckunterschiede ausgeglichen werden. Dadurch wird eine vollständige Füllung der Übertragerkammer 10 auch bei Temperaturschwankungen oder Abnutzungen ermöglicht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Übertragerkammer 10 immer vollständig mit einem Übertragungs- fluid wie z.B. einem Drucköl gefüllt ist.
Im ersten Kolben 1 ist ausgehend von der Endfläche 47, die die Kolbenkammer 3 begrenzt, eine erste Bohrung 27 bis zum weiteren Dichtspalt 13 geführt. Damit steht die Ausgleichskammer 26 über eine hydraulische Verbindung mit der Kolben- ka mer 3 in Verbindung. Die hydraulische Verbindung er ög- licht einen schnellen Druckausgleich zwischen der Ausgleichskammer 26 und der Kolbenkammer 3.
Im Endbereich der zweiten Kolbenstange 17 ist eine Sicherungsnut 28 eingebracht, in der eine Sicherungsscheibe 29 befestigt ist. An der Sicherungsscheibe 29 liegt ein zweiter Anschlussring 30 an. Zwischen dem zweiten und dem ersten Anschlussring 30, 23 ist eine erste Feder 31 eingespannt. Die erste Feder 31 übt eine Vorspannkraft auf den ersten Anschlussring 23 und damit auf den ersten und zweiten Faltenbalg 22, 25 aus. Dadurch wird das Übertragungsfluid, das sich in der Ausgleichskammer 26 befindet, mit einem Druck beaufschlagt.
Der Abschlussring 14 weist eine durchgehende zweite Bohrung 32 auf. Über die zweite Bohrung 32 kann Übertragungsfluid von außen in den dritten Dichtspalt 13 und die mit dem dritten Dichtspalt 13 hydraulisch verbundenen Volumen eingefüllt werden. Die zweite Bohrung 32 ist nach dem Auffüllen aller Volumen, die mit dem Dichtspalt 13 hydraulisch verbunden sind, über ein Schließelement 33 verschlossen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schließelement 33 in Form einer Kugel ausgebildet.
Das Gehäuse 4 verjüngt sich im Außendurchmesser im Bereich der ersten Kolbenstange 7 über einen Absatz zu einem Ringteil
34 mit einem kleineren Außendurchmesser. Das Ringteil 34 umgibt die erste Kolbenstange 7. Die erste Kolbenstange 7 erstreckt sich bis zu einem vorgegebenen Abstand zum Ringteil 34. Das Ringteil 34 weist eine ringförmige zweite Stirnseite
35 auf, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der ersten Kolbenstange 7 angeordnet ist. In einem vorgegebenen Abstand zum Ringteil 34 ist ein dritter Abschlussring 36 umlaufend dicht mit der Kolbenstange 7 verbunden. Der dritte Abschlussring 36 weist eine ringförmige dritte Stirnseite 37 auf, die dem Ringteil 34 zugewandt ist. Zwischen dem Ringteil 34 und dem dritten Abschlussring 36 ist ein dritter Falten- balg 38 ausgebildet, der im Wesentlichen in Form eines Zylinders ausgebildet ist und mit einem Endbereich an der zweiten Stirnseite des Ringteiles 34 und mit dem anderen Endbereich an der dritten Stirnseite 37 des dritten Abschlussringes 36 umlaufend dicht befestigt ist. Auf diese Weise wird ein dritter Dichtspalt 50, der zwischen dem Gehäuse 4 und der Kolbenstange 7 ausgebildet ist und mit der Übertragerkammer 10 in Verbindung steht, zuverlässig abgedichtet.
Im Endbereich der Kolbenstange 7 ist eine zweite Sicherungsnut 39 ausgebildet, in der eine zweite Sicherungsscheibe 40 eingebracht ist. Auf einer Innenseite der zweiten Ξicherungs- scheibe 40, die dem Gehäuse 4 zugewandt ist, liegt ein vierter Anschlussring 41 an. Zwischen dem vierten Anschlussring 41 und dem Gehäuse 4 ist eine zweite Feder 42 eingespannt. Die zweite Feder 42 liegt auf einer vierten Stirnseite 43 des Gehäuses 4 auf, die durch den Absatz des Gehäuses 4 gebildet wird, in dem das Gehäuse 4 von einem größeren Außendurchmesser zu dem Ringteil 34 mit dem kleineren Außendurchmesser übergeht .
Der zweite Kolben 2 weist eine mittig zur Stirnfläche 49 des zweiten Kolbens 2 eingebrachte dritte Bohrung 44 auf, die sich ausgehend von der Stirnfläche 49 bis in die Kolbenstange 7 in einen Randbereich der Kolbenstange 7 erstreckt, der auf gleicher Höhe wie der dritte Faltenbalg 38 angeordnet ist. Damit besteht eine hydraulisch leitende Verbindung zwischen der Kolbenkammer 3 und einem Ausgleichsraum 45, der von der Kolbenstange 7 und dem dritten Faltenbalg 38 begrenzt wird. In einer einfachen Ausführungsform ist die Kolbenkammer in Form einer Sacklochbohrung mit einem mittig zulaufenden Sackloch 46 ausgebildet. Das Sackloch 46 steht über die erste Bohrung 27 mit dem dritten Dichtspalt 13 hydraulisch in Verbindung.
Die Übersetzungsvorrichtung gemäß der Figur funktioniert wie folgt: Die Volumina, die in der Übertragungsvorrichtung aus- gebildet sind und hydraulisch mit der Übertragerkammer 10 verbunden sind, sind vollständig mit einem flüssigen Medium gefüllt, das vorzugsweise inkompressibel ist. In einer Ruheposition ist der erste Kolben 1 durch die erste Feder 31 in einer Ausgangslage mit Vorspannung gehaltert. Die Ausgangslage wird beispielsweise durch die Anlage des ersten Kolbens mit dem zweiten Absatz 15 an dem Anschlussring 14 eingestellt. Der zweite Kolben 2 befindet sich in einer Ruheposition in einer Ausgangslange, in der der zweite Kolben 2 durch die zweite Feder 42 vorgespannt ist. Die Ruheposition wird beispielsweise durch die Anlage des zweiten Kolbens 2 mit dem Absatz 8 an der Endfläche 5 des Gehäuses 4 festgelegt. Die Kolbenstangen 7, 17 des ersten und des zweiten Kolbens 1, 2 sind in der Ruheposition vom Gehäuse 4 in entgegengesetzter Richtung vorgespannt. Das zwischen den Kolben 1, 2 und dem Gehäuse 4 und zwischen den Faltenbalgen 22, 25 und zwischen dem dritten Faltenbalg 38 und der Kolbenstange 7 gebildete Volumen ist mit einem Übertragermedium, insbesondere mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Die Füllung erfolgt über die zweite Bohrung 32, die anschließend mit dem Schließelement 33 verschlossen ist. Aufgrund der Vorspannung der Ausgleichskammer 26 über die erste Feder 31 herrscht auch im Ruhezustand ein festgelegter Druck im Übertragungsmedium. Der Ruhezustand des ersten und des zweiten Kolbens wird vorzugsweise auch dadurch festgelegt, dass die erste und die zweite Kolbenstange 7, 17 an einem Aktor bzw. an einem Stellglied anliegen, so dass eine spielfreie Wirkverbindung zwischen dem Aktor und dem Stellglied gegeben ist.
Der Aktor kann beispielsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet sein. Wird nun der Aktor angesteuert, so verschiebt der Aktor den ersten Kolben 1 in Richtung des Gehäuses 4. Aufgrund der hydraulischen Koppelung des zweiten Kolbens 2 über die Übertragerkammer 10 an den ersten Kolben 1 wird der zweite Kolben 2 und die Kolbenstange 7 des zweiten Kolbens 2 ebenfalls vom Gehäuse weg gegen die Bewegungsrichtung des ersten Kolbens 1 verschoben. Steht die Kolbenstange 7 in Wirkverbindung mit einer Einspritznadel, dann wird beispielsweise durch die Bewegung der Kolbenstange 7 die Einspritznadel von einem Dichtsitz abgehoben, so dass eine Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine erfolgen kann. In einer anderen Ausführungsform wird beispielsweise durch die Betätigung des zweiten Kolbens ein Servoventil geöffnet oder geschlossen, so dass eine Druckänderung an einer Einspritznadel angreifen kann und dadurch die Einspritznadel., von einem Dichtsitz abgehoben wird.
Wird die Bestromung des Aktors unterbrochen, so wirkt keine Kraft mehr auf die zweite Kolbenstange 17 des ersten Kolbens 1. Als Folge davon wird die zweite Kolbenstange 17 des ersten Kolbens 1 vom Gehäuse 4 durch die Vorspannkraft der ersten Feder 31 weggeschoben. Ebenfalls wird der zweite Kolben 2 durch die zweite Feder 42 wieder in die Ausgangsposition bewegt.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass zum einen die Auslenkung des ersten Kolbens zuverlässig auf eine entsprechende Auslenkung des zweiten Kolbens in entgegengesetzter Richtung übertragen wird und zum anderen eine zuverlässige Anlage der ersten und der zweiten Kolbenstange an einem Aktor bzw. an einem Stellglied sichergestellt wird. Die Anlage wird dadurch sichergestellt, dass entsprechende Federmittel 31, 42 vorgesehen sind und dass eine Betätigung des Aktors sofort ohne eine Verzögerung auf eine entsprechende Betätigung des zweiten Kolbens übertragen wird, da die Übertragerkammer 10 immer zuverlässig mit Übertragermedium gefüllt ist.
Durch die Anordnung der zweiten Feder 42 außerhalb des Gehäuses 4 und insbesondere außerhalb der Kolbenkammer 3 kann das in der Kolbenkammer 3 befindliche Volumen klein ausgebildet werden. Durch das kleine Volumen der Kolbenkammer 3 ist insgesamt das Volumen reduziert, das mit Übertragermedium gefüllt ist. Somit wird überflüssiges Totvolumen in der Über- tragungsvorrichtung reduziert. Damit wird die Funktionsfähigkeit der Übertragungsvorrichtung verbessert.
Vorzugsweise wird durch die Anordnung der ersten Feder 31 das Übertragermedium in der Ausgleichskammer 26 mit einem Druck beaufschlagt. Dadurch wird eine sichere und schnelle Auffüllung der Übertragerkammer 10 mit Übertragermedium sichergestellt. Somit wird zuverlässig eine spielfreie Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Kolben 1, 2 und einem entsprechenden Aktor bzw. Stellglied gewährleistet. Da die erste Feder 31 mit der Kolbenstange 17 des ersten Kolbens 1 gekoppelt ist, wird der Druck in der Ausgleichskammer 26 bei einer Betätigung des ersten Kolbens 1 durch den Aktor erhöht. Dadurch wird insgesamt der Druck von außen auf die Übertragerkammer 10 bei einer Betätigung der Übertragungsvorrichtung erhöht, so dass ein Entweichen von Übertragermedium aus der Übertragerkammer 10 erschwert wird. Dies bietet den Vorteil, dass eine Abdichtung der Dichtspalte, die die Übertragerkammer 10 mit dem sonstigen Übertragermediumvolumen verbindet, nicht so präzise ausgeführt sein müssen, damit ein kurzzeitiges Entweichen von Übertragermedium aus der Übertragerkammer vermieden wird. Dadurch wird die Herstellung der Übertragervorrichtung kostengünstiger.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Übersetzen einer Auslenkung eines Aktors, insbesondere für ein Einspritzventil, mit einem Gehäuse (4), in dem ein erster und ein zweiter Kolben (1, 2) beweglich gelagert sind, wobei der erste Kolben (1), der zweite Kolben (2) und das Gehäuse (4) eine Übertragerkammer (10) begrenzen, wobei die Übertragerkammer (10) mit Übertragermedium gefüllt ist und die Position des ersten Kolbens (1) die Position des zweiten Kolbens (2) festlegt, wobei die Übertragerkammer (10) über eine hydraulische Leitung (11, 12) mit einer Ausgleichskammer (26) verbunden ist, wobei die hydraulische Leitung (11, 12) nur zeitlich lang andauernde Druckunterschiede zwischen der Ausgleichskammer (26) und der Übertragerkammer (10) ausgleicht, wobei die Ausgleichskammer (26) durch einen ersten und/oder zweiten Faltenbalg (22, 25) begrenzt ist, wobei zwischen dem Gehäuse (4) und dem zweiten Kolben (2) ein Dichtspalt ausgebildet ist, der über einen dritten Faltenbalg (38) abgedichtet ist, wobei ein Spannmittel (42) vorgesehen ist, das den zweiten Kolben (2) in eine Ruheposition vorspannt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Spannmittel (42) in Form einer Spannfeder zwischen dem Gehäuse (4) und dem zweiten Kolben (1, 2) eingespannt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) eine erste Kammer (48) mit einer Endwand (5) aufweist, dass in der Kolbenkammer (3) der erste Kolben (1) geführt ist, dass der erste Kolben (1) eine zweite Kolbenkammer aufweist, dass in der zweiten Kolbenkammer der zweite Kolben (2) geführt ist, dass in der Endwand (8) des Gehäuses (4) eine Bohrung (6) eingebracht ist, durch die eine Kolbenstange (7) des zweiten Kolbens (2) geführt ist, dass zwischen der Endwand (8) des Gehäuses (4) und zwei Druckflächen (8, 9) des ersten und zweiten Kolbens (1, 2) die Übertragerkammer (10) ausgebildet ist, dass der erste und zweite Kolben (1, 2) eine weitere Kammer begrenzen, dass die weitere Kammer über eine hydraulische Leitung (27) mit der Ausgleichskammer (26) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannfeder (42) an einer Anlagefläche (43) des Gehäuses (4) aufliegt, dass ein Anlagering (41) vorgesehen ist, der an der Kolbenstange (7) befestigt ist, und dass die Spannfeder (42) zwischen dem Anlagering (41) und dem Gehäuse (4) eingespannt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagering (41) in Form einer Hülse mit einem Auflagebund ausgebildet ist, dass der Anlagering über einen Sicherungsring (40) mit der Kolbenstange (7) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Spannfeder (31) vorgesehen ist, dass die zweite Spannfeder (31) zwischen dem Gehäuse (4) und einer Kolbenstange (17) des ersten Kolbens (1) eingespannt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Spannfeder (31) vorgesehen ist, dass die zweite Spannfeder (31) zwischen dem ersten und zweiten Faltenbalg (22, 25) und der Kolbenstange (17) des ersten Kolbens (1) eingespannt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Faltenbalg (22, 25) an einen hülsenförmigen Anschlussring (23) angeschlossen ist, dass der Anschlussring (23) gegenüberliegend zur Anschlussseite des ersten und zweiten Faltenbalges (22, 25) eine umlaufende Anlagekante aufweist, dass die zweite Spannfeder (31) auf der Anlagekante aufliegt, dass ein zweiter Anlagering (30) in Form einer Hülse mit einem Auflagebund ausgebildet ist, dass der zweite Anlagering (30) über einen Sicherungsring (29) mit der Kolbenstange (17) des ersten Kolbens (1) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kolbenkammer des Gehäuses (4) im offenen Bereich einen umlaufenden Randbereich (19) aufweist, dass auf den Randbereich (19) ein Ring (14) umlaufend dicht befestigt ist, dass der erste Faltenbalg (22) an einem Randbereich mit dem
Ring (14) umlaufend dicht verschweißt ist, dass der zweite Randbereich des ersten Faltenbalges mit einem
Anschlussring (23) verbunden ist, dass der zweite Faltenbalg (25) mit einem ersten Randbereich mit dem zweiten Kolben (2) umlaufend dicht verbunden ist, und dass der zweite Randbereich des zweiten Faltenbalges mit dem
Anschlussring (23) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (14) eine verschließbare Bohrung (32) zum Be- füllen der Ausgleichskammer (26) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (2) eine Bohrung (44) aufweist, die von einer Stirnfläche (49), die die Kolbenkammer begrenzt, bis zu dem Bereich geführt ist, in dem der dritte Faltenbalg (38) zur Abdichtung eines dritten Dicht- Spaltes (50) angeordnet ist, der zwischen dem zweiten Kolben (2) und dem Gehäuse (4) ausgebildet ist.
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