DE102005046174B4

DE102005046174B4 - Spannfeder

Info

Publication number: DE102005046174B4
Application number: DE102005046174A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dick; Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Steffen Kernbach; Tim Dr. Schwebel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Noliac AS
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: DE102005046174A1

Abstract

Spannfeder für einen zwischen zwei Abschlusselementen (2, 3) eingespannten Piezomultilayeraktor (1) mit zumindest zwei Wellenfedern (6, 11), die jeweils an den Abschlusselementen (2, 3) befestigt sind und diese verbinden,
wobei die Wellenfedern (6,11) eine in der Größenordnung ihrer Wandstärke liegende oder kleinere Wellenamplitude aufweisen und die Länge eines Wellenzuges ein Vielfaches der Wellenamplitude beträgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wellenfedern (11) aus mehreren dünnen Schichten (8) bestehen, deren Wellung parallel liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannfeder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Spannfeder, mit der ein Piezomultilayeraktor vorgespannt werden kann.
Als schnelle Stell- und Schaltantriebe finden Piezomultilayeraktoren, abgekürzt PMA, vielfach Verwendung. Insbesondere werden PMA bei Kraftstoffhochdruckeinspritzventilen eingesetzt. Neuere Bauformen von PMA weisen oft quadratische Querschnitte mit einer Kantenlänge von 5 mm bis ca. 7 mm auf. Der PMA muss unter einer Vorspannung gehalten werden, um ihn vor Zugbelastungen zu schützen, evtl. vorhandene Sprünge, wie etwa Polungsrisse, zusammenzudrücken und eine mechanisch steife Anbindung an das anzutreibende Element, wie etwa eine Düsennadel, sowie ein Gegenlager zu erreichen. Dabei ist bei Baulängen des PMA zwischen 30 mm und 60 mm eine Zugkraft von etwa 600–850 N vorteilhaft. Es ist bekannt, eine Zylinderfeder um den PMA anzuordnen, um diese Vorspannung zu erreichen. Dadurch wird jedoch durch den Kreisquerschnitt der Zylinderfeder ein größerer Bauraum benötigt als durch die Form des PMA vorgegeben.
Weiter ist, um im Bereich verträglicher Materialspannungen, z. B. < 1200 N/mm² für kalt umgeformten vergüteten Federstahl, zu bleiben, eine möglichst geringe Federrate der Zylinderfeder erwünscht.
Die Materialstärke und/oder Breite der Federbänder kann jedoch nicht beliebig verringert werden, da dann beim Hub des PMA oder bereits durch die Vorspannung die zulässige Materialspannung überschritten würde
Aus der DE 100 02 437 A1 ist eine Aktuatoranordnung für Kraftstoffhochdruckeinspritzventil bekannt, die ein Kopf- und ein Fußteil aufweist, zwischen denen ein Piezoelement eingespannt ist. Zwischen dem Kopf- und dem Fußteil ist zur Einspannung des Piezoelements eine Spannanordnung vorgesehen. In einer Ausführungsform besteht das Spannanordnung aus mindestens zwei Wellfedern, die mit ihren Enden jeweils am Kopf- und Fußteil derart befestigt sind, dass sie das Piezoelement vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten einspannen.
Nachteilig bei dieser bekannten Wellenfeder ist die relativ große Wellenamplitude, so dass durch die Wellung ein erheblicher Bauraumbedarf entsteht.
Im Stand der Technik ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 199 06 468 A1 , DE 198 57 247 C1 , DE 198 26 341 A1 und der DE 196 50 900 A1 bekannt, zur Federvorspannung von piezoelektrischen Aktoren entweder Federbänder, Kühlkörper mit entsprechender Federcharakteristik, allgemeine Federelemente oder allgemeine federnde Vorspannelemente einzusetzen.
Die DE 103 21 800 A1 offenbart mehrschichtige Wellenfedern zum Stapeln, falls eine entsprechend hohe Spannkraft erforderlich ist.
Die als nächstliegender Stand der Technik anzusehende Offenlegungsschrift DE 199 06 467 A1 beschreibt seitliche Federschenkel und Vorspannmittel, wobei mindestens eine Tellerfeder zur Vorspannung des Aktorkörpers eingesetzt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Platz sparende Spannfeder so zu gestalten, dass sie eine hohe Vorspannung des PMA ermöglicht, einfach sowie kostengünstig in Großserie gefertigt werden kann und dass sie eine kleine Federrate aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Spannfeder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch eine Spannfeder mit den Merkmalen des Anspruchs 1 kann der Piezomultilayeraktor, abgekürzt PMA, vorteilhaft unter eine hohe Vorspannung gesetzt werden bei einer gleichzeitig geringen Federrate in Längsrichtung des PMA. Die sehr lang gestreckte Wellung benötigt lediglich einen zu vernachlässigenden größeren Einbauraum gegenüber einer glatten, nicht gewellten Feder. Entgegen den bekannten Nutzungen einer Wellenfeder weisen die Wellenfedern nur eine in der Größenordnung ihrer Wandstärke liegende oder kleinere Wellenamplitude auf. Ferner beträgt die Länge der Wellenzuges ein Vielfaches der Wellenamplitude. Eine solche Wellenfeder nahe am Übergang zu einer glatten, vollständig gestreckten Bandfeder hat bei üblichen Anwendungen eine mit der Dehnung sehr schnell ansteigende Federrate, da der Effekt der Wellung verloren geht. Da der PMA jedoch insgesamt nur eine relativ geringe Auslenkung hat, wird der Bereich der stark ansteigenden Federrate nicht erreicht. Stattdessen tritt der gewünschte Effekt der Herab setzung der Federrate in den Vordergrund. Die Wellenstruktur kann kostengünstig und in Großserienfertigung durch mechanische Umformung, wie z. B. Präge- oder Pressverfahren, realisiert werden.
In vorteilhafter Ausführung kann die Wellung im Querschnitt sinusförmige, parabelförmige oder kreisbogenförmige Abschnitte aufweisen. Durch abgerundete Formen werden Spannungsspitzen im Material vermieden.
Bei einer Wandstärke der Feder von 100 μm liegen vorteilhafte Werte für die Wellenamplitude zwischen 50 und 150 μm und für die Länge eines Wellenzuges zwischen 3 und 20 mm.
Bei Federblechen mit einer Wandstärke zwischen 0,1–0,2 mm ergeben sich entsprechend günstige Werte.
Vorteilhaft besteht die Wellenfeder aus mehreren dünnen Schichten, deren Wellung parallel liegt. In besonders günstiger Ausführung besteht die Wellenfeder aus zwei dünnen Schichten, die durch gemeinsames Umformen hergestellt sind..
Etwaige Materialspannungsspitzen an den Stellen mit dem kleinsten Krümmungsradius werden dadurch verringert.
Vorteilhaft wird die Wellung der Wellenfeder durch Umformen hergestellt, wobei in Bereichen stärkerer Materialspannung der Wellenfeder eine größere Materialstärke vorhanden ist.
Beim Umformen können in gewissen Maß Bereiche mit stärkerer Wandstärke gebildet werden. Ebenso können in Bereichen geringerer Materialspannung geringere Wandstärken erreicht werden. Dadurch ist eine zusätzliche Reduktion der Federrate erzielbar.
Die Wellenfeder wird in vorteilhafter Weise in eine Abrundung auslaufend an den Abschlusselementen befestigt.
Durch die eigentliche Befestigung wird das Material der Wellenfeder geschwächt. Wenn die Wellenfeder zunächst in eine Abrundung ausläuft und umgebogen wird, wird eine Abknickung über Eck in L-Form vermieden. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Wellenfeder zur Schweißnaht hin verbreitert.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Spannfeder werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine Querschnittdarstellung einer Aktuatoranordnung mit einer Spannfeder nach dem Stand der Technik,
2 die Aktuatoranordnung der 1 in einer perspektivischen Ansicht,
3 eine Aktuatoranordnung mit einer erfindungsgemäßen Spannfeder in einer Querschnittdarstellung,
4 die Aktuatoranordnung der 3 in einer Perspektivansicht,
5 den Ausschnitt V in der 3 im Detail,
6 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Wellenfeder in einem dem Ausschnitt der 5 entsprechenden Detail und
7 einen Ausschnitt VII in der 3 für den Federanschluss im Detail.
1 zeigt im Querschnitt eine Aktuatoranordnung mit einer Spannfeder nach dem Stand der Technik. Ein Piezomultilayeraktor 1, abgekürzt PMA 1, ist zwischen einem unteren Abschlusselement 2 und einem oberen Abschlusselement 3 angeordnet. Über zwei Spannungszuleitungen 4 kann an den PMA 1 eine elektrische Spannung angelegt werden. Unteres Abschlusselement 2 und oberes Abschlusselement 3 sind jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten des PMA 1 mit Glattfedern 5 verbunden.
2 zeigt die Aktuatoranordnung der 1 in Perspektivansicht mit dem PMA 1, dem unteren Abschlusselement 2 und dem oberen Abschlusselement 3 und den zwei Spannungszuleitungen 4. An zwei gegenüberliegenden Seiten des PMA 1 sind die Glattfedern 5 angeordnet, die den PMA 1 über das untere Abschlusselement 2 und das obere Abschlusselement 3 vorspannen.
3 zeigt im Querschnitt eine Aktuatoranordnung mit einer erfindungsgemäßen Spannfeder. Bauteile, die denen der Aktuatoranordnung der 1 und 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein PMA 1 ist zwischen einem unteren Abschlusselement 2 und einem oberen Abschlusselement 3 angeordnet. Über zwei Spannungszuleitungen 4 kann an den PMA 1 eine elektrische Spannung angelegt werden. Unteres Abschlusselement 2 und oberes Abschlusselement 3 sind jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten des PMA 1 mit Wellenfedern 6 verbunden.
4 zeigt die Aktuatoranordnung der 3 in Perspektivansicht mit dem PMA 1, dem unteren Abschlusselement 2 und dem oberen Abschlusselement 3 und den zwei Spannungszuleitungen 4. An zwei gegenüberliegenden Seiten des PMA 1 sind die Wellenfedern 6 angeordnet, die den PMA 1 über das untere Abschlusselement 2 und das obere Abschlusselement 3 vorspannen.
5 zeigt den Ausschnitt V in der 3 im Detail. Die Wellenfeder 6 hat eine Wandstärke von 1/10 mm. Vorliegend ist ein Wellenzug, der in dem Detailausschnitt dargestellt ist, ca 12 mm lang. Die Wellenamplitude beträgt nur unwesentlich mehr als die Wandstärke der Feder, wie dies an Hand der eingezeichneten Mittellinie 7 zu sehen ist.
Die sehr lang gestreckte Wellung der Wellenfeder 6 erfordert an der Seite des PMA 1 einen nur unwesentlich größeren Einbauraum gegenüber der Glattfeder 5 nach dem Stand der Technik in 1. Wenn der PMA 1 über die Spannungszuleitungen 4 mit einer elektrischen Spannung versehen wird, dehnt er sich aus und die Wellenfeder 6 wird in die Länge gezogen. Da jedoch die Dehnung nur relativ gering ist, bleibt die Federrate trotz der lang gestreckten Wellung deutlich niedriger als bei einer Glattfeder.
6 zeigt in einem dem Ausschnitt der 5 entsprechenden Detail ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Wellenfeder 11. Diese ist aus zwei Schichten 8 aufgebaut. Die Schichten 8 werden durch gemeinsames Umformen hergestellt und ihre Wellenzüge laufen somit absolut parallel.
Bei gleicher Gesamtwandstärke entstehen durch die Aufteilung auf zwei Schichten 8 in den Krümmungsbereichen weniger Materialspannungen und die Dauerhaltbarkeit der Wellenfeder 11 ist erhöht. Bereiche geringerer Materialspannung sind beim Umformen mit etwas geringeren Wandstärken ausgeführt. Dadurch ist eine zusätzliche Reduktion der Federrate erzielbar.
Die optimale Auslegung der Wellenform, Anzahl der Wellenzüge, Anzahl der Schichten 8 und Wandstärken, jeweils abhängig von gegebenen Lastbedingungen und Einbauraumbedingungen, kann mittels numerischer Methoden, insbesondere Finite Elemente Simulation, ermittelt werden.
Die 7 zeigt den Ausschnitt VII in der 3 für den Federanschluss in Aufsicht im Detail. Die Wellenfeder 6 ist an dem unteren Abschlusselement 2 über eine Schweißnaht 9 befestigt. Dabei wird die Wellenfeder an beiden Seiten über eine Rundung 10 nach außen geführt, so dass bei der Befestigung der Wellenfeder 6 an dem unteren Abschlusselement 2 keine scharfe Knickung auftritt.

Claims

Spannfeder für einen zwischen zwei Abschlusselementen (2, 3) eingespannten Piezomultilayeraktor (1) mit zumindest zwei Wellenfedern (6, 11), die jeweils an den Abschlusselementen (2, 3) befestigt sind und diese verbinden, wobei die Wellenfedern (6,11) eine in der Größenordnung ihrer Wandstärke liegende oder kleinere Wellenamplitude aufweisen und die Länge eines Wellenzuges ein Vielfaches der Wellenamplitude beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenfedern (11) aus mehreren dünnen Schichten (8) bestehen, deren Wellung parallel liegt.
Spannfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellung im Querschnitt sinusförmige, parabelförmige oder kreisförmige Abschnitte aufweist.
Spannfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Wandstärke der Wellenfedern (6) von 100 μm die Wellenamplitude zwischen 50 und 150 μm beträgt und die Länge eines Wellenzuges zwischen 3 und 20 mm beträgt.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenfedern (11) aus zwei dünnen Schichten (8) bestehen, die durch gemeinsames Umformen hergestellt sind.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellung der Wellenfedern (6,11) durch Umformen hergestellt ist und in Bereichen stärkerer Materialspannung der Wellenfedern eine größere Materialstärke vorhanden ist.
Spannfeder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenfedern (6) an beiden Seiten über je eine Rundung (10) auslaufend an den Abschlusselementen (2) befestigt sind.