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Die
Erfindung betrifft ein Steuerventil mit einem piezoelektrischen
Aktuator gemäß dem Oberbegriff der Merkmale des
ersten Patentanspruchs.
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Derartige
Steuerventile werden zur Steuerung oder Regulierung eines Flusses
eines Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines
Gases, eingesetzt.
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Aus
der deutschen Patentschrift
DE 199 39 476 C2 ist ein Ventil zum Steuern
von Flüssigkeiten mit einem Ventilglied bekannt, welches
mittels eines piezoelektrischen Aktuators betätigbar ist.
Hierzu wird eine Stellbewegung des Aktuators über Ausgleichselemente
auf einen mechanischen Übersetzer geleitet, welcher den
Stellweg der Stellbewegung vergrößert und auf
ein das Ventilglied tragendes Kolbenelement überträgt.
Der mechanische Übersetzer besteht hierbei aus einer Membran,
welche derart auf einem Auflager gelagert ist, dass sie in einen
ersten kürzeren und einen zweiten längeren Hebelarm
aufgeteilt ist, wobei die Ausgleichselemente an dem ersten Hebelarm
anliegen und das Kolbenelement an dem zweiten Hebelarm. Hierdurch
wird die Stellbewegung in Abhängigkeit des Längenverhältnisses der
beiden Hebelarme übersetzt. An dem zweiten Hebelarm der
Membran liegt ein durch die Stellbewegung vorgespanntes elastisches
Rückstellelement an, welches bei einer Rückstellbewegung
des Aktuators eine Rückstellung des Kolbenelements und
somit des Ventilglieds bewirkt. Der vorgeschlagene mechanische Übersetzer
zeichnet sich im Hinblick auf bekannte hydraulische Übersetzer
durch einen einfachen Aufbau und prinzipbedingt keine auftretenden Leckageverluste
aus.
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Der
Aktuator ist in dem bekannten Ventil durch ein in Richtung der Stellbewegung
wirkendes elastisches Vorspannelement gegen eine Seite eines Gehäuseteils
vorgespannt, und die Membran ist bei einer Stellbewegung des Aktuators
durch das Rückstellelement gegen eine zweite Seite des
Gehäuseteils vorgespannt. Die Länge des piezoelektrischen Aktuators
ist hierdurch gegenüber der Gesamtlänge des Ventils
gering. Piezoelektrische Aktuatoren bestehen in der Regel aus einer
Vielzahl hintereinander gereihter Piezoelemente, wobei der maximal
erzeugbare Stellweg unmittelbar von der Anzahl der hintereinander
gereihten Piezoelemente und somit von der Länge des Aktuators
abhängig ist. Der Stellweg des bekannten Ventils ist daher
im Verhältnis zu dessen Gesamtlänge gering.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit ein Ventil mit einem einfachen Aufbau
zu schaffen, welches im Verhältnis zu seiner Gesamtlänge
einen größeren Stellweg aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch ein Ventil gemäß dem ersten
Patentanspruch gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen. Das Ventil zeichnet sich
gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass der Piezoelektrische
Aktuator einen Innenraum aufweist, innerhalb welcher das elastische
Rückstellelement zumindest teilweise angeordnet ist. Somit
wird ein Teil der von dem Rückstellelement benötigten
Länge in das Innere des Aktuators verlegt, wodurch sich
die Gesamtlänge des Ventils gegenüber der Länge
des Aktuators reduziert und das Ventil im Verhältnis zu
seiner Gesamtlänge einen größeren Stellweg
aufweist. Bevorzugt erstreckt sich der Innenraum durch den gesamten
Aktuator, welcher hierdurch einfacher herstellbar ist.
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Zur
direkten Übertragung der zur Rückstellung des
Ventilglieds benötigten Rückstellkraft auf das
Kolbenelement, liegt das Rückstellelement in einer vorteilhaften
Ausbildung der Erfindung unmittelbar an dem Kolbenelement an, wobei
das Rückstellelement bevorzugt eine Druckspiralfeder ist,
jedoch auch ein beliebiges anderes elastisches Bauteil sein kann,
beispielsweise eine Tellerfeder oder ein Gummielement. In einer
Weiterbildung hiervon liegt das Kolbenelement derart an der Membran
an, dass eine Übertragung der Stell- oder Rückstellbewegung
von der Membran auf das Kolbenelement nur in eine Bewegungsrichtung
möglich ist. Das Kolbenelement braucht daher nur an einer
Seite der Membran anliegen statt an zwei Seiten, wie bei dem bekannten
Ventil und kann somit einfacher gestaltet sein und das Ventil kann
bei der Montage einfacher zusammengesetzt werden. Zur Fixierung
der Membran in dem Gehäuse kann dabei das Kolbenelement
durch das Rückstellelement gegen die Membran vorgespannt sein.
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Zur
größtmöglichen Verringerung der Gesamtlänge
des Ventils sieht eine weiter vorteilhafte Ausbildung der Erfindung
vor, dass das Rückstellelement vollständig in
dem Innenraum des Aktuators angeordnet ist. Das Kolbenelement kann
dementsprechend auch in den Innenraum hineinragen.
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Auf
Grund des großen Stellwegs des Ventils bei einer geringen
Gesamtlänge und durch die hohe Stellgeschwindigkeit des
piezoelektrischen Aktuators kann das Ventil schnell eine relativ
große Durchflussfläche bereitstellen. Es eignet
sich daher gut zur Regelung oder Steuerung eines Fahrzeuggetriebes, beispielsweise
eines Automatgetriebes oder eines Doppelkupplungsgetriebes, bei
welchen während eines Schaltvorgangs innerhalb kurzer Zeit
eine große Menge Hydraulikflüssigkeit auf die
das Getriebe steuernden Hydraulikaktuatoren verteilt werden muss.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen
näher erläutert, aus welchen weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen entnommen werden können. Es zeigen jeweils
in schematischer Darstellung,
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1 eine
vorteilhafte Ausgestaltung eines Ventils bei welchem sich ein Innenraum über
die gesamte Länge eines Aktuators erstreckt, wobei ein Rückstellelement
vollständig in dem Innenraum Aktuator angeordnet ist;
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2 eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Ventils bei welchem ein
Kolbenelement durch einen rohrförmigen Aktuator geführt
wird, wobei das Kolbenelement in der Ausgangsstellung des Ventils
gegen einen Gehäuseanschlag vorgespannt ist;
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3 eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Ventils bei welchem ein
Rückstellelement und ein Ventilglied vollständig
innerhalb eines Innenraums eines Aktuators angeordnet sind.
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Das
in 1 dargestellte Ventil weist einen hohlen piezoelektrischen
Aktuator 1 auf, dessen Innenraum sich über seine
gesamte Länge erstreckt. Dabei liegt der Aktuator 1 an
einer Stirnseite an einem ortsfesten Gehäuse 2 an
und an einer gegenüberliegenden Stirnseite über
einen Kantenschutz 7 an einer als mechanischer Übersetzer
dienenden Membran 3 an. Die Membran 3, vorzugsweise
eine Tellerfeder, ist durch ein mit dem Gehäuse 2 verbundenes
Auflager 4 beweglich gelagert und in einen ersten kurzen
Hebelarm 5 und einen zweiten langen Hebelarm 6 unterteilt,
wobei der Aktuator 1 über den Kantenschutz 7 an
dem ersten Hebelarm 5 anliegt. Der Kantenschutz 7 wirkt
einer lokalen Überlastung des meist spröden Aktuatormaterials
entgegen, indem er die zwischen der Membran 3 und dem Aktuator 1 wirkende
Last gleichmäßig über die der Membran 3 zugewandet
Stirnseite des Aktuators 1 verteilt. Der zweite Hebelarm 6 der
Membran 3 liegt an einer Schulter eines mit einem kugelförmigen
Ventilglied 8 verbundenen Kolbenelements 9 an,
das durch ein koaxial in dem Innenraum des Aktuars 1 angeordnetes Rückstellelement 10 gegen
die Membran 3 vorgespannt ist. Eine Übertragung
der Stellbewegung von der Membran 3 auf das Kolbenelement 9 ist
somit nur in eine Bewegungsrichtung möglich.
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Zur
Betätigung des Ventils wird an dem Aktuator 1 eine
elektrische Spannung angelegt, wodurch er als Stellbewegung eine
von der Spannung abhängige Ausdehnung in axiale Richtung
erfährt. Da der Aktuator 1 mit einer Stirnseite
an dem ortsfesten Gehäuse 2 anliegt, wird die
Stellbewegung auf den ersten Hebelarm 5 der Membran 3 übertragen
und durch den zweiten Hebelarm 6 gemäß dem
Hebelgesetz auf das Kolbenelement 9 weitergeleitet, welches
dabei gegen die Vorspannung des Rückstellelements 10 axial
verschoben wird. Der von dem Aktuator 1 bei der Ausdehnung
erzeugte Stellweg vergrößert sich durch die Membran 3 entsprechend
dem Verhältnis des langen Hebelarms 6 zu dem kurzen
Hebelarm 5. Bei der Stellbewegung löst das Kolbenelement 9 das Ventilglied 8 von
einem Ventilsitz 11, gegen welchen das Ventilglied 8 in
der dargestellten Ausgangslage gedrückt ist und bewegt
es gegen einen weiteren Ventilsitz 12. Zur Rückstellung
des Ventils wird der Aktuator 1 von der elektrischen Spannung
abgetrennt, woraufhin er sich im Sinne einer Rückstellbewegung
zusammenzieht. Hierbei kann die Membran 3 der Rückstellbewegung
des Aktuators 1 folgen und das Rückstellelement 10 die
bei der Stellbewegung aufgebaute Spannung durch eine Rückstellbewegung
des Kolbenelements 9 abbauen. Das Ventilglied 8 löst
sich dabei von dem weiteren Ventilsitz 12 und wird wieder
in die Ausgangslage zurückbewegt.
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Die
Membran 3 muss ausreichend fest sein, um nicht unter der
von dem Aktuator 1 erzeugten Spannung zu brechen, wenn
das Ventilglied 8 gegen den weiteren Ventilsitz 12 gedrückt
ist und um die Übertragung der Stellbewegung von dem Aktuator 1 auf
das Kolbenelement 9 selbst bei einer hohen mechanischen Übersetzung
oder bei einem gegen das Ventilglied 8 wirkenden Mediumsdruck
zu ermöglichen.
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Da
das Rückstellelement 10 die Membran 3 über
das Kolbenelement 9 ständig gegen das Auflager 4 und
den Kantenschutz 7 vorspannt, reagiert das Ventil empfindlich
auf eine Längenänderung des Aktuators 1 gegenüber
dem Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 sollte
daher eine ähnliche oder idealerweise gleiche Wärmeausdehnung
wie der Aktuator 1 aufweisen, um eine ungewollte Betätigung
des Ventils auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen
zu vermeiden.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ventil ist der mechanische Übersetzer
auf der dem Ventilglied 8 gegenüberliegenden Seite
des Aktuators 1 angeordnet und die Richtung der Stellbewegung
des Aktuators 1 ist gegenüber der Richtung der
Stellbewegung des Aktuators 1 aus 1 umgekehrt.
Das Kolbenelement 9 ist durch den gesamte Innenraum des
Aktuator 1 hindurchgeführt und liegt in der dargestellten Ausgangslage
des Ventils durch das Rückstellelement 10 vorgespannt
an einem Gehäuseanschlag 13 an, wobei es die Membran 3 leicht
vorspannt. Der Gehäuseanschlag 13 begrenzt hierbei
die bei der Rückstellbewegung des Ventils von dem Kolbenelement 9 zurückgelegte
Wegstrecke, wodurch das Ventil in seiner Ausgangslage im Öffnungssinne
betätigt ist und ein geringer Spalt 14 zwischen
dem Kantenschutz 7 und der Membran 3 vorhanden
ist, welcher Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem
Aktuator 1 und dem Gehäuse 2 kompensiert.
Das Kolbenelement 9 weist an seinem der Membran 3 zugewandten
Ende eine Erhebung 18 auf, welche zusammen mit der leichten
Vorspannung der Membran 3 ein Verrutschen der Membran 3 gegenüber
dem Kolbenelement 9 verhindert.
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Bei
einer Aktivierung des Aktuators 1 wird zuerst ein Teil
des von dem Aktuator 1 erzeugten Stellwegs zur Überbrückung
des Spalts 14 zwischen der Membran 3 und dem Kantenschutz 7 verwandt. Der
verbleibende Teil des Stellwegs wird durch die Membran 3 vergrößert
und auf das Kolbenelement 9 übertragen, welches
das Ventilglied 8 im Schließsinne gegen den Ventilsitz 11 drückt.
Bei einer Rückstellbewegung drückt das Rückstellelement 10 das Kolbenelement 9 und
somit das Ventilglied 8, sowie die Membran 3 in
die Ausgangslage zurück.
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3 stellt
eine besonders kompakte Ausführungsform des Ventils dar,
bei welcher neben dem Rückstellelement 10 auch
das Ventilglied 8 vollständig in dem Innenraum
des Aktuators 1 angeordnet ist. In den sich in dem Innenraum
befindlichen Teil des Gehäuses 2 ist eine Ventilkammer 15 eingearbeitet, welche über
zwei Zugangsbohrungen 16 von einem Medium durchflossen
werden kann, wobei eine der Zugangsbohrungen 16 konzentrisch
zu dem Aktuator 1 verläuft und einen Ventilsitz 11 aufweist.
Gegen den Ventilsitz 11 ist in der gezeigten Ausgangslage
des Ventils das Ventilglied 8 durch das ebenfalls in der Ventilkammer 15 angeordnete
Rückstellelement 10 vorgespannt, wodurch das Ventil
im Schließsinne betätigt ist. Das mit dem Ventilglied 8 verbundene
Kolbenelement 9 ist ebenfalls konzentrisch zu dem Aktuator 1 angeordnet
und axial verschieblich aus der Ventilkammer 15 geführt,
wobei es außerhalb der Ventilkammer 15 an der
Membran 3 anliegt und diese gegen den Kantenschutz 7 vorspannt.
Zwischen dem Auflager 4 und der Membran 3 befindet
sich hierdurch ebenfalls ein geringer Spalt 14, welcher
Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem Aktuator 1 und
dem Gehäuse 2 ausgleicht. Bei einer Aktivierung
des Aktuators 1 wird der äußere Rand
der Membran 3 durch die Stellbewegung zuerst nach unten
gedrückt bis der Spalt 14 überwunden
ist und die Membran 3 an dem Auflager 4 anliegt.
Anschließend drückt die Stellbewegung den inneren
Rand, an welchem das Kolbenelement 9 anliegt gegen die
Vorspannung des Rückstellelements nach unten, wodurch sich
das Ventilglied 8 von dem Ventilsitz 11 löst und
das Medium die Ventilkammer 15 über die beiden
Zugangsbohrungen 16 durchströmen kann. Der erste
Hebelarm 5 befindet sich hierbei zwischen dem Punkt, an
welchem das Auflager 4 an der Membran 3 anliegt
und dem Punkt, an welchem der Kantenschutz 7 an der Membran 3 anliegt
und der zweite Hebelarm 6 befindet sich zwischen dem Punkt,
an welchem das Auflager 4 an der Membran 3 anliegt und
dem Punkt an welchem das Kolbenelement 9 an der Membran 3 anliegt.
Bei Deaktivierung des Aktuators 1 bewegt die Vorspannung
des Rückstellelements 10 das Kolbenelement 9,
das Ventilglied 8 und die Membran 3 ebenfalls
wieder zurück in die Ausgangslage.
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Selbstverständlich
können die in 1 bis 3 gezeigten
Ventile auch derart gestaltet sein, dass das Rückstellelement 10 zum
Teil in dem Innenraum des Aktuators 1 angeordnet ist und
zum Teil außerhalb des Innenraums, bei spielsweise indem
der Kantenschutz 7 oder das Gehäuse 2 und
das Rückstellelement 10 besonders lang ausgeführt
sind. Das Kolbenelement 9 und das Ventilglied 8 können
aus einem gemeinsamen Bauteil bestehen oder je ein eigenständiges
Bauteilen bilden, welche miteinander verbunden sind. Diese Verbindung
kann lösbar und drehbar oder drehfest sein, beispielsweise
in der Art einer Wellen-Naben-Verbindung oder unlösbar,
beispielsweise in Form einer Schweißverbindung. Der Aktuator 1 kann
selbstverständlich im Quer- oder Längsschnitt
auch U-förmig sein oder eine andere zum Teil offene Form
aufweisen, wobei unter dem Innenraum dann der Raum zu verstehen
ist, welcher zum größten Teil von dem Aktuator 1 umgeben
ist.
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Bevorzugt
ist der Aktuator 1 durch Dichtmittel 17 gegen
das das Ventil durchströmende Medium abgedichtet, wozu
in 2 und 3 jeweils eine O-Ring-Dichtung
zwischen dem Kolbenelement 9 und dem Gehäuse 2 angeordnet
ist. Es können jedoch beliebige Dichtmittel 17 eingesetzt
werden, beispielsweise Wellendichtringe oder Faltenbalge.
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Die
in den 1 bis 3 abgebildeten Membranen 3 sind
als Tellerfedern mit radial zum Mittelpunkt verlaufenden Einschnitten
ausgebildet, wodurch sie aus mehreren kuchenstückartigen
Abschnitten bestehen, die am äußeren Rand miteinander
verbunden sind. Die Abschnitte können jedoch auch an einer
beliebigen Stelle, beispielsweise am inneren Rand, miteinander verbunden
sein oder getrennt voneinander sein. Die in den 1, 2 und 3 abgebildeten
Auflager 4 oder die Kantenschützer 7 können
sowohl durchgehend ringförmig sein, als auch aus einzelnen
Segmenten bestehen, welche ringförmig um das Kolbenelement 8 angeordnet
sind.
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Bevorzugt
ist das Auflager 4 austauschbar gegen andere Auflager 4,
welche an jeweils unterschiedlichen Bereichen der Membran 3 anliegen,
wodurch die von der Membran 3 erzeugte Übersetzung auf
einfache Weise variiert werden kann. Der Aktuator 1 kann
somit zusammen mit dem mechanischen Übersetzer, dem Rückstellelement 10 und
gegebenenfalls dem Kolbenelement 8 zu einer funktionellen Einheit
zusammengefasst sein, welche durch einen einfachen Austausch des
Auflagers 4 an unterschiedliche Ventile mit unterschiedlichen
benötigten Stellwegen angepasst werden kann.
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- 1
- Aktuator
- 2
- Gehäuse
- 3
- Membran
- 4
- Auflager
- 5
- erster
Hebelarm
- 6
- zweiter
Hebelarm
- 7
- Kantenschutz
- 8
- Ventilglied
- 9
- Kolbenelement
- 10
- Rückstellelement
- 11
- Ventilsitz
- 12
- Ventilsitz
- 13
- Gehäuseanschlag
- 14
- Spalt
- 15
- Ventilkammer
- 16
- Zugangsbohrung
- 17
- Dichtmittel
- 18
- Erhebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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