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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung
eines Aktors, insbesondere eines Piezo-Aktors eines Einspritzventils, mit
zumindest einer ersten Hebeleinrichtung, die ein erstes Übertragungselement
aufweist, das die Auslenkung des Aktors überträgt.
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Aktoren,
die auf dem piezoelektrischen Prinzip beruhen, sind zur hochpräzisen und
sehr schnellen Steuerung von Stellvorgängen geeignet, wie sie beispielsweise
zur Ansteuerung von Einspritzvorrichtungen beziehungsweise -ventilen
von Brennkraftmaschinen zweckmäßig sind.
Um größere lineare Auslenkungen
der Piezoaktoren zu realisieren, müssen diese aus einer Vielzahl
von aufeinandergestapelten einzelnen Piezoelementen bestehen. Dies
hat den Nachteil, dass die Baugröße für manche
Einsatzzwecke unzulässige
Dimensionen annimmt. So ist beispielsweise der Einbauraum für Einspritzventile im
Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine derart begrenzt, dass für Piezoaktoren
in der für
die gewünschten
Stellbewegungen notwendigen Längendimension
in aller Regel kein Platz ist. Aus diesem Grund werden kleinere
Piezoaktoren verwendet, deren lineare Ruslenkungen mittels geeigneter
Hebeleinrichtungen in größere Auslenkungen übersetzt werden.
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Aus
der WO 99/17014 ist beispielsweise ein Einspritzventil bekannt,
bei dem zur Übertragung
und Übersetzung
einer Auslenkung eines Piezoaktors auf ein Stellglied mechanische Übertragungselemente vorgesehen
sind, die im Wesentlichen die Form eines Zylinders aufweisen, dessen
Begrenzungsflächen
im Wesentlichen dreieckförmig
ausgebildet sind, wobei die Ecken abgerundet sind. Durch die Breite
der Übertragungselemente
werden dabei flächige
Auflagebereiche gebildet.
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Beispielsweise
im Zusammenhang mit Steuerventilen für Einspritzvorrichtungen ist
es erforderlich, den Aktorraum gegenüber anderen Bereichen des Steuerventils
abzudichten. Zu diesem Zweck wurden bereits O-Ringe verwendet. Der
Einsatz von O-Ringen ist jedoch insofern problematisch, als O-Ringe
verhältnismäßig leicht
beschädigt
werden können.
Dieses Problem wird noch dadurch verschärft, dass eine Beschädigung eines
O-Ringes bei einer
nachträglichen
Prüfung
nicht ohne weiteres sicher festgestellt werden kann.
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Gegenüber einer
O-Ring-Abdichtung bietet eine metallische Abdichtung des Aktorraums
daher Vorteile, wobei bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen sein
kann, dass die Dichtflächen
senkrecht zur Aktorachse verlaufen. Die zur Dichtfunktion erforderliche
Flächenpressung
kann beispielsweise über
ein Anschlussgewinde aufgebracht werden. Bei derartigen Ausführungsformen
mit einer metallischen Abdichtung des Aktorraums tritt jedoch das
Problem auf, dass die Führung
des Übertragungselementes nicht
kraftschlüssig
gegenüber
dem Aktor befestigt ist, sondern sich innerhalb der Spieltoleranz
räumlich bewegen
kann. Diese Beweglichkeit kann kinematische Veränderungen und somit Streuungen
der Hubübersetzung
verursachen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Vorrichtungen
zum Übertragen
einer Auslenkung eines Aktors derart weiterzubilden, dass unerwünschte Streuungen
der Hubübersetzung
vermieden oder zumindest verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Übertragen
einer Auslenkung eines Aktors baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass zur Führung beziehungsweise Lage rung des
ersten Übertragungselementes
zumindest ein erstes Federelement vorgesehen ist. Durch das erste Federelement
wird das erste Übertragungselement bezüglich dem
Aktor praktisch ohne Spieltoleranz in eine definierte Position gebracht,
so dass Streuungen der Hubübersetzung
vermieden oder zumindest verringert werden können.
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Dabei
ist vorzugsweise vorgesehen, dass das erste Federelement eine erste
Kraft auf das erste Übertragungselement
ausübt,
die ungefähr
senkrecht zur Auslenkungsrichtung des Aktors orientiert ist. Diese
Lösung
wird insbesondere bevorzugt, wenn der das erste Übertragungselement bildende Hebel
im Wesentlichen senkrecht zur Auslenkungsrichtung des Aktors verläuft, da
in diesem Fall ein zur Auslenkungsrichtung des Aktors senkrechtes
Spiel die Länge
der Hebelarme und somit die Hubübersetzung
verändert.
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Bei
besonders bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Übertragen
einer Auslenkung eines Aktors ist vorgesehen, dass zur Führung beziehungsweise
Lagerung des ersten Übertragungselementes
ein zweites Federelement vorgesehen ist, das eine zweite Kraft auf das
erste Übertragungselement
ausübt.
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Dabei
wird besonders bevorzugt, dass die zweite Kraft ungefähr entgegengesetzt
zu der ersten Kraft orientiert ist. Bei geeigneter Auslegung des
ersten und des zweiten Federelementes ermöglicht diese Lösung eine
automatische Justierung des ersten Übertragungselementes und somit
eine automatische Einstellung der Hubübersetzung.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist weiterhin vorgesehen, dass das erste Federelement und/oder das zweite
Federelement im montierten Zustand der Vorrichtung zur Erzeugung
der ersten Kraft und/oder der zweiten Kraft vorgespannt sind. Diese
Lösung
kommt insbesondere in Betracht, wenn dem Aktor und weiteren Bestandteilen der
Vorrichtung unterschiedliche Gehäuseabschnitte
zugeordnet sind, die bei der Montage der Vorrichtung miteinander
verbunden werden, beispielsweise durch das Anziehen einer Befestigungsmutter,
und das erste Federelement und/oder das zweite Federelement im Bereich
zwischen den unterschiedlichen Gehäuseabschnitten angeordnet ist.
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Insbesondere
im vorstehend erläuterten
Zusammenhang ist in vorteilhafter Weise weiterhin vorgesehen, dass
das erste Federelement und/oder das zweite Federelement durch eine
dritte Kraft und/oder eine vierte Kraft vorgespannt sind, die eine
Kraftkomponente umfasst die ungefähr parallel zur Auslenkungsrichtung
des Aktors verläuft.
Eine derartige Vorspannung des ersten Federelements und/oder des
zweiten Federelements kann beispielsweise erzielt werden, wenn die
Federelemente im unverspannten Zustand über die Grenzflächen eines
Gehäuseabschnitts überstehen
und der Gehäuseabschnitt
beispielsweise durch das Anziehen einer Befestigungsmutter mit einem
benachbarten Gehäuseabschnitt
in Kontakt gebracht wird, so dass die Federelemente nach dem Anziehen
der Befestigungsmutter mit einem Endabschnitt in der Verbindungsebene
der Gehäuseabschnitte
liegen.
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Insbesondere
wenn die Gehäuseabschnitte unter
Abdichtung verbunden werden sollen, wird weiterhin bevorzugt, dass
das erste Federelement und/oder das zweite Federelement eine im
Verhältnis zur
jeweils erzeugten Kraft flache Federkennlinie aufweist. In diesem
Fall wird die Dichtkraft durch die Vorspannkräfte vermindert, weshalb an
diese hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden. Bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
werden die beiden Federelemente so ausgelegt, dass die von diesen
auf das erste Übertragungselement
ausgeübten
Kräfte
gerade Null sind, wobei gegebenenfalls ein geringes Spiel zwischen
zumindest einem Federelement und dem ersten Übertragungselement vorhanden
sein kann.
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Bei
besonders bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Übertragen
einer Auslenkung eines Aktors ist weiterhin vorgesehen, dass sie
eine zweite Hebeleinrichtung aufweist, die ein zweites Übertragungselement
umfasst, wobei die Auslenkung des ersten Übertragungselementes auf das
zweite Übertragungselement übertragen
wird. In diesem Fall handelt es sich um zwei in Reihe angeordnete
Hebeleinrichtungen, durch die das Hubübersetzungsverhältnis noch
weiter vergrößert werden
kann.
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In
diesem Fall wird bevorzugt, dass das erste Übertragungselement bezogen
auf die Auslenkungsrichtung des Aktors zwischen dem Aktor und dem zweiten Übertragungselement
angeordnet ist, und dass das zweite Übertragungselement durch zumindest
eine Führungsplatte
geführt
ist.
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In
diesem Fall sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor,
dass das erste Federelement und/oder das zweite Federelement derart
ausgelegt ist, dass eine davon erzeugte und auf die zumindest eine
Führungsplatte
ausgeübte
fünfte
Kraft durch die Federcharakteristik des ersten Federelementes und/oder
des zweiten Federelementes bestimmt wird.
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Bei
allen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann vorgesehen sein, dass das erste Federelement und/oder das zweite
Federelement zumindest im vorgespannten Zustand im Wesentlichen
L-förmig
ist, wobei in dem langen Schenkel des L ein V-förmiger Abschnitt vorgesehen ist.
Die L- beziehungsweise V-Form kann sich gegebenenfalls auch auf
den Querschnitt eines Federelements beziehen, beispielsweise, wenn
nur ein ringförmiges
Federelement eingesetzt wird.
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Als
besonders vorteilhaft werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erachtet, bei denen vorgesehen ist, dass dem Aktor ein erster Gehäuseabschnitt
und der ersten Hebeleinrichtung und/oder der zweiten Hebeleinrichtung
ein zweiter Gehäuseabschnitt
zugeordnet ist, wobei der erste Ge häuseabschnitt und der zweite
Gehäuseabschnitt über zumindest
eine ungefähr
senkrecht zur Auslenkungsrichtung des Aktors verlaufende Dichtfläche abgedichtet
sind. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das erste Federelement und/oder
das zweite Federelement im unverspannten Zustand über die
Dichtfläche überstehen
und durch das Anziehen einer Befestigungsmutter entsprechend der
Federkennlinie und den Überstand vorgespannt
wird.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, auf zusätzliche Bauteile,
wie beispielsweise eine Tellerfeder, zu verzichten und auch bei
einer Serienproduktion eine eng tolerierte Vorspannkraft zu gewährleisten.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2a das erste Übertragungselement
im Kräftegleichgewicht;
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2b das erste Federelement
im Kräftegleichgewicht;
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2c das zweite Federelement
im Kräftegleichgewicht;
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3a eine Draufsicht auf die
Federelemente der 1 sowie 2b und 2c gemäß einer ersten Ausführungsform;
und
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3b eine Draufsicht auf die
Federelemente der 1 sowie 2b und 2c gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische
Prinzipdarstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der zwei in Reihe geschaltete Hebeleinrichtungen 12, 20 vorgesehen
sind. Die erste Hebeleinrichtung weist ein erstes im Wesentlichen plattenförmiges Übertragungselement 14 auf,
das senkrecht zur Auslenkungsrichtung L eines Aktors 10 (von
dem nur eine Platte dargestellt ist) angeordnet ist. Das erste Übertragungselement 14 weist
einen ersten Auflagebereich 34 auf, der auf einer Oberfläche eines
zweiten Gehäuseabschnitts 28 aufliegt. Weiterhin
weist das erste Übertragungselement 14 einen
zweiten Auflagebereich 36 auf, der dem Aktor 10 zugeordnet
ist. Ein dritter Auflagebereich 38 des ersten Übertragungselements 14 ist
einem zweiten Übertragungselement 22 zugeordnet,
das später
erläutert
wird. Das erste Übertragungselement 14 weist eine
(leicht) konvexe Oberfläche
auf, deren Form beispielsweise durch Schleifen festgelegt werden
kann. Der zweite Auflagebereich 36 wird dabei durch den höchsten Bereich
gebildet. Die Unterseite des ersten Übertragungselements 14 weist
eine Ausnehmung auf, die eine Relativbewegung zwischen dem ersten Übertragungselement 14 und
dem zweiten Gehäuseabschnitt 28 ermöglicht.
Die Position in Bildebene senkrecht zur Auslenkungsrichtung L des
Aktors 10 wird durch ein erstes Federelement 16 und
ein zweites Federelement 18 festgelegt, die im vorgespannten
Zustand dargestellt sind. Zwischen einem ersten Gehäuseabschnitt 26 und
dem zweiten Gehäuseabschnitt 28 sind
Dichtfläche 30, 32 vorgesehen,
die den Aktorraum gegenüber
anderen Bereichen der Vorrichtung abdichten. Der erste Gehäuseabschnitt 26 und
der zweite Gehäuseabschnitt 28 können beispielsweise
durch das Anziehen einer Befestigungsmutter, beispielsweise in Form
einer Überwurfmutter, in
Anlage gebracht werden. Bevor der erste Gehäuseabschnitt 26 und
der zweite Gehäuseabschnitt 28 an
den Dichtflächen 30, 32 aneinander
anliegen, stehen das erste Federelement 16 und das zweite
Federelement 18 über
die Dichtfläche 30 beziehungsweise 32 über. Das
erste Federelement 16 und das zweite Federelement 18 werden
somit vorgespannt, wenn der erste Gehäuseabschnitt 26 und
der zweite Gehäuseabschnitt 28 aufeinander
zu bewegt werden. Da die Vorspannkräfte die Dichtkräfte vermindern,
sind die Genauigkeitsanforderungen an die Vorspannkräfte hoch.
Daher sind die Federelemente 16, 18 derart gebildet,
dass sie eine im Verhältnis
zur erzeugten Kraft flache Federkennlinie aufweisen. Das erste Federelement 16 und
das zweite Federelement 18 müssen nicht zwingend zweistückig gebildet sein,
sondern es kommen auch Ausführungsformen in
Betracht, bei denen die dargestellten Abschnitte 16, 18 durch
ein einstückiges
Element gebildet werden, das eine Ausnehmung aufweist, durch die
sich das erste Übertragungselement 14 erstreckt.
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Die
zweite Hebeleinrichtung 20 weist ein zweites Übertragungselement 22 auf,
das zumindest im Wesentlichen baugleich mit dem ersten Übertragungselement 14 ausgeführt sein
kann. Dieses zweite Übertragungselement 22 weist
einen vierten Auflagebereich 40 auf, der auf einer Oberfläche des
zweiten Gehäuseabschnittes 28 aufliegt,
das ein Gegenlager für
das zweite Übertragungselement 22 bildet. Das
zweite Übertragungselement 22 weist
weiterhin einen fünften
Auflagebereich 42 auf, der im höchsten Bereich der konvexen
Oberfläche
des zweiten Übertragungselementes 22 vorgesehen
ist. Ein sechster Auflagebereich 44 ist einem zu betätigenden
Stellglied 46 zugeordnet. Um den für eine Relativbewegung zwischen
dem zweiten Übertragungselement 22 und
dem zweiten Gehäuseabschnitt 28 erforderlichen
Spielraum sicherzustellen, ist an der Unterseite des zweiten Übertragungselementes 22 eine
Ausnehmung vorgesehen. In dem zweiten Gehäuseabschnitt 28 sind
ebenfalls Ausnehmungen beziehungsweise Abstufungen vorgesehen, um
die jeweiligen Relativbewegungen zu ermöglichen.
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Sowohl
das erste Federelement 16 als auch das zweite Federelement 18 sind
im vorgespannten Zustand im Wesentlichen L-förmig,
wobei in dem langen Schenkel des L jeweils ein V-förmiger
Abschnitt vorgesehen ist. Der V-förmige Abschnitt des zweiten Federelements 18 kann
sich auf dem zweiten Übertragungselement 22 (siehe
auch 3a) oder der entsprechend
ausgebildeten Führungsplatte 24 (siehe
auch 3b) abstützen, während sich
der V-förmige
Abschnitt des ersten Federelements 16 an einer auf dem
zweiten Gehäuseabschnitt 28 aufliegenden Führungsplatte 24 für das zweite Übertragungselement 22 abstützt. Die
durch die V-förmigen
Abschnitte des ersten Federelements 16 und des zweiten
Federelements 18 auf die Führungsplatte 24 beziehungsweise
auf das zweite Übertragungselement 22 ausgeübten Kräfte werden
durch die Federcharakteristiken der Federelemente 16, 18 bestimmt.
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Das
erst Übertragungselement 14 weist
einen ersten (kurzen) Hebelarm A1 und einen zweiten (langen) Hebelarm
B1 auf. In ähnlicher
Weise weist das zweite Übertragungselement 22 einen
ersten (kurzen) Hebelarm A2 und einen zweiten (langen) Hebelarm
B2 auf. Eine nach unten gerichtete Auslenkung des Aktors 10 wird
durch den dargestellten Aufbau auf das Stellglied 46 übertragen,
indem zunächst der
dritte Auflagebereich 38 des ersten Übertragungselements 14 entsprechend
dem Verhältnis
von A1 und B1 ausgelenkt wird. Der dritte Auflagebereich 38 des
ersten Übertragungselements 14 wirkt
dabei auf den fünften
Auflagebereich 42 des zweiten Übertragungselementes 22 ein
und lenkt das zweite Übertragungselement 22 aus.
Der sechste Auflagebereich 44 des zweiten Übertragungselements 22 wirkt
dadurch auf das Stellglied 46 ein und lenkt dieses in Abhängigkeit
von der Größe der Auslenkung
des Aktors 10 und den Längen
der Hebelarme A1, B1, A2 und B2 aus. Die dargestellte zweistufige
Hebeleinrichtung ermöglicht
eine große
Hebelwirkung ohne viel Bauraum in Anspruch zu nehmen. Selbstverständlich können gegebenenfalls
auch mehr als zwei Hebelstufen vorgesehen werden, wenn dies erforderlich ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform
fallen die Aktor-Mittelachse m und die Stellglied-Mittelachse M zusammen,
was in vielen Fällen
erwünscht
ist. Die Mittelachsen m und M verlaufen dabei durch den zweiten
Auflagebereich 36 und den sechsten Auflagebereich 44.
Ein bevorzugtes Übersetzungsverhältnis zwischen einer
Auslenkung des Aktors 10 und einer Auslenkung des Stellglieds 46 beträgt ungefähr 1:5.
Ein Beispiel für
die Abmessungen der jeweiligen Hebelarme ist A1 = A2 = 2,4 mm und
B1 = B2 = 3,6 mm.
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Beim
Fügen des
ersten Gehäuseabschnitts 26 und
des zweiten Gehäuseabschnitts 28 werden das
erste Federelement 16 und das zweite Federelement 18 derart
vorgespannt beziehungsweise positioniert, dass sie das erste Übertragungselement 14 in der
gewünschten
Weise führen
beziehungsweise lagern, und zwar ohne oder mit geringem Spiel, wodurch
eine definierte beziehungsweise eng tolerierte Hubübersetzung
sichergestellt wird.
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Die 2a bis 2c veranschaulichen schematisch die Kräftegleichgewichte
für das
erste Übertragungselement 14,
das erste Federelement 16 und das zweite Federelement 18.
Einander entsprechende, jedoch entgegengesetzt orientierte Kräfte sind
jeweils durch ein Apostroph gekennzeichnet. Das erste Federelement 16 übt eine
erste Kraft F1 auf das erste Übertragungselement 14 aus,
wobei die erste Kraft F1 ungefähr
senkrecht zur Auslenkungsrichtung L des Aktors 10 orientiert
ist. Das zweite Federelement 18 übt eine zweite Kraft F2 auf
das erste Übertragungselement 14 aus,
die betragsmäßig der
Kraft F1 entspricht, jedoch entgegengesetzt orientiert ist. Weiterhin übt das erste
Federelement 16 mit seinem V-förmigen Abschnitt eine fünfte Kraft
F5 auf eine Führungsplatte 24 für das zweite Übertragungselement 22 aus.
Dabei wird bevorzugt, dass die fünfte, auf
die Führungsplatte 24 ausgeübte Kraft
F5 durch die Federcharakteristik des ersten Federelements 16 bestimmt
wird. In ähnlicher
Weise übt
der V-förmige Abschnitt
des zweiten Federelements 18 eine sechste Kraft F6 auf
das zweite Übertragungselement 22 aus.
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Das
erste Federelement 16 wird durch eine Vorspannkraft F3
im Kräftegleichgewicht
gehalten, wobei die Kraft F3 eine Kraftkomponente F3y umfasst,
die ungefähr
parallel zur Auslenkungsrichtung L des Aktors 10 verläuft, und
eine Kraftkompo nente F3x, die ungefähr senkrecht
zur Auslenkungsrichtung L des Aktors 10 verläuft.
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In ähnlicher
Weise wird das zweite Federelement 18 durch eine Vorspannkraft
F4 im Kräftegleichgewicht
gehalten. Die Vorspannkraft F4 weist ebenfalls eine ungefähr parallel
zur Auslenkungsrichtung L des Aktors 10 verlaufende Kraftkomponente
F4y und eine senkrecht zur Auslenkungsrichtung
L des Aktors 10 verlaufenden Kraftkomponente F4x auf. Die Kraftkomponenten F3y beziehungsweise
F4y entsprechen dabei betragsmäßig den
Kräften
F5' beziehungsweise
F6'.
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3a zeigt eine Draufsicht
auf die Federelemente der 1 sowie 2b und 2c gemäß einer ersten Ausführungsform
und 3b zeigt eine Draufsicht
auf die Federelemente der 1 sowie 2b und 2c gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Sowohl
bei der Ausführungsform
gemäß 3a als auch bei der Ausführungsform
gemäß 3b sind das erste Federelement 16 und
das zweite Federelement 18 an einem im Wesentlichen kreisringförmigen Träger befestigt
oder, wie bevorzugt, einstückig
mit diesem gebildet. Den Darstellungen gemäß den 3a und 3b ist
besonders gut zu entnehmen, wie das erste Federelement 16 und
das zweite Federelement 18 das erste Übertragungselement 14 führen beziehungsweise
lagern.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3a weist das zweite Federelement 18 eine
vergleichsweise geringe Breite b1 auf, die es ermöglicht,
dass sich das erste Federelement 18 auf dem zweiten Übertragungselement 22 (siehe 1) abstützt.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3b weist das zweite Federelement 18 im
Gegensatz hierzu eine vergleichsweise große Breite b2 auf, die es ermöglicht,
dass sich das zweite Federelement 18 nicht auf dem zweiten Übertragungselement 22 son dern
auf einer Führungsplatte
abstützt,
beispielsweise auf der Führungsplatte 24 von 1.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.