DE10321695A1

DE10321695A1 - Zugfeder für einen Aktor

Info

Publication number: DE10321695A1
Application number: DE2003121695
Authority: DE
Inventors: Guenther Hohl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Eine Zugfeder (1) für einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (2), welcher insbesondere zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen dient, wobei der Aktor (2) zumindest ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Element (3) aufweist, weist eine rechteckige Querfläche (20) auf.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Zugfeder für einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Üblicherweise werden piezoelektrische und magnetostriktive Aktoren zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen zur Vermeidung von Zug- und Scherkräften durch eine Feder vorgespannt. Gewöhnlich wird zur Erzeugung einer Vorspannung die auch bei geschlossenem Brennstoffeinspritzventil vorhandene Restspannung der Rückstellfeder des Brennstoffeinspritzventils genutzt.

Beispielsweise ist aus der DE 199 51 012 A1 ein Aktor, insbesondere zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, bekannt, welcher mehrere gestapelt angeordnete Schichten aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Material aufweist. Der Aktor wird durch einen in einer zentralen Ausnehmung angeordneten Zuganker mittels gegenläufiger Gewinde vorgespannt. Die Fixierung und Kraftübertragung erfolgt über eine Deckplatte und eine Bodenplatte.

Nachteilig an dieser Bauform ist dabei insbesondere die Notwendigkeit, den Stapelaktor hohl zu gestalten, um den Zuganker in der Ausnehmung unterbringen zu können. Dadurch wird der Aktor noch beschädigungsanfälliger bei Montage und Betrieb.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zugfeder für einen Aktor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine rechteckige oder quadratische Grundfläche eine einfache Herstellbarkeit des Aktors erlaubt, da das kristalline Material leichter in eine rechteckige als in eine runde Form zu bringen ist. Die Herstellung einer rechteckigen Zugfeder ist ebenfalls einfacher als die Herstellung einer runden Zugfeder.

Zudem ist durch die rechteckige Form eine bessere Anlage des Aktors an der Zugfeder und resultierend eine bessere Wärmeabfuhr der beim Betrieb des Aktors auftretenden Verlustwärme möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch gegebenen Zugfeder möglich.

Vorteilhafterweise ist die Zugfeder bügel- oder rohrförmig aus Flachmaterial durch Stanzen, Biegen und Schweißen herstellbar.

Weiterhin ist von Vorteil, daß eine Federkonstante der Zugfeder in einfacher Weise durch eine beliebige Anzahl und Anordnung von Ausnehmungen in den Seitenteilen der Zugfeder einstellbar ist.

Zudem ist vorteilhaft, daß die Montage des Aktors in der Zugfeder in einfacher Weise durch Vormontage, Vorspannen und abschließendes Verschweißen der Grund- und/oder Deckplatte mit der Zugfeder erfolgen kann.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1A eine schematische perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Aktors zur Verwendung mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Zugfeder,
1B eine schematische perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zugfeder;
1C eine schematische perspektivische Ansicht des in 1B dargestellten ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zugfeder mit dem in 1A dargestellten Aktor, und
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zugfeder.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1A bis 1C und 2 zeigen in einer perspektivischen Ansicht Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäß ausgestaltete Zugfedern 1 für piezoelektrische oder magnetostriktive Aktoren 2. Gleiche Bauteile sind dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Ein in 1A dargestellter Aktor 2 dient z. B. zur Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils, insbesondere zur direkten Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum einer gemischverdichtenden, selbst- oder fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
Der Aktor 2 besteht aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Element 3. Dieses kann sowohl monolithisch ausgeführt sein als auch bevorzugt, wie in 1A dargestellt, aus scheibenförmigen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Schichten 4 bestehen. Die Schichten 4 können untereinander verklebt sein. Der Aktor 2 ist mit einer vorzugsweise metallischen Deckplatte 5 und einer ebensolchen Bodenplatte 6 versehen, die den Aktor 2 endseitig abschließen, mit den Schichten 4 z. B. verklebt sind und der Krafteinleitung auf die Schichten 4 dienen.
In 1B ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestaltet Zugfeder 1 für den in 1A gezeigten Aktor 2 dargestellt. Da sich piezoelektrische oder magnetostriktive Aktoren 2 bedingt durch die kristalline Struktur der Materialien am einfachsten und kostengünstigsten in quadratischer oder rechteckiger Form herstellen lassen, weist zweckmäßigerweise auch die Zugfeder 1 eine quadratische oder rechteckige Grundfläche 20 auf.
Die erfindungsgemäße Zugfeder 1 ist bügel- oder U-förmig ausgestaltet. Die Zugfeder 1 weist dabei eine Grundplatte 7 und zwei daran ausgebildete Schenkel 8 auf, welche mit der Grundplatte 7 vorzugsweise einstückig ausgebildet sind und mit dieser jeweils einen rechten Winkel einschließen. In den Schenkeln 8 sind Ausnehmungen 9 ausgebildet, welche der Zugfeder 1 die gewünschte Elastizität verleihen. Große, liegende, langlochförmige Ausnehmungen 9 erlauben dabei eine stärkere Verformung der Zugfeder 1 als beispielsweise kleine, runde Ausnehmungen 9. Die Elastizität der Zugfeder 1 bzw. deren Federkennlinie kann durch die Form, Anzahl, Anordnung und Größe der Ausnehmungen 9 eingestellt werden. An Oberkanten 10 der Schenkel 8 ist jeweils ein vorkragender Rand 11 vorgesehen, welche der Einleitung der zur Montage benötigten Vorspannkraft dienen.
1C zeigt die beiden in den 1A und 1B dargestellten Bauteile in fertig montiertem Zustand. Der Aktor 2 ist in die Zugfeder 1 eingesetzt, sodann durch axialen Druck so weit zusammengedrückt, bis die Deckplatte 5 des Aktors 2 mit den Oberkanten 10 der Zugfeder 1 fluchtet und schließlich entlang der Oberkanten 10 beispielsweise mittels zweier Schweißnähte 12 fixiert. Durch die verspannte Montage des Aktors 2 in der Zugfeder 1 kann sichergestellt werden, daß der Aktor 2 nicht exzentrisch belastet wird. Die Schichten 4 des Aktors 2 werden dadurch nur in axialer Richtung ohne radiale Komponente und somit scherkraftfrei belastet. Dies schützt den Aktor 2 sowohl bei der Montage als auch im Betrieb vor Beschädigungen.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Zugfeder 1.
Die Zugfeder 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel rohrförmig mit ebenfalls rechteckigem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet. Vier Seitenteile 13, welche jeweils unter rechten Winkeln aneinandergrenzen, bilden dabei einen Hohlkörper, welcher oben und unten offen ist. An einer offenen Kante 14 sind die dort aneinandergrenzenden Seitenteile 13 mittels zumindest zweier Schweißstellen 15 miteinander verbunden.
Die Zugfeder weist ebenfalls Ausnehmungen 9 auf, die rund oder langlochförmig und beliebig angeordnet sind. Die Federkonstante der Zugfeder 1 ist durch gezielte Wahl der Größe, Anzahl, Form und Anordnung der Ausnehmungen 9 einstellbar.
Die Montage des Aktors 2 erfolgt in diesem Fall durch Verschweißen der Grundplatte 6 des Aktors 2 mit einer Unterkante 16 der Zugfeder, Einlegen des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Elements 3 mit der Deckplatte 5, Vorspannen des Aktors 2 unter Krafteinleitung über die Ausnehmungen 9 und Verschweißen der Deckplatte 5 mit einer Oberkante 17 der Zugfeder.
Die erfindungsgemäßen, im Querschnitt rechteckigen Zugfedern 1 haben dabei den Vorteil, daß sie an allen Seiten gut am Aktor 2 anliegen und dadurch ein effektiver Wärmeübergang zwischen Aktor 2 und Zugfeder 1 gewährleistet ist, so daß die beim Betrieb des Aktors 2 entstehende Verlustenergie gut abgeführt werden kann. Hierzu kann zwischen Aktor 2 und Zugfeder 1 auch eine nicht weiter dargestellte Aktorumspritzung vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäß ausgestalteten Zugfedern 1 sind in einfacher und kostengünstiger Weise aus Flachmaterial durch Stanzen und Biegen und, soweit benötigt, Schweißen herstellbar.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und insbesondere bei einer Vielzahl von Bauweisen von Brennstoffeinspritzventilen anwendbar.

Claims

Zugfeder (1) für einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor (2), insbesondere zur Betätigung von Brennstoffeinspritzventilen für Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen, wobei der Aktor (2) zumindest ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Element (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) eine rechteckige Grundfläche (20) aufweist.
Zugfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) eine quadratische Grundfläche (20) aufweist.
Zugfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) bügelförmig ausgebildet ist.
Zugfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) eine rechteckige Grundplatte (7) und zwei daran ausgebildete Schenkel (8) aufweist.
Zugfeder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (8) einstückig mit der Grundplatte (7) ausgebildet sind.
Zugfeder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (8) mit der Grundplatte (7) jeweils einen rechten Winkel einschließen.
Zugfeder nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an Oberkanten (10) der Schenkel (8) jeweils ein nach außen vorkragender Rand (11) ausgebildet ist.
Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckplatte (5) den Aktor (2) unter axialer Vorspannung des Aktors (2) an den Oberkanten (10) der Schenkel (8) der Zugfeder (1) fixiert.
Zugfeder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung mittels zweier Schweißnähte (12) entlang der Oberkanten (10) erfolgt.
Zugfeder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) rohrförmig ausgebildet ist.
Zugfeder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) aus vier rechtwinklig aneinandergrenzenden Seitenteilen (13) besteht.
Zugfeder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Seitenteile (13) einstückig ausgebildet sind.
Zugfeder nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei an einer offenen Kante (14) aneinandergrenzenden Seitenteile (13) durch Schweißstellen (15) miteinander verbunden sind.
Zugfeder nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundplatte (6) mit einer Unterkante (16) der Zugfeder (1) verbunden ist und eine Deckplatte (5) unter axialer Vorspannung des Aktors (2) mit einer Oberkante (17) der Zugfeder (1) verbunden ist.
Zugfeder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mittels Schweißen erfolgt.
Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) Ausnehmungen (9) aufweist.
Zugfeder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl, Größe, Form und Anordnung der Ausnehmungen (9) eine Federkonstante der Zugfeder (1) bestimmt.
Zugfeder nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (9) rund oder langlochförmig sind.
Zugfeder nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugfeder (1) mittels Stanzen und Biegen hergestellt ist.