DE19647752A1

DE19647752A1 - Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele

Info

Publication number: DE19647752A1
Application number: DE1996147752
Authority: DE
Inventors: Rolf Hopf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 1998-04-30

Description

Anwendungsgebiete der Erfindung liegen hauptsächlich im Werkzeugmaschinenbau, so für Haupt- und Vorschub getriebe, Nachformeinrichtungen, Werkstückzuführungen, Werkzeugspannung und Transport, zum Erzeugen von Schließ-und Preßkräften sowie im Fahrzeug- bzw. Landmaschinen bau, Traktoren, chem. Verfahrenstechnik, Fernsteuerung von Armaturen, Klappen und Verschlüssen, in Steuerungs- und Regeltechnik, Pumpen, Linearantrieben und Präzisionsbearbeitung.

Das Ziel der Erfindung ist eine piezohydraulische Vor richtung zu bauen, die auf kleinsten Raum mit höchsten Drücken arbeitet. Ferner arbeitet eine piezohydrau lische Vorrichtung mit höchster Präzision und kann alle Linearantriebe ersetzen. Desweiteren können Pumpen auf piezohydraulischer Grundlage alle vergleichbaren Pumpen ersetzen, da sie optimal in der Leistung steuer bar sind und mit höchsten Drücken arbeiten können. Piezohydraulische Vorrichtungen können auch als Vibra toren eingesetzt werden und Vibrationen über die Flüssigkeit in anderen Medien erzeugen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Piezohydraulische Vorrichtungen üben über den Hub von Piezoaktoren, die speziell polarisiert und angeordnet sind, einen Druck auf ein Volumen aus, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, welche die Kraft überträgt. Die Flächen, die auf das Wirkvolumen einer piezohydraulischen Vorrichtung wirken, üben nur einen Vorschub aus, wobei der Piezoaktor insgesamt kleiner wird. Wenn das Wirkvolumen einer piezohydraulischen Vorrichtung eine Kugel sein soll, werden zwei Piezo aktoren in der Weise polarisiert, daß der negative Pol eines Piezoaktors als Halbkugel ausgebildet ist und eine entsprechende Halbkugel in dem Piezoaktor eingearbeitet ist.

Beide Piezoaktoren werden zu einem Teil zusammengefügt, wobei beide Halbkugeln das Wirkvolumen einer Kugel haben.

Eine andere Möglichkeit der Polarisierung wäre bei spielsweise den negativen Pol als Kugel an einem Ende in einem Aktorstab auszubilden.

Die Kugel kann nach dem Polarisierungsvorgang heraus genommen werden, in dem man den Stab in Höhe der Kugel mitte durchschneidet, die Kugel herausnimmt und den Stab wieder zusammensetzt. Diese Variante der Polari sierung betrifft piezohydraulische Vorrichtungen, die eine reine Verdichterfunktion haben.

Bei einer piezohydraulischen Vorrichtung, die als Pumpe arbeitet, wird hier ein Kegelvolumen als Wirkvolumen benutzt, wobei es viele geometrische Formen gibt, die als Wirkvolumen dienen können.

Eine Pumpe mit einem Kegel als Wirkvolumen wird aus zwei Teilen zusammengesetzt, wobei je eine Kegelhälfte des symmetrisch geteilten Kegels in einem Aktor einge arbeitet ist. Die polarisationsgemäße Anordnung erfolgt für jede Hälfte in der Weise, daß der negative Pol als Halbkegel ausgebildet ist und in die halbkegel förmige Aussparung hineinragt. Um einen Pumpvorgang zu ermöglichen, macht es sich erforderlich, daß der Eingang der piezohydraulischen Pumpe, der Primäraktor zuerst schließt und danach verdichtet der Sekundär aktor die Hydraulikflüssigkeit im Wirkvolumen, wobei diese Hydraulikflüssigkeit durch ein Wegeventil aus der Pumpe gedrückt wird.

Der Pumpvorgang wird entsprechend der Impulsfolge von Primäraktor und Sekundäraktor gekennzeichnet und kann in diesem Rhythmus sehr schnell wiederholt werden. Ein Vorteil der piezohydraulischen Pumpe ist, daß sie ab solut wartungsfrei und nur durch äußere Gewalt funk tionsunfähig wird.

Der Eingang der piezohydraulischen Pumpe, der Primär aktor ist mit einem Vorratsbehälter, der die Hydraulik flüssigkeit liefert, gekoppelt. Um den Impulsrhythmus zwischen Primäraktor und Sekundäraktor zu realisieren, Ist es erforderlich, daß zwischen Primäraktor und Sekundäraktor eine elastische Isolationsschicht besteht, die sich fest mit der Keramik des Aktors verbindet. Eine piezohydraulische Pumpe kann ein lineares Stell glied bei großer Stellweite ohne Hebelübersetzung als Druckmittelquelle versorgen. In Verbindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen ist eine piezohydraulische Pumpe in der Lage, konventionelle Druckmittelquellen zum Regeln eines Stellgliedes zu ersetzen.

Aus Gründen der Materialfestigkeit und des festen Zusammenhalts zusätzlich zu mechanischen Verbindungs arten, der jeweils aus zwei Teilen zusammengesetzten piezohydraulischen Vorrichtungen (Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4) ist es erforderlich, daß diese Vorrichtungen sich in Gehäusen von großer Festigkeit befinden.

Piezohydraulische Vorrichtungen Fig. 1; Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4 sind speziell polarisiert, wobei die Piezoak toren (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) einen Druck auf ein Wirk volumen (6, 15, 16, 22, 22a) ausüben, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, welche die Kraft über trägt. Die Flächen des Wirkvolumens (6, 15, 16, 22, 22a) einer piezohydraulischen Vorrichtung üben einen Vorschub aus, bei dem der Piezoaktor (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) insgesamt kleiner wird. Wenn das Wirkvolumen (15, 16) einer piezohydraulischen Vorrichtung eine Kugel ist, werden zwei Piezoaktoren so polarisiert, daß der nega tive Pol (9, 8) eines Piezoaktors als Halbkugel ausge bildet ist und eine entsprechende Halbkugel in den Piezoaktor eingearbeitet ist. Beide Piezoaktoren (11, 12) werden in der Weise zusammengeführt, daß beide Halbkugeln das Wirkvolumen (9, 8) einer Kugel haben.

Bei piezohydraulischen Vorrichtungen wie Verdichtern Fig. 1 und Fig. 2 wird über Ein- und Ausgangskanäle (4, 5, 13, 14) die Verbindung innerhalb eines hydrauli schen Systems gegeben. Eine andere Möglichkeit der Polarisierung wäre beispielsweise den negativen Pol (1) als Kugel des zu erzeugenden Wirkvolumens (6) an einem Ende des Aktors (2) auszubilden.

Die Kugel kann nach dem Polarisierungsvorgang herausge nommen werden, indem man den Aktor (2) Fig. 1 in Höhe der Kugelmitte durchschneidet, die Kugel herausnimmt und den Stab wieder zusammensetzt oder die Kugel chemisch herauslöst.

Bei einer piezohydraulischen Vorrichtung, die als Pumpe Fig. 3a; Fig. 3b und Fig. 4 arbeitet, wird hier ein Kegelvolumen als Wirkvolumen (22, 22a) benutzt. Eine Pumpe Fig. 3a und Fig. 3b mit einem Kegel als Wirkvolumen wird aus zwei Teilen zusammengesetzt, wobei je eine Kegelhälfte als Wirkvolumen (22, 22a) des symmetrisch geteilten Kegels in einem der beiden Sekundäraktoren eingearbeitet ist. Die polarisationsgemäße Anordnung der Pole erfolgt für jedes Polarisationsmodell Fig. 3a und Fig. 3b in der Weise, daß der negative Pol (24, 24a) als Halbkegel ausgebildet ist und in die halbkegel förmige Aussparung hineinragt. Damit ein Pumpvorgang zustande kommt, muß der Eingangskanal (20) der piezo hydraulischen Pumpe Fig. 3a und Fig. 3b, der zum Primär aktor (18, 18a) gehört, zuerst schließen und danach verdichtet der Sekundäraktor (17, 17a) die Hydraulik flüssigkeit des Wirkvolumens, so daß die Hydraulik flüssigkeit durch den immer geöffneten Ausgangskanal (21, 21a) durch ein Wegeventil (28) geführt wird. Die Polarisation des Primäraktors (18, 18a) in Fig. 3a und Fig. 3b erfolgt durch die positiven Pole (25) und (25a) und die negativen Pole (26, 26a). Der Pumpvor gang ist entsprechend der Impulsfolge von Primäraktor und Sekundäraktor gekennzeichnet und kann in diesem Rhythmus sehr schnell wiederholt werden. Vorteile von piezohydraulischen Pumpen sind, daß sie absolut wartungsfrei und nur durch äußere Gewalt funktionsunfähig werden. Der Eingangskanal 20b der piezohydraulischen Pumpe Fig. 4 ist mit einem Vorratsbehälter (27), der die Hydraulikflüssigkeit liefert, gekoppelt. Damit der Impulsrhythmus zwischen Primäraktor (18b) und Sekun däraktor (17b) realisiert werden kann, ist es erforder lich, daß zwischen Primäraktor (18b) und Sekundäraktor (17b) eine elastische Isolationsschicht (19b) besteht, die sich fest mit der Keramik der Pumpe in Fig. 4 verbindet. Eine piezohydraulische Pumpe (Fig. 4) kann ein lineares Stellglied (29) bei großer Stell weite ohne Hebelübersetzung in Verbindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen als Druckmittelquelle versorgen. In Verbindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen ist eine piezohydraulische Pumpe in der Lage, konventio nelle Druckmittelquellen zum Regeln eines Stellgliedes (29) zu ersetzen.

Eine piezohydraulische Pumpe (Fig. 4) oder ein piezo hydraulischer Verdichter (Fig. 2) sind als Vibratoren mit dem Vorteil einsetzbar, daß die Vibrationen über die Hydraulikflüssigkeit an jeder beliebigen Stelle, zum Beispiel Hohlräumen, wirksam werden.

Aus Gründen der Materialfestigkeit und dem Zusammen fügen bzw. des festen Zusammenhalts, der jeweils aus zwei Teilen zusammengesetzten piezohydraulischen Vorrichtungen (Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4), macht es sich erforderlich, daß diese piezohydraulischen Vorrich tungen sich in einem Gehäuse von großer Festigkeit befinden.

Claims

1. Piezohydraulische Vorrichtungen Fig. 1; Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4 und Anwendungsbeispiele gekennzeichnet dadurch, daß sie speziell polarisiert sind, wobei die Piezoaktoren (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) einen Druck auf ein Wirkvolumen (6, 15, 16, 22, 22a) ausüben, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, welche die Kraft überträgt.

2. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen, die auf das Wirkvolumen (6, 15, 16, 22, 22a) einen Druck und einen Vorschub ausüben, dafür sorgen, daß der Piezoaktor (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) insgesamt kleiner wird.

3. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 2 gekennzeichnet dadurch, daß ggf. das Wirkvolumen Fig. 2 (15, 16) einer piezo hydraulischen Vorrichtung eine Kugel ist, werden zwei Piezoaktoren (11, 12) so polarisiert, daß der negative Pol (9, 8) eines Piezoaktors als Halbkugel ausgebildet ist und eine entsprechende Halbkugel in den Piezoaktor eingearbeitet ist.

4. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 3 gekennzeichnet dadurch, daß beide Piezoaktoren (11, 12) in der Weise zusammen gefügt werden, daß beide Halbkugeln das Wirkvolumen (9, 8) einer Kugel haben.

5. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 4 gekennzeichnet dadurch, daß bei piezohydraulischen Vorrichtungen, wie Verdichtern und Pumpen Fig. 1; Fig. 2 und Fig. 3 über Ein- und Ausgangskanäle (4, 5, 13, 14) die Verbindung inner halb eines hydraulischen Systems gegeben wird.

6. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 5 gekennzeichnet dadurch, daß beispielsweise eine andere Möglichkeit der Polari sierung Fig. 1 dadurch gegeben ist, den negativen Pol (1) als Kugel des zu erzeugenden Wirkvolumens (6) an einem Ende des Aktors (2) auszubilden.

7. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 6 gekennzeichnet dadurch, daß die Kugel nach dem Polarisationsvorgang herausge nommen wird, indem man den Aktor (Fig. 1) in Höhe der Kugelmitte durchschneidet, die Kugel herausnimmt und den Stab wieder zusammensetzt oder die Kugel chemisch herauslöst.

8. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 7 gekennzeichnet dadurch, daß eine Pumpe (Fig. 3a und Fig. 3b) mit einem Kegel als Wirkvolumen (22, 22a) aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, wobei je eine Kegelhälfte als Wirkvolumen (22, 22a) des symmetrisch geteilten Kegels in einem der beiden Sekundäraktoren (17, 17a) eingearbeitet ist.

9. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 8 gekennzeichnet dadurch, daß die polarisationsgemäße Anordnung der Pole so er folgt, daß für jedes Polarisationsmodell Fig. 3a und Fig. 3b in der Weise gilt, daß der negative Pol (24, 24a) als Halbkegel ausgebildet ist und in die halbkegelförmige Aussparung hineinragt, dem positi ven Pol (23, 23a) geyenüberliegen.

10. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 9 gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Pumpvorgang der Eingangskanal (20) der piezohydraulischen Pumpe Fig. 3a und Fig. 3b, der zum Primäraktor (18, 18a) gehört, zuerst schließt und danach verdichtet der Sekundäraktor (17, 17a) die Hydraulikflüssigkeit des Wirkvolumens, so daß die Hydraulikflüssigkeit durch den immer geöffneten Ausgangskanal (21, 21a) durch ein Wegeventil (28) gedrückt wird.

11. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 10 gekennzeichnet dadurch, daß die Polarisierung des Primäraktors (18, 18a) in Fig. 3a und Fig. 3b durch die positiven Pole (25, 25a) und die negativen Pole (26, 26a) erfolgt.

12. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 11 gekennzeichnet dadurch, daß der Pumpvorgang durch die Impulsfolge von Primär aktor und Sekundäraktor gekennzeichnet ist und in diesem Rhythmus sehr schnell wiederholt werden kann.

13. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 12 gekennzeichnet dadurch, daß der Eingangskanal (20b) der piezohydraulischen Pumpe Fig. 4 mit einem Vorratsbehälter (27), der die Hydraulikflüssigkeit liefert, gekoppelt ist.

14. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 13 gekennzeichnet dadurch, daß der Impulsrhythmus zwischen Primäraktor (18b) und Sekundäraktor (17b) realisiert werden kann, wenn zwischen Primäraktor (18b) und Sekundäraktor (17b) eine elastische Isolationsschicht (19b) besteht, die sich fest mit der Keramik der Pumpe in Fig. 4 verbindet.

15. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 14 gekennzeichnet dadurch, daß eine piezohydraulische Pumpe Fig. 4 ein lineares Stellglied (29) bei großer Stellweite ohne Hebel übersetzung in Verbindung mit Steuer- und Regel einrichtungen positioniert und als Druckmittel quelle versorgt.

16. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 15 gekennzeichnet dadurch, daß eine Verstärkung des Drucks und eine Erweiterung des Stellweges dadurch erreicht werden kann, daß mehrere Verdichter Fig. 1 und Fig. 2 oder Pumpen Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 4 wirksam sind.

17. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 16 gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächen für das Wirkvolumen (6) in Fig. 1 (15, 16), Fig. 2 (22), Fig. 3b (22b) und in Fig. 4 möglichst groß sein sollen.

18. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 17 gekennzeichnet dadurch, daß eine piezohydraulische Pumpe Fig. 4 oder ein piezo hydraulischer Verdichter Fig. 1 und Fig. 2 als Vibra toren mit dem Vorteil einsetzbar sind, daß die Vibra tionen über die Hydraulikflüssigkeit zu jeder belie bigen Stelle, zum Beispiel zu Hohlräumen geleitet werden können.

19. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbei spiele nach Punkt 18 gekennzeichnet dadurch, daß aus Gründen der Materialfestigkeit und dem Zusammen fügen bzw. des festen Zusammenhalts, der jeweils aus zwei Teilen zusammengesetzten piezohydraulischen Vorrichtungen (Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4) es sich erfor derlich macht, daß diese piezohydraulischen Vor richtungen sich in Gehäusen von großer Festigkeit befinden.