DE19803842A1 - Elektrischer Festkörperaktuator mit hydraulischer Übersetzung - Google Patents

Description

Festkörperaktuatoren in der Form von piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktuatoren bieten den Vorteil, daß die zu­ geführte elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad, frei von Reibung, Spiel und Verschleiß umgesetzt werden kann. Da der verfügbare Aktuatorstellweg in der Größenordnung bis zu 1500 µ/m in einer Reihe von Einsatzfällen zu gering ist, muß zur Erzielung höherer Stellwege für eine Übersetzung gesorgt werden. Als vorteilhaft haben sich hierbei Übersetzungssysteme herausgestellt, bei denen mit Hilfe einer Flüssigkeit, also eines inkompressiblen Mediums eine Erhöhung des Stellwegs er­ zielt werden kann. Für den Langzeiteinsatz ist es jedoch wichtig, daß Leckagen vermieden werden, wie dies beispiels­ weise von Jendritza und Schröder in "Konstruktion 46" (1994), Seite 376-380, dargestellt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Festkörperaktuator mit hydraulischer Übersetzung zu schaffen, der leckagefrei ausgebildet ist und zugleich einen Tempera­ turausgleich ermöglicht, so daß beispielsweise die Betätigung eines nachgeschalteten Stellmittels über einen längeren Zeit­ raum in einer definierten Schaltstellung möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen elektrischen Festkörperaktuator mit hydraulischer Übersetzung zur Betätigung eines Stellmittels, insbesondere zur Betäti­ gung eines Ventils, mit einem mit Flüssigkeit gefüllten Vor­ druckraum, der auf einer Seite durch eine mit einem Aktuator­ körper verbundene Membran und auf der anderen Seite durch ei­ nen federnden großflächigen Plattenkörper begrenzt ist, wobei der Plattenkörper seinerseits eine Seite eines Übertragungs­ raumes begrenzt, der auf seiner anderen Seite durch einen fe­ dernd abgestützten kleinflächigen Kolbenkörper begrenzt ist, der auf das Stellmittel einwirkt, sowie mit einer Ventilöff­ nung im Plattenkörper, die den Vordruckraum mit dem Übertra­ gerraum verbindet und die über einen mit der Membran verbun­ denen Ventilkörper verschließbar ist. Der Vordruckraum und der Übertragerraum, die miteinander in Verbindung stehen, können hierbei als hermetisch abgeschlossene Systeme ausge­ bildet werden, wobei der besondere Vorteil darin besteht, daß bei einer Beaufschlagung des Aktuatorkörpers mit elektrischer Energie infolge der Längenveränderung des Aktuatorkörpers dieser auf die Membran einwirkt, die wiederum auf den groß­ flächigen Plattenkörper einwirkt, wobei durch den Ventilkör­ per an der Membran die Ventilöffnung im Plattenkörper ge­ schlossen wird. Das im Übertragerraum nunmehr eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen gewährleistet hierbei aufgrund seiner In­ kompressibilität, daß das Stellmittel entsprechend der durch die Flächenverhältnisse von Plattenkörper und Kolbenkörper vorgegebenen Übersetzung verschoben wird und bei fortdauern­ der Beaufschlagung des Aktuatorkörpers mit elektrischer Ener­ gie auch in dieser Stellung gehalten wird. Wird der Aktuator­ körper deaktiviert, so wird die Membran mit dem Ventilkörper zurückgezogen, so daß bei der Rückfederung des Plattenkörpers und des Kolbenkörpers zwischen dem Vordruckraum und dem Über­ tragerraum ein Flüssigkeitsaustausch stattfinden kann. Hier­ durch ist gewährleistet, daß der Übertragerraum immer mit ei­ nem vorgegebenen Flüssigkeitsvolumen gefüllt ist und somit reproduzierbare Stellwege auch im Langzeiteinsatz erreicht werden. Die Übertragung der Längenänderung des Aktuatorkör­ pers von der Membran auf den Plattenkörper kann grundsätzlich über zwischengeschaltete Übertragungsmittel erfolgen. Beson­ ders zweckmäßig ist es jedoch, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Ventilkörper zugleich ein Übertragungsmit­ tel zwischen Membran und Plattenkörper bildet. Hierdurch ist gewährleistet, daß durch die Stellkraft des Aktuatorkörpers zugleich auch die erforderliche Dichtkraft zwischen Ventil­ körper und Ventilöffnung aufgebracht wird.

Da üblicherweise die den Vordruckraum zum Aktuatorkörper hin abschließende Membran sehr dünn ausgebildet wird, reicht die Verformung der Membran aus, um eine etwaige Volumenverminde­ rung im Vordruckraum durch ein Nachsaugen von Flüssigkeit in den Übertragerraum auszugleichen. Auch Volumenänderungen der Flüssigkeit infolge von Temperaturschwankungen können hierbei bis zu einem gewissen Grade ausgeglichen werden, ohne daß die Stellgenauigkeit beeinträchtigt wird.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorge­ sehen, daß der Vordruckraum mit Mitteln zum Volumenausgleich in Verbindung steht. Dies kann beispielsweise durch einen dem Vordruckraum zugeordneten Speicherraum erfolgen, der bei­ spielsweise nach Art eines Gasblasenspeichers ausgebildet ist, so daß eine konstante Füllung von Vordruckraum und Über­ tragerraum unter gleichem Druck im Ruhezustand des Aktuator­ körpers gegeben ist. Bei entsprechender Einstellung des Vor­ drucks im Volumenausgleich kann sogar sichergestellt werden, daß Volumenvergrößerungen der Flüssigkeit infolge von starken Temperaturerhöhungen bei entsprechender Auslegung der federn­ den Abstützung von Plattenkörper und Kolbenkörper keinen Ein­ fluß auf die Stellgenauigkeit haben. Die Anordnung eines der­ artigen Volumenausgleichs bietet außerdem den Vorteil, daß der Aktuator bis auf die Verbindung mit der Stromversorgung hinsichtlich der Flüssigkeitsversorgung als autonomes System ausgebildet sein kann.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Vordruckraum mit einer Druckmittelversorgung in Ver­ bindung steht. Durch eine derartige Anordnung besteht die Möglichkeit, unter Beibehaltung eines vorgebbaren Vordruckes für die Flüssigkeit hier für einen Flüssigkeitsaustausch Sor­ ge zu tragen.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist für einen elek­ trischen Festkörperaktuator zur Betätigung eines Ventils in einer Flüssigkeitsleitung gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Vordruckraum mit einem Leckageraum in Verbindung steht. Hierdurch wird mit Vorteil ausgenutzt, daß Ventile mit einer Flüssigkeitsleitung, insbesondere Schieberventile, mit hoher Schalthäufigkeit und/oder hoher Schaltgeschwindigkeit nicht flüssigkeitsdicht ausgeführt werden können, so daß immer über eine Leckage ein Teil der Flüssigkeit aus der Flüssigkeits­ leitung in den Ventilbereich austritt. Durch die gezielte An­ ordnung eines Leckageraums am Ventil und die Verbindung des Leckageraums mit dem Vordruckraum ist sichergestellt, daß zum einen der Vordruckraum und der mit ihm verbundene Übertrager­ raum immer mit Flüssigkeit gefüllt sind. Zum anderen ergibt sich für den Ablauf der Leckageflüssigkeit in den anderen Leckagebereichen des Ventils eine Drosselwirkung, so daß die­ se Bereiche praktisch nach Art eines Druckhalteventils arbei­ ten, so daß auch hierüber die Einhaltung eines ausreichenden Druckes im Vordruckraum gewährleistet ist.

Besonders zweckmäßig ist es jedoch, wenn der Leckageraum und/oder der Vordruckraum über ein Druckhalteventil mit einem Leckflüssigkeitsablauf in Verbindung steht. Hierdurch besteht die Möglichkeit, im Vordruckraum einen definierten Vordruck einzustellen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Grundkonzeption für einen Aktuator zur Betätigung eines Ventilschiebers,

Fig. 2 eine Ausführungsform gem. Fig. 1 mit Druckmittelversorgung.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte elektrische Festkör­ peraktuator besteht im wesentlichen aus einem Aktuatorgehäuse 1, in dem ein Aktuatorkörper 2 angeordnet ist. Der Aktuator­ körper 2 kann hierbei sowohl als piezoelektrisches System wie auch als magnetostriktives System ausgebildet sein. Dem pie­ zoelektrischen System ist jedoch hierbei der Vorzug zu geben, da dieses einfacher im Aufbau ist, praktisch verlustfrei ar­ beitet und auch keinerlei Kühlung benötigt. Der weitere Vor­ teil des piezoelektrischen Systems liegt in der hohen Schalt­ geschwindigkeit.

Das Aktuatorgehäuse 1 wird durch eine verhältnismäßig dünne Membran 3 abgeschlossen, die mit dem Aktuatorkörper 2 in un­ mittelbarer Wirkverbindung steht.

Die Membran 3 schließt auf der dem Aktuatorkörper 2 abgekehr­ ten Seite einen Vordruckraum 4 dicht ab. Der Vordruckraum 4 ist andererseits durch einen federnden großflächigen Platten­ körper 5 ebenfalls dicht abgeschlossen, der die Bodenseite eines Federbalges 6 bildet. Durch den Federbalg 6 wird gegen­ über dem Vordruckraum 4 ein Übertragerraum 7 abgeschlossen, der an seiner anderen Seite seinerseits durch einen Kolben­ körper 8 als Teil eines Federbalges 9 begrenzt ist. Der Fe­ derbalg 6 und der Federbalg 9 sind an einem Trägerkörper 10 befestigt, der mit einem Verbindungskanal 11 versehen ist und der zugleich einen Teil des Übertragerraums 7 bildet.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist als zu be­ tätigendes Stellmittel 12 ein hydraulisches Schieberventil vorgesehen, das ein Schiebegehäuse 13 aufweist, in dem ein Ventilschieber 14 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 15 in Achsrichtung verschiebbar geführt ist. Der Ventilschieber 14 ist mit einem Ansatz 16 versehen, auf dem sich der den Über­ tragerraum 7 abschließende Kolbenkörper 8 abstützt. Im Schiebergehäuse 13 ist ein Zulauf 17 und ein Ablauf 18 vorge­ sehen. In der Zeichnung ist das Ventil in Schließstellung dargestellt. Wird der Ventilkörper 14 in Richtung des Pfeiles 19 gegen die Kraft der Rückstellfeder 15 verschoben, dann wird durch die Ringnut 20 im Schieberkörper 14 die direkte Verbindung zwischen dem Zulauf 17 und dem Ablauf 18 freigege­ ben.

Der Plattenkörper 5 ist mit einer Ventilöffnung 21 versehen, der ein mit der Membran 3 verbundener Ventilkörper 22 zuge­ ordnet ist. In Ruhestellung wird der über den Federbalg 6 fe­ dernd abgestützte Plattenkörper 5 mit seiner Ventilöffnung 21 gegen den Ventilkörper 22 gedrückt. Damit dient der Ventil­ körper 22 zugleich als Übertragungsmittel, durch das jede Längenänderung des Aktuatorkörpers 2 auf den Plattenkörper 5 unmittelbar übertragen wird. Der Vordruckraum 4 und der Über­ tragerraum 7 sind mit einer Flüssigkeit, d. h. einem inkom­ pressiblen Medium gefüllt. Wird nun an den Aktuatorkörper 2 eine Spannung angelegt, so daß dieser eine Längenänderung er­ fährt, dann wird um das gleiche Maß auch der Plattenkörper 5 verschoben. Da die Fläche des Plattenkörpers 5 im Verhältnis zur gewünschten Übersetzung größer ist als die Fläche des Kolbenkörpers 8, wird aus dem oberen Teil des Übertragungs­ raumes 7.1 durch den Verbindungskanal 11 eine entsprechende Flüssigkeitsmenge hindurchgedrückt, die infolge des geringe­ ren Volumens im unteren Teil 7.2 des Übertragerraums 7 zu ei­ ner entsprechend größeren Verschiebung des Kolbenkörpers 8 führt. Dementsprechend wird der Schieberkörper 14 um das gleiche Maß verschoben und damit die Verbindung zwischen dem Flüssigkeitszulauf 17 zum Flüssigkeitsablauf 18 freigegeben.

Wird nun der Aktuatorkörper 2 spannungsfrei gesetzt, zieht dieser sich sofort zusammen, so daß der Ventilkörper 22 an der Membran 3 die Ventilöffnung 21 am Plattenkörper 5 kurz­ fristig freigibt, so daß beim Zurückbewegen des Plattenkör­ pers 5 ein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Vordruckraum 4 und dem Übertragerraum 7 stattfinden kann. Damit ist gewähr­ leistet, daß der Übertragerraum 7 immer mit dem gleichen Flüssigkeitsvolumen gefüllt ist und somit bei einer Betäti­ gung auch immer der gleiche Stellweg für den Schieberkörper 14 gewährleistet ist. Je nach der für den Vordruckraum 4 und den Übertragerraum 7 gewählten Raumgeometrie kann es zweckmä­ ßig sein, wenn der Vordruckraum 4 über eine Zuleitung 23 mit Mitteln 24 zum Volumenausgleich in Verbindung steht. Diese Mittel können, wie hier angedeutet, beispielsweise durch ei­ nen kleinen Speicherraum nach Art eines Gasblasenspeichers gebildet werden, durch den zum einen gewährleistet wird, daß im Vordruckraum 4 und im Übertragerraum 7 bei geöffnetem Ven­ til 21, 22 der gleiche Druck herrscht. Zugleich kann hier­ durch sichergestellt werden, daß bei starken Temperatur­ schwankungen Dehnungen der verwendeten Flüssigkeit nicht zu einer Veränderung der Übertragungsgeometrie in Achsrichtung führen sondern im Bereich des Speicherraums aufgenommen wer­ den, so daß eine Volumenkonstanz von Vordruckraum 4 und Über­ tragerraum 7 gewährleistet ist.

Die im Bereich des Schieberkörpers 14 anfallende Leckflüssig­ keit wird über eine Leckageleitung 25 im Bereich des Ansatzes 16 und im Bereich der Rückstellfeder 15 über eine Leckagelei­ tung 26 abgezogen.

Die Ausführungsform gem. Fig. 2 ist im Grundprinzip in glei­ cher Weise aufgebaut, wie die anhand von Fig. 1 beschriebene Ausführungsform, so daß hierauf verwiesen werden kann.

Während es grundsätzlich möglich ist, an die Stelle des in Fig. 1 dargestellten Mittel zum Volumenausgleich 24 bei­ spielsweise in Form eines Gasblasenspeichers eine Druckmit­ telversorgung anzuschließen, durch die ein vorgebbarer Vor­ druck im Vordruckraum 4 und entsprechend auch im Übertrager­ raum 7 aufrechterhalten wird, ist bei der Ausführungsform gem. Fig. 2 die Druckmittelversorgung des Vordruckraums 4 mit Hilfe einer Überströmleitung 29 bewerkstelligt, durch die aus einem Leckagesammelraum 30 im Schieberkörper 14 ein Teil der Leckageflüssigkeit in den Vordruckraum 4 nach Art einer Druckmittelversorgung übergeleitet wird. Durch die Anordnung eines Druckhalteventils 27, das zwischen dem Leckagesammel­ raum 30 und der Leckageflüssigkeitsableitung 28 angeordnet ist, kann bei diesem System dafür gesorgt werden, daß der Vordruckraum 4 unter einem konstanten Vordruck gehalten wird, so daß auch thermisch bedingte Volumenänderungen der Druck­ flüssigkeit keine negativen Auswirkungen auf das Übertrager­ system haben.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 2 ist der Trägerkörper 10 mit einem in den oberen Teil 7.1 des Übertragungsraumes 7 hineinragenden Ansatz 7.3 versehen, durch den das Gesamtvolu­ men dieses Teils reduziert wird.

Abweichend von Fig. 1 kann die Membran 3 auch so ausgebildet sein, daß sie den Ventilkörper bildet. Dies ist beispielswei­ se dadurch möglich, daß die Ventilöffnung 21 auf ihrer der Membran 3 zugekehrten Seite durch einen ringförmigen Ansatz begrenzt wird, der die Fläche des Plattenkörpers 5 etwas überragt und einen Ventilsitz für die Membran bildet.

Es ist ferner möglich, den Plattenkörper 5 und/oder den Kol­ benkörper 8 jeweils selbst membranartig auszubilden, so daß sie entsprechend verformbar und federnd sind. Die Anordnung eines entsprechenden Federbalges kann dann entfallen. Bei größeren Stellwegen ist es zweckmäßig, wenn der Plattenkörper 5, insbesondere der Kolbenkörper 8 als sogenannte Sickenmem­ bran ausgebildet und dadurch eine größere Durchbiegung mög­ lich ist.

Claims (9)

1. Elektrischer Festkörperaktuator mit hydraulischer Überset­ zung zur Betätigung eines Stellmittels, insbesondere zur Be­ tätigung eines Ventils, mit einem mit Flüssigkeit gefüllten Vordruckraum (4), der auf einer Seite durch eine mit einem Aktuatorkörper (2) verbundene Membran (3) und auf der anderen Seite durch einen federnden, großflächigen Plattenkörper (5) begrenzt ist, wobei der Plattenkörper (5) seinerseits eine Seite eines Übertragerraums (7) begrenzt, der auf seiner an­ deren Seite durch einen federnd abgestützten kleinflächigen Kolbenkörper (8) begrenzt ist, der auf das Stellmittel (14) einwirkt, sowie mit einer Ventilöffnung (21) im Plattenkörper (5), die den Vordruckraum (4) mit dem Übertragerraum (7) ver­ bindet und die über einen mit der Membran (3) verbundenen Ventilkörper (22) verschließbar ist.

2. Festkörperaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ventilkörper (22) ein Übertragungsmittel zwi­ schen der Membran (3) und dem Plattenkörper (5) bildet,

3. Festkörperaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vordruckraum (4) mit Mitteln (24; 29, 30) zum Volumenausgleich in Verbindung steht.

4. Festkörperaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vordruckraum (4) mit einer Druckmittelversorgung in Verbindung steht.

5. Festkörperaktuator zur Betätigung eines Ventils (14) in einer Flüssigkeitsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Vordruckraum (4) mit einem Leckageraum (30) in Verbindung steht.

5. Festkörperaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leckageraum (30) und/oder der Vordruckraum (4) über ein Druckhalteventil (27) mit einem Flüssigkeitsablauf (28) in Verbindung steht.

7. Festkörperaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (22) einen inte­ gralen Bestandteil der Membran (3) bildet.

8. Festkörperaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Plattenkörper (5) und/oder der Kolbenkörper (8) jeweils über einen Federbalg (6, 9) an einem Trägerkörper (10) befestigt sind.

9. Festkörperaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Plattenkörper (5) und/oder der Kolbenkörper (8) membranartig ausgebildet sind.