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WO1996017165A1 - Elektrohydraulischer antrieb - Google Patents

Elektrohydraulischer antrieb Download PDF

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WO1996017165A1
WO1996017165A1 PCT/DE1995/001702 DE9501702W WO9617165A1 WO 1996017165 A1 WO1996017165 A1 WO 1996017165A1 DE 9501702 W DE9501702 W DE 9501702W WO 9617165 A1 WO9617165 A1 WO 9617165A1
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WO
WIPO (PCT)
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actuator
piston
electro
hydraulic drive
drive according
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE1995/001702
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Kappel
Randolf Mock
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to JP8518051A priority Critical patent/JPH10509790A/ja
Priority to DE59502365T priority patent/DE59502365D1/de
Priority to US08/849,565 priority patent/US5875632A/en
Priority to EP95940120A priority patent/EP0795081B1/de
Publication of WO1996017165A1 publication Critical patent/WO1996017165A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the injection valve known from /! / Contains a compact drive, which has very good dynamic properties and still works reliably even at high actuation frequencies (f> 1 kHz). Since the drive enables valve opening and closing times in the range of ⁇ ⁇ 0.1 ms, even the smallest amounts of fuel can be injected precisely and reproducibly into the combustion chamber of an engine.
  • the main components of the drive are a piezo actuator generating the primary travel range and a hydraulic stroke transformer, which essentially consists of a pressure piston driven by the piezo actuator and a stroke piston which is axially displaceably mounted in a pressure piston bore and is connected to the valve needle.
  • the piezo actuator arranged in one of the hydraulic chambers is supported on the housing side on a ball cap bearing. This measure ensures that the actuator always rests on the pressure piston over the entire surface even when the end faces are non-parallel, and that there are no stroke losses.
  • the structure of the known valve places high demands on the axial symmetry and dimensional accuracy of the individual components.
  • the multiply guided reciprocating piston has to be manufactured to an accuracy of a few ⁇ m in order to prevent tilting or jamming. This complicates mass production and considerably increases the cost of manufacturing the valve.
  • the aim of the invention is to provide a reliable electrohydraulic drive which has a compact structure. sits, works within a wide temperature range and has good dynamic properties.
  • An electro-hydraulic drive with the features specified in claim 1 has these properties.
  • the advantage that can be achieved with the invention is, in particular, that even a comparatively large decentration of one of the multiply guided parts does not impair the functionality of the drive.
  • the drive can therefore be manufactured with much less effort and manufactured more cost-effectively.
  • Figure 1 shows an electro-hydraulic drive for a fuel injection valve in section
  • Figure 2 is a two-part reciprocating piston of the force-translation of the drive in section
  • FIG. 1 essentially shows only the components of a fast fuel injection valve relating to the drive according to the invention, as is known, for example, from / l / or described in more detail in the older German application / 2 /.
  • the injection valve contains an electromechanical actuator P which acts on a hydraulic stroke transformer DK / HK and which is supplied with the required operating voltages via a pressure-tight housing bushing LD.
  • the actuator P In order to initiate the injection of the fuel into the combustion chamber of the engine, the actuator P is activated and thereby elongated in the axial direction.
  • the change in length .DELTA.l of the actuator P results in a corresponding displacement of the pressure piston DK mounted in a cylindrical bore of the housing VG so that there is an overpressure p 1 # in the hydraulic oil-filled chamber KAI in the hydraulic oil-filled chamber and through a pressure piston bore Bl fluidly connected chambers KA2 and KA3 a vacuum P2 / 3 ⁇ Pi on aut.
  • the fuel injection is ended by the electrical discharge of the piezo actuator P.
  • the pressure piston DK moves back down to its starting position under the force of the restoring force exerted by a strong plate spring TF.
  • the spiral spring SF Supported by the spiral spring SF and the pressure difference existing between the chambers KAI and KA2 / KA3, the reciprocating piston HK executes an opposite movement upwards, so that the valve needle VN guided out of the housing VG is lowered onto the sealing seat and closes the injection opening.
  • the transient mode of operation of the drive makes it necessary to mechanically pretension the piezo actuator P.
  • the force required for this is generated by the plate spring TF arranged in the chamber KAI, which also supports the return of the pressure piston DK to its rest position.
  • Flow channels SK in the chamber ceiling ensure an unimpeded inflow and outflow of the hydraulic oil into the volume enclosed by the plate spring TF and the valve housing VG.
  • the compensation element AE which is in the form of a spherical layer, is preferably made of stainless steel or a chromium-nickel steel. Due to its polished surfaces, the compensating element AE can slide freely on the piezoceramic during assembly of the hydraulics and thus compensate for a non-concentric alignment of actuator P and pressure piston DK.
  • the free rotatability of the compensating element AE within the conical abutment WL also ensures that the upper part of the piezo actuator P, which is secured against rotation on the housing base, is always in contact with the pressure piston DK over the entire surface.
  • the disc spring TF which mechanically pre-stresses the piezo actuator P, ensures the frictional contact between the parts.
  • the force / displacement ratio driven by the actuator P consists of two coupled hydraulic transformers, the transmission ratio t
  • AD1 area of the piston top
  • AH1 area of the piston top
  • AD2 Actuator-side pressure piston surface
  • AH2 Actuator-side reciprocating piston surface
  • Equation (2) only applies on the condition that the actuator P arranged in the hydraulic chamber KA3 has the same volume in the elongated and unloaded state. Like the piezo stack P used, electrostrictive and magnetostrictive actuators also show such behavior in good proximity.
  • the pressure piston DK of the force / displacement ratio shown in FIG. 1 is designed in stages (AD1 ⁇ AD2) in order to take into account the inequality of the pressure-effective piston surfaces AH1 ⁇ AH2 caused by the valve needle.
  • the hydraulic coupling of the two stroke transformers has the result that with each change in length of the actuator P complementary pressures build up in the chambers KAI and KA2 / KA3, whereby a displacement of the pressure piston DK by ⁇ l increases in an opposite manner corresponding to the hydraulic transmission ratio ⁇ »1 Displacement of the HK piston in the pressure piston bore ZY.
  • the hydraulic chambers KAI, KA2, KA3 are connected both to one another and to the compensating volume AV, which is under pressure, between the pistons DK, HK and the corresponding cylinder bores KS. Temperature-related changes in volume of the hydraulic oil can therefore neither lead to the formation of static pressure differences between the chambers KAI and KA2 / KA3 (this would result in undefined positions of the HK reciprocating piston), nor to the formation of undefined pressure states in the entire system.
  • the connection between the ring chamber RV and the equalizing volume AV has been established via the housing bore Gl furthermore the advantage that there is no cavitation in the hydraulic oil which reduces the maximum actuation frequency.
  • the valve shuts off in the relevant working temperature range with the frequency and the desired duration specified by the control signal.
  • it is advisable, for example, to provide the bore G1 in the area of the pressure piston sealing surface. In principle, however, it can also open into the annular chamber RV (see FIG. 1) or be fitted in any other area of the valve housing VG, provided that flow resistances in the form of orifices, gaps, restrictors, constrictions etc. ensure that between the different volumes or chambers only comparatively slow compensation processes take place.
  • the chambers have to be sealed against one another to such an extent that the required shut-off times are achieved and the temperature independence of the drive is still guaranteed.
  • Temperature-dependent control of the gap flows is possible if the valve housing VG and the internals (pressure piston DK, reciprocating piston HK) are made from materials with different thermal volume / length expansion coefficients. It can thus be achieved that the gap widths decrease with increasing temperature, which increases the flow resistance accordingly.
  • Temperature-controlled flow resistances can of course also be manufactured as discrete components and installed in the corresponding holes G3 or supply lines.
  • the drive according to the invention has a number of advantages.
  • the drive thus allows symmetrical, cavitation-free switching with very short switching times, extremely short idle times and high actuation frequencies.
  • the drive is characterized by a high level of operational reliability.
  • the fact that the actuator P is hermetically encapsulated in one of the hydraulic chambers KA3 also contributes to this. A good dissipation of the generated heat and optimal protection against environmental influences are therefore guaranteed.
  • the drive is also largely closed, since the electrical connections L of the actuator P are led outside through a pressure-tight, electrically insulating element LD.
  • the reciprocating piston of the force / displacement transmission shown in FIG. 2 consists of two parts HK1, HK2, the cup-shaped outer part HKl, which is open on the valve needle side and rests on the spring SF, is guided with close tolerance in the pressure piston bore ZY.
  • This is the basis for the cup-shaped inner piston part HK2, which is open on the actuator side.
  • a screw S connects the inner part HK2, which can be moved transversely to the stroke direction, with the valve needle VN. Both parts can also be soldered or welded.

Landscapes

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Abstract

In schnellen Einspritzventilen kommen neuerdings hydraulische Hubtransformatoren zum Einsatz, die beispielsweise aus einem von einem Piezoaktor (P) angetriebenen Druckkolben (DK) und einem in einer Druckkolbenbohrung (ZY) axialverschiebbar gelagerten, mit der Ventilnadel (VN) verbundenen Hubkolben (HK) bestehen. Dieser Aufbau stellt hohe Anforderungen an die Axialsymmetrie und Maßhaltigkeit der einzelnen Komponenten, was die Massenproduktion des Ventils erschwert und die Herstellung verteuert. Die Anmeldung beschreibt einen aus einem Piezoaktor (P) und einer hydraulischen Kraft-/Wegübersetzung bestehenden Antrieb, der kompakt aufgebaut und vergleichsweise kostengünstig herzustellen ist. Um die geforderte Axialsymmetrie des Antriebs trotz fertigungsbedingter Toleranzen zu gewährleisten, ist zwischen dem Piezoaktor (P) und dem Hubtransformator ein sich in einer kegelstumpfförmigen Vertiefung (WL) des Druckkolbens (DK) abstützendes Ausgleichselement (AE) angeordnet. Das die Form einer Kugelschicht aufweisende und aus Edelstahl gefertigte Element (AE) kann während des Zusammenbaus der Hydraulik auf der Piezokeramik frei gleiten und somit eine nicht konzentrische Ausrichtung von Aktor (P) und Druckkolben (DK) ausgleichen. Die freie Drehbarkeit innerhalb des Widerlagers (WL) stellt außerdem sicher, daß der obere Teil des Aktors (P) immer ganzflächig am Druckkolben (DK) anliegt. Antrieb für Einspritzventile, Pumpen usw.

Description

Beschreibung
Elektrohydraulischer Antrieb
1. Einleitung und Stand der Technik
Das aus /!/ bekannte Einspritzventil enthält einen kompakt aufgebauten Antrieb, der sehr gute dynamische Eigenschaften besitzt und auch bei hohen Betätigungsfrequenzen (f > 1 kHz) noch zuverlässig arbeitet. Da der Antrieb Ventilöffnungs- und Schließzeiten im Bereich von τ < 0,1 ms ermöglicht, lassen sich auch kleinste Kraftstoffmengen genau dosiert und re¬ produzierbar in den Brennraum eines Motors einspritzen. Hauptkomponenten des Antriebs sind ein den primären Stellweg erzeugender Piezoaktor und ein hydraulischer Hubtransforma¬ tor, der im wesentlichen aus einem vom Piezoaktor angetriebe¬ nen Druckkolben und einem in einer Druckkolbenbohrung axial verschiebbar gelagerten, mit der Ventilnadel verbundenen Hub- kolben besteht. Der in einer der Hydraulikkammern angeordnete Piezoaktor stützt sich gehäuseseitig auf einer Kugelkappenla¬ gerung ab. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der Aktor auch bei einer herstellungsbedingten Nichtparallelität seiner End¬ flächen immer ganzflächig am Druckkolben anliegt und keine Hubeinbußen auftreten.
Der Aufbau des bekannten Ventils stellt hohe Anforderungen an die AxialSymmetrie und Maßhaltigkeit der einzelnen Kompo¬ nenten. Insbesondere den mehrfach geführten Hubkolben muß man bis auf wenige μm genau fertigen, um ein Verkanten bzw. Klem¬ men zu verhindern. Dies erschwert die Massenproduktion und verteuert die Herstellung des Ventils erheblich.
Figure imgf000003_0001
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines betriebssicheren elektrohydraulisehen Antriebs, der einen kompakten Aufbau be- sitzt, innerhalb eines großen Temperaturbereichs arbeitet und gute dynamische Eigenschaften aufweist.Ein elektrohydrauli- scher Antrieb mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merk¬ malen besitzt diese Eigenschaften.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch eine vergleichsweise große Dezentrierung ei¬ nes der mehrfach geführten Teile die Funktionsfähigkeit des Antriebs nicht beeinträchtigt. Der Antrieb läßt sich daher mit deutlich weniger Aufwand fertigen und kostengünstiger herstellen.
3. Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu¬ tert. Hierbei zeigt:
Figur 1 einen elektrohydraulisehen Antrieb für ein Kraftstoff-Einspritzventil im Schnitt; Figur 2 einen aus zwei Teilen bestehenden Hubkolben der Kraf -Wegübersetzung des Antriebs im Schnitt
Figure imgf000004_0001
4.1 Aufbau und Funktionsweise des elektrohydraulischen An¬ triebs
Die Figur 1 zeigt im wesentlichen nur die den erfindungsgemä¬ ßen Antrieb betreffenden Komponenten eines schnellen Kraf - Stoff-Einspritzventils, wie es beispielsweise aus /l/ bekannt oder in der älteren deutschen Anmeldung /2/ näher beschrieben ist. Als Antriebselement enthält das Einspritzventil einen auf einen hydraulischen Hubtransformator DK/HK wirkenden elektromechanischen Aktor P, den man über eine druckdichte Gehäusedurchführung LD mit den erforderlichen Betriebsspan¬ nungen versorgt. Als elektromechanischer Aktor P kommt insbe¬ sondere ein piezoelektrischer Multilayerstack in Betracht, der auch bei moderaten Betriebsspannungen noch vergleichswei¬ se große Primärhübe erzeugt (relative Längenänderungen Δl/1 « l x 10-3; Antriebskraft F = 102 bis 105 N) .
Bedingt durch die große mechanische Steifigkeit des pie¬ zoelektrischen Sinterkörpers liegt dessen elektromechanische Resonanz im Bereich von etwa 10 bis 1000 kHz, so daß sich An¬ sprechzeiten von etwa 0,001 bis 0,1 ms prinzipiell erzielen lassen. Die in der Praxis realisierten Ansprechzeiten sind allerdings größer und hängen unter anderem von der elektri¬ schen Ansteuerung und Beschaltung des Piezostacks sowie von der Größe der vom Aktor P angetriebenen Massen ab. Da die elektrische Kapazität des Piezostacks typischerweise im Be¬ reich von etwa Cp = 1 bis 100 μF liegt und der Innenwider- stand der dem Aktor zugeordneten Spannungsquelle etwa
Rj_ = 1 Ω beträgt, ergeben sich für die durch τ = Cp x Ri definierte Ladezeitkonstante Werte von etwa τ = l bis 100 μs. Die Ansprechzeiten des Piezoaktors P liegen also um 1 bis 2 Größenordnungen unter denen vergleichbarer elektromagneti- scher Antriebe, was in Verbindung mit einem kompakten Ventil- aufbau und kleinen bewegten Massen extrem kurze Ventilöff- nungs- und -schließzeiten ermöglicht.
Um die Einspritzung des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum des Motors einzuleiten, wird der Aktor P angesteuert und da¬ durch in axialer Richtung elongiert. Die Längenänderung Δl des Aktors P hat eine entsprechende Verschiebung des in einer zylindrischen Bohrung des Gehäuses VG spielpaεsend gelagerten Druckkolbens DK nach oben zur Folge, so daß sich in der mit Hydrauliköl gefüllten Kammer KAI ein Überdruck p1# in den ebenfalls mit Hydrauliköl gefüllten und durch eine Druckkol¬ benbohrung Bl strömungstechnisch miteinander verbundenen Kam¬ mern KA2 und KA3 ein Unterdruck P2/3 < Pi auf aut. Sobald die der Druckdifferenz Δp = p± - P2/3 proportionalen hydrauli- sehen Kräfte einen von der Steifigkeit und Vorspannung der in der Kammer KA2 angeordneten Spiralfeder SF abhängigen Wert überschreiten, bewegt sich der topfförmige Hubkolben HK in der zylindrischen Druckkolbenbohrung ZY nach unten, hebt da¬ mit die mit ihm verbundene Ventilnadel VN vom Dichtsitz ab und der Einspritzvorgang beginnt.
Beendet wird die Kraftstoffeinspritzung durch die elektrische Entladung des Piezoaktors P. Infolge der damit einhergehenden Kontraktion des Aktors P bewegt sich der Druckkolben DK unter dem Zwang der von einer starken Tellerfeder TF ausgeübten Rückstellkraf wieder in seine Ausgangslage nach unten. Un- terstützt durch die Spiralfeder SF und die zwischen den Kam¬ mern KAI und KA2/KA3 bestehende Druckdifferenz führt der Hub¬ kolben HK eine gegenläufige Bewegung nach oben aus, so daß sich die gedichtet aus dem Gehäuse VG geführte Ventilnadel VN auf den Dichtsitz absenkt und die Einspritzöffnung ver- schließt.
Die transiente Arbeitsweise des Antriebs macht es erforder¬ lich, den Piezoaktor P mechanisch vorzuspannen. Die dazu not¬ wendige Kraft erzeugt die in der Kammer KAI angeordnete Tel- lerfeder TF, die auch die Rückführung des Druckkolbens DK in seine Ruhelage unterstützt. Strömungskanäle SK in der Kammer¬ decke sorgen für einen ungehinderten Zu- und Abfluß des Hy¬ drauliköls in das von der Tellerfeder TF und dem Ventilge¬ häuse VG eingeschlossene Volumen.
4.2 Das Ausgleichselement
Um die geforderte AxialSymmetrie des Systems Primärantrieb- Kraft-/Wegübersetzung trotz fertigungsbedingter Toleranzen zu gewährleisten, ist zwischen dem Piezoaktor P und dem
Hubtransformator ein sich in einer kegelstumpfförmigen Ver¬ tiefung WL des Druckkolbens DK abstützendens Ausgleichsele¬ ment AE angeordnet. Das die Form einer Kugelschicht aufwei¬ sende Ausgleichselement AE besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einem Chrom-Nickelstahl. Aufgrund seiner polierten Ober¬ flächen kann das Ausgleichselement AE während des Zusammen¬ baus der Hydraulik auf der Piezokeramik frei gleiten und so- mit eine nicht konzentrische Ausrichtung von Aktor P und Druckkolben DK kompensieren. Die freie Drehbarkeit des Aus¬ gleichselements AE innerhalb des kegelförmigen Widerlagers WL stellt außerdem sicher, daß der obere Teil des drehgesichert am Gehäuseboden befestigten Piezoaktors P immer ganzflächig am Druckkolben DK anliegt. Für den kraftschlüssigen Kontakt der Teile zueinander sorgt die den Piezoaktor P mechanisch vorspannende Tellerfeder TF.
4.3 Die hydraulische Kraft-Wegübersetzung
Die vom Aktor P angetriebene Kraft-/Wegübersetzung besteht aus zwei gekoppelten hydraulischen Transformatoren, wobei das Übersetzungsverhältnis t|ι des oberen Hubtransformators durch
η1= = AD1/AH1 (1)
AD1: Fläche der Druckkolbenoberseite AH1: Fläche der Hubkolbenoberseite
das Übersetzungsverhältnis r|2 des unteren Hubtransformators durch
η2: = AD2/AH2 (2)
AD2 : Aktorseitige Druckkolbenfläche AH2: Aktorseitige Hubkolbenfläche
gegeben ist. Gleichung (2) gilt allerdings nur unter der Vor¬ aussetzung, daß der in der Hydraulikkammer KA3 angeordnete Aktor P im elongierten und entladenen Zustand dasselbe Volu¬ men aufweist. Wie der verwendete Piezostack P zeigen auch elektrostriktive und magnetostriktive Aktoren in guter Nähe¬ rung ein solches Verhalten.
Falls der Aktor P eine der Längenänderung Δl proportionale
Volumenänderung Δv erfährt, kann man ihm die effektiv wirksa- me Aktorfläche AP:= Δv/Δl zuordnen. In diesem Fall ist das Übersetzungsverhältnis η2' es unteren Hubtransformators durch
η2* : = (AD2-AP)/AH2 (3)
gegeben.
Im Idealfall sollten oberes und unteres Hubübersetzungsver¬ hältnis identisch sein (r\_ = r\2 - Η) ■ was sich durch eine entsprechende Auslegung der druckwirksamen Stirnflächen der beiden Kolben DK, HK ohne weiteres erreichen läßt. So ist der Druckkolben DK der in Figur 1 dargestellten Kraft-/Wegüber¬ setzung stufig ausgeführt (AD1 < AD2) , um der durch die Ventilnadel hervorgerufenen Ungleichheit der druckwirksamen Hubkolbenflächen AH1 < AH2 Rechnung zu tragen.
Die hydraulische Kopplung der beiden Hubtransformatoren hat zur Folge, daß sich bei jeder Längenänderung des Aktors P komplementäre Drücke in den Kammern KAI und KA2/KA3 aufbauen, wobei eine Verschiebung des Druckkolbens DK um Δl eine ent¬ sprechend dem hydraulischen Übersetzungsverhältnis η » 1 vergrößerte gegenläufige Verschiebung des Hubkolbens HK in der Druckkolbenbohrung ZY hervorruft.
Um eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit des Antriebs zu gewährleisten, sind die Hydraulikkammern KAI, KA2, KA3 sowohl untereinander als auch über die zwischen den Kolben DK, HK und den entsprechenden Zylinderbohrungen vorhandenen Kapil¬ larspalte KS mit einem unter Überdruck stehenden Ausgleichs- volumen AV verbunden. Temperaturbedingte Volumenänderungen des Hydrauliköls können daher weder zur Ausbildung statischer Druckdifferenzen zwischen den Kammern KAI und KA2/KA3 (dies hätte Undefinierte Stellungen des Hubkolbens HK zur Folge) , noch zur Ausbildung Undefinierter Druckzustände im gesamten System führen. Die über die Gehäusebohrung Gl bewerkstelligte Verbindung der Ringkammer RV mit dem Ausgleichsvolumen AV hat außerdem den Vorteil, daß keine die maximale Betätigungsfre¬ quenz herabsetzende Kavitation im Hydrauliköl auftritt.
Durch Anpassung der Strömungswiderstände der Kapillarspalte an die Viskosität des verwendeten Hydrauliköls läßt sich si¬ cherstellen, daß das Ventil im relevanten Arbeitstemperatur¬ bereich mit der durch das Ansteuersignal vorgegebenen Fre¬ quenz und der gewünschten Dauer absperrt. Um einen großen Strömungswiderstand einzustellen, bietet sich beispielsweise an, die Bohrung Gl im Bereich der Druckkolbendichtfläche vor¬ zusehen. Sie kann prinzipiell aber auch in die ringförmige Kammer RV münden (s. Figur 1) oder in jedem anderen Bereich des Ventilgehäuses VG angebracht sein, sofern Strömungswider¬ stände in Form von Blenden, Spalten, Drosseln, Verengungen usw. dafür sorgen, daß zwischen den verschiedenen Volumina bzw. Kammern nur vergleichsweise langsame Ausgleichsvorgänge stattfinden. Gegebenenfalls sind die Kammern soweit gegenein¬ ander abzudichten, daß man die geforderten Absperrzeiten erreicht und die Temperaturunabhängigkeit des Antriebs wei- terhin gewährleistet ist. Eine temperaturabhängige Steuerung der SpaltStrömungen ist möglich, wenn man das Ventilgehäuse VG und die Einbauten (Druckkolben DK, Hubkolben HK) aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Volumen- /Längenausdehnungskoeffizienten herstell . Es kann damit er- reicht werden, daß sich die Spaltbreiten mit zunehmender Tem¬ peratur verringern, was den Strδmungswiderstand entsprechend erhöht. Temperaturgesteuerte Strömungswiderstände lassen sich selbstverständlich auch als diskrete Bauelemente fertigen und in die entsprechenden Bohrungen G3 oder Zuleitungen einbauen.
Der erfindungsgemäße Antrieb weist eine Reihe von Vorteilen auf. So erlaubt der Antrieb ein symmetrisches kavitations¬ freies Schalten mit sehr kurzen Schaltzeiten, äußerst gerin¬ gen Totzeiten und hohen Betätigungsfrequenzen. Weiterhin zeichnet sich der Antrieb aufgrund seines vergleichsweise einfachen und kompakten Aufbaus und des großen Arbeitstempe¬ raturbereichs durch eine hohe Betriebszuverlässigkeit aus. Hierzu trägt auch der Umstand bei, daß der Aktor P hermetisch gekapselt in einer der Hydraulikkammern KA3 angeordnet ist. Eine gute Ableitung der erzeugten Wärme und ein optimaler Schutz gegen Umwelteinflüsse sind daher gewährleistet. Der Antrieb ist auch weitgehend abgeschlossen, da man die elek¬ trischen Anschlüsse L des Aktors P durch ein druckdichtes, elektrisch isolierendes Element LD nach außen führt.
Der Hubkolben der in Figur 2 dargestellten Kraft-/Wegüberset¬ zung besteht aus zwei Teilen HKl, HK2, wobei der topfartig ausgebildete, ventilnadelseitig offene und auf der Feder SF aufliegende äußere Teil HKl mit enger Toleranz in der Druck¬ kolbenbohrung ZY geführt ist. Hierin stützt sich der eben- falls topfformige und aktorseitig offene innere Hubkolbenteil HK2 ab. Eine Schraube S verbindet den quer zur Hubrichtung verschiebbaren inneren Teil HK2 mit der Ventilnadel VN. Beide Teile können auch verlötet oder verschweißt sein.
Die horizontale Verschiebbarkeit des inneren gegenüber dem in der Bohrung ZY geführten äußeren Hubkolbenteil gewährleistet, daß eine im System Druckkolben/Hubkolben vorhandene Exzentri¬ zität weitgehend ausgeglichen wird. Im nicht angesteuerten Zustand sorgt die in der Kammer KA2 angeordnete Feder SF für einen kraf schlüssigen Kontakt der beiden Hubkolbenteile
HK1/2, wobei sich die Ventilnadel VN auf dem Ventilsitz ab¬ stützt. Auch bei einer Auslenkung des Druckkolbens DK bleibt der kraftschlüssige Kontakt erhalten, da das Hydrauliköl auf den inneren Teil HK2 eine größere Kraft ausübt als auf die dem äußeren Teil HKl zugeordnete Ringfläche AI (A > Aj) . Die beiden mit AS bezeichneten Anschläge begrenzen die Auslenkung des äußeren Hubkolbenteils AK2 nach unten. Eine am Boden des äußeren Hubkolbenteils HKl vorhandene Drossel DR ermöglicht den Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Kammern KA2/KA4 (Kompensation von Temperatureffekten; s. Abschnitt 4.2). 5 . Literatur
/!/ DE 43 06 073 Cl /2/ DE 44 06 522

Claims

Patentansprüche
1. Elektrohydraulischer Antrieb mit den folgenden Merkmalen: In einem mit einem Hydraulikmedium gefüllten Gehäuse (GH) sind ein Aktor (P) und ein Hubtransformator (DK, HK, AE) angeordnet, wobei sich die Länge des Aktors (P) steuerbar ändern läßt; der Hubtransformator enthält einen in einer Gehäusebohrung axialverschiebbar angeordneten ersten Kolben (DK) und ei- nen auf ein Federelement (SF) und ein Stellelement (VN) wirkenden zweiten Kolben (HK) ; der vom Aktor (P) angetriebene erste Kolben (DK) besitzt eine axiale Bohrung (ZY) , in der sich der zweite Kolben (HK) gegenläufig zum ersten Kolben (DK) bewegt, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Aktor (P) und dem Hubtransformator (DK, HK) angeordnetes Ausgleichselement (AE) , wobei das Ausgleichselement (AE) die Form einer Kugelschicht besitzt, sich in einer aktorseitigen Vertiefung (WL) des ersten Kolbens (DK) abstützt und auf dem Aktor (P) frei gleiten kann.
2. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1, geken zeichne durch eine sich in Richtung des zweiten Kolbens (HK) verjüngende Vertiefung (WL) .
3. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich e durch eine kegelstumpfförmige Vertiefung (WL) .
4. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge ennzeichnet , daß die aktorseitige Vertiefung (WL) in die axiale Bohrung (ZY) des ersten Kolbens (DK) mündet.
5. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine von dem zweiten Kolben (HK) , der axialen Bohrung (ZY) und dem Ausgleichselement (AE) gebildete erste Hydrau¬ likkammer (KA2) mit einer den Aktor (P) aufnehmenden zweiten Hydraulikkammer (KA3) strömungstechnisch verbunden ist.
6. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kolben (DK) stufig ausgeführt ist.
7. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Federelement (SF) in der ersten Hydraulikkammer (KA2) angeordnet ist.
8. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (HK) aus einem topfförmigen, in Richtung des Stellelements (VN) offenen ersten Teil (HKl) und einem topfförmigen, aktorseitig offenen zweiten Teil (HK2) besteht, wobei der auf das Stellelement (VN) wirkende zweite Teil (HK2) kraf schlüssig und quer zur Hubrichtung verschiebbar auf dem Boden des ersten Teils (HKl) angeordnet ist.
9. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß ein topfförmiges Ende des Stellelementε (VN) den zweiten Teil des zweiten Kolbens (HK) bildet.
10. Elektrohydraulischer Antrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge ennzeichnet , daß der zweite Teil (HK2) mit dem Stellelement (VN) ver¬ schraubt oder verlötet is .
11. Elektrohydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichne , daß der erste Teil (HK2) eine als Drossel wirkende Bohrung
(DR) aufweist.
PCT/DE1995/001702 1994-11-30 1995-11-30 Elektrohydraulischer antrieb Ceased WO1996017165A1 (de)

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JP8518051A JPH10509790A (ja) 1994-11-30 1995-11-30 電気油圧駆動装置
DE59502365T DE59502365D1 (de) 1994-11-30 1995-11-30 Elektrohydraulischer antrieb
US08/849,565 US5875632A (en) 1994-11-30 1995-11-30 Electrohydraulic drive
EP95940120A EP0795081B1 (de) 1994-11-30 1995-11-30 Elektrohydraulischer antrieb

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DEP4442649.6 1994-11-30
DE4442649A DE4442649C2 (de) 1994-11-30 1994-11-30 Elektrohydraulischer Antrieb

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WO1996017165A1 true WO1996017165A1 (de) 1996-06-06

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