DE10203260A1 - Clamping system has piezo electric actuator operating two opposing sliding parts closing on shaft - Google Patents

Clamping system has piezo electric actuator operating two opposing sliding parts closing on shaft

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Abstract

The piezo electric actuator (1) operates between two parts (2,4), of which the clamping part (4) supports a second clamping part (5) attached through springs (6,6a) to the first part, so that when energized the piezo electric actuator shortens and hardened clamps (2b,5a) hold the shaft (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Klemmelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. The invention relates to a clamping element with the features of the preamble of Claim 1.

Ein Klemmelement mit diesen Merkmalen ist aus der DE 30 31 354 A1 bekannt. In dieser Schrift ist eine einfache Klemmvorrichtung einer Ankerbewegung mit einem Piezoaktuator beschrieben. Aus der Darstellung lässt sich erkennen, dass es sich nur um kleine Klemmkräfte handelt. Es wird hier unter Spannung geklemmt. A clamping element with these features is known from DE 30 31 354 A1. In this document is a simple clamping device of an anchor movement with a Piezo actuator described. From the illustration it can be seen that it is only are small clamping forces. It is clamped under tension.

Im Prinzip lässt dieses Klemmelement eine kontinuierliche, d. h. eine Klemmung in beliebiger Stellung des zu klemmenden Elements zu. In principle, this clamping element allows a continuous, i.e. H. a jam in any position of the element to be clamped.

Es sind Stellantriebe bekannt, die mit Elektromotoren und elektrischen Magneten arbeiten. Bei diesen Stellantrieben ist jede Zwischenstellung möglich; dies erfordert aber nennenswerte elektrische Energie, da diese Steller in der Regel gegen eine Rückstellfeder arbeiten. Typische Anwendungsbeispiele sind: Drosselklappensteller Linearmagnete für Getriebeschaltungen und die elektromagnetische Ventilsteuerung. Actuators are known which have electric motors and electric magnets work. Any intermediate position is possible with these actuators; this requires but noteworthy electrical energy, since these actuators are usually against one Return spring work. Typical application examples are: Throttle valve actuator Linear magnets for gear shifting and electromagnetic valve control.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Klemmelement zu schaffen, das große Klemmkräfte ermöglicht und das ohne Ansteuerung des Aktuators die Klemmung mit den großen Klemmkräften ermöglicht. The invention has for its object to provide a clamping element that large clamping forces and the clamping without activating the actuator with the large clamping forces.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This object is solved by the features of claim 1.

Der Aktuator, insbesondere ein Piezoaktuator, wird hier also zur Spreizung der Klemmteile benutzt, während die großen Klemmkräfte durch Federkräfte aufgebracht werden. Das Klemmelement kann mit geringer Baulänge und kostengünstig gebaut werden. Es hat nur einen geringen Energiebedarf und hat ein sehr schnelles Ansprechverhalten. Es ist vorteilhaft sehr steif zu bauen. Es hat den Vorteil, dass es kontinuierlich einsetzbar ist, also an jeder beliebigen Stellung des festzuhaltenden Teils wirksam gemacht werden kann. The actuator, in particular a piezo actuator, is used here to spread the Clamping parts used while the large clamping forces are applied by spring forces become. The clamping element can be built with a small overall length and inexpensively become. It has a low energy requirement and a very fast one Response. It is advantageous to build very stiff. It has the advantage of it can be used continuously, i.e. at any position of the to be held Can be made partially effective.

Außerdem muss in ihm eine Temperaturkompensation für die Ausdehnung des Piezoelements integriert sein. Es ist vorteilhaft, das Klemmelement schwimmend zu lagern, um Toleranzen in der Position des zu klemmenden Teiles, z. B. eines Schafts oder einer Welle auszugleichen. In addition, a temperature compensation for the expansion of the Piezo element can be integrated. It is advantageous to float the clamping element store to tolerances in the position of the part to be clamped, e.g. B. a shaft or balance a wave.

Durch die oben genannten Voraussetzungen ist es möglich Klemmkräfte über 1000 N zu erzeugen. Die gesamte Elastizität oder Steifheit muss z. B. < 3 µm sein, so dass für den Piezoaktuator im gesamten Temperaturbereich, z. B. bei Kfz-Anwendung nur eine Ausdehnung von 10 µm erforderlich ist. Damit ist genügend Spiel vom 7 µm, um die Klemmung kurzzeitig auszuschalten. Due to the above requirements, clamping forces over 1000 N are possible to create. The total elasticity or stiffness must e.g. B. <3 microns, so that for the piezo actuator in the entire temperature range, e.g. B. in automotive application only an expansion of 10 µm is required. This is enough clearance from 7 µm to briefly switch off the clamping.

Durch die Erfindung wird ein kostengünstiges kleines Klemmelement geschaffen werden, das ein Ansprechverhalten < 0,1 ms besitzt. The invention creates an inexpensive small clamping element that have a response behavior <0.1 ms.

Damit ergeben sich für die oben genannten Applikationen völlig neue Perspektiven. This opens up completely new perspectives for the applications mentioned above.

Besonders geeignet ist dieses Element für die elektromagnetische Ventilsteuerung, wo das erfindungsgemäße Klemmelement das Festhalten des Ankers in den Endstellungen, aber auch in beliebigen Zwischenstellungen energiesparend ermöglicht. Es kann das Festhalten durch die Elektromagnete selbst, aber auch durch mechanische Rastsysteme ersetzen. This element is particularly suitable for electromagnetic valve control, where the clamping element according to the invention holding the anchor in the End positions, but also in any intermediate positions to save energy. It can be held by the electromagnets themselves, but also by mechanical ones Replace locking systems.

Es ist wünschenswert, um die Dynamik der Ventilsteuerung zu verbessern, ein schnelleres Festhalten, bzw. Freilassen zu ermöglichen. Diese Möglichkeit bietet z. B. die Verwendung eines Piezoaktuators, wie er neuerdings bei schnellen Einspritzventilen eingesetzt wird. Dieser bietet darüber hinaus noch einen hervorragenden elektrischen Wirkungsgrad. Problematisch bei diesen Aktuatoren ist jedoch die relativ große Baulänge und der kleine Hub von ca. 20-40 µm. Dementsprechend wird der konstruktive Aufbau so gestaltet, dass das Klemmelement für kontinuierliche Klemmung mit kleinen Hüben auskommt, also sehr steif gestaltet ist. It is desirable to improve the dynamics of valve timing to allow quicker hold or release. This possibility offers z. B. the use of a piezo actuator, as he recently with fast Injectors is used. This also offers an excellent one electrical efficiency. The problem with these actuators, however, is the relative one large length and small stroke of approx. 20-40 µm. Accordingly, the constructive structure designed so that the clamping element for continuous Clamping gets by with small strokes, so it is very stiff.

Die Zeichnung zeigt den Aufbau eines Klemmelements. Ein Piezoaktuator 1 ist in einem Gehäuse 2 eingebettet, welches Aussparungen für die Anschlüsse 3 und 3a besitzt. Die Kraft des Piezoaktuators wirkt auf dieses Gehäuse 2 und ein Übertragungsteil 4 ein, welches sich auf einem Klemmteil 5 abstützt. Dieses ist in der Klemmzone entsprechend abgesetzt und besteht im Klemmbereich 5a aus besonders hartem Material, z. B. Hartmetall. In der oberen Bildhälfte ist die Klemmung und unten der Freilauf, das heißt keine Klemmung dargestellt. Auf der dem Teil 5 gegenüberliegenden Seite ist der zweite Klemmbereich als Fortsatz 2a des Gehäuses 2 ausgebildet. Auch hier weist die Klemmzone 2b hartes Material auf. Die Klemmkraft wird über zwei gegenüberliegende Federn 6 und 6a erzeugt, das auf das Gehäuse 2 und das Übertragungsteil 4 einwirken. Geklemmt wird hier der verlängerte Schaft 7 eines Ventils. Auch dieser ist in der Klemmzone 7a hart gestaltet. Auf den Ventilschaft wirkt ein Betätigungselement 8 eines elektromagnetischen Aktuators ein, welcher nicht dargestellt ist. Das Ventil ist über einen Federteller 9 mit einer Ventilfeder 10 gekoppelt. The drawing shows the structure of a clamping element. A piezo actuator 1 is embedded in a housing 2 , which has cutouts for the connections 3 and 3 a. The force of the piezo actuator acts on this housing 2 and a transmission part 4 , which is supported on a clamping part 5 . This is set off accordingly in the clamping zone and consists in the clamping area 5 a of particularly hard material, for. B. carbide. The clamping is shown in the upper half of the picture and the freewheel, ie no clamping, is shown below. On the side opposite part 5 , the second clamping area is designed as an extension 2 a of the housing 2 . Here, too, the clamping zone 2 b has hard material. The clamping force is generated via two opposite springs 6 and 6 a, which act on the housing 2 and the transmission part 4 . The elongated stem 7 of a valve is clamped here. This is also hard in the clamping zone 7 a. An actuating element 8 of an electromagnetic actuator acts on the valve stem, which is not shown. The valve is coupled to a valve spring 10 via a spring plate 9 .

Im Ruhezustand, also ohne Ansteuerung des Piezoaktuators 1, befinden sich die Klemmteile 2, 2a und 2b, bzw. 4, 5, 5a auf Grund der Wirkung der Federn 6 und 6a in der oben gezeigten Klemmstellung. Soll nun die Klemmung gelöst werden, so wird der Piezoaktuator 1 unter Spannung gesetzt und er dehnt sich entsprechend seiner physikalischen Wirkung aus. Die Ausdehnung wirkt auf das Gehäuse 2 als Aktionskraft und gleichzeitig über das Übertragungsteil 4 auf das Klemmteil 5 und 5a als Reaktionskraft. Somit wird das Klemmelement gespreizt und es entsteht ein Luftspalt zwischen dem Ventilschaft 7 und den Klemmzonen 2a und 5a. Die Feder 10 und die nicht gezeigte zweite Federkraft des elektromagnetischen Ventiltriebs bewegen dann abhängig von der Stellung des Ventils dieses in eine der beiden Richtungen. Die Klemmung ist also richtungsunabhängig. Dieser Zustand ist in der Zeichnung unten dargestellt. Das Übertragungsteil 4 bietet sich zur Temperaturkompensation durch Verwendung eines rostfreien Stahls, der einen erheblich größeren Ausdehnungskoeffizienten als Stahl hat. In the idle state, ie without triggering the piezo actuator 1 , the clamping parts 2 , 2 a and 2 b, or 4, 5, 5a are in the clamping position shown above due to the action of the springs 6 and 6 a. If the clamping is now to be released, the piezo actuator 1 is energized and expands in accordance with its physical effect. The expansion acts on the housing 2 as an action force and at the same time via the transmission part 4 on the clamping parts 5 and 5 a as a reaction force. Thus, the clamping element is spread and there is an air gap between the valve stem 7 and the clamping zones 2 a and 5 a. The spring 10 and the second spring force (not shown) of the electromagnetic valve drive then move the valve in one of the two directions depending on the position of the valve. The clamping is therefore independent of the direction. This condition is shown in the drawing below. The transmission part 4 is suitable for temperature compensation by using a stainless steel, which has a considerably larger expansion coefficient than steel.

Das Klemmelement muss beidseitig abgestützt werden. Hierzu bietet sich der elektromagnetische Aktuator an. Die Abstützung 11 ist oben prinzipiell schraffiert dargestellt. Da das Klemmelement Toleranzen aufnehmen muss, ist eine schwimmende Lagerung vorteilhaft mit einem kleinen Spiel S. Damit nur eine geringe Reibung bei der Toleranzanpassung entsteht sind das Gehäuse 2 und das Klemmteil 5 mit Gleitelementen 12 versehen. Bei der Klemmung eines Ventilschaftes können auch Winkeltoleranzen auftreten. Zu deren Vermeidung kann eine kalottenförmige Lagerung 13 am Klemmteil 5 axial zur Ventilachse eingesetzt werden. Diese ist unten skizziert ausgeführt und oben gestrichelt. The clamping element must be supported on both sides. The electromagnetic actuator is suitable for this. The support 11 is shown hatched in principle above. Since the clamping element has to take up tolerances, a floating bearing is advantageous with a small clearance S. To ensure that there is only a small amount of friction when adjusting the tolerance, the housing 2 and the clamping part 5 are provided with sliding elements 12 . Angle tolerances can also occur when clamping a valve stem. To avoid this, a spherical bearing 13 on the clamping part 5 can be used axially to the valve axis. This is outlined below and dashed above.

Claims (12)

1. Klemmelement zum zeitweise Festhalten eines beweglichen Teils (7) enthaltend Klemmmittel (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) und einen die Klemmmittel betätigenden, elektrisch ansteuerbaren Aktuator(1), der bei seiner Ansteuerung eine Längenänderung erfährt, die auf die Klemmmittel übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmmittel aus zwei verschiebbar gelagerten, aus entgegengesetzten Richtungen auf das Teil (7) einwirkenden Klemmteilen (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) bestehen, dass auf die beiden Klemmteile (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) in Richtung zum Teil (7) gerichtete Federkräfte (6, 6a) einwirken und dass die Längenänderung des Aktuators (1) auf die beiden Klemmteile (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) im Sinne eines Entfernens der Klemmteile voneinander übertragen wird. 1. Clamping element for temporarily holding a movable part ( 7 ) containing clamping means ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) and an electrically controllable actuator ( 1 ) which actuates the clamping means and undergoes a change in length when it is actuated , which is transferred to the clamping means, characterized in that the clamping means consist of two displaceably mounted clamping parts ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) acting from opposite directions on the part ( 7 ) the two clamping parts ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) act in the direction of part ( 7 ) directed spring forces ( 6 , 6 a) and that the change in length of the actuator ( 1 ) on the two clamping parts ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) in the sense of removing the clamping parts from one another. 2. Klemmelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein Piezoaktuator (1) ist. 2. Clamping element according to claim 1, characterized in that the actuator is a piezo actuator ( 1 ). 3. Klemmelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei der elektromagnetischen Ventilsteuerung zum Festhalten des Ventilschafts (7) oder eines auf diesen einwirkenden Betätigungsteils. 3. Clamping element according to claim 1 or 2, characterized by its application in the electromagnetic valve control for holding the valve stem ( 7 ) or an actuating part acting thereon. 4. Klemmelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, durch seine Anwendung zum Festhalten einer Welle, z. B. eines Drosselkappenstellers. 4. Clamping element according to claim 1 or 2, characterized by its Application for holding a shaft, e.g. B. a throttle cap actuator. 5. Klemmelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch seine Anwendung zum Festhalten der Bewegung von Linearmagneten, z. B. bei der Getriebesteuerung. 5. Clamping element according to claim 1 or 2, characterized by its Application for capturing the movement of linear magnets, e.g. B. at the Transmission control. 6. Klemmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmmittel wenigstens an den die Klemmung direkt bewirkenden Zonen (2a, 5a) aus hartem Material bestehen. 6. Clamping element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the clamping means are made of hard material at least in the zones ( 2 a, 5 a) which directly effect the clamping. 7. Klemmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Zone (7a) des Teils (7), auf das die Klemmung einwirkt, aus hartem Material besteht. 7. Clamping element according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least the zone ( 7 a) of the part ( 7 ), on which the clamping acts, consists of hard material. 8. Klemmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmteile (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) schwimmend gelagert sind. 8. Clamping element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the clamping parts ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) are floating. 9. Klemmelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmteile (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) mit einem vorgegebenen kleinen Spiel an einem feststehenden Gehäuse gelagert sind. 9. Clamping element according to claim 8, characterized in that the clamping parts ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) are mounted on a fixed housing with a predetermined small clearance. 10. Klemmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmteile (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) wenigstens teilweise in Kalotten (13) gelagert sind. 10. Clamping element according to one of claims 1 to 9, characterized in that the clamping parts ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) are at least partially mounted in domes ( 13 ). 11. Klemmelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Lagerung der Klemmteile Gleitelemente (12) vorgesehen sind. 11. Clamping elements according to one of claims 1 to 10, characterized in that sliding elements ( 12 ) are provided for the storage of the clamping parts. 12. Klemmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der Längenänderung vom Aktuator (1) auf eines der beiden Klemmteile (2, 2a, 2b; 4, 5, 5a) ein Übertragungsglied (4) vorgesehen ist, das aus einem Material mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten als der Aktuator und/oder das zweite Übertragungsglied (2, 2a) aufweist. 12. Clamping element according to one of claims 1 to 11, characterized in that for the transmission of the change in length from the actuator ( 1 ) to one of the two clamping parts ( 2 , 2 a, 2 b; 4 , 5 , 5 a) a transmission member ( 4 ) is provided which has a material with a higher expansion coefficient than the actuator and / or the second transmission element ( 2 , 2 a).
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