EP1010877B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Hubübertragung - Google Patents

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EP1010877B1
EP1010877B1 EP99125229A EP99125229A EP1010877B1 EP 1010877 B1 EP1010877 B1 EP 1010877B1 EP 99125229 A EP99125229 A EP 99125229A EP 99125229 A EP99125229 A EP 99125229A EP 1010877 B1 EP1010877 B1 EP 1010877B1
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EP
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lever
lift
drive element
stroke
lifting element
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EP99125229A
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EP1010877A3 (de
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Andreas Dr. Kappel
Bernhard Dr. Gottlieb
Randolf Dr. Mock
Hans Meixner
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Original Assignee
Siemens AG
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Publication of EP1010877A3 publication Critical patent/EP1010877A3/de
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/32—Engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding main groups
    • 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
    • F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
    • 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
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20558—Variable output force
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20558—Variable output force
    • Y10T74/2057—Variable input leverage

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for Stroke transmission between a drive element and a Lifting.
  • a hub transmission is often used in an area in a separation of a drive system into a drive element and a lifting element is advantageous, for example due to a simplified production, a material technology different versions or a change of stroke.
  • a stroke reduction corresponding to a stroke factor ⁇ ⁇ 1
  • a stroke ratio occurs at a stroke factor ⁇ > 1, for example in the case of small-stroke actuators whose stroke is to be increased via a lifting element for the necessary application safety.
  • the ratio of the area exposed to pressure of the drive element to the exposed surface of the Lift element directly determines the stroke factor.
  • a problem with stroke transmission is that a combination of different types of stroke transmission is often required, e.g. B. a neutral stroke transmission at the beginning of an operation with the following stroke ratio, z. B. in a stroke transfer from a piezoelectric actuator to a nozzle needle for operating a servo-valve-controlled fuel injector.
  • a high amount of force must be used to open a servo valve chamber precisely and initially. Immediately after the belching, the pressure in the valve chamber drops to a low value, so that a much lower force is sufficient for further opening.
  • injection quantity, start of injection For the reproducibility of the opening behavior within narrow tolerances (injection quantity, start of injection), a wide opening of the valve chamber is required. Due to the small useful stroke of the piezo actuator, a stroke ratio is necessary.
  • a sliding drive element one in the same direction displaceable lifting element and at least one Lever used.
  • one lever means at least one lever, while the number is expressed using "exactly one lever”.
  • the lever is constantly on the drive element and can be placed on the lifting element and on a bearing.
  • the primary stroke xp at which the lever actually rests on the lifting element and the bearing depends on the particular embodiment and on the primary stroke xp. However, if there is a simultaneous support of the lever on the lifting element, the drive element and the bearing, this results in a lever effect, so that the primary stroke xp can be transferred to the lifting element via the lever effect of the lever.
  • the stroke transmission is designed in such a way that with a changing primary stroke xp, the stroke factor ⁇ shore can be changed at least once by changing at least one contact point.
  • a contact point is understood to mean a fulcrum, a lifting point or a force application point.
  • a change in a contact point is understood to mean a change in a contact condition, that is to say both a production of a contact, e.g. B. by placing the lever, as well as changing the pivot point, lifting point or force application point.
  • Such a mechanical stroke transmission has the advantage that compared to a hydraulic or mechanical-hydraulic Stroke transfer to the use of a fluid chamber can be dispensed with. This results in z. B. the advantage that the secondary stroke xs largely independent of the Actuation time is.
  • a very flexible geometric configuration is also expedient of the individual components possible, so that the stroke factor ⁇ can be varied over a wide range. So he is dependent from the primary stroke xp, continuously or abruptly changeable.
  • the stroke factor ⁇ can e.g. B. growing, constant, falling or can be combined in any combination.
  • the lever For easy adjustment of the stroke factor ⁇ , it is advantageous if the lever always rests on a pivot point on the bearing.
  • a lever effect of the levers can be transferred to the lifting element.
  • the change of a contact point corresponds to the placement of the lever on the lifting element.
  • x> 1 generally applies to xp> xt.
  • a stroke factor ⁇ between 1 (e.g. initial Opening the servo valve with high force) to 10 (e.g. wide Regurgitation preferred).
  • each lever rests on the drive element via an inner force introduction point.
  • the lever is moved so that the force introduction point can be changed in each case.
  • the stroke factor ⁇ can be changed by changing the force application point.
  • the stroke factor ⁇ can change at least in regions within a stroke interval ⁇ xp ⁇ , but it can also remain constant in regions.
  • the (inner and outer) force introduction points are arranged continuously, that is to say spatially merging, at least in some areas. It is thus possible to vary the stroke factor ⁇ continuously with a constant change in the primary stroke xp.
  • the lever rests on an at least partially curved surface of the drive element, so that a continuous change in the stroke factor fakt can be set at least in regions by means of the primary stroke xp.
  • a primary stroke xp of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m is executable. This is typically the case if that Drive element from a piezo actuator or a magneto or electrostrictive element is driven. Doing so Use of a ceramic multilayer piezo actuator in particular prefers.
  • Figure 1 is a sectional side view Means for stroke transmission shown in the starting position, with two different lifting factors during one lifting process ⁇ can be used.
  • a lifting element 1 sits loosely on a drive element 3.
  • Two unilateral levers 2 are shown, each of which at a force introduction point 7 on the drive element 3 rest.
  • Each lever 2 is also at a pivot point 5 of a bearing 4.
  • the levers 2 are also on one Lift point 6 can be placed on the lifting element 1, in this embodiment by attaching it to a drive element 3 facing top surface 9.
  • the lifting element 1 and the drive element 3 are designed such that they are geometrically similar in themselves either with any rotation about the axis of rotation I (completely rotationally symmetrical) or after a rotation through an angle of 360 ° / n (n-fold rotationally symmetrical) are transferable.
  • n levers (n ⁇ ) be uniformly distributed at an angular distance of 360 ° / n from each other
  • the lifting element 1 is designed to be completely rotationally symmetrical and the drive element 3 has webs at an angular distance of 360 ° / n as force introduction points 7.
  • the drive element 3 can also be made completely rotationally symmetrical, so that the force introduction points 7 lie on a ring of the drive element 3 about the axis of rotation I.
  • the distance between lifting point 6 and pivot point 5 is called Load arm of length L1 + L2 and the distance between the force application point 7 and pivot point 5 is used as a force arm of length L1 designated.
  • the primary Driving force Fp is via an actuator, e.g. B. one Piezo actuator, applied, the drive element 3 being a part of the actuator.
  • the lifting element 1 by its secondary stroke xs shifted in the same direction, being a secondary Driving force Fs is forwardable.
  • Figure 2 shows a sectional side view schematically a stroke transmitter according to Figure 1, in the starting position (Figure 2a), at the time of touchdown Lever 2 on the lifting element 1 (Figure 2b), and after insertion the leverage (Figure 2c).
  • Figure 2a shows the image of the hub transmitter analogous to Figure 1 in the starting position.
  • a drive means for displacing the drive element 3 can use all types of actuators or actuators become.
  • a piezo actuator as a drive means.
  • FIG. 2c shows the stroke transmitter with a primary stroke xp> xt.
  • Figure 3b shows that until the switch point xt is reached the values of the stroke transmitter are those of the direct drive correspond and quickly after reaching the switching point xt drop to the values of the pure lever drive.
  • Figure 4 shows a sectional side view Another embodiment of a stroke transmitter in the starting position.
  • the at least two levers 2 lie on one inner force introduction point 71 on the drive element 3 on.
  • the lifting element 1 rests on one Lift point 6 on the levers 2 and at a pivot point 5 on the Camp 4 on.
  • the lever 2 becomes a mechanical one Non-positive connection between the drive element 3 and the lifting element 1 conveyed.
  • the drive element 3 is along the axis of rotation I moved relative to the bearing 4. Because the length L1 of the power arm is equal to the effective length L1 + L2 of lever 2, lever 2 does not Leverage creates, but the primary stroke xp directly Transfer to the lifting element 1 without stroke loss. simultaneously are by the movement of the lifting element 3 relative to the Bear the levers 2 in the direction of the drive element 3 rotated, the inner force application point 71 as Pivotal effect.
  • FIG. 5 shows another embodiment in the starting position shown as a sectional view in side view.
  • the surface can also be curved so that a neutral stroke transmission takes place when the drive element 3 is displaced.
  • the surface can also be shaped such that the stroke factor ⁇ only changes continuously in sections, for example in that the surface is concave and convex in sections in the direction of the lifting element 1.
  • the at least one lever 2 is also a curved, at least on one contact point 5,6,7,71, ... , 7n, 71 ', ... 7n' has an overlying surface.
  • lever bearings e.g. B. cutting edge bearings or roller and bending bearings and combinations thereof.
  • An initial direct frictional connection between the drive element (3) and the lifting element (1) can also take place via cams passing laterally past the levers (2).

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Hubübertragung zwischen einem Antriebselement und einem Hubelement.
Eine Hubübertragung wird oft in einem Bereich eingesetzt, in dem eine Trennung eines Antriebssystems in ein Antriebselement und ein Hubelement vorteilhaft ist, beispielsweise aufgrund einer vereinfachten Herstellung, einer werkstofftechnisch unterschiedlichen Ausführung oder einer Hubänderung.
Bei der Hubübertragung stellt sich ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Sekundärhub xs des Hubelementes und dem Primärhub xp des Antriebselementes ein, ausgedrückt durch den Hubfaktor Π = xs / xp.
Eine Hubuntersetzung, entsprechend einem Hubfaktor Π < 1, wird beispielsweise in Systemen realisiert, bei denen ein vergleichsweise großhubiger Motor ein Hubelement mit einem kleinen Stellweg antreiben soll.
Eine neutrale Hubübertragung, entsprechend einem Hubfaktor Π = 1, ist beispielsweise gewünscht, falls der Hub eines Stellantriebs präzise über ein werkstofftechnisch unterschiedlich ausgeführtes Hubelement weitergegeben werden soll.
Eine Hubübersetzung tritt bei einem Hubfaktor Π > 1 auf, beispielsweise bei kleinhubigen Aktoren, deren Hub über ein Hubelement zur notwendigen Anwendungssicherheit vergrößert werden soll.
Zur Hubübertragung, insbesondere bei der Hubübersetzung, ist aus DE 195 19 191 A1 und DE 43 06 072 C2 der Einsatz einer Hydraulikkammer zwischen dem Antriebselement und dem Hubelement bekannt, wobei das Verhältnis der druckausgesetzten Fläche des Antriebselementes zur druckausgesetzten Fläche des Hubelementes direkt den Hubfaktor bestimmt.
Ein Problem bei der Hubübertragung besteht darin, daß oft eine Kombination von verschiedenen Arten der Hubübertragung benötigt wird, z. B. eine neutrale Hubübertragung am Anfang eines Betätigungsvorgangs mit folgender Hubübersetzung, z. B. bei einem Hubübertrag von einem piezoelektrischen Aktor auf eine Düsennadel zum Betrieb eines servoventil-gesteuerten Kraftstoff-Einspritzers.
Dabei muß zum anfänglichen, präzisen Öffnen einer Servoventilkammer eine hohe Kraft aufgewendet werden. Unmittelbar nach dem Aufstoßen fällt der Druck in der Ventilkammer auf einen geringen Wert ab, so daß zum weiteren Öffnen eine wesentlich geringere Kraft ausreicht. Zur Reproduzierbarkeit des Öffnungsverhaltens innerhalb enger Toleranzen (Einspritzmenge, Spritzbeginn) ist eine weite Öffnung der Ventilkammer erforderlich. Aufgrund des geringen Nutzhubes des Piezoaktors ist dazu eine Hubübersetzung notwendig.
Eine Methode zur Hubübertragung mit vom Primärhub xp abhängigen Hubfaktor Π ist nicht bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Hubübertragung mit variablem Hubfaktor Π bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 sowie mittels eines Verfahrens gemäß der Merkmale der Ansprüche 13 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den nachgeordneten Ansprüchen entnehmbar.
Dazu werden ein verschiebbares Antriebselement, ein in die gleiche Richtung verschiebbares Hubelement und mindestens ein Hebel verwendet.
Falls nichts anderes ausgesagt, wird zum besseren Verständnis unter "ein Hebel" mindestens ein Hebel verstanden, während die Einzahl mittels "genau ein Hebel" ausgedrückt wird.
Der Hebel liegt dauernd auf dem Antriebselement auf und ist auf dem Hubelement und auf einem Lager aufsetzbar. Bei welchem Primärhub xp der Hebel tatsächlich auf dem Hubelement und dem Lager aufliegt, hängt von der jeweiligen Ausführungsform und vom Primärhub xp ab.
Falls aber eine gleichzeitige Auflage des Hebels auf dem Hubelement, dem Antriebselement und dem Lager vorhanden ist, resultiert daraus eine Hebelwirkung, so daß der Primärhub xp über die Hebelwirkung des Hebels auf das Hubelement übertragbar ist. Dabei ist der Hubfaktor Π variabel einstellbar, also < 1, = 1 oder > 1.
Bei vorliegender Hebelwirkung wird eine primäre Antriebskraft vom Antriebselement über einen Krafteinleitungspunkt auf den Hebel und von dort über einen Hubpunkt auf das Hubelement übertragen. Der Hebel stützt sich an einem Drehpunkt auf dem Lager auf. Der Bereich des einseitigen Hebels zwischen Drehpunkt und Krafteinleitungspunkt entspricht somit einem Kraftarm der Länge L1 und der Bereich zwischen Hubpunkt und Drehpunkt einem Lastarm der Länge L1+L2, welche auch als wirksame Hebellänge bezeichnet wird.
Weiterhin ist die Hubübertragung so gestaltet, daß mit sich änderndem Primärhub xp der Hubfaktor Π mindestens einmal durch Änderung mindestens eines Kontaktpunktes veränderbar ist.
Unter einem Kontaktpunkt wird ein Drehpunkt, ein Hubpunkt bzw. ein Krafteinleitungspunkt verstanden. Unter einer Änderung eines Kontaktpunktes wird eine Änderung einer Kontaktbedingung verstanden, also sowohl eine Herstellung eines Kontaktes, z. B. durch Aufsetzen des Hebels, als auch ein Wechsel des Drehpunktes, Hubpunktes oder Krafteinleitungspunktes.
Eine solche mechanische Hubübertragung besitzt den Vorteil, daß gegenüber einer hydraulischen oder mechanisch-hydraulischen Hubübertragung auf die Verwendung einer Fluidkammer verzichtet werden kann. Dadurch ergibt sich z. B. der Vorteil, daß der Sekundärhub xs weitgehend unabhängig von der Betätigungsdauer ist.
Zudem ergibt sich der Vorteil einer verzögerungsfreien Hubübertragung.
Auch ist günstigerweise eine sehr flexible geometrische Ausgestaltung der einzelnen Bauteile möglich, so daß der Hubfaktor Π in einem weiten Bereich variierbar ist. So ist er, abhängig vom Primärhub xp, stetig oder sprunghaft veränderbar. Der Hubfaktors Π kann z. B. wachsend, konstant, sinkend oder daraus beliebig kombiniert eingestellt werden.
Es ist zur einfachen Einstellung des Hubfaktors Π vorteilhaft, wenn der Hebel jeweils dauernd an einem Drehpunkt auf dem Lager aufliegt. In der Ausgangsstellung, also bei einem Primärhub xp = 0, liegt das Hubelement lose auf dem Antriebselement auf, und es ist ein Abstand h zwischen dem Hebel und dem Hubelement vorhanden.
Bei einer Betätigung wird mittels einer Vergrößerung des Primärhubs xp der Abstand h solange verringert, bis der Hebel an einem Umschaltpunkt xp = xt auf dem Hubelement aufsetzt. Dadurch wird eine Hebelwirkung der Hebel auf das Hubelement übertragbar. In diesem Fall entspricht also die Änderung eines Kontaktpunktes dem Aufsetzen des Hebel auf dem Hubelement.
Ist der Primärhub xp noch kleiner oder gleich als der Umschaltpunkt xt, d.h. xp ≤ xt, so beträgt aufgrund des direkten mechanischen Kontaktes zwischen Antriebselement und Hubelement der Hubfaktor Π = 1. Für xp > xt gilt hingegen im allgemeinem Π > 1.
Zur einfachen Konstruktion, insbesondere beim Anwendung in einem servoventil-gesteuerten Kraftstoff-Einspritzer, wird für xp > xt ein Hubfaktor Π zwischen 1 (z. B. anfängliche Öffnung des Servoventils mit hoher Kraft) bis 10 (z. B. weites Aufstoßen im Anschluß) bevorzugt.
Es kann zur einfacheren Justage günstig sein, in Ausgangsstellung den Hebels am Hubelement und nicht am Lager aufzusetzen, so daß ein Abstand zwischen Hebel und Lager auftritt. Die Wirkweise einer solchen Konstruktion ist analog zu derjenigen mit einem Abstand zwischen Hebel und Hubelement.
Es ist zur variablen Einstellung des Hubfaktors Π vorteilhaft, falls der Hebel dauernd auf dem Hubelement und dem Lager aufsitzt, so daß über den gesamten Hubvorgang ein mechanischer Kraftschluß zwischen Antriebselement und Hubelement über die Hebel vorliegt. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Hebelwirkung andauernd gegeben ist.
In Ausgangsstellung liegt dazu jeder Hebel jeweils über einen inneren Krafteinleitungspunkt auf dem Antriebselement auf.
In der Ausgangsstellung bei xp = 0 kann zusätzlich ein direkter mechanischer Kontakt zwischen Antriebselement und Hubelement gegeben sein.
Bei sich änderndem Primärhub xp wird der Hebel so bewegt, daß jeweils der Krafteinleitungspunkt veränderbar ist. Mittels Änderung des Krafteinleitungspunktes ist wiederum der Hubfaktor Π veränderbar.
Dabei kann sich der Hubfaktor Π zumindest bereichsweise innerhalb eines Hubintervalls {xp} ändern, er kann aber auch bereichsweise konstant bleiben.
Es ist zur schnellen Änderung des Hubfaktors Π vorteilhaft, wenn die äußeren Krafteinleitungspunkte, d. h. alle Krafteinleitungspunkte außer demjenigen für xp = 0, voneinander räumlich separiert sind. Dadurch kann eine sprunghafte Änderung des Hubfaktors Π bei stetiger Änderung des Primärhubs xp erreicht werden.
Zur vielseitigen Einstellung des Hubfaktors Π ist es vorteilhaft, wenn die (inneren und äußeren) Krafteinleitungspunkte mindestens bereichsweise kontinuierlich, d. h. räumlich ineinander übergehend, angeordnet sind. So ist es möglich, den Hubfaktor Π stetig bei stetiger Änderung des Primärhubs xp zu variieren.
Dazu ist es günstig, wenn der Hebel jeweils auf einer mindestens bereichsweise gekrümmten Fläche des Antriebselementes aufliegt, so daß mittels des Primärhubs xp mindestens bereichsweise eine kontinuierliche Änderung des Hubfaktors Π einstellbar ist.
Dies kann vorteilhafterweise dadurch geschehen, daß die Oberfläche abwechselnd konvex und konkav gekrümmt ist, so daß der Hubfaktor Π zwischen stetigen Sprüngen kontinuierlich veränderbar ist und zudem Werte < 1, = 1 und > 1 annehmen kann.
Es ist weiterhin zur präzisen Hubübertragung vorteilhaft, wenn genau ein Hebel vorhanden ist, weil dadurch eine aufwendige, z. B. durch Herstellungstoleranzen bedingte, Justage der Position mehrerer Hebel vermeidbar ist.
Es ist günstig, falls ein Primärhub xp von 10 µm bis 100 µm ausführbar ist. Dies ist typischerweise der Fall, wenn das Antriebselement von einem Piezoaktor oder einem magneto- oder elektrostriktiven Element angetrieben wird. Dabei wird eine Verwendung eines keramischen Vielschicht-Piezoaktors besonders bevorzugt.
Der Einsatz eines Hubübersetzers in einem Kraftstoff-Einspritzer ist wegen der verzögerungsfreien Schaltung besonders vorteilhaft.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Hubübertragung schematisch näher dargestellt,
  • Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Hubübertragung mit änderbarem Hubfaktor Π,
  • Figur 2a bis Figur 2c zeigen einen Hubübertrager in verschiedenen Stadien eines Hubvorgangs,
  • Figur 3a bis Figur 3c stellen die Abhängigkeit verschiedener Variablen des Hubübertragers zueinander dar,
  • Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Hubübertragers,
  • Figur 5 zeigt noch eine Ausführungsform eines Hubübertragers.
    • In Figur 1 ist als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Mittel zur Hubübertragung in Ausgangsstellung dargestellt, bei dem während eines Hubvorgangs zwei unterschiedliche Hubfaktoren Π nutzbar sind.
    Ein Hubelement 1 sitzt lose auf einem Antriebselement 3 auf. Es sind zwei einseitige Hebel 2 dargestellt, welche jeweils an einem Krafteinleitungspunkt 7 auf dem Antriebselement 3 aufliegen. Jeder Hebel 2 liegt zusätzlich an einem Drehpunkt 5 eines Lagers 4 auf. Die Hebel 2 sind zudem jeweils an einem Hubpunkt 6 auf dem Hubelement 1 aufsetzbar, in diesem Ausführungsbeispiel durch Aufsatz auf eine dem Antriebselement 3 zugewandte Aufsatzfläche 9.
    Das Hubelement 1 und das Antriebselement 3 sind so ausgeführt, daß sie jeweils entweder unter einer beliebigen Drehung um die Rotationsachse I (vollkommen rotationssymmetrisch) oder nach einer Drehung um einen Winkel von 360°/n (n-fach rotationssymmetrisch) geometrisch ähnlich in sich selbst überführbar sind.
    Beispielsweise können n Hebel (n ∈
    Figure 00070001
    ) gleichmäßig in einem Winkelabstand von 360°/n zueinander verteilt sein, das Hubelement 1 vollkommen rotationssymmetrisch ausgeführt sein und das Antriebselement 3 in einem Winkelabstand von 360°/n Stege als Krafteinleitungspunkte 7 aufweisen. Das Antriebselement 3 kann aber auch vollkommen rotationssymmetrisch ausgeführt sein, so daß die Krafteinleitungspunkte 7 auf einem Ring des Antriebselement 3 um die Rotationsachse I liegen. In diesem Ausführungsbeispiel werden ein vollkommen rotationssymmetrisches Antriebselement 3 und n = 3 Hebel bevorzugt.
    Der Abstand zwischen Hubpunkt 6 und Drehpunkt 5 wird als Lastarm der Länge L1+L2 und der Abstand zwischen Krafteinleitungspunkt 7 und Drehpunkt 5 wird als Kraftarm der Länge L1 bezeichnet.
    In Ausgangsstellung bei einem Primärhub xp = 0 des Antriebselementes 3 ist dieses so weit zurückgezogen, daß im Bereich des Hubpunktes 6 ein Abstand h zwischen Hebel 2 und Hubelement 1 besteht. Aus xp = 0 folgt, daß auch der Sekundärhub xs = 0 ist. In Ausgangsstellung tritt also keine Hebelwirkung über die Hebel 2 auf, sondern es existiert ausschließlich ein direkter Kraftschluß über die Kontaktfläche von Hubelement 1 und Antriebselement 3.
    Während eines Betätigungsvorgangs mittels der Aufbringung einer primären Antriebskraft Fp entlang der Rotationsachse I wird der Primärhub xp relativ zum Lager 4 erhöht. Die primäre Antriebskraft Fp wird über einen Stellantrieb, z. B. einen Piezoaktor, aufgebracht, wobei das Antriebselement 3 ein Teil des Stellantriebs sein kann. Mittels der Bewegung des Antriebselementes 3 wird das Hubelement 1 um seinen Sekundärhub xs in die gleiche Richtung verschoben, wobei eine sekundäre Antriebskraft Fs weiterleitbar ist.
    Figur 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht schematisch einen Hubübertrager gemäß Figur 1, und zwar in Ausgangsstellung (Figur 2a), zum Zeitpunkt des Aufsetzens der Hebel 2 auf dem Hubelement 1 (Figur 2b), und nach Einsetzen der Hebelwirkung (Figur 2c).
    Figur 2a zeigt das zu Figur 1 analoge Bild des Hubübertragers in Ausgangsstellung.
    Figur 2b zeigt den Hubübertrager, wenn der Primärhub xp den Umschaltpunkt xt = h · (L1/L2) erreicht, bei dem die Hebel 2 am Hubpunkt 6 auf der Auflagefläche 9 des Hubelementes 1 zur Auflage kommen.
    Die Bewegung zwischen den Zuständen aus Figur 2a und Figur 2b bei anwachsendem Primärhub xp zeichnet sich dadurch aus, daß aufgrund des direkten Kraftschlusses der Hubfaktor Π = 1 ist. Wegen der Verschiebung von Antriebselement 3 und Hubelement 1 relativ zum Lager 4 verringert sich mit steigendem Hub xp bzw. xs der Abstand h zwischen Hubpunkt 6 und Hubelement 1 stetig.
    Als Antriebsmittel zur Verschiebung des Antriebselementes 3 können alle Arten von Aktoren bzw. Stellantrieben eingesetzt werden. Zur schnellen Schaltung, besonders bei einer Verwendung in einem servo-gesteuerten Kraftstoff-Einspritzer, bietet sich ein Piezoaktor als Antriebsmittel an.
    Figur 2c zeigt den Hubübertrager bei einem Primärhub xp > xt.
    Nach Aufsetzen der Hebel 2 auf das Hubelement 1 liegt eine Hebelwirkung vor, so daß nun ein Hubverhältnis Π = L2 / L1, hier: Π > 1, vorliegt. Bei Hubübersetzung hebt das Hubelement 1 vom Antriebselement 3 ab und wird allein aufgrund der Hebelwirkung verschoben.
    Zur Vermeidung einer unerwünschten Verschiebung des Hubelementes 1 bei einer thermisch bedingten Längenänderung des Antriebselementes 3 kann in Ausgangsstellung zusätzlich zum Abstand h ein Abstand zwischen Antriebselement 3 und Hubelement 1 vorgesehen werden.
    Es ist somit möglich, einen ausschließlich vom Hub xp des Antriebselementes 3 abhängigen Sekundärhub xs auszulösen. Gegenüber einer hydraulischen oder mechanisch-hydraulischen Hubübertragung ist diese rein mechanische Hubübertragung fluidunabhängig. Dadurch ergibt sich z. B. der Vorteil, daß der Sekundärhub xs weitgehend unabhängig von der Betätigungsdauer ist.
    Figur 3 zeigt für ein mittels eines piezoelektrischen Aktors angetriebenes Antriebselement 3 eine Auftragung des Sekundärhubs xs gegen den Primärhub xp (Figur 3a), eine Auftragung der sekundären Antriebskraft Fs des Hubelementes 1 gegen den Primärhub xp (Figur 3b) und eine Auftragung der sekundären Antriebskraft Fs gegen den Sekundärhub xs (Figur 3c), jeweils für einen reinen Hebelantrieb mit Hubfaktor Π = 2 (grob gestrichelt), einen reinen mechanischen Direktantrieb (fein gestrichelt) mit Hubfaktor Π = 1 und einen Hubübertrager nach Figur 1 und 2 mit Hubfaktor Π = 1 und Π = 2 (durchgezogene Linie).
    In Figur 3a wird dokumentiert, daß anfänglich der Hubübertrager mit dem gleichen Hubfaktor Π = 1 überträgt wie der Direktantrieb und nach Erreichen des Umschaltpunktes xt = 10 (in beliebigen Einheiten) auf den Hubfaktor Π = 2 des Hebeltantriebs umschaltet.
    Figur 3b zeigt, daß bis zum Erreichen des Umschaltpunktes xt die Werte des Hubübertragers denjenigen des Direktantriebs entsprechen und nach Erreichen des Umschaltpunktes xt schnell auf die Werte des reinen Hebelantriebs abfallen.
    In Figur 3c wird gezeigt, daß nach Erreichen des Umschaltpunktes xt die sekundäre Antriebskraft Fs des Hubübertragers unter den Wert für den Hebelantrieb absinkt, wobei der Unterschied aufgrund des ursprünglichen Abstands h zwischen Hebel 2 und Hubelement 1 am Hubübertrager zustande kommt.
    Es ist somit aus den Figuren 3a bis 3c klar ersichtlich, daß mittels des Hubübertragers zu Beginn des Betätigungsvorgangs eine hohe Kraft übertragbar ist, und nach Umschalten auf eine rein hebelunterstützte Antriebsweise die Wegcharakteristik eines reinen Hebelantriebs ausgenutzt wird.
    Figur 4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hubübertragers in Ausgangsstellung.
    In Ausgangsstellung liegen die mindestens zwei Hebel 2 an einem inneren Krafteinleitungspunkt 71 auf dem Antriebselement 3 auf. Gleichzeitig liegt das Hubelement 1 an jeweils einem Hubpunkt 6 auf den Hebeln 2 und an einem Drehpunkt 5 auf dem Lager 4 auf. Somit wird durch die Hebel 2 ein mechanischer Kraftschluß zwischen dem Antriebselement 3 und dem Hubelement 1 vermittelt.
    Der innere Krafteinleitungspunkt 71 und der Hubpunkt 6 eines Hebels 2 liegen auf einer zur Rotationsachse I parallelen Linie. Dadurch wird erreicht, daß bei Aufsatz des Hebels 2 nur am inneren Krafteinleitungspunkt 71 die Länge L1 des Kraftarms der gesamten wirksamen Hebellänge L1+L2 entspricht, so daß wegen der fehlenden Hebelwirkung eine neutrale Hubübertragung Π = 1 auftritt.
    Bei einem Betätigungsvorgang wird das Antriebselement 3 entlang der Rotationsachse I relativ zum Lager 4 verschoben. Weil die Länge L1 des Kraftarms gleich der wirksamen Länge L1+L2 des Hebel 2 ist, wird mittels der Hebel 2 keine Hebelwirkung erzeugt, sondern der Primärhub xp direkt hubverlustfrei auf das Hubelement 1 übertragen. Gleichzeitig werden durch die Bewegung des Hubelementes 3 relativ zu den Lagern 4 die Hebel 2 in Richtung des Antriebselementes 3 verdreht, wobei der innere Krafteinleitungspunkt 71 als Angelpunkt wirkt.
    Sobald der Primärhub xp so groß ist, daß die Hebel 2 auf einem anderen, äußeren Krafteinleitungspunkt 72, ..., 7n (n ∈ ) als dem inneren Krafteinleitungspunkt 71 aufsetzen (sich also ein Kontaktpunkt ändert), ändert sich die Länge L1 des Kraftarms, die nun kleiner ist als die Länge L1+L2 des Lastarm.
    Durch die Hebel 2 ist also ein Hubfaktor Π = 1 + L2 / L1 gegeben, so daß sich mit weiter steigendem Primärhub xp die Hebel 2 vom inneren Krafteinleitungspunkt 71 abheben.
    In diesem Ausführungsbeispiel existiert genau ein weiterer Krafteinleitungspunkt 72, der weiter von der Rotationsachse I entfernt ist als der innere Krafteinleitungpunkt 71. Es können aber in einer anderen Aufführungsform beliebige n äußere Krafteinleitungspunkte 71, 72, ... ,7n verwendet werden, wobei gewöhnlich n mit der Entfernung von der Rotationsachse I wächst.
    Bei weiterer Verschiebung des Antriebselementes 3 nach Aufsetzen auf einen äußeren Krafteinleitungspunkt 72,...,7(n-1) kann jeder Hebel 2 sukzessive auf weitere äußere Krafteinleitungspunkte 73, ...,7n aufsetzen, wobei sich jedesmal die Länge des Kraftarmes L1 sprungartig verringert. Mittels einer solchen Anordnung können n Hubverhältnisse Π in Abhängigkeit vom Primärhub xp eingestellt werden.
    In Figur 5 ist in Ausgangsstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel als Schnittdarstellung in Seitenansicht dargestellt.
    Hier sind im Gegensatz zu Figur 4 keine diskreten Krafteinleitungspunkte 71, ..., 7n mehr vorhanden, vielmehr setzen die Hebel 2 auf einer gekrümmten Fläche des Antriebselementes 3 auf, was einer Zuordnung n → ∞ entspricht.
    Dadurch wird erreicht, daß bei einer Verschiebung des Antriebselementes 3 eine kontinuierliche Änderung der Länge L1 des Kraftarms möglich ist.
    Dabei kann die Oberfläche auch so gekrümmt sein, daß bei einer Verschiebung des Antriebselementes 3 eine neutrale Hubübertragung stattfindet.
    Auch kann die Oberfläche so geformt sein, daß sich der Hubfaktor Π lediglich abschnittsweise stetig ändert, beispielsweise indem die Oberfläche in Richtung des Hubelementes 1 abschnittsweise konkav und konvex ausgebildet ist.
    Es ist zur verbesserten Variation des Hubfaktors Π vorteilhaft, wenn der mindestens eine Hebel 2 ebenfalls eine gekrümmte, mindestens auf einem Kontaktpunkt 5,6,7,71, ... ,7n,71', ... 7n' aufliegende Oberfläche aufweist.
    Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn genau ein Hebel 2 eingesetzt wir, weil dann eine Justage mehrerer Hebel 2 zur Sicherstellung einer gleichen Hebelwirkung entfällt. Eine mögliche Dezentrierung des Hubelementes 1 kann mittels einer Führung des Hubelementes 1, z. B. in einer Bohrung, weitgehend ausgeglichen werden.
    Als Hebellager eignen sich alle aus der Hebeltechnik bekannten Ausführungen, z. B. Schneidenlager oder Rollen- und Biegelager sowie Kombinationen derselben.
    Auch kann ein anfänglicher direkter Kraftschluß zwischen Antriebselement (3) und Hubelement (1) auch über seitlich an den Hebeln (2) vorbeiführenden Nocken erfolgen.

    Claims (14)

    1. Vorrichtung zur Hubübertragung, aufweisend
      ein verschiebbares Hubelement (1) und ein in die gleiche Richtung verschiebbares Antriebselement (3),
      mindestens einen Hebel (2), welcher jeweils auf dem Antriebselement (3) aufliegt und welcher jeweils auf dem Hubelement (1) und auf einem Lager (4) aufsetzbar ist,
      wobei
      bei einer gleichzeitigen Auflage des mindestens einen Hebels (2) auf dem Hubelement (1), dem Antriebselement (3) und dem Lager (4) ein Primärhub (xp) des Antriebselementes (3) über eine Hebelwirkung der Hebel (2) auf das Hubelement (1) übertragbar ist, und
      mit sich änderndem Primärhub (xp) ein Hubfaktor (Π) durch Änderung mindestens eines Kontaktpunktes (5,6,7,71, ... ,7n,71', ... 7n') mindestens eines Hebels (2) veränderbar ist.
    2. Vorrichtung zur Hubübertragung nach Anspruch 1, bei der
      der mindestens eine Hebel (2) jeweils an einem Drehpunkt (5) auf dem Lager (4) aufliegt, und
      in Ausgangsstellung das Hubelement (1) und das Antriebselement (3) lose aufeinander aufsitzen, und ein Abstand (h) zwischen dem Hebel (2) und dem Hubelement (2) vorhanden ist, und
      mittels eines vergrößerbaren Primärhubs (xp) der Abstand (h) solange verringerbar ist, bis ab einem Aufsetzen mindestens eines Hebels (2) auf dem Hubelement (1) der Primärhub (xp) über eine Hebelwirkung auf das Hubelement (1) übertragbar ist.
    3. Vorrichtung zur Hubübertragung nach Anspruch 1, bei der
      der mindestens eine Hebel (2) jeweils am Hubpunkt (6) auf dem Hubelement (1) aufliegt, und
      in Ausgangsstellung das Hubelement (1) und das Antriebselement (3) lose aufeinander aufsitzen, und
      ein Abstand zwischen dem Hebel (2) und dem Lager (4) vorhanden ist, und
      mittels eines vergrößerbaren Primärhubs (xp) der Abstand solange verringerbar ist, bis ab einem Aufsetzen mindestens eines Hebels (2) auf dem Lager (4) der Primärhub (xp) über eine Hebelwirkung auf das Hubelement (1) übertragbar ist.
    4. Vorrichtung zur Hubübertragung nach Anspruch 1, bei der
      der mindestens eine Hebel (2) auf dem Hubelement (1) und dem Lager (4) aufsitzt, so daß ein mechanischer Kraftschluß zwischen Antriebselement (3) und Hubelement (1) über mindestens einen Hebel (2) vorliegt,
      wobei
      in Ausgangsstellung der mindestens ein Hebel (2) jeweils an einem inneren Krafteinleitungspunkt (71, 71') des Antriebselementes (3) aufliegt,
      bei sich änderndem Hub (xp) des Antriebselementes (3) die Hebel (2) so bewegbar sind, daß sie jeweils auf einem äußeren Krafteinleitungspunkt (72, ... ,7n,72', ... 7n') aufsetzbar sind, so daß der Hubfaktor (Π) mindestens bereichsweise veränderbar ist.
    5. Vorrichtung zur Hubübertragung nach Anspruch 4, bei der die äußeren Krafteinleitungspunkte (72, ... 7n) voneinander räumlich separiert sind.
    6. Vorrichtung zur Hubübertragung nach Anspruch 4, bei der die äußeren Krafteinleitungspunkte (72', ... 7n') mindestens bereichsweise räumlich kontinuierlich ineinander übergehen.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der
      die Hebel (2) jeweils auf einer mindestens bereichsweise gekrümmten Fläche des Antriebselementes (3) aufliegen, so daß mittels des Hubs (xp) des Antriebselementes (3) mindestens bereichsweise eine kontinuierliche Änderung des Hubfaktors (Π) einstellbar ist.
    8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der genau ein Hebel (2) vorhanden ist.
    9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei mittels des Antriebselementes (3) ein Primärhub (xp) von 10 µm bis 100 µm ausführbar ist.
    10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hubfaktor (Π) im Bereich zwischen 1 und 10 liegt.
    11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei das Antriebselement (3) mittels eines keramischen Vielschicht-Piezoaktors verschiebbar ist.
    12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einsatz in einem Kraftstoff-Einspritzer.
    13. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 2, bei dem
      bei einem Betätigungsvorgang aus der Ausgangsstellung heraus das Antriebselement (3) das Hubelement (1) unter Verringerung des Abstands (h) hubverlustfrei so lange verschiebt, bis der mindestens eine Hebel (2) auf dem Hubelement (1) aufsetzt, worauf bei sich weiter vergrößerndem Primärhub (xp) das Hubelement (6) durch den vom Antriebselement (3) über den Hebel (2) übertragenen Kraftschluß hubübersetzt verschoben wird.
    14. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem
      bei einem Betätigungsvorgang aus der Ausgangsstellung heraus das Antriebselement (3) das Hubelement (1) über den mindestens einen Hebel (2) bei neutraler Hubübertragung so lange verschiebt,
      bis durch einen Wechsel von einem inneren Krafteinleitungspunkt (71) zu einem äußeren Krafteinleitungspunkt (72, ... ,7n) sich weiter vergrößerndem Primärhub (xp) das Hubelement (1) hubübersetzt verschoben wird.
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