DE19921951A1

DE19921951A1 - Motor vehicle pump under piezo-control

Info

Publication number: DE19921951A1
Application number: DE19921951A
Authority: DE
Inventors: Klaus Augsburg; Jaroslaw Grochowicz; Andre Winger; Martin Salzer; Peter Geppert
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 1999-11-18

Abstract

The two baseplates (1,3) of the pump are joined by connecting element (2) and a piezo-actuator (5) arranged in the element (2) axis as joined at one end to the baseplate (1) and otherwise to a piston (7). The piston moves axially in the connecting element (2) in strokes controlled by the piezo-actuator (5). Pressure space (10) connects (13) via non-return valve (11) to a low pressure valve and to a high pressure valve via a connection (14) closed by a non-return valve (12). A seal (9) fixed round the axis at one end of the piston (7) is so pre-tensioned in dead center between piston and baseplate (3) that the piston endface, seal (9) and plate (3) form the pressure space (10). A seal spaced from the connecting element also forms a pressure space. Several seals can be used, spaced from the element (2) to make up separate pressure spaces, the seals arranged concentrically alongside one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine piezobetätigte Kolbenpumpe. Die Kolbenpumpe ist bevorzugt für den Einsatz in allen Hydraulikkreisläufen, bei denen es auf das genaue Einstellen eines bestimmten Enddrucks und auf eine feine Dosierung des Volumenstromes ankommt, geeignet.The invention relates to a piezo-actuated piston pump. The piston pump is preferred for use in all hydraulic circuits where it is important to precisely adjust a certain final pressure and a fine metering of the volume flow is important, suitable.

Aus der DE 196 01 749 A1 ist eine Betätigungseinrichtung, vorzugsweise für Fahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeuge bekannt. In einem Gehäuse, ist ein Kolbenschieber verschiebbar gelagert, mit dem aus einer Zuführung Medium ansaugbar und einem Verbraucher zuführbar ist. Der Kolbenschieber ist durch wenigstens ein Piezoelement axial verschiebbar, das mit einer hohen Frequenz betrieben werden kann, wodurch der Kolbenschieber mit entsprechend hoher Frequenz hin- und herbewegt wird.DE 196 01 749 A1 describes an actuating device, preferably for vehicles, especially known for motor vehicles. In a housing is a spool slidably mounted, with the medium can be sucked in from a supply and a Consumer can be fed. The piston slide is axial due to at least one piezo element slidable, which can be operated at a high frequency, whereby the Piston slide is moved back and forth with a correspondingly high frequency.

Mit dem Kolbenschieber werden Volumina des Mediums entsprechend der Frequenz des Piezoelementes aus der Niederdruckseite in einen Druckraum angesaugt. In diesem Raum wird der Druck aufgebautund mittels Rückschlagventilen gehalten. Sobald der Druck die Gegenkraft eines weiteren Rückschlagventils übersteigt öffnet dieses und das Medium gelangt zu dem angeschlossenen Verbraucher.With the piston slide volumes of the medium according to the frequency of Piezo element sucked from the low pressure side into a pressure chamber. In this room the pressure is built up and held by means of check valves. Once the pressure is the The counterforce of another non-return valve opens and the medium opens reaches the connected consumer.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist das relativ geringe Verdichtungsvolumen. Die erforderlichen Rückschlagventile ergeben auf Grund der Funktionsweise einen volumetrischen Wirkungsgradverlust.The disadvantage of this arrangement is the relatively low compression volume. The required check valves result in a due to the mode of operation volumetric loss of efficiency.

Aus der DE 197 56 821 A1 ist eine Hydraulikpumpe bekannt, die als Dichtelement ein, den Verdichtungsraum radial und axial abschließendes elastisches Element benutzt. Dieses hat sowohl Dicht- als auch Federungs- und Rückstellaufgaben in axialer Richtung. Es ist radial außen angeordnet, so daß ein recht großer Verdichtungsraum entsteht. Damit ist diese Anordnung für eine Betätigung mittels Elektromagnet, nicht aber mittels Piezoaktoren geeignet, da die dort erreichbaren Zuspann(Kolben)wege für eine effektive Verdichtungsarbeit nicht ausreichen. Zudem ist eine Aufgabenkombination in radiale Führung, axiale Federung und Abdichtung ungünstig, da somit mit hohen axialen Reibkräften und einer eingeschränkten Lebensdauer des Dichtelementes gerechnet werden muß.From DE 197 56 821 A1 a hydraulic pump is known, which acts as a sealing element Compression space used radially and axially terminating elastic element. This one has both sealing and suspension and resetting tasks in the axial direction. It's radial arranged outside, so that a rather large compression space is created. So this is Arrangement for actuation by means of an electromagnet, but not by means of piezo actuators Suitable, since the application (piston) can be reached there for an effective Compaction work is not sufficient. In addition, a combination of tasks is radial Guide, axial suspension and sealing are unfavorable because they have high axial friction forces and a limited service life of the sealing element must be expected.

Aus der JP 07119625 A ist eine piezobetätigte Pumpen bekannt, bei der ein Kolben in einem Zylinder gelagert ist und der Piezoaktor Kolbenhübe erzeugt. From JP 07119625 A a piezo-operated pump is known in which a piston in one Cylinder is mounted and the piezo actuator generates piston strokes.

In der DE 19 06 808 wird eine zusammengesetzte Kolbenanordnung aus einem Kolben aus Metall und einer Dichtung, die aus einem von einem kegelstumpfförmigen Mittelraum durchbohrten Elastomer-Zylinder besteht, beschrieben, wobei sich der Durchmesser des Mittelraumes regelmäßig von innen nach außen vergrößert. Der Elastomer-Zylinder hat hier eine dichtende Funktion.In DE 19 06 808, a composite piston arrangement is made from a piston Metal and a gasket made from one of a frustoconical center pierced elastomer cylinder, described, the diameter of the Middle room regularly enlarged from the inside out. The elastomer cylinder has here a sealing function.

Aus der US 5 607 292 ist noch bekannt, den Druckraum einer elektromagnetisch betätigten Pumpe durch einen Ring aus einem Elastomer abzudichten.From US 5 607 292 it is also known the pressure chamber of an electromagnetically operated Seal the pump with an elastomer ring.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine piezobetätigte Kolbenpumpe einfacher und zuverlässiger Bauart anzugeben, die eine klare Funktionstrennung ihrer Baugruppen vorsieht und mit der ein festgelegter Systemdruck schnell aufgebaut bzw. ein sehr genau dosierter Volumenstrom bereitgestellt werden kann.The object of the invention is to simplify a piezo-actuated piston pump to specify a reliable design that provides for a clear separation of functions between your assemblies and with which a defined system pressure can be built up quickly or a very precisely metered one Volume flow can be provided.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.According to the invention the object is achieved with the features mentioned in claim 1. Advantageous further developments and refinements are the subject of dependent claims.

Gegenüber der aus der DE 197 56 821 A1 bekannten Anordnung ist hervorzuheben, daß wenigstens ein von dem Verbindungselement beabstandetes Dichtelement auf der Stirnfläche des Kolbens fixiert ist.Compared to the arrangement known from DE 197 56 821 A1, it should be emphasized that at least one sealing element spaced from the connecting element on the end face of the piston is fixed.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Kolben mehrere stirnseitig fixierte Dichtelemente aufweist, die im Totpunkt I (spannungsloser Zustand des Piezoaktors) zwischen dem Kolben und einer Grundplatte vorgespannt sind. Die Stirnfläche des Kolbens, die Dichtelemente sowie die an den Dichtelemente anliegende Seite der Grundplatte bilden voneinander getrennte Druckräume, mit denen unterschiedliche Volumenströme erzeugt werden können, bzw. vielfältige Möglichkeiten zur Abstimmung der hydraulischen Arbeit von Druckkreisen möglich sind.In an advantageous embodiment it is provided that the piston has several end faces has fixed sealing elements in the dead center I (de-energized state of the piezo actuator) are biased between the piston and a base plate. The face of the piston form the sealing elements as well as the side of the base plate abutting the sealing elements separate pressure rooms with which different volume flows are generated can be, or various options for coordinating the hydraulic work of pressure circles are possible.

Der Kolbenhub wird durch Ausdehnung des Piezoaktors in axialer Richtung erzeugt. Damit werden die Dichtelement weiter zusammengedrückt, wodurch sich die Druckräume verkleinern.The piston stroke is generated by expanding the piezo actuator in the axial direction. In order to the sealing element are compressed further, which causes the pressure chambers downsize.

Die Größe der Verdichtungsvolumina wird im wesentlichen durch die Größe des Hubs des Piezoaktors und die Abmessungen und Ausführung der Dichtungselemente bestimmt. The size of the compression volume is essentially determined by the size of the stroke of the Piezo actuator and the dimensions and design of the sealing elements determined.

Für die radiale Führung des Kolbens wird ein weiteres elastisches Element eingesetzt. Dies steht nicht mit dem Druckraum in Verbindung und somit können druckbedingte Verformungen des Elementes keinen negativen Einfluß auf die axialen Reibkräfte der Anordnung haben.Another elastic element is used for the radial guidance of the piston. This is not connected to the pressure chamber and therefore pressure-related Deformations of the element have no negative impact on the axial frictional forces To have arrangement.

Für das Funktionieren der Anordnung sind geeignete Rückschlagventile zur Nieder- und Hochdruckseite vorzusehen, deren Schaltvermögen der erreichbaren hohen Frequenz des Piezoaktors entspricht. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden Kugelrückschlagventile in die Grundplatte eingesetzt, die an den Druckraum angrenzen. Zum Einsetzen der Rückschlagventile wird vorteilhaft eine in zwei Scheiben geteilte zweite Grundplatte verwendet.For the functioning of the arrangement there are suitable check valves for the low and Provide high pressure side, the switching capacity of the achievable high frequency Piezo actuator corresponds. In an advantageous embodiment, ball check valves inserted in the base plate, which adjoin the pressure chamber. To insert the Check valves are advantageously a second base plate divided into two disks used.

Die Kolbenpumpe gewährleistet pro Hub bauartbedingt kleine Fördervolumina, die von der Betriebsspannung und dem Systemdruck abhängig sind. Durch Änderung der Frequenz und der Amplitude der Ansteuerspannung läßt sich der Förderstrom verstellen.The piston pump ensures small delivery volumes per stroke due to the design Operating voltage and the system pressure are dependent. By changing the frequency and the flow rate can be adjusted to the amplitude of the control voltage.

Für niedrige Systemdrücke können auch Hebelübersetzungen zwischen Piezoaktor und Kolben eingesetzt werden, wodurch sich der Förderstrom erhöhen läßt.For low system pressures, lever ratios between the piezo actuator and Pistons are used, which can increase the flow rate.

Nachfolgend wird die Erfindung in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail in the drawing using exemplary embodiments explained. Show it:

Fig. 1 eine piezobetätigte Kolbenpumpe mit einem Dichtelement, Fig. 1 is a piezo-actuated piston pump with a sealing element,

Fig. 2 eine erste Variante zur Lagerung des Dichtelementes, Fig. 2 shows a first variant for mounting of the sealing element,

Fig. 3 eine zweite Variante zur Lagerung des Dichtelementes, Fig. 3 shows a second variant for mounting of the sealing element,

Fig. 4 eine dritte Variante zur Lagerung des Dichtelementes, Fig. 4 shows a third variant for the storage of the sealing element,

Fig. 5 eine piezobetätigte Kolbenpumpe mit zwei Dichtelementen. Fig. 5 is a piezo-actuated piston pump with two sealing elements.

Fig. 1 zeigt eine piezobetätigte Kolbenpumpe mit einem Dichtelement. Zwischen einer ersten Grundplatte 1 und einer zweiten Grundplatte 3 ist ein Verbindungselement 2 angeordnet. Das Verbindungselement 2 nimmt einen Piezoaktor 5 und einen Kolben 7 auf, wobei der Kolben 7 auf einem Stahlbolzen 6 aufsitzt und somit mit dem Piezoaktor 5 verbunden ist. Der Piezoaktor 5 ist seinerseits an der Grundplatte 1 durch eine Schraube 4 befestigt. Der Kolben 7 weist radial eine umlaufende Nut auf in der ein Führungsring 3 eingepaßt ist. An der Stirnfläche weist der Kolben 7 eine weitere Nut auf, die um die Längsachse kreisförmig verläuft. In dieser Nut ist ein ringförmiges Dichtelement 9 eingelassen. Die Stirnfläche des Kolbens 7, das Dichtelement 9 und die anliegende Fläche der zweiten Grundplatte 3 bilden gemeinsam den Druckraum 10. Die Schraube 4 dient gleichzeitig zur Vorspannung des Dichtelementes 9. In die Grundplatte 3 sind zwei Bohrungen eingebracht. Darin sind zwei Rückschlagventile 11 und 12 eingelassen. Das Rückschlagventil 11 besitzt einen Anschluß 13 zum Niederdruckteil sowie eine Verbindung zum Druckraum 10. Das Rückschlagventil 12 besitzt einen Anschluß 14 zum Hochdruckteil und ebenfalls eine Verbindung zum Druckraum 10. Fig. 1 shows a piezo-actuated piston pump with a sealing element. A connecting element 2 is arranged between a first base plate 1 and a second base plate 3 . The connecting element 2 receives a piezo actuator 5 and a piston 7 , the piston 7 being seated on a steel bolt 6 and thus being connected to the piezo actuator 5 . The piezo actuator 5 is in turn attached to the base plate 1 by a screw 4 . The piston 7 has a radially circumferential groove in which a guide ring 3 is fitted. On the end face, the piston 7 has a further groove which runs in a circle around the longitudinal axis. An annular sealing element 9 is embedded in this groove. The end face of the piston 7 , the sealing element 9 and the abutting surface of the second base plate 3 together form the pressure chamber 10 . The screw 4 also serves to pretension the sealing element 9 . Two holes are made in the base plate 3 . Two check valves 11 and 12 are embedded therein. The check valve 11 has a connection 13 to the low pressure part and a connection to the pressure chamber 10 . The check valve 12 has a connection 14 to the high pressure part and also a connection to the pressure chamber 10 .

Der Piezoaktor 5 ist an ein entsprechendes elektrisches Steuergerät angeschlossen, das in der Fig. 1 nicht dargestellt ist.The piezo actuator 5 is connected to a corresponding electrical control device, which is not shown in FIG. 1.

In der Fig. 2, 3 und 4 ist jeweils eine Variante zur Lagerung des Dichtelementes 9 zwischen dem Kolben 7 und der zweiten Grundplatte 3 dargestellt. Entsprechend der Fig. 2 ist dazu stirnseitig im Kolben 7 eine Nut eingelassen, die einen abgerundeten Nutauslauf aufweist. Nach Fig. 3 ist auch eine beidseitig abgerundete Nut in der zweiten Grundplatte 3 eingelassen. Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit zur Vergrößerung des Druckraumes 10, indem eine Ausnehmung im Kolben 7 vorgesehen ist, um die die zweite Grundplatte 3 erhaben ist.In FIG. 2, 3 and 4 shows a variant for the storage of the sealing element 9 between the piston 7 and the second base plate 3 is shown in each case. According to FIG. 2, for this purpose a groove is inserted on the end face in the piston 7, which groove has a rounded groove outlet. According to FIG. 3, a groove rounded on both sides is embedded in the second base plate 3 . FIG. 4 shows a possibility of enlarging the pressure space 10 by providing a recess in the piston 7 around which the second base plate 3 is raised.

In der Fig. 5 sind die Einzelheiten 1 bis 8 entsprechend der Fig. 1 angeordnet. An der Stirnseite des Kolbens 7 sind zwei Dichtelemente 9A, 9B in jeweils einer Nut eingelassen. Die Dichtelemente sind zueinander konzentrisch angeordnet und bilden voneinander getrennte Druckräume 10A und 10B. Der Druckraum 10A ist mit einem Anschluß zu einem Niederdruckteil 13A und mit einem Anschluß zu einem Hochdruckteil 14B verbunden. Der Druckraum 10B ist mit einem Anschluß zu einem Niederdruckteil 13B und mit einem Anschluß zu einem Hochdruckteil 14A verbunden. Zwischen diesen Anschlüssen und den Druckräumen ist jeweils ein Rückschlagventil 11A; 11B; 12A; 12B vorgesehen.In FIG. 5, the details 1 to 8 corresponding to Fig. 1 are arranged. On the end face of the piston 7 , two sealing elements 9 A, 9 B are each inserted in a groove. The sealing elements are arranged concentrically to one another and form separate pressure spaces 10 A and 10 B. The pressure space 10 A is connected to a connection to a low pressure part 13 A and to a connection to a high pressure part 14 B. The pressure chamber 10 B is connected to a connection to a low pressure part 13 B and to a connection to a high pressure part 14 A. Between these connections and the pressure chambers there is a check valve 11 A; 11 B; 12 A; 12 B provided.

Beim Anlegen der Betriebsspannung dehnt sich der Piezoaktor 5 aus und verschiebt somit den Kolben 7 gegen die zweite Grundplatte 3. Dadurch wird das Dichtelement 9A; 9B zusätzlich zusammengedruckt. Nach Abschalten der Spannung zieht sich der Piezoaktor zusammen und der Kolben 7 bewegt sich zurück. Aufgrund der Vergrößerung des Druckraums 10A; 10B entsteht darin ein Unterdruck. Solange die Druckdifferenz zwischen Anschluß 13A; 13B des Niederdruckteils und Druckraum 10A; 10B größer als der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 11A; 11B der Einlaßseite ist, wird in den Druckraum 10A; 10B Hydraulikflüssigkeit eingesaugt. Dann schließt das Rückschlagventil 11A; 11B wieder. Das erneute Anlegen der Betriebsspannung bewegt den Kolben 7 wieder in Richtung der zweiten Grundplatte 3 und erzeugt im Druckraum 10A; 10B einen Hochdruck. Die Flüssigkeit strömt über das Rückschlagventil 12A; 12B der Hochdruckseite aus, solange die Druckdifferenz zwischen Druckraum 10A; 10B und Hochdruckseite größer als der Öffnungsdruck des zweiten Rückschlagventiles 12A; 12B ist. Der Vorgang wird periodisch wiederholt.When the operating voltage is applied, the piezo actuator 5 expands and thus displaces the piston 7 against the second base plate 3 . As a result, the sealing element 9 A; 9 B additionally printed together. After switching off the voltage, the piezo actuator contracts and the piston 7 moves back. Due to the enlargement of the pressure chamber 10 A; 10 B creates a negative pressure in it. As long as the pressure difference between connection 13 A; 13 B of the low pressure part and pressure chamber 10 A; 10 B greater than the opening pressure of the check valve 11 A; 11 B is the inlet side, 10 A; 10 B hydraulic fluid sucked in. Then the check valve closes 11 A; 11 B again. The renewed application of the operating voltage moves the piston 7 again in the direction of the second base plate 3 and generates 10 A in the pressure chamber; 10 B a high pressure. The liquid flows through the check valve 12 A; 12 B of the high pressure side as long as the pressure difference between pressure chamber 10 A; 10 B and high pressure side greater than the opening pressure of the second check valve 12 A; 12 B is. The process is repeated periodically.

Der Aufbau der piezobetätigten Kolbenpumpe gewährleistet pro Hub bauartbedingt kleine Fördervolumina, die von der Amplitude der Betriebsspannung und dem Systemdruck abhängig sind. Der Förderstrom läßt sich über die Frequenz der Betriebsspannung variieren. The design of the piezo-actuated piston pump ensures that each stroke is small Delivery volumes, which depend on the amplitude of the operating voltage and the system pressure are dependent. The flow rate can be varied via the frequency of the operating voltage.

Reference list

11

erste Grundplatte
first base plate

22nd

Verbindungselement
Fastener

33rd

zweite Grundplatte
second base plate

44th

Schraube
screw

55

Piezoaktor
Piezo actuator

66

Stahlbolzen
Steel bolts

77

Kolben
piston

88th

Führungsring
Guide ring

99

A Dichtelement
A sealing element

99

B Dichtelement
B sealing element

1010th

A Druckraum
A pressure room

1010th

B Druckraum
B pressure chamber

1111

A Rückschlagventil Niederdruckteil
A Check valve low pressure part

1111

B Rückschlagventil Niederdruckteil
B Check valve low pressure part

1212th

A Rückschlagventil Hochdruckteil
A Check valve high pressure part

1212th

B Rückschlagventil Hochdruckteil
B Check valve high pressure part

1313

A Anschluß Niederdruckteil
A connection low pressure part

1313

B Anschluß Niederdruckteil
B Low pressure part connection

1414

A Anschluß Hochdruckteil
A Connection high pressure part

1414

B Anschluß Hochdruckteil
B Connection high pressure part

Claims

1. Piezo operated piston pump, which comprises:
a first base plate ( 1 ) and a second base plate ( 3 ) which are connected to one another by a connecting element ( 2 ),
a piezo actuator ( 5 ) in the longitudinal axis of the connecting element ( 2 ), the first end of which is connected to the first base plate ( 1 ) and the second end of which is connected to a piston ( 7 ),
a pressure chamber ( 10 ) which has at least one connection ( 13 ) to a low-pressure part that can be blocked by a check valve ( 11 ) and at least one connection ( 14 ) to the high-pressure part that can be blocked by a check valve ( 12 ),
wherein the piston ( 7 ) is axially displaceably mounted in the connecting element ( 2 ) and the piston strokes are generated by activating the piezo actuator,
wherein the piston ( 7 ) has at least one fixed sealing element ( 9 ) extending around the longitudinal axis at the end, which is prestressed between the piston ( 7 ) and the second base plate ( 3 ) at the dead center I, so that the end face of the piston ( 7 ), the sealing element ( 9 ) and the side of the second base plate ( 3 ) bearing against the sealing element ( 9 ) form the pressure chamber ( 10 ),
at least one sealing element ( 9 ) spaced from the connecting element ( 2 ) is provided, which forms at least one pressure chamber ( 10 ).

2. Piezo-operated piston pump according to claim 1, characterized in that a plurality of spaced from the connecting element ( 2 ) sealing elements ( 9 A, 9 B) are provided which form separate pressure chambers ( 10 A, 10 B).

3. Piezo-operated piston pump according to claim 1 or 2, characterized in that the sealing elements ( 9 A, 9 B) are concentric with each other.

4. Piezo-operated piston pump according to claim 1 or 2, characterized in that the sealing elements ( 9 A, 9 B) are arranged side by side.

5. Piezo-actuated piston pump according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sealing elements ( 9 A, 9 B) are annular and are each inserted in a groove in the piston ( 7 ).

6. Piezo-operated piston pump according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sealing elements ( 9 A, 9 B) are additionally embedded in a groove in the second base plate ( 3 ).

7. Piezo-operated piston pump according to claim 5 or 6, characterized in that the grooves in the piston ( 7 ) and / or base plate ( 3 ) have rounded groove outlets.

8. Piezo-operated piston pump according to one of claims 1 to 7, characterized in that the base plate ( 3 ) is divided into two disks and the check valves ( 11 A, 11 B, 12 A, 12 B) each in a bore in a disk second base plate ( 3 ) are embedded.

9. Piezo-operated piston pump according to one of claims 1 to 8, characterized in that the piston ( 7 ) is supported by a guide ring ( 8 ) in the connecting element ( 2 ).

10. Piezo-operated piston pump according to one of claims 1 to 9, characterized in that the piezo actuator ( 5 ) is fastened by a screw ( 4 ) to the first base plate ( 1 ), with the screw ( 4 ) prestressing the sealing element ( 9 ) is adjustable.

11. Piezo-operated piston pump according to one of claims 1 to 10, characterized in that a positive and / or non-positive connection between the end ( 6 ) of the piezo actuator ( 5 ) and the piston ( 7 ) is provided.