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Dokumentenidentifikation DE19647752A1 30.04.1998
Titel Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele
Anmelder Hopf, Rolf, 99831 Scherbda, DE
Erfinder Hopf, Rolf, 99831 Scherbda, DE
Vertreter Enders, H., Dipl.-Ing.(FH)Pat.-Ing.Dipl.-Jur., Pat.-Anw., 99195 Großrudestedt
DE-Anmeldedatum 16.10.1996
DE-Aktenzeichen 19647752
Offenlegungstag 30.04.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse F15B 5/00
Zusammenfassung Eine piezohydraulische Vorrichtung (Fig. 2) ist speziell polarisiert, so daß die Piezoaktoren (11, 12) in der Lage sind, einen Druck auf ein Wirkvolumen auszuüben, indem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, welche die Kraft überträgt. Die Piezoaktoren (11, 12) werden so zusammengefügt, daß beide Halbkugeln (9, 8) das Wirkvolumen einer Kugel haben. Bei piezohydraulischen Vorrichtungen, wie Verdichtern, wird über Ein- und Ausgangskanäle (13, 14) die Verbindung innerhalb eines hydraulischen Systems gegeben.
Eine andere Art der Polarisierung wäre, den negativen Pol als Kugel des zu erzeugenden Wirkvolumens an einem Ende des Aktors auszubilden.

Beschreibung[de]

Anwendungsgebiete der Erfindung liegen hauptsächlich im Werkzeugmaschinenbau, so für Haupt- und Vorschubgetriebe, Nachformeinrichtungen, Werkstückzuführungen, Werkzeugspannung und Transport, zum Erzeugen von Schließ-und Preßkräften sowie im Fahrzeug- bzw. Landmaschinenbau, Traktoren, chem. Verfahrenstechnik, Fernsteuerung von Armaturen, Klappen und Verschlüssen, in Steuerungs- und Regeltechnik, Pumpen, Linearantrieben und Präzisionsbearbeitung.

Das Ziel der Erfindung ist eine piezohydraulische Vorrichtung zu bauen, die auf kleinsten Raum mit höchsten Drücken arbeitet. Ferner arbeitet eine piezohydraulische Vorrichtung mit höchster Präzision und kann alle Linearantriebe ersetzen. Desweiteren können Pumpen auf piezohydraulischer Grundlage alle vergleichbaren Pumpen ersetzen, da sie optimal in der Leistung steuerbar sind und mit höchsten Drücken arbeiten können. Piezohydraulische Vorrichtungen können auch als Vibratoren eingesetzt werden und Vibrationen über die Flüssigkeit in anderen Medien erzeugen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Piezohydraulische Vorrichtungen üben über den Hub von Piezoaktoren, die speziell polarisiert und angeordnet sind, einen Druck auf ein Volumen aus, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, welche die Kraft überträgt. Die Flächen, die auf das Wirkvolumen einer piezohydraulischen Vorrichtung wirken, üben nur einen Vorschub aus, wobei der Piezoaktor insgesamt kleiner wird. Wenn das Wirkvolumen einer piezohydraulischen Vorrichtung eine Kugel sein soll, werden zwei Piezoaktoren in der Weise polarisiert, daß der negative Pol eines Piezoaktors als Halbkugel ausgebildet ist und eine entsprechende Halbkugel in dem Piezoaktor eingearbeitet ist.

Beide Piezoaktoren werden zu einem Teil zusammengefügt, wobei beide Halbkugeln das Wirkvolumen einer Kugel haben.

Eine andere Möglichkeit der Polarisierung wäre beispielsweise den negativen Pol als Kugel an einem Ende in einem Aktorstab auszubilden.

Die Kugel kann nach dem Polarisierungsvorgang herausgenommen werden, in dem man den Stab in Höhe der Kugelmitte durchschneidet, die Kugel herausnimmt und den Stab wieder zusammensetzt. Diese Variante der Polarisierung betrifft piezohydraulische Vorrichtungen, die eine reine Verdichterfunktion haben.

Bei einer piezohydraulischen Vorrichtung, die als Pumpe arbeitet, wird hier ein Kegelvolumen als Wirkvolumen benutzt, wobei es viele geometrische Formen gibt, die als Wirkvolumen dienen können.

Eine Pumpe mit einem Kegel als Wirkvolumen wird aus zwei Teilen zusammengesetzt, wobei je eine Kegelhälfte des symmetrisch geteilten Kegels in einem Aktor eingearbeitet ist. Die polarisationsgemäße Anordnung erfolgt für jede Hälfte in der Weise, daß der negative Pol als Halbkegel ausgebildet ist und in die halbkegelförmige Aussparung hineinragt. Um einen Pumpvorgang zu ermöglichen, macht es sich erforderlich, daß der Eingang der piezohydraulischen Pumpe, der Primäraktor zuerst schließt und danach verdichtet der Sekundäraktor die Hydraulikflüssigkeit im Wirkvolumen, wobei diese Hydraulikflüssigkeit durch ein Wegeventil aus der Pumpe gedrückt wird.

Der Pumpvorgang wird entsprechend der Impulsfolge von Primäraktor und Sekundäraktor gekennzeichnet und kann in diesem Rhythmus sehr schnell wiederholt werden. Ein Vorteil der piezohydraulischen Pumpe ist, daß sie absolut wartungsfrei und nur durch äußere Gewalt funktionsunfähig wird.

Der Eingang der piezohydraulischen Pumpe, der Primäraktor ist mit einem Vorratsbehälter, der die Hydraulikflüssigkeit liefert, gekoppelt. Um den Impulsrhythmus zwischen Primäraktor und Sekundäraktor zu realisieren, Ist es erforderlich, daß zwischen Primäraktor und Sekundäraktor eine elastische Isolationsschicht besteht, die sich fest mit der Keramik des Aktors verbindet. Eine piezohydraulische Pumpe kann ein lineares Stellglied bei großer Stellweite ohne Hebelübersetzung als Druckmittelquelle versorgen. In Verbindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen ist eine piezohydraulische Pumpe in der Lage, konventionelle Druckmittelquellen zum Regeln eines Stellgliedes zu ersetzen.

Aus Gründen der Materialfestigkeit und des festen Zusammenhalts zusätzlich zu mechanischen Verbindungsarten, der jeweils aus zwei Teilen zusammengesetzten piezohydraulischen Vorrichtungen (Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4) ist es erforderlich, daß diese Vorrichtungen sich in Gehäusen von großer Festigkeit befinden.

Piezohydraulische Vorrichtungen Fig. 1; Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4 sind speziell polarisiert, wobei die Piezoaktoren (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) einen Druck auf ein Wirkvolumen (6, 15, 16, 22, 22a) ausüben, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, welche die Kraft überträgt. Die Flächen des Wirkvolumens (6, 15, 16, 22, 22a) einer piezohydraulischen Vorrichtung üben einen Vorschub aus, bei dem der Piezoaktor (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) insgesamt kleiner wird. Wenn das Wirkvolumen (15, 16) einer piezohydraulischen Vorrichtung eine Kugel ist, werden zwei Piezoaktoren so polarisiert, daß der negative Pol (9, 8) eines Piezoaktors als Halbkugel ausgebildet ist und eine entsprechende Halbkugel in den Piezoaktor eingearbeitet ist. Beide Piezoaktoren (11, 12) werden in der Weise zusammengeführt, daß beide Halbkugeln das Wirkvolumen (9, 8) einer Kugel haben.

Bei piezohydraulischen Vorrichtungen wie Verdichtern Fig. 1 und Fig. 2 wird über Ein- und Ausgangskanäle (4, 5, 13, 14) die Verbindung innerhalb eines hydraulischen Systems gegeben. Eine andere Möglichkeit der Polarisierung wäre beispielsweise den negativen Pol (1) als Kugel des zu erzeugenden Wirkvolumens (6) an einem Ende des Aktors (2) auszubilden.

Die Kugel kann nach dem Polarisierungsvorgang herausgenommen werden, indem man den Aktor (2) Fig. 1 in Höhe der Kugelmitte durchschneidet, die Kugel herausnimmt und den Stab wieder zusammensetzt oder die Kugel chemisch herauslöst.

Bei einer piezohydraulischen Vorrichtung, die als Pumpe Fig. 3a; Fig. 3b und Fig. 4 arbeitet, wird hier ein Kegelvolumen als Wirkvolumen (22, 22a) benutzt. Eine Pumpe Fig. 3a und Fig. 3b mit einem Kegel als Wirkvolumen wird aus zwei Teilen zusammengesetzt, wobei je eine Kegelhälfte als Wirkvolumen (22, 22a) des symmetrisch geteilten Kegels in einem der beiden Sekundäraktoren eingearbeitet ist. Die polarisationsgemäße Anordnung der Pole erfolgt für jedes Polarisationsmodell Fig. 3a und Fig. 3b in der Weise, daß der negative Pol (24, 24a) als Halbkegel ausgebildet ist und in die halbkegelförmige Aussparung hineinragt. Damit ein Pumpvorgang zustande kommt, muß der Eingangskanal (20) der piezohydraulischen Pumpe Fig. 3a und Fig. 3b, der zum Primäraktor (18, 18a) gehört, zuerst schließen und danach verdichtet der Sekundäraktor (17, 17a) die Hydraulikflüssigkeit des Wirkvolumens, so daß die Hydraulikflüssigkeit durch den immer geöffneten Ausgangskanal (21, 21a) durch ein Wegeventil (28) geführt wird. Die Polarisation des Primäraktors (18, 18a) in Fig. 3a und Fig. 3b erfolgt durch die positiven Pole (25) und (25a) und die negativen Pole (26, 26a). Der Pumpvorgang ist entsprechend der Impulsfolge von Primäraktor und Sekundäraktor gekennzeichnet und kann in diesem Rhythmus sehr schnell wiederholt werden. Vorteile von piezohydraulischen Pumpen sind, daß sie absolut wartungsfrei und nur durch äußere Gewalt funktionsunfähig werden. Der Eingangskanal 20b der piezohydraulischen Pumpe Fig. 4 ist mit einem Vorratsbehälter (27), der die Hydraulikflüssigkeit liefert, gekoppelt. Damit der Impulsrhythmus zwischen Primäraktor (18b) und Sekundäraktor (17b) realisiert werden kann, ist es erforderlich, daß zwischen Primäraktor (18b) und Sekundäraktor (17b) eine elastische Isolationsschicht (19b) besteht, die sich fest mit der Keramik der Pumpe in Fig. 4 verbindet. Eine piezohydraulische Pumpe (Fig. 4) kann ein lineares Stellglied (29) bei großer Stellweite ohne Hebelübersetzung in Verbindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen als Druckmittelquelle versorgen. In Verbindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen ist eine piezohydraulische Pumpe in der Lage, konventionelle Druckmittelquellen zum Regeln eines Stellgliedes (29) zu ersetzen.

Eine piezohydraulische Pumpe (Fig. 4) oder ein piezohydraulischer Verdichter (Fig. 2) sind als Vibratoren mit dem Vorteil einsetzbar, daß die Vibrationen über die Hydraulikflüssigkeit an jeder beliebigen Stelle, zum Beispiel Hohlräumen, wirksam werden.

Aus Gründen der Materialfestigkeit und dem Zusammenfügen bzw. des festen Zusammenhalts, der jeweils aus zwei Teilen zusammengesetzten piezohydraulischen Vorrichtungen (Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4), macht es sich erforderlich, daß diese piezohydraulischen Vorrichtungen sich in einem Gehäuse von großer Festigkeit befinden.


Anspruch[de]
  1. 1. Piezohydraulische Vorrichtungen Fig. 1; Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4 und Anwendungsbeispiele gekennzeichnet dadurch, daß sie speziell polarisiert sind, wobei die Piezoaktoren (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) einen Druck auf ein Wirkvolumen (6, 15, 16, 22, 22a) ausüben, in dem sich eine Hydraulikflüssigkeit befindet, welche die Kraft überträgt.
  2. 2. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Flächen, die auf das Wirkvolumen (6, 15, 16, 22, 22a) einen Druck und einen Vorschub ausüben, dafür sorgen, daß der Piezoaktor (2, 11, 12, 17, 17a, 18, 18a) insgesamt kleiner wird.
  3. 3. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 2 gekennzeichnet dadurch, daß ggf. das Wirkvolumen Fig. 2 (15, 16) einer piezohydraulischen Vorrichtung eine Kugel ist, werden zwei Piezoaktoren (11, 12) so polarisiert, daß der negative Pol (9, 8) eines Piezoaktors als Halbkugel ausgebildet ist und eine entsprechende Halbkugel in den Piezoaktor eingearbeitet ist.
  4. 4. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 3 gekennzeichnet dadurch, daß beide Piezoaktoren (11, 12) in der Weise zusammengefügt werden, daß beide Halbkugeln das Wirkvolumen (9, 8) einer Kugel haben.
  5. 5. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 4 gekennzeichnet dadurch, daß bei piezohydraulischen Vorrichtungen, wie Verdichtern und Pumpen Fig. 1; Fig. 2 und Fig. 3 über Ein- und Ausgangskanäle (4, 5, 13, 14) die Verbindung innerhalb eines hydraulischen Systems gegeben wird.
  6. 6. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 5 gekennzeichnet dadurch, daß beispielsweise eine andere Möglichkeit der Polarisierung Fig. 1 dadurch gegeben ist, den negativen Pol (1) als Kugel des zu erzeugenden Wirkvolumens (6) an einem Ende des Aktors (2) auszubilden.
  7. 7. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 6 gekennzeichnet dadurch, daß die Kugel nach dem Polarisationsvorgang herausgenommen wird, indem man den Aktor (Fig. 1) in Höhe der Kugelmitte durchschneidet, die Kugel herausnimmt und den Stab wieder zusammensetzt oder die Kugel chemisch herauslöst.
  8. 8. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 7 gekennzeichnet dadurch, daß eine Pumpe (Fig. 3a und Fig. 3b) mit einem Kegel als Wirkvolumen (22, 22a) aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, wobei je eine Kegelhälfte als Wirkvolumen (22, 22a) des symmetrisch geteilten Kegels in einem der beiden Sekundäraktoren (17, 17a) eingearbeitet ist.
  9. 9. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 8 gekennzeichnet dadurch, daß die polarisationsgemäße Anordnung der Pole so erfolgt, daß für jedes Polarisationsmodell Fig. 3a und Fig. 3b in der Weise gilt, daß der negative Pol (24, 24a) als Halbkegel ausgebildet ist und in die halbkegelförmige Aussparung hineinragt, dem positiven Pol (23, 23a) geyenüberliegen.
  10. 10. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 9 gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Pumpvorgang der Eingangskanal (20) der piezohydraulischen Pumpe Fig. 3a und Fig. 3b, der zum Primäraktor (18, 18a) gehört, zuerst schließt und danach verdichtet der Sekundäraktor (17, 17a) die Hydraulikflüssigkeit des Wirkvolumens, so daß die Hydraulikflüssigkeit durch den immer geöffneten Ausgangskanal (21, 21a) durch ein Wegeventil (28) gedrückt wird.
  11. 11. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 10 gekennzeichnet dadurch, daß die Polarisierung des Primäraktors (18, 18a) in Fig. 3a und Fig. 3b durch die positiven Pole (25, 25a) und die negativen Pole (26, 26a) erfolgt.
  12. 12. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 11 gekennzeichnet dadurch, daß der Pumpvorgang durch die Impulsfolge von Primäraktor und Sekundäraktor gekennzeichnet ist und in diesem Rhythmus sehr schnell wiederholt werden kann.
  13. 13. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 12 gekennzeichnet dadurch, daß der Eingangskanal (20b) der piezohydraulischen Pumpe Fig. 4 mit einem Vorratsbehälter (27), der die Hydraulikflüssigkeit liefert, gekoppelt ist.
  14. 14. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 13 gekennzeichnet dadurch, daß der Impulsrhythmus zwischen Primäraktor (18b) und Sekundäraktor (17b) realisiert werden kann, wenn zwischen Primäraktor (18b) und Sekundäraktor (17b) eine elastische Isolationsschicht (19b) besteht, die sich fest mit der Keramik der Pumpe in Fig. 4 verbindet.
  15. 15. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 14 gekennzeichnet dadurch, daß eine piezohydraulische Pumpe Fig. 4 ein lineares Stellglied (29) bei großer Stellweite ohne Hebelübersetzung in Verbindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen positioniert und als Druckmittelquelle versorgt.
  16. 16. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 15 gekennzeichnet dadurch, daß eine Verstärkung des Drucks und eine Erweiterung des Stellweges dadurch erreicht werden kann, daß mehrere Verdichter Fig. 1 und Fig. 2 oder Pumpen Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 4 wirksam sind.
  17. 17. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 16 gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächen für das Wirkvolumen (6) in Fig. 1 (15, 16), Fig. 2 (22), Fig. 3b (22b) und in Fig. 4 möglichst groß sein sollen.
  18. 18. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 17 gekennzeichnet dadurch, daß eine piezohydraulische Pumpe Fig. 4 oder ein piezohydraulischer Verdichter Fig. 1 und Fig. 2 als Vibratoren mit dem Vorteil einsetzbar sind, daß die Vibrationen über die Hydraulikflüssigkeit zu jeder beliebigen Stelle, zum Beispiel zu Hohlräumen geleitet werden können.
  19. 19. Piezohydraulische Vorrichtungen und Anwendungsbeispiele nach Punkt 18 gekennzeichnet dadurch, daß aus Gründen der Materialfestigkeit und dem Zusammenfügen bzw. des festen Zusammenhalts, der jeweils aus zwei Teilen zusammengesetzten piezohydraulischen Vorrichtungen (Fig. 2; Fig. 3; Fig. 4) es sich erforderlich macht, daß diese piezohydraulischen Vorrichtungen sich in Gehäusen von großer Festigkeit befinden.






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