专利名称：压电致动器模件及其装配方法
技术领域：
本发明基于如权利要求1的前序部分详细所述类型的压电致动器模件，特别是用于在配有蓄压喷油系统(共轨系统)的汽车喷油装置的高压部分中的喷油器，本发明还基于如权利要求10的前序部分详细所述类型的压电致动器模件装配方法。
背景技术：
这种致动器模件实际上是公知的，它尤其可以与共轨蓄压喷油系统一起被用于柴油内燃机。在此，压电致动器模件配属于一个呈阀状的阀门控制模件并用于操纵该阀门控制模件的阀门关闭机构。利用该阀门控制模件，还可以操纵喷油阀的喷嘴模块的喷油针。喷油针至少与一个通向内燃机燃烧室的喷孔配合工作。
压电致动器模件通常包括致动器腿，它支撑在喷油阀壳上；压电元件，它在施加电压时会伸长；致动器头部，如此通过致动器头部将压电元件伸长传给所谓的控制活塞，即活塞沿轴向移动。控制活塞经过呈液压室形式的液力偶合器与所谓的操纵活塞配合工作，操纵活塞又与阀门关闭机构相连。在DE19946831中也介绍了这样的结构。
DE10043626提出一种压电致动器模件，它被一个轴向伸展的套筒包住，套筒的作用是保护压电元件不被脏东西和汽油污染以及在装配时防止受损。在致动器头部的区域内，压电致动器模件利用折叠式护套被密封起来，该护套一方面允许致动器行程，另一方面能补偿压电元件的负的热膨胀系数。但折叠式护套也有缺点，即它们占地相当大且是成本密集型部件。
发明内容
在具有根据权利要求1前序部分的特征的本发明的压电致动器模件中，在致动器腿上连接着一膜片，该膜片基本沿径向延伸并与一套筒相连并且其横截面有着不同的曲率半径，这样的压电致动器模件的优点是，膜片安装得特别低，因而只需要很小的安装空间。此外，膜片成本也比折叠式护套的成本低得多。
本发明的压电致动器模件的膜片最好这样布置，即它能够跟随致动器头部的如40μm的位移，这种位移是由压电元件伸长引起的。当膜片沿轴向密封住致动器模件时，它便与沿径向限制致动器模件的套筒一起形成致动器模件的护套。致动器腿、压电元件、致动器头部、套筒和膜片共同构成压电致动器模件。
因此，膜片有如下功能，即密封功能；温度平衡功能，即在加热时在具有负的纵向伸缩的压电元件和具有正的纵向伸缩的套筒之间实现温度平衡；以及传递致动器行程的功能(连接致动器头部和套筒)。
在一个有利的实施形式里，膜片例如可以用弹簧钢制成或者用析出强化材料制成。
膜片同致动器腿的特别可靠的连接能够通过将这两个部件焊接在一起来实现。
此外，膜片可以与套筒焊接起来或同套筒制成一个整体。在上述两种情况下，膜片最好具有一个用于逐渐锁小的致动器腿部的中央通孔，以便将压电元件的伸长传给至少一个活塞。为此，膜片呈环形。
根据本发明压电致动器模件的一个优选的实施形式，呈环形的膜片有一个弧形横断面。在这个实施形式里，在工作中作用于膜片的机械负荷是最小的。
就可用结构空间和当致动器模件工作时存在的负荷而言，已被证明是特别有利的是使用其横断面有不同曲率半径的膜片。该膜片的横断面例如在与致动器腿相连的区域里是平坦的，从而使膜片在该区域里成圆锥形，在此，与该锥形部位相连的首先是一个具有第一曲率半径的部位；与具有第一曲率半径的部位相连的是一个具有第二曲率半径的部位，第二曲率半径小于第一曲率半径；与具有第二曲率半径的部位相连的是一个具有第三曲率半径的部位，第三曲率半径又小于第二曲率半径。与具有第三曲率半径的部位相连的又可以是一个平行于套筒定向的圆筒形部位，膜片就通过该圆筒形部位与套筒相连。在膜片的圆锥形部位和圆筒形部位之间形成的角度例如为45°。在环形膜片的外径例如为9.85mm、环形膜片的内径例如为3.7mm的条件下，第一曲率半径是1.9mm，第二曲率半径是1.5mm，第三曲率半径是1.0mm。这样的膜片形状就是在预定结构空间条件下FEM-最佳化(有限元法-最佳化)的结果。膜片厚度例如为80μm的膜片的形状允许承受在致动器模件工作时产生的负荷，这种负荷尤其包括在膜片上出现的最大为60巴的流体压力；-40℃和160℃之间的温度波动；约35μm的致动器行程。膜片与致动器头部或套筒的连接最好通过激光焊来实现。
但根据一个变型实施方式，膜片也能具有基本平坦的造型。
根据一个有利的实施例，膜片厚度例如为70μm-0.2mm。
本发明还提出压电致动器模件的装配方法，这种致动器模件至少包含一压电元件、一致动器腿和一致动器头部，该致动器头部与一由压电元件操纵的部位配合工作，在此，致动器模件被一轴向伸展的套筒包围着。根据本发明，套筒在致动器腿一侧的端头上用一个膜片被封闭起来，该膜片基本上沿径向延伸。
最好在封闭套筒时将膜片同致动器头部无负荷地加以焊接。然后可将膜片连同致动器头部一起装入到套筒中，并以预加负荷向压电元件加载。在致动器刚度为40N/μm情况下，750N的预加负荷相当于一个大约19μm的行程。膜片本身这时保持无负荷。然后可将膜片在加载的压电元件情况下同套筒加以焊接，接着可除去致动器头部的预加负荷，这一点便可实现膜片沿致动器腿方向的19μm的偏移。按这种装配方法，由于作用于套筒的750N预加负荷之故，膜片的正偏移得以补偿。于是，膜片在未操作的压电元件和没有作用于膜片的流体压力的情况下，在例如温度为20℃时，处于零位置中，而且是无负荷的。
本发明的其它优点和主题的有利的进一步发展，均可从有关的说明书、附图和权利要求中看出。
附图示意地表示压电致动器模件的五个实施例示意，在以后的说明书中将详细解释这些实施例。附图表示图1是压电致动器模件的纵断面示意图，该致动器模件用作喷油阀的控制单元；图2是图1所示致动器模件的致动器腿部的断面透视图；图3以与图1相应的视图表示在喷油阀里的压电致动器模件的第二
具体实施例方式
图1、2所示的实施例表示汽油喷射系统1的局部，该喷油系统设计安装在汽车内燃机中，在这里是作为共轨喷油器设计的，最好用于喷射柴油。
喷油器包括一致动器模件2，它被装在一个保持体3中并通过偶合器模块配属于一成阀状的阀门控制模件，该控制模件用于操纵喷油针，喷油针安置在一个在图中未详细绘出的喷嘴模块中。此外，在保持体3中形成一平行于致动器模件2地延伸的供油通道4(高压孔)，它用于将汽油从共轨蓄压单元中送往喷油阀1的喷嘴模块。
致动器模件2包括所谓的致动器腿5，致动器模件2经过该支脚支撑在保持体3上；轴向连接到致动器腿5上的压电元件6，压电元件通常是用多层压电材料制成的；一个沿背向致动器腿5的方向连接到压电元件6上的所谓的致动器头部7。致动器头部7用来将压电元件6的伸缩传给一个已知的在但未示出的阀门控制单元的控制活塞，该阀门控制单元原则上最好成如DE19946831所述液体控制阀的形式。
在此，控制活塞通常通过呈液压室形式的液力偶合器(偶合器模块)与所谓的操纵活塞有效连接，在这里，下方的操纵活塞最好还同一个阀门关闭机构相连，该阀门关闭机构与阀座配合作用。
压电元件6的伸缩的传递通过一个在这里被用作补偿元件的球8来实现。球8的直径例如约为3mm。
压电致动器模件2在这里被一个轴向伸展的且基本呈圆筒状的薄壁套筒9包住，该套筒例如是用廉价的不锈钢制成的并径向密封着压电致动器模件2。
在背向致动器腿5的一侧，压电致动器模件2沿轴向通过由弹簧钢制成的前方膜片10被密封住，该膜片基本沿径向伸展并呈环状并且有一个用于致动器头部7的一榫形部位12的中央通孔。
膜片厚度例如为0.08mm-0.2mm，外径为9.5mm，内径为2.5mm。
膜片10的造型在这里基本上是平坦的或成板状，膜片在朝向榫形部位12的内边界上通过焊缝13与致动器头部7固定连结。在朝向套筒9的外边界上，膜片10经过一条焊缝14与套筒9相连。
图3表示压电致动器模件20的一个可选用的实施形式。该实施形式与图1、2所示实施形式不同之处在于膜片21隆起成椭圆形乃至圆弧形，在此，隆起面沿压电元件6的方向延伸。膜片21基本径向延伸并且也呈环形，它在内边界上经过一条焊缝13与致动器头部7相连并在外边界上经过一条焊缝14与套筒9相连。按这种实施形式，在工作中作用于膜片的机械负荷是很小的。
图4示出本发明的压电致动器模件30的第三实施形式。该实施形式与图1、2所示实施形式的不同点在于其膜片31与套筒9做成一个整体，因此，它与套筒9形成一个单元。膜片31具有平面的或平坦的几何形状并且成环形，它在其内边界上通过一条焊缝13与致动器头部7相连。
不言而喻的是，本发明并不局限于附图所示的几个实施形式。膜片甚至也能具有各种可想到的实施形式，只要专业人员针对既定用途认为合适就行。
图5表示本发明的压电致动器模件40的第四实施形式。压电致动器模件40的结构与图1所示的压电致动器模件结构的不同点在于其膜片41有一个具有不同曲率半径的横断面，在此，环状膜片41沿压电元件6的方向成拱面形状。
在图6中放大示出了膜片41的横断面，它具有在横断面中为平坦的圆锥形部位42，该部位与套筒9成45°角，其长度d1为0.7mm。膜片41经过圆锥形部位42与致动器腿7焊接。在部位42上连接一个有1.9mm的第一曲率半径的部位43；在部位43上连接一个有1.5mm的第二曲率半径的部位44；在部位44上再连接一个有1.0mm的第三曲率半径的部位45。在部位45(具有第三曲率半径)上，再连接一个在横断面中为扁平的圆筒状部位46，膜片41经过该部位与套筒9焊接。膜片41部位46的高度d2为0.7mm，相对套筒9突前0.3mm。具有第三曲率半径的部位45一直到达1.5mm的膜片高度；具有第二曲率半径的部位44经过膜片41的最高点达到1.8mm的高度d4并终止于1.78mm的高度d5。具有第一曲率半径的部位43以1.25mm的膜片高度一直延伸到1.78mm的膜片高度。
膜片41的外径为9.85mm；膜片41的内径为3.7mm。
图5、6所示膜片是如此装配的首先将致动器头部7无负荷地与膜片41的部位42焊接起来。为了调定中压水平，可以用预负荷750N(相当于19μm的致动器行程)将致动器头部7压在压电元件6上，在此，在上述预负荷下将膜片41部位46同套筒9焊接在一起。
另一做法是，有目的地预成型膜片41的部位46并将它压入到套筒9中，然后才将其与套筒9焊接起来。
通过在装配膜片时所施加的预加负荷，便可明显降低工作点上的电压水平。
图7表示本发明压电致动器模件50的第五实施形式。压电致动器模件50的结构基本上与图5、6所示的压电致动器模件的结构相同，不同之处在于膜片51有不一致的几何结构。
膜片51被构造成沿压电元件6方向成拱面形状并且有这样的横断面，即它由一个与压电元件6的轴线垂直地定向的并包围致动器腿的环形部位52形成，在环形部位上连接一个圆锥形部位53，在圆锥形部位里，膜片51在一个约0.3mm的长度e1上与致动器腿7焊接。在圆锥形部位53上连接着一个具有1.4mm的第一曲率半径的部位54；在部位54上连接一个具有2.47mm的第二曲率半径的部位55；在部位55上又连接一个具有0.5mm的第三曲率半径部位56。在具有第三曲率半径的部位56上再连接一个在横断面中为平坦的圆筒形部位57，膜片51通过此部位在大约为0.3mm的长度e2上与套筒9焊接。圆筒状部位57由一个围裙形的、与压电元件6的轴线垂直的部位58构成边界。圆筒状部位57的高度e3为1.2mm，相对套筒9超前。具有第三曲率半径的部位56一直延伸到1.75mm的膜片高度e4；具有第二曲率半径的部位55经过膜片51的最高点达到1.85mm的高度e5并终止于1.62mm的高度e6。具有第一曲率半径的部位54从1.24mm的膜片高度延伸到1.66mm的膜片高度e7。
膜片51的外径在围裙形部位58上为10.35mm，在圆筒状部位57上为9.89mm。膜片51的内径为3.5mm。
尽管本发明提出的压电致动器模件如上所述地被很有利地用在汽油喷油阀上，但本发明设计的压电致动器模件也可用在其它应用领域，特别是这样一些领域，即考虑到要保护压电元件不被污染和不被侵蚀物质腐蚀的地方。
权利要求
1.压电致动器模件，它至少包括压电元件(6)；致动器腿(5)；致动器头部(7)，该致动器头部与一个由压电元件(6)所操作的部件配合作用，在这里，该压电致动器模件(2；20；30)被一个轴向延伸的套筒(9)包围着，其特征在于一个膜片(10；21；31；41)与该致动器腿(7)相连，该膜片基本沿径向延伸并与套筒(9)相连并具有一个有不同曲率半径的横断面。
2.按权利要求1所述的压电致动器模件，其特征在于该膜片(10；21；31；41)与该致动器腿(7)焊接在一起。
3.按权利要求1或2所述的压电致动器模件，其特征在于该膜片(10；21；41)与该套筒(9)焊接在一起。
4.按权利要求1或2所述的压电致动器模件，其特征在于该膜片(31)与该套筒(9)成一个整体。
5.按以上权利要求1-4之一所述的压电致动器模件，其特征在于该膜片(21)具有拱形横断面。
6.按以上权利要求1-5之一所述的压电致动器模件，其特征在于该膜片(10；21；31；41)的厚度大约为70μm-200μm。
7.按权利要求1-7之一所述的压电致动器模件，其特征在于它用作汽车的汽油喷油阀(1)的且特别是共轨喷油阀的控制单元。
8.一种压电致动器模件的装配方法，该压电致动器模件至少包括压电元件(6)、致动器腿(5)和致动器头部(7)，该致动器头部同一个由该压电元件(6)操作的部件配合作用，在这里，该压电致动器模件(2；20；30；40)被一个轴向延伸的套筒(9)包围着，其特征在于该套筒在该致动器头部(7)一侧的端头用一膜片(10；21；31；41)被封闭住，该膜片基本沿径向延伸。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于该膜片(41)和该致动器头部(7)无负荷地焊接。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于同该膜片(41)焊接的该致动器头部(7)被装入该套筒(9)中并且沿该压电元件(6)的方向承受一个预负荷。
11.按权利要求10所述的方法，其特征在于在致动器腿(7)承受预负荷的情况下，该膜片(41)同该套筒(9)焊接在一起。
全文摘要
本发明提出一种压电致动器模件，它至少具有压电元件(6)、致动器腿(5)和致动器头部(7)并且它被一个轴向延伸的套筒(9)包围着。为了沿轴向对压电致动器模件(2)实行密封，一个膜片(21)与致动器腿(7)相连，该膜片基本沿径向延伸并与套筒(9)相连并且具有一个有不同曲率半径的横断面。
文档编号F02M61/16GK1620551SQ03802486
公开日2005年5月25日 申请日期2003年6月6日 优先权日2002年7月20日
发明者D·基恩茨勒, D·乌尔曼, J·-L·罗特拉格 申请人:罗伯特-博希股份公司