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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Stelleinheit nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Hydraulische
Stelleinheiten sind zum Beispiel zur aktiven Fahrwerkregelung in
Kraftfahrzeugen einsetzbar. So ist es beispielsweise allgemein bekannt,
einfach oder doppelt wirkende, hydraulische Zylinder als Aktoren
für die
Verstellung von Fahrwerkskomponenten zu verwenden.
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Doppelt
wirkende Zylinder erlauben normalerweise bei Ausfall der Versorgungsenergie
nicht, den Kolben in eine definierte Ausgangsposition zurückzuführen. Aus
diesem Grund wird bei diesen Konstruktionen ein in einem Druckspeicher
gespeicherter Druck verwendet, um die erwähnte Rückstellbewegung zu ermöglichen.
Derartige Druckspeicher sind jedoch kostenintensiv und benötigen sehr
viel Bauraum innerhalb des Fahrzeuges, was einen entscheidenden
Nachteil darstellt. Aus Sicherheitsgründen müssen die Druckspeicher zudem
unmittelbar an der Außenseite
des Zylinders angebracht sein, da nur durch diese Maßnahme verhindert
werden kann, dass Druckleitungen beschädigt werden, beziehungsweise
abreißen.
Einfach wirkende Zylinder werden zumeist über eine Feder vorgespannt,
die den Kolben bei Energieausfall zur Ausgangsposition zurück führt. Da
die Federkraft naturgemäß größer sein
muss, als die Gegenkraft des Kolbens und der Kolben im Normalbetrieb
gegen diese Federkraft bewegt werden muss, sind derartige Lösungen uneffektiv
und extrem energieaufwändig.
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Insbesondere
in Kraftfahrzeugen zeigen sich im Zuge der stetig steigenden Anforderungen
an Fahrkomfort und Fahrdynamik zunehmend Verwendungsmöglichkeiten
für hydraulische
Stelleinheiten. So geht beispielsweise eine gattungsgemäße hydraulische
Stelleinheit aus der
DE
10 2004 025 806 A1 hervor, in der eine Stabilisatoranordnung
für ein Kraftfahrzeug
mit einer verstellbaren Pendelstütze beschrieben
ist.
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Die
aus der Druckschrift bekannte Ausführung einer hydraulischen Stelleinheit
umfasst mindestens einen in einem Zylinder bewegbar aufgenommenen
Kolben, der den innerhalb des Zylinders vorhandenen Hubraum in wenigstens
zwei Kammern unterteilt. Ein mit dem Kolben korrespondierender, potentielle
Energie speichernder Energiespeicher dient dazu, den Kolben durch
Wandlung der potentiellen Energie des Energiespeichers in kinetische
Energie in eine vordefinierte Position zu verbringen. Als vordefinierte
Position ist dabei der Endanschlag des Kolbens am Zylinderboden
anzusehen. Diese Position wird bei der Lösung nach der
DE 10 2004 025 806 A1 dadurch
erreicht, dass die Ein- und Ausfederbewegung des Fahrzeugrades genutzt
wird, um den Kolben in Richtung Zylinderboden zu bewegen, wobei
gleichzeitig ein geschlossenes Rückschlagventil eine
gegenläufige
Bewegung verhindert. Als „Energiespeicher" dient in diesem
Fall das Fahrzeugrad, was jedoch den Nachteil hat, dass eine gezielte
und bewusst steuerbare, also jederzeit reproduzierbare Rückführbewegung
des Kolbens in eine vordefinierte Position nicht möglich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Stelleinheit
bereitzustellen, die eine Ausrichtung des Kolbens in eine vordefinierte Position
jederzeit zuverlässig
und reproduzierbar gewährleistet.
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Gelöst wird
diese Aufgabenstellung durch die Merkmale des Patentanspruches 1.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich anschließenden Unteransprüchen wiedergegeben.
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Eine
hydraulische Stelleinheit für
ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem in einem Zylinder bewegbar
aufgenommenen Kolben, der den innerhalb des Zylinders vorhandenen
Hubraum in wenigstens zwei Kammern unterteilt und die einen mit
dem Kolben korrespondierenden, potentielle Energie speichernden
beziehungsweise kinetische Energie erzeugenden oder abgebenden Energiespeicher
aufweist, wobei der Kolben durch Wandlung der potentiellen Energie
des Energiespeichers in kinetische Energie oder durch die Bereitstellung
von kinetischer Energie in eine vordefinierte Position verbringbar
ist, wird erfindungsgemäß dahingehend
weitergebildet, dass in zumindest einer der Kammern wenigstens ein Hilfskolben
zur Energieübertragung
auf den Kolben vorhanden ist.
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Mit
der Erfindung ist es möglich,
jederzeit reproduzierbar die Rückstellbewegung
des Kolbens in eine vorab definierbare Position innerhalb des Zylinderraumes
sicher zu stellen. Damit lassen sich aktive Regelungen umsetzen,
wie sie beispielsweise im Fahrwerk moderner Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen
können,
die eine so genannte „failsafe"-Funktion erfordern.
Dies bedeutet, dass auch bei Ausfall des betreffenden Energieversorgungssystems
ein „normaler" Fahrbetrieb des
Kraftfahrzeuges weiterhin gewährleistet
bleibt. Das vorgestellte System funktioniert auf Grund seines einfachen
Aufbaus zuverlässig
und sicher, ist Platz sparend und insgesamt kostengünstig herstellbar.
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Eine
sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen,
dass der Hilfskolben entlang einer an dem Kolben vorhandenen Kolbenstange
bewegbar geführt
ist. Somit lässt
sich eine einfache und extrem kompakte Einheit schaffen, denn sämtliche
für die
Umsetzung der Erfindung erforderlichen Bauteile können innerhalb
des Zylinders untergebracht werden.
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Darüber hinaus
besteht die Möglichkeit,
dass der Kolben einseitig oder beidseitig eine aus dem Zylinder
herausgeführte
Kolbenstange aufweist. Folglich ist die Erfindung als einfach- und als doppelt
wirkende Kolben-Zylindereinheit ausführbar. Die Einsatzmöglichkeiten
der vorgestellten Lösung
sind damit nahezu unbegrenzt.
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Im
Zuge dieser flexiblen Gestaltungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen hydraulischen Stelleinheit
kann der Energiespeicher eine mechanische Feder, einen Elektromagneten,
einen Elektromotor, einen Piezoaktor oder eine Hydraulikflüssigkeit
aufweisen oder aus einer mechanischen Feder, einem Elektromagneten,
einem Elektromotor, einem Piezoaktor oder einer Hydraulikflüssigkeit
bestehen. Die Auswahl eines der erwähnten Prinzipien ist anhand
der zu erzeugenden Kräfte
sowie der erforderlichen Regelungsgeschwindigkeit zu treffen. Eine Kombination
verschiedener Wirkprinzipien ist dabei im Sinne der Erfindung ebenfalls
möglich.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist insbesondere bei ausschließlich hydraulischen
Ausführungen
auch darin zu sehen, dass die wirksame Fläche des Hilfskolbens größer oder gleich
groß der
wirksamen Fläche
des Kolbens ist. Somit wird eine zuverlässige Rückführung des Kolbens in die vordefinierte
Position jederzeit gewährleistet,
da die durch den Kolben erzeugte Gegenkraft stets geringer ist,
als die vom Hilfskolben bereitgestellte Kraft.
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Der
Kolben kann entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung bei Energieausfall
selbsttätig in
eine Neutralposition zurückkehrend
ausgeführt sein.
Als Neutralposition kann dabei beispielsweise eine Mittelstellung
innerhalb des Zylinders angesehen werden.
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Wie
bereits eingangs erwähnt
eignet sich die erfindungsgemäße hydraulische
Stelleinheit insbesondere und in besonders vorteilhafter Weise als
Bestandteil einer Fahrwerkregelung eines Kraftfahrzeuges, weil sie
auf Grund ihrer flexiblen Gestaltungsmöglichkeiten und der umsetzbaren,
sehr kurzen Regelungszeiten Verstellbewegungen ohne nennenswerte
Verzögerungen
ermöglicht.
Damit ist sie jedoch auch für
aktive Fahrwerksregelungen einsetzbar, die in zunehmendem Maße bei Kraftfahrzeugen
Verwendung finden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die
gezeigten Ausführungsbeispiele
stellen keine Einschränkung
auf die dargestellten Varianten dar, sondern dienen lediglich der
Erläuterung
einiger Prinzipien erfindungsgemäßer Lösungen.
Dabei sind gleiche oder gleichartige Bauteile mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise
veranschaulichen zu können,
sind in den Figuren nur stark vereinfachte Prinzipdarstellungen gezeigt,
bei denen auf die für
die Erfindung nicht wesentliche Bauteile verzichtet wurde. Dies
bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile nicht vorhanden sind.
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Es
zeigen:
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1:
eine perspektivische Darstellung eines Schnittes durch eine erste
Ausführungsvariante einer
hydraulischen Stelleinheit im Normalbetrieb,
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2:
eine perspektivische Darstellung des Schnittes durch die erste Ausführungsvariante
einer hydraulischen Stelleinheit in einer failsafe-Stellung,
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3:
eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer hydraulischen
Stelleinheit in einer failsafe-Stellung und
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4:
eine Schnittdarstellung einer weiteren, speziellen Ausführungsvariante
einer hydraulischen Stelleinheit in einer failsafe-Stellung.
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In
den 1 bis 4 ist jeweils der Normalbetrieb
durch den Buchstaben „A" und die jeweilige
failsafe-Stellung durch den Buchstaben „B" gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt
in räumlicher
Darstellung und im Schnitt eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen hydraulischen
Stelleinheit. Der insgesamt mit 1 bezeichnete Zylinder
besteht aus Montagegründen aus
mehreren Einzelteilen, die lösbar
miteinander verbunden sind. Da es sich bei dieser Stelleinheit um eine
hydraulische Stelleinheit handelt, sind zudem sämtliche miteinander kontaktierenden
Bauteile jeweils durch geeignete Dichtungen abgedichtet. Diese Dichtungen
sind jedoch im Einzelnen nicht näher
bezeichnet, da sie für
das Verständnis
der Erfindung von untergeordneter Bedeutung sind.
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In
dem Zylinder 1 ist ein Hubraum ausgebildet, der durch einen
doppelt wirkenden Kolben 2 in zwei Kammern 3 und 4 unterteilt
wird. Der Kolben 2 verfügt
beidseitig über
je eine Kolbenstange 10 beziehungsweise 11, wobei
nur die Kolbenstange 11 einseitig aus dem Zylinder 1 heraus
geführt
ist. Auf der Kolbenstange 10 ist ein erster Hilfskolben 8 und auf
der Kolbenstange 11 ein zweiter Hilfskolben 9 verschiebbar
angeordnet. Die wirksame Arbeitsfläche K1 (siehe 2)
der Hilfskolben 8 und 9 ist dabei jeweils größer, als
die wirksame Arbeitsfläche
K2 (siehe 1) des Kolbens 2. Der
Kolben 2 befindet sich bei der Darstellung in 1 etwa
mittig in dem Hubraum des Zylinders 1 und kann somit zwischen seinen
jeweiligen Endlagen hin- und herbewegt werden. Die Kammer 3 wird über eine
erste Betriebsdruckleitung 12 mit Hydraulikflüssigkeit
versorgt. Diese erste Betriebsdruckleitung 12 mündet in
einen Hohlraum 17, in dem die Kolbenstange 10 beweglich geführt ist.
Die Kolbenstange 10 ist ihrerseits mit einer Mittenbohrung
versehen, die sich unmittelbar vor dem Kolben 2 verzweigt
und in die Kammer 3 mündet.
Somit kann die Hydraulikflüssigkeit über die
an dieser Stelle vorhandenen Austrittsöffnungen 18 in die
Kammer 3 fließen
oder aus der Kammer 3 herausgeführt werden. Eine zweite, innerhalb
der Zylinderwand geführte
Betriebsdruckleitung 13 mündet über eine Verzweigung direkt
in die Kammer 4 des Zylinders 1. Beide Betriebsdruckleitungen 12 und 13 sind
Bestandteil eines Hydraulikkreislaufes, der die Hin- und Herbewegung
des Kolbens 2 innerhalb des Zylinders 1 ermöglicht.
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Die
auf den Kolbenstangen 10 und 11 gleitbeweglich
geführten
Hilfskolben 8 und 9 befinden sich im Normalbetrieb
der hydraulischen Stelleinheit in einer Endlage an der äußeren Wand
des Zylinders 1. Die hydraulische Stelleinheit verfügt ferner über eine
Steuerdruckleitung 14, die sich in eine erste Steuerdruckleitung 15 sowie
eine zweite Steuerdruckleitung 16 unterteilt. Die Steuerdruckleitungen 14, 15, 16 sind
in die Außenwand
des Zylinders 1 eingebracht. Die erste Steuerdruckleitung 15 mündet in den
Hubraum des Zylinders 1, wo sie unmittelbar hinter dem
Hilfskolben 8, also zwischen der Wand des Zylinders und
der dem Kolben 2 abgewandten Rückseite des Hilfskolbens 8,
im Bedarfsfall die in dem Energiespeicher 7 vorhandene
Energie zur Verfügung stellen
kann. Die zweite Steuerdruckleitung 16 ist hinter den zweiten
Hilfskolben 9 geführt
und mündet folglich
an dessen Rückseite
in den Hubraum des Zylinders 1. Der Energiespeicher 7 stellt
permanent eine potentielle Energie zur Verfügung, die in kinetische Energie,
also in eine Bewegung der Hilfskolben 8 und 9 entlang
der Kolbenstangen 10 und 11 umgewandelt werden
kann. Die Bereitstellung dieser gespeicherten Energie erfolgt mittels
an sich bekannter Regelventile in der Steuerdruckleitung 14.
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Die 2 zeigt
in einer zur 1 baugleichen Ausführung die
failsafe-Stellung der Kolben 2, 8 und 9 anhand
einer perspektivischen Schnittdarstellung. Durch Öffnen der
Ventile in der Steuerdruckleitung 14 wird die im Energiespeicher 7 vorhandene Energie
in Form eines Hydraulikdruckes zu der wirksamen Arbeitsfläche der
Hilfskolben 8 und 9 geführt. Da diese Arbeitsfläche der
Hilfskolben 8 und 9 größer als die wirksame Arbeitsfläche des
Kolbens 2 ist, wird durch den hydraulischen Druck an den
Hilfskolben 8, 9 eine größere Kraft erzeugt, als an
dem Kolben 2. Dies führt
zu einer Bewegung der Hilfskolben 8 und 9 entlang
der Kolbenstangen 10 und 11 auf den Kolben 2 zu.
Dieser wird in der Endstellung der Hilfskolben 8 und 9 in
seiner definierten Endlage positioniert. Während dieses Vorganges wird
die im Hubraum vorhandene Hydraulikflüssigkeit zur Bewegung des Kolbens 2 über die
Betriebsdruckleitungen 12 und 13 abgeführt. In
der dargestellten Ausführung
einer hydraulischen Stelleinheit sind in dem Hubraum des Zylinders 1 ferner
zwei Absätze 19 und 20 vorhanden,
die als Flansche zugleich einen Endanschlag für die Bewegung der Hilfskolben 8 und 9 bilden.
Damit lässt sich
innerhalb des Hubraumes des Zylinders 1 jede beliebige
Position als failsafe-Stellung des Kolbens 2 festlegen,
sodass der Kolben 2 mittels der Hilfskolben 8, 9 in
eine vorab definierte Position verbracht werden kann.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass die Definition der Endposition
des Kolbens 2 auch in anderer Weise erfolgen kann, als
mittels der zuvor beschriebenen Absätze. So ist beispielsweise über die geometrische
Längenauslegung
der Kolbenstange(n) eine in der Wirkung gleiche Lösung umsetzbar. Ebenso
lässt sich
der Weg der Hilfskolben durch eine geeignete Druckverteilung in
den Steuerdruckleitungen umsetzen beziehungsweise begrenzen.
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Aus
der 3 geht eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante
einer hydraulischen Stelleinheit in einer failsafe-Stellung hervor. Die
Besonderheit dieser Lösung
besteht darin, dass hierbei nicht ein Hydraulikdruck sondern je
eine auf den Hilfskolben 8 beziehungsweise 9 wirkende
Feder als Energiespeicher 5, 6 zum Einsatz kommt.
Auch bei dieser hydraulischen Stelleinheit unterteilt ein Kolben 2 den
Hubraum eines Zylinders 1 in zwei Kammern 3 und 4. Über die
Betriebsdruckleitungen 12 und 13 wird Hydraulikflüssigkeit
zu- beziehungsweise abgeführt,
sodass eine Bewegung des Kolbens 2 innerhalb des Hubraumes
ermöglicht
ist. Zur Erzeugung eines die Hilfskolben 8, 9 während des Normalbetriebes
der hydraulischen Stelleinheit in ihrer Endlage fixierenden Druckes
sind ferner zwei weitere Betriebsdruckleitungen 21 und 22 vorhanden, die
jeweils in einen Ringraum 23 beziehungsweise 24 des
Zylinders 1 münden,
der durch einen Absatz 25, 26 im Hubraum des Zylinders 1 und
je eine korrespondierende Kolbenfläche 27, 28 der
Hilfskolben 8, 9 begrenzt wird. Im unteren Bildteil
der 3 ist dieser Normalbetrieb der Stelleinheit dargestellt
und mit dem Buchstaben „B" gekennzeichnet.
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Gegen
die Rückseite
der Hilfskolben 8, 9 wirkt jeweils eine sich mit
ihrer anderen Seite an der Innenwand des Hubraumes des Zylinders 1 abstützende Feder 5 beziehungsweise 6,
die bei dem gezeigten Beispiel eine als Druckfeder ausgeführte Spiralfeder
ist.
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Der
obere Bildteil der 3 zeigt mit dem Buchstaben „A" gekennzeichnet die
failsafe-Stellung der
hydraulischen Stelleinheit. Hier wurde der Druck an den Betriebsdruckleitungen 12 und 13 sowie 21 und 22 abgesenkt,
sodass die Kraft der Feder größer ist,
als die durch den Druck im Hubraum erzeugte Gegenkraft. Dies führt auf
Grund der Entspannung der Energiespeicher 5, 6 zu
einer Bewegung der Hilfskolben 8, 9 in Richtung
auf den Kolben 2 zu, wobei die Hilfskolben wie auch bei
der zuvor beschriebenen Ausführungsvariante
entlang der beidseitig an dem Kolben 2 vorhandenen Kolbenstangen 10 und 11 gleitend
geführt
sind.
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Eine
spezielle Bauart einer hydraulischen Stelleinheit geht darüber hinaus
aus der Schnittdarstellung der 4 hervor.
Darin ist ein einfach wirkender Kolben 2 innerhalb eines
Hubraumes des Zylinders 1 bewegbar geführt. Der Kolben unterteilt
den Hubraum in zwei Kammern 3 und 4. Er weist
einseitig eine Kolbenstange 10 auf, deren Ende aus dem
Zylinder 1 herausgeführt
ist. Der Kolben 2 wirkt mit einem Hilfskolben 8 zusammen,
der bei dieser Ausführung
nicht auf der Kolbenstange 10 gleitend geführt wird,
sondern verschiebbar innerhalb einer Kammer 29 hin- und
her bewegt werden kann. Der Hilfskolben 8 verfügt rückseitig,
also auf der dem Kolben 2 abgewandten Seite über einen
Hohlraum, in den als Energiespeicher 5 eine als Druckfeder
ausgeführte
Spiralfeder eingesetzt ist. Die Betriebsdruckleitungen 12 und 21 stellen
in der zuvor bereits eingehend erläuterten Weise den Betriebsdruck
zur Verfügung.
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Der
obere Bildteil der 4 zeigt eine failsafe-Stellung
des Kolbens und ist deshalb mit dem Buchstaben „A" gekennzeichnet, während im unteren Bildteil der
mit dem Buchstaben „B" bezeichnete Normalbetrieb
des Kolbens 2 dargestellt ist.
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Es
ist an dieser Stelle noch anzumerken, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung neben
den beschriebenen Betriebsarten der hydraulischen Stelleinheit jeweils
auch eine Sperrstellung des Kolbens 2 umsetzbar ist, die
in bestimmten Einsatzfällen
insbesondere bei Verwendung der Erfindung in einem Fahrwerk eines
Kraftfahrzeuges erforderlich oder von Nutzen sein kann. Als „Sperrstellung" wird dabei eine
Fixierung des Kolbens 2 in einer bestimmten Position innerhalb
des Hubraumes des Zylinders 1 verstanden, ohne dass die
Hilfskolben zum Einsatz kommen. Erreichbar ist diese Sperrstellung
durch eine entsprechende Regelung des über die Betriebsdruckleitungen 12 und 13 bereitgestellten
Hydraulikdruckes. Durch diese Maßnahme kann der Kolben 2 in
jeder beliebigen Position zwischen seinen beidseitigen Endanschlägen arretiert
werden.
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- 1
- Zylinder
- 2
- Kolben
- 3
- Kammer
- 4
- Kammer
- 5
- Energiespeicher
- 6
- Energiespeicher
- 7
- Energiespeicher
- 8
- Hilfskolben
- 9
- Hilfskolben
- 10
- Kolbenstange
- 11
- Kolbenstange
- 12
- erste
Betriebsdruckleitung
- 13
- zweite
Betriebsdruckleitung
- 14
- Steuerdruckleitung
- 15
- erste
Steuerdruckleitung
- 16
- zweite
Steuerdruckleitung
- 17
- Hohlraum
- 18
- Austrittsöffnung
- 19
- Absatz
- 20
- Absatz
- 21
- Betriebsdruckleitung
- 22
- Betriebsdruckleitung
- 23
- Ringraum
- 24
- Ringraum
- 25
- Absatz
- 26
- Absatz
- 27
- Kolbenfläche
- 28
- Kolbenfläche
- 29
- Kammer
- K1
- Fläche
- K2
- Fläche