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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine pneumatische Verstelleinrichtung
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen und insbesondere
eine pneumatische Verstelleinrichtung zur Verwendung in Fahrzeugen.
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Aus
dem Stand der Technik sind beispielsweise Sitzverstellungen für Kraftfahrzeuge
bekannt, welche auch eine Kopfstützenverstellung
umfassen. Die Kopfstützenverstellung
funktioniert dabei in der Regel entweder rein mechanisch oder durch
einen Elektromotor angetrieben. Bei der rein mechanischen Verstellung
wird ein Sperrelement gedrückt, um
die Kopfstütze
freizugeben und die Kopfstütze von
Hand nach oben oder nach unten zu verschieben. Bei einer motorischen
Verstellung wird beispielsweise ein Schalter betätigt, um ein selbsthemmendes Übersetzungsgetriebe über den
Elektromotor anzutreiben, um die Kopfstütze zu verstellen. Insbesondere
bei der elektromotorischen Verstellung wurde jedoch festgestellt,
dass aufgrund der Anordnung des Elektromotors am oberen Bereich
des Sitzes nahe der Kopfstütze
bei Unfällen
eine Masse im oberen Bereich des Sitzes sehr groß wird, was zu einer zusätzlichen
Gefährdung
der Fahrzeuginsassen führen
kann. Ferner sind die elektromotorisch betriebenen Kopfstützen aufwendig
und teuer in der Herstellung.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße pneumatische
Verstelleinrichtung sowie das Verfahren zum Betreiben einer solchen,
mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche weisen
demgegenüber
den Vorteil auf, dass diese besonders einfach und kostengünstig bereitgestellt
werden können.
Dabei weist die erfindungsgemäße pneumatische
Verstelleinrichtung auch nur eine minimale Masse auf, so dass sie
insbesondere auch beispielsweise zur Verstellung von Kopfstützen in
Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Dadurch wird verhindert, dass
bei einem Unfall aufgrund der Masse der Verstelleinrichtung eine
zusätzliche
Gefährdung
von Personen auftritt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die
pneumatische Verstelleinrichtung einen Zylinder mit einem darin
beweglich angeordneten Kolben umfasst, welcher den Zylinder in eine
erste und zweite Zylinderkammer unterteilt. Der Kolben ist mit einem
zu verstellenden Element, wie z. B. einer Kopfstütze, verbunden. Die pneumatische
Verstelleinrichtung umfasst ferner eine Druckerzeugungseinheit mit
einem Druckerzeuger, Stelleinrichtungen und Regelungseinrichtungen,
um ein Druckniveau in einer ersten und einer zweiten Leitung individuell
zu variieren. Die erste Zylinderkammer ist dabei über die
erste Leitung mit der Druckerzeugungseinheit und die zweite Zylinderkammer über die
zweite Leitung mit der Druckerzeugungseinheit verbunden. Ferner
ist eine Sperreinrichtung zum Sperren des zu verstellenden Elements
und ein Aktor zum Freigeben und Verriegeln der Sperreinrichtung vorgesehen.
Der Aktor umfasst eine mit der Druckerzeugungseinheit verbundene
erste Kammer, welche einen Wandbereich aus flexiblem Material aufweist. Der
flexible Wandbereich ist dabei über
ein Betätigungselement
mit der Sperreinrichtung verbunden, um bei einer Druckänderung,
insbesondere eine Druckerhöhung
in der ersten Kammer über
das Betätigungselement
die Sperreinrichtung freizugeben. Somit kann erfindungsgemäß ohne aufwendige
und teure Bauteile eine Verstellung eines zu verstellenden Elements
ausgeführt
werden. Ferner kann für
die pneumatische Verstelleinrichtung Luft verwendet werden, so dass
sich keine Nachteile bei einem gegebenenfalls vorkommenden Leck
ergeben.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist die erste Kammer über
ein Wechselventil wahlweise mit der ersten Leitung oder der zweiten
Leitung verbunden. Das Wechselventil ist dabei ein Ventil mit zwei
Eingängen
und einem Ausgang, wobei abhängig
vom Druckniveau an den beiden Eingängen jeweils eine Verbindung
zwischen dem Ausgang und dem Eingang mit höherem Druckniveau hergestellt
wird. Der Ausgang des Wechselventils ist dabei mit der ersten Kammer
verbunden und die beiden Eingänge
jeweils mit der ersten bzw. zweiten Leitung der Druckerzeugungseinheit
verbunden.
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Weiter
bevorzugt ist der Wandbereich aus einem elastischen Material hergestellt.
Dadurch kann eine selbstständige
Rückstellung
des flexiblen Wandbereichs erreicht werden. Als Material für den elastischen
Wandbereich kann beispielsweise eine elastische Gummimembran oder
eine elastische Metallmembran oder ein elastischer Faltenbalg verwendet werden.
Alternativ kann, wenn kein elastisches Material für den Wandbereich
verwendet wird, eine Rückstellung
mittels eines Federelements erfolgen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst
der Aktor eine zweite Kammer, welche mit der Atmosphäre verbunden
ist. Der flexible Wandbereich der ersten Kammer bildet dabei auch
einen Wandbereich der zweiten Kammer. Vorzugsweise ist die Sperreinrichtung
ein Ring mit einer Verzahnung am inneren Umfang oder ein Haken.
Ein Teilbereich des zu verstellenden Elements kann dabei durch den
Ring geführt sein
oder vom Haken umschlossen sein.
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Weiter
bevorzugt umfasst die pneumatische Verstelleinrichtung ein Federelement,
um den flexiblen Wandbereich wieder in seine Ausgangsposition zurückzustellen.
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Besonders
bevorzugt ist das zu verstellende Element eine Kopfstütze, und
die Sperreinrichtung greift dabei an einer Kopfstützenstange
an, mit welcher die Kopfstütze
an einem Sitz befestigt ist. Alternativ ist das zu verstellende
Element ein Fahrzeugsitz.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer pneumatischen Verstelleinrichtung
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht
eines in 1 gezeigten Aktors der Verstelleinrichtung,
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3 eine
schematische Darstellung eines Wechselventils der pneumatischen
Verstelleinrichtung,
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4 eine
weitere schematische Darstellung eines schaltbaren Wechselventils
der pneumatischen Verstelleinrichtung und
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5 eine
alternative Ausführung
des doppelwirkenden Zylinders.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine
pneumatische Verstelleinrichtung 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die pneumatische Verstelleinrichtung 1 wird
dabei zur Verstellung einer Kopfstütze 2 eingesetzt,
welche an einem oberen Bereich eines Fahrzeugsitzes 3 angeordnet
ist.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist die pneumatische Verstelleinrichtung 1 in
einem Hohlraum im oberen Bereich des Fahrzeugsitzes 3 angeordnet. Die
pneumatische Verstelleinrichtung 1 umfasst dabei einen
Zylinder 4 mit einem darin angeordneten Kolben 5,
welcher den Zylinder 4 in eine erste Zylinderkammer 6 und
eine zweite Zylinderkammer 7 unterteilt. Der Kolben 5 ist über eine
Kolbenstange 5a mit der Kopfstütze 2, genauer mit
einer Kopfstützenstange 2a verbunden.
Die pneumatische Verstelleinrichtung umfasst ferner einen Aktor 8 und
ein Betätigungselement
in Form einer Betätigungsstange 12. Der
Aktor 8 weist ein Aktorgehäuse 8a auf und ist
in eine erste Kammer 9 und eine zweite Kammer 10 unterteilt.
Die Unterteilung erfolgt hierbei mittels eines flexiblen Wandbereichs 11.
Der flexible Wandbereich 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel
eine elastische Gummimembran, welche sich selbsttätig in ihre
in 1 gezeigte Ausgangsstellung zurückstellt.
Der flexible Wandbereich 11 ist fest mit der Betätigungsstange 12 verbunden.
Die Betätigungsstange 12 ist ferner,
wie in 2 gezeigt, in einem flanschartigen Führungsbereich 8b des
Aktors 8 geführt.
Die Betätigungsstange 12 ist
dabei mittig am Wandbereich 11 fixiert. Am Ende der Betätigungsstange 12 ist
eine Sperreinrichtung 13 fixiert. Die Sperreinrichtung 13 ist
ein Ring mit einer Innenverzahnung 13. Wie aus 2 ersichtlich
ist, ist die Kopfstützenstange 2a der Kopfstütze 2 durch
das Innere des Rings 13 geführt, wobei sich bei dem in
den 1 und 2 gezeigten gesperrten Zustand
der pneumatischen Verstelleinrichtung die Innenverzahnung 13a mit
entsprechend ausgebildeten Rastbereichen (Zahnstange) an der Kopfstützenstange 2a im
Eingriff befindet. Dadurch kann die Kopfstütze 2 nicht verstellt
werden und ist in ihrer Position gesperrt.
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Wie
weiter aus 1 ersichtlich ist, umfasst die
pneumatische Verstelleinrichtung 1 eine Druckerzeugungseinheit 16,
welche über
eine erste Leitung 14 mit der ersten Zylinderkammer 6 und über eine zweite
Leitung 15 mit der zweiten Zylinderkammer 7 verbunden
ist. Von der ersten Leitung 14 geht eine erste Zweigleitung 14a ab,
welche zu einem Wechselventil 17 führt. Von der zweiten Leitung 15 geht eine
zweite Zweigleitung 15a ab, welche ebenfalls zum Wechselventil 17 führt. Das
Wechselventil 17 ist ferner über einen ersten Anschluss 19 mit
der ersten Kammer 9 des Aktors verbunden. Die zweite Kammer 10 des
Aktors 8 ist über
einen zweiten Anschluss 20 mit der Umgebungsluft verbunden.
Wie aus 1 ersichtlich ist, führt der
zweite Anschluss 20 dabei in einen inneren Hohlraum im
Fahrzeugsitz 3. Die Druckerzeugungseinheit 16 umfasst
dabei einen Druckerzeuger, z. B. einen Kompressor, sowie eine Vielzahl
von Stelleinrichtungen (z. B. Ventile) und Regelungseinrichtungen.
Die Druckerzeugungseinheit 16 ist dabei in der Lage, individuell
unterschiedliche Drücke
in der ersten Leitung 14 und der zweiten Leitung 15 vorzusehen
bzw. diese Leitungen mit der Atmosphäre zu verbinden.
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3 zeigt
schematisch den Aufbau des Wechselventils 17. Das Wechselventil 17 umfasst dabei
zwei Eingänge,
welche mit der ersten und zweiten Zweigleitung 14a, 15a verbunden
sind, und einen Ausgang 18, welcher mit dem ersten Anschluss 19 der
ersten Kammer 9 des Aktors 8 verbunden ist. Dabei
umfasst das Wechselventil 17 praktisch zwei Rückschlagventile,
wobei abhängig vom Druckniveau
an der ersten und zweiten Zweigleitung 14a, 15a jeweils
eine Verbindung der Zweigleitung mit höherem Druckniveau mit dem Auslass 18 erfolgt.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen pneumatischen
Verstelleinrichtung 1 ist dabei wie folgt: Wenn eine Verstellung
der Kopfstütze 2 gewünscht wird,
erzeugt die Druckerzeugungseinheit 16 in einem ersten Schritt
einen ersten Druck für
die erste Leitung 14 und einen zweiten Druck für die zweite Leitung 15.
Der Druck für
die zweite Leitung 15 ist dabei etwas höher als der Druck in der ersten
Leitung 14, um den Kolben 5 in einem Gleichgewichtszustand
im Zylinder 4 zu halten. Damit der Gleichgewichtszustand
gehalten wird, muss der Druck in der zweiten Zylinderkammer 7 etwas
größer sein
als der Druck in der ersten Zylinderkammer 6, da die Kolbenfläche durch
die Kolbenstange 5a verkleinert ist. Das Kräftegleichgewicht
am Kolben 5 ist notwendig, um ein vorzeitiges Verstellen
der Kopfstütze 2 zu
verhindern. Dadurch liegt an der zweiten Zweigleitung 15a ein
höherer
Druck als an der ersten Zweigleitung 14a an, so dass das
Wechselventil eine Verbindung zwischen der zweiten Zweigleitung 15a und
dem Auslass 18 herstellt. Dadurch erfolgt ebenfalls eine
Druckerhöhung
in der ersten Kammer 9 des Aktors 8. Hierdurch
wölbt sich
der flexible Wandbereich 11 in Richtung der zweiten Kammer 10,
wobei Luft aus der zweiten Kammer 10 über dem zweiten Anschluss 20 ausströmt. Durch
die Wölbung
des flexiblen Wandbereichs 11 verschiebt sich die Betätigungsstange 12, wodurch
die Innenverzahnung 13a der Sperreinheit 13 außer Eingriff
mit den Rastbereichen der Kopfstützenstange 2a kommt.
Dadurch ist die Kopfstützenstange 2a freigegeben.
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Nun
kann abhängig
von der gewünschten Verstellrichtung
der Kopfstütze 2,
d. h., ob die Kopfstütze 2 nach
oben oder nach unten verstellt werden soll, ein höherer Druck
in die erste Leitung 14 (Verstellung der Kopfstütze 2 nach
oben) oder in die zweite Leitung 15 (Verstellung der Kopfstütze 2 nach
unten), erfolgen. Die jeweils andere Leitung wird mit der Atmosphäre verbunden,
um eine schnelle Verstellung der Kopfstütze zu ermöglichen. Es sei angemerkt,
dass in der anderen Leitung jedoch auch eine kontinuierliche Reduzierung
des Druckniveaus ausgeführt
werden kann, um eine sanfte Verstellung der Kopfstütze 2 zu
ermöglichen.
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Wenn
die Verstellung der Kopfstütze 2 abgeschlossen
ist, werden die erste und zweite Leitung 14, 15 drucklos
gestellt, so dass auch die erste Kammer 9 des Aktors 8 drucklos
gestellt ist, wodurch eine automatische Rückstellung des elastischen
Wandbereichs 11 erfolgt. Dadurch wird die mit dem Wandbereich 11 verbundene
Betätigungsstange 12 ebenfalls in
ihre Ausgangsposition zurückgestellt
und die Innenverzahnung 13a kommt wieder mit der Kopfstützenstange 2a in
Eingriff, so dass die veränderte
Position der Kopfstütze 2 wieder
gesperrt ist. Im gesperrten Zustand kann das gesamte System dabei drucklos
sein, da die Sperrung der Kopfstütze 2 durch
die Sperreinrichtung 13 sichergestellt ist. Insbesondere
ist es nicht notwendig, im System einen Druck aufrecht zu erhalten,
um die Sperrung zu ermöglichen.
Dadurch kann die pneumatische Versteileinrichtung 1 sehr
kostengünstig
die Position der Kopfstütze 2 halten,
ohne dass unerwünschte
Betätigungen
des Druckerzeugers zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Druckniveaus
notwendig werden.
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Im
Vergleich zu den bekannten manuellen oder elektromotorischen Verstelleinrichtungen
für Kopfstützen kann
die erfindungsgemäße pneumatische
Versteileinrichtung 1 sehr kostengünstig realisiert werden. Insbesondere
kann, wenn beispielsweise im Fahrzeugsitz zusätzlich eine Komfortfunktion
in Form von einer pneumatischen Lordosestütze oder anderen pneumatischen
Komforteinrichtungen vorhanden sind, eine einfache Verbindung der
pneumatischen Verstelleinrichtung für die Kopfstütze mit
den vorhandenen Systemen ausgeführt
werden. Dabei kann auch die für
die bereits im Fahrzeugsitz vorhandenen Systeme vorgesehene Druckerzeugungseinheit
verwendet werden.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
ermöglicht
es ferner, dass auf eine Dichtung an der Betätigungsstange 12 zur
Abdichtung der zweiten Kammer 10 des Aktors 8 verzichtet
werden kann, da die zweite Kammer 10 über den zweiten Anschluss 20 immer mit
der Atmosphäre
verbunden ist. Hierdurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung
des Aufbaues der pneumatischen Verstelleinrichtung 1. Es
sei angemerkt, dass alternativ auch der zweite Anschluss 20 der
zweiten Kammer 10 des Aktors 8 mit der Druckerzeugungseinheit
verbunden werden kann, um entsprechend ein Druckniveau in der zweiten
Kammer 10 zu regeln. Dies erfordert jedoch einen größeren baulichen
Aufwand und insbesondere auch eine Abdichtung an der Betätigungsstange 12.
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In 3 ist
alternativ zu dem zwei Rückschlagventile
aufweisenden Wechselventil 17 ein schaltbares Ventil 30 dargestellt,
das in der gezeigten Schaltposition die erste Kammer 9 über den
ersten Anschluss 19 in die Umgebung entlüftet. Dabei
sind die Zweigleitungen 14a und 15a zu den ersten
und zweiten Druckleitungen 14 und 15 (Bezugszeichen entsprechend
der 1) gesperrt. Im entlüfteten Zustand der ersten Kammer 9 sperrt
die Sperrvorrichtung 13 das zu verstellende Element 2.
Soll das Element 2 verstellt werden, wird das Ventil 30 – das hier als
4/3-Wegeventil 32 ausgebildet ist – in die linke oder rechte
Position geschaltet, wodurch mit der Druckbeaufschlagung einer Zylinderkammer 6 oder 7 die
Kammer 9 mit Druck beaufschlagt wird. Dadurch gibt die
Sperrvorrichtung 13 über
die Betätigungsstange 12 das
Element 2 frei, wodurch dieses verschoben werden kann.
Bei diesem Ventil 32 ist in dann die korrespondierende
Zylinderkammer 7 bzw. 6 mit der Umgebung verbunden,
so dass der Kolben 5 lediglich gegen Atmosphärendruck
verstellt werden muss. Nach Beendigung des Verstellvorgangs wird das
Ventil 32 wieder in die mittlere Position geschaltet, so
dass die Kammer 9 entlüftet
wird, und das Element 2 wieder gesperrt wird.
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Als
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 4 ein schaltbares Ventil 30 mit der ersten
Kammer 9 verbunden. Das schaltbare Ventil 30 weist
keine Verbindung mit den Druckleitungen 14 und 15 auf
und wird daher unabhängig
von der Betätigung
des Kolbens 5 separat angesteuert. Dadurch kann nach Beendigung
des Verstellvorgangs des Elements 2 die erste Kammer 9 entlüftet werden,
um über
die Betätigungsstange 2 die
Sperrvorrichtung 13 zu aktivieren. Das Ventil 30 kann
beispielsweise als 2/2-Wegeventil 31 ausgebildet sein,
das die erste Kammer 9 in einem ersten Schaltzustand mit
der Umgebung verbindet und in einem zweiten Schaltzustand sperrt.
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Als
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 4 eine Drossel 34 an der ersten Kammer 9 angeordnet, durch
die Arbeitsmedium aus der Kammer 9 entweichen kann. Dabei
ist der Durchlassquerschnitt der Drossel 34 derart dimensioniert,
dass beispielsweise bei einem Aufbau gemäß 1 mit dem
Wechselventil 17 über
die Druckleitungen 14 oder 15 mehr Arbeitsmedium
in die Kammer 9 zugeführt
wird, als über
die Drossel 34 entweicht. Dadurch wird das Element 2 während der
Druckbeaufschlagung des Kolbens 5 entsperrt. Nach Beendigung
der Verstellbewegung des Elements 2 wird der ersten Kammer 9 kein
weiteres Arbeitsmedium zugeführt,
wodurch der Druck in der Kammer 9 mit einer entsprechenden Zeitverzögerung über die
Drossel 34 absinkt und die Sperrvorrichtung 13 dadurch
das Element 2 wieder verrastet.
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In 5 ist
eine alternative Ausführung
eines doppelwirkenden Zylinders 4 gezeigt, bei der anstelle
der ersten und zweiten Zylinderkammer 6 und 7 Blasen 6' und 7' in einem offenen
Gehäuse 4' angeordnet
sind. Die mit Druck beaufschlagbaren Blasen 6' und 7' üben eine
Kraft auf einen zwischen den Blasen 6' und 7' angeordneten Schubbügel 5' aus, der mit
dem zu verstellenden Element 2 – beispielsweise direkt mit
der Kopfstütze 2 – verbunden
ist. In der linken Bildhälfte
ist eine Seitenansicht dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass
der Schubbügel 5' in Führungsschlitzen 36 des
Gehäuses 4' geführt wird.
Die Blasen 6', 7' sind wie die
Zylinderkammern 6, 7 der 1 über Druckleitungen 14, 15 mit
der Druckerzeugungseinheit 16 verbunden und können in
gleicher Weise zum Verstellen des Elements 2 mit Druck versorgt
werden. Durch die direkte Befüllung
der Blasen 6' und 7' mit Druck muss
das Gehäuse 4' nicht dicht
ausgeführt
werden und kann eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise hat
das Gehäuse 4' eine rechteckige
Grundfläche 38.
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Es
sei ferner angemerkt, dass die Sperreinrichtung 13 beispielsweise
auch als Haken, welcher in Ausnehmungen in der Kopfstützenstange 2a eingreift,
ausgebildet sein kann.