DE102009005186B3

DE102009005186B3 - Pneumatischer Steller

Info

Publication number: DE102009005186B3
Application number: DE200910005186
Authority: DE
Inventors: Markus Johnen
Original assignee: SMK Systeme Metall Kunststoff GmbH and Co KG
Current assignee: SMK Systeme Metall Kunststoff GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: EP2208893A2; EP2208893A3

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem pneumatischen Steller mit einem Gehäuse, das einen Boden (1) und einen Deckel (2) aufweist, einer in dem Gehäuse zwischen Boden (1) und Deckel (2) eingespannten Membran (3), einem von dem Deckel (2) und der Membran (3) umgebenen Arbeitsraum, der an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbar ist, einer in dem Arbeitsraum angeordneten Rückstellfeder (6), welche auf die Membran (3) einwirkt, einer aus dem Boden (1) herausragenden Stange (7), die in ihrer Längsrichtung beweglich ist und mit der Membran (3) gekoppelt ist, so dass die Stange (7) bei einer Vergrößerung des Arbeitsraums weiter aus dem Gehäuse herausgeschoben und bei einer Verkleinerung des Arbeitsraums tiefer in das Gehäuse hineingezogen wird. Erfindungsgemäß ist in dem Arbeitsraum ein magnetischer Positionsgeber (8), der mit der Membran (3) gekoppelt ist, und ein Magnetfeldsensor (9) zum Detektieren einer Verschiebung des Positionsgebers (8) angeordnet, wobei in dem Arbeitsraum zwischen der Rückstellfeder (6) und dem Magnetfeldsensor (9) ein magnetischer Schild (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Steller mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie er beispielsweise aus der DE 10 2005 007 561 A1 bekannt ist. Solche pneumatischen Steller werden auch als pneumatische Aktoren bezeichnet und insbesondere im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen verwendet, beispielsweise zum Betätigen von Abgasrückführventilen und Abgasklappen oder als Ladedruckregler für Abgasturbolader.
Für eine präzise Steuerung derartiger Steller ist es wünschenswert, die Position der als Stellglied dienenden Stange des Stellers möglichst einfach und präzise erfassen zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie dies bei einem kompakten Aufbau mit geringem Aufwand möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch einen pneumatischen Steller mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Steller ist in dem Arbeitsraum ein magnetischer Positionsgeber angeordnet, der mit der Membran gekoppelt ist und deshalb bei einer druckbedingten Änderung der Größe des Arbeitsraums verschoben wird. Der Positionsgeber folgt also einer durch einen Anstieg oder Abfall des in dem Arbeitsraum herrschenden Drucks bewirkten Bewegung der Membran. Aus der Position des Positionsgebers kann folglich auf die momentane Größe des Arbeitsraumes und damit auf die Position der Stange geschlossen werden kann. Die Position des Positionsgebers kann mit einem Magnetfeldsensor detektiert werden.
Indem der Positionsgeber in dem Arbeitsraum des pneumatischen Sensors angeordnet wird, lässt sich eine kompakte Bauweise erreichen. Zudem ist der Positionsgeber durch das Gehäuse vor einer Beschädigung geschützt, so dass insgesamt ein einfacherer Aufbau erreicht werden kann, als dies mit einem außerhalb des Arbeitsraums an der Stange befestigten Positionsgeber möglich wäre. Ein eventuell störendes Magnetfeld der Rückstellfeder kann dabei durch einen magnetischen Schild abgeschirmt werden, der in dem Arbeitsraum zwischen der Rückstellfeder und dem Magnetfeldsensor angeordnet ist. Der magnetische Schild kann aus weichmagnetischen Werkstoffen, insbesondere Eisenlegierungen hergestellt werden. Bevorzugt sind silizium- oder nickelhaltige Eisenlegierungen. Geeignete weichmagnetische Legierungen sind im Handel beispielsweise unter den Bezeichnungen Mumetall, Vacoperm und Permenorm erhältlich.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Rückstellfeder eine Wendelfeder ist, die den Schild umgibt. Bevorzugt ist dabei insbesondere, dass der Schild als Federzentrierring ausgebildet ist. Auf diese Weise ist ein vorteilhaft einfacher und damit kostengünstiger Aufbau des erfindungsgemäßen Stellers möglich. Beispielsweise kann sich der Schild in Richtung zur Membran hin verjüngen, insbesondere eine kegelstumpfförmige Außenfläche haben. Die Rückstellfeder kann bei der Montage auf einen solchen Schild leicht aufgesetzt werden und behält zuverlässig die vorgesehene Position bei.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Positionsgeber auf einem Membranteller sitzt, an dem die Membran anliegt. Die Membran kann stoffflüssig mit Seitenwänden des Membrantellers verbunden sein. Möglich ist es auch, dass der Membranteller mit seiner Grundfläche an der Membran anliegt. Durch Einsatz eines Membrantellers lässt sich die Membran vor Beschädigungen schützen. Zwingend erforderlich ist ein Membranteller jedoch nicht. Insbesondere kann der Positionsgeber auch direkt auf der Membran sitzen oder integral mit einem Membranteller ausgebildet sein.
Bevorzugt hat der Positionsgeber einen dem Membranteller zugewandten Fuß, an dem die Rückstellfeder anliegt. Besonders bevorzugt ist dabei, dass sich der Fuß von dem Membranteller weg verjüngt, beispielsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Rückstellfeder bei der Montage als Wendelfeder besonders einfach auf den Positionsgeber aufgesetzt werden. Indem die Rückstellfeder gegen den Membranteller drückt, wird auf diese Weise der Positionsgeber stets an der Membran gehalten, so dass er deren Bewegungen folgt.
Der Positionsgeber eines erfindungsgemäßen Stellers kann im einfachsten Fall vollständig aus einem ferro- oder ferrimagnetischem Material bestehen, beispielsweise als ein Stift ausgebildet sein. Bevorzugt ist ein Permanentmagnet aber nur ein Teil des Positionsgebers. Beispielsweise kann ein Permanentmagnet in einem stiftförmigen Abschnitt des Positionsgebers angeordnet sein, der von einem verbreiterten Fußteil ausgeht. Der Positionsgeber kann auf diese Weise als ein kostengünstiges Kunststoffteil ausgebildet sein, in das ein Permanentmagnet eingebettet ist, beispielsweise indem der Permanentmagnet in eine passende Ausnehmung eingesetzt ist oder das Kunststoffteil um den Magneten herum gespritzt ist.
Ein erfindungsgemäßer Steller wird bevorzugt zum Betätigen eines Ventils im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet, beispielsweise zum Betätigen einer Abgasklappe, zum Betätigen eines Abgasrückführventils oder als Ladedruckregler für einen Abgasturbolader.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellers in einer Schnittansicht.
Bei dem in 1 dargestellten pneumatischen Steller handelt es sich um einen Ladedruckregler für Abgasturbolader von Brennkraftmotoren für Automobile. Der Ladedruckregler hat ein zweiteiliges Gehäuse, das einen Boden 1 und einen Deckel 2 aufweist. In dem Gehäuse befindet sich zwischen Boden 1 und Deckel 2 eine eingespannte Membran 3, die in dem Gehäuse einen Arbeitsraum abteilt, der an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Arbeitsraum zwischen der Membran 3 und dem Deckel 2. Der Deckel 2 hat eine Anschlussöffnung 4 zum Anschließen des Arbeitsraums an eine Über- oder Unterdruckquelle.
In dem Arbeitsraum ist eine Rückstellfeder 6 angeordnet, welche auf die Membran 3 einwirkt, nämlich gegen einen Membranteller 5 drückt, an dem die Membran 3 anliegt Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran 3 stoffflüssig mit dem Membranteller 5 verbunden, beispielsweise mit dessen Seitenwänden verklebt.
Aus dem Boden 1 des Gehäuses ragt eine Stange 7 heraus, die in ihrer Längsrichtung beweglich und mit der Membran 3 gekoppelt ist, bevorzugt indem sie mit einem Ende an dem Membranteller 5 befestigt ist. Bei einem Anstieg oder Abfall des in dem Arbeitsraum herrschenden Drucks folgt die Stange 7 deshalb einer Bewegung des Membrantellers 5. Bei einer Ausdehnung des Arbeitsraums wird die Stange 7 in Längsrichtung verschoben, so dass die Stange 7 weiter aus einer Öffnung in dem Boden 1 des Gehäuses herausragt. Bei einem Abfall des Drucks in dem Arbeitsraum verkleinert sich dieser, so dass die Stange 7 von dem Membranteller 5 tiefer in das Gehäuse hineingezogen wird.
In dem Arbeitsraum ist ein magnetischer Positionsgeber 8 angeordnet, der ebenfalls mit der Membran 3 gekoppelt ist und folglich bei einer Änderung der Größe des Arbeitsraums ebenso wie die Stange 7 verschoben wird, nämlich in Längsrichtung der Stange 7. Bevorzugt ist der Positionsgeber 8 über den Membranteller 5 an die Membran 3 gekoppelt, beispielsweise indem der Positionsgeber 8 von der Feder 6 gegen den Membranteller 5 gedrückt wird.
An dem Deckel 2 ist ein Magnetfeldsensor 9 zum Detektieren einer Verschiebung des Positionsgebers 8 befestigt. Der Magnetfeldsensor 9 kann beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor mit einem magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand sei. Aus einem von dem Magnetfeldsensor 9 gelieferten Messsignal kann somit die Position des Positionsgebers 8 und damit auch die des Membrantellers 5 und der Stange 7 bestimmt werden.
Die Rückstellfeder 6 ist eine Wendelfeder aus Stahl. Um störende Magnetfeldeinflüsse der Feder 6 abzuschirmen ist in dem Arbeitsraum zwischen der Rückstellfeder 6 und dem Magnetfeldsensor 9 ein magnetischer Schild 10 angeordnet. Der Schild 10 ist aus einem weichmagnetischen Werkstoff, bevorzugt aus einer Eisenlegierung, beispielsweise einer siliziumhaltigen Eisenlegierung. Der Schild 10 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Federzentrierring ausgebildet. Die Feder 6 umgibt den Schild 10, der sich in Richtung zur Stange 7 hin verjüngt. Der Schild 10 hat eine kegelstumpfförmige Außenfläche, auf welche die Feder 6 bei der Montage leicht aufgesetzt werden kann.
Der Schild 10 umgibt eine Öffnung, durch die der Positionsgeber 8 hindurch ragt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich diese Öffnung praktisch über das gesamte der Stange 7 zugewandte Ende des Schilds 10. Möglich ist es jedoch auch, einen becherförmigen Schild zu verwenden, der an seinem Ende einen Boden mit einer kleineren Öffnung aufweist.
Der Positionsgeber 8 sitzt mit einem Fuß 8a auf dem Membranteller 5. Der Fuß 8a verjüngt sich zu dem Deckel 2 hin, bevorzugt indem er eine kegelstumpfförmige Außenfläche hat. Die Feder 6 ist auf den Fuß 8a aufgesetzt und durch dessen Form zentriert.
Der Positionsgeber 8 hat an einem stiftförmigen Abschnitt 8b einen Permanentmagneten 8c. Der Permanentmagnet 8c kann beispielsweise ein Ferritmagnet, ein AlNi- Co-Magnet oder ein Seltenerdmagnet, beispielsweise aus NdFeB, sein. Bevorzugt ist der Permanentmagnet 8c in eine dafür vorgesehene Ausnehmung des Positionsgebers 8 eingesetzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung ein zylindrisches Sackloch.
Der Magnetfeldsensor 9 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Einsatz 11 angeordnet, der in eine passende Öffnung des Deckels 2 eingesetzt ist. Der Einsatz 11 ist bevorzugt ein Spritzgussteil aus Kunststoff. Der Magnetfeldsensor 9 kann dabei von dem Kunststoffmaterial umspritzt sein. Möglich ist es auch, den Magnetfeldsensor 9 in einer passenden Ausnehmung des Einsatzteils 11 oder des Deckels 2 anzuordnen.

1: Boden
2: Deckel
3: Membran
4: Anschlussöffnung
5: Membranteller
6: Rückstellfeder
7: Stange
8: Positionsgeber
8a: Fuß
8b: stiftförmiger Abschnitt
8c: Permanentmagnet
9: Magnetfeldsensor
10: Magnetischer Schild
11: Einsatz

Claims

Pneumatischer Steller mit einem Gehäuse, das einen Boden (1) und einen Deckel (2) aufweist, einer in dem Gehäuse zwischen Boden (1) und Deckel (2) eingespannten Membran (3), einem von dem Deckel (2) und der Membran (3) umgebenen Arbeitsraum, der an eine Über- oder Unterdruckquelle anschließbar ist, einer in dem Arbeitsraum angeordneten Rückstellfeder (6), welche auf die Membran (3) einwirkt, einer aus dem Boden (1) herausragenden Stange (7), die in ihrer Längsrichtung beweglich ist und mit der Membran (3) gekoppelt ist, so dass die Stange (7) bei einer Vergrößerung des Arbeitsraums weiter aus dem Gehäuse heraus geschoben und bei einer Verkleinerung des Arbeitsraums tiefer in das Gehäuse hineingezogen wird, einem in dem Arbeitsraum angeordneten magnetischen Positionsgeber (8), der mit der Membran (3) gekoppelt ist, und einem Magnetfeldsensor (9) zum Detektieren einer Verschiebung des Positionsgebers (8), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitsraum zwischen der Rückstellfeder (6) und dem Magnetfeldsensor (9) ein magnetischer Schild (10) angeordnet ist.
Steller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (6) eine Wendelfeder ist, die den Schild (10) umgibt.
Steller nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (10) als Federzentrierring ausgebildet ist.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schild (10) in Richtung zur Stange (7) hin verjüngt.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (10) eine kegelstumpfförmige Außenfläche hat.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (10) eine Öffnung umgibt, durch die der Positionsgeber (8) hindurchragt.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (8) auf einem Membranteller (5) sitzt, an dem die Membran (3) anliegt.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (8) einen der Stange (7) zugewandten Fuß (8a) hat, an dem die Rückstellfeder (6) anliegt.
Steller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fuß (8a) sich zu dem Schild (10) hin verjüngt.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Rückstellfeder (6) erzeugte Federkraft auf eine Vergrößerung des Arbeitsraumes gerichtet ist.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (8) einen Permanentmagneten (8c) aufweist.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (8c) an einem stiftförmigen Abschnitt des Positionsgebers (8) angeordnet ist.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (9) an dem Deckel (2) befestigt ist.
Steller nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (6) aus Stahl ist.
Verwendung eines Stellers nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Betätigen eines Ventils im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.