DE102009058977A1

DE102009058977A1 - Sperreinrichtung

Info

Publication number: DE102009058977A1
Application number: DE102009058977A
Authority: DE
Inventors: Michael 66333 Casimir; Christian 66453 Groh
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22
Also published as: EP2513493A1; WO2011072759A1

Abstract

Eine Sperreinrichtung für Hydraulikzylinder wie Aktuatoren für Arbeitsgeräte und/oder Arbeits- und/oder Hilfszylinder für Lenksysteme von Fahrzeugen, wobei der Kolben des Zylinders an beiden Kolbenseiten an mit Hydraulikfluid befüllte Druckräume des Zylinders angrenzt, in denen für Kolbenbewegungen hydraulischer Druck aufbaubar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine einem Druckraum vorgeschaltete Ventilanordnung (51) vorhanden ist, die zwischen einem Öffnungszustand und einem Schließzustand umschaltbar ist, bei dem der Zylinder hydraulisch verriegelt ist, und dass eine Schalteinrichtung (71, 73) vorgesehen ist, die für ein im Wechsel erfolgendes Umschalten der Ventilanordnung (51) zwischen Öffnungszustand und Schließzustand betätigbar is.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sperreinrichtung für Hydraulikzylinder wie Aktuatoren für Arbeitsgeräte und/oder Arbeits- und/oder Hilfszylinder für Lenksysteme von Fahrzeugen, wobei der Kolben des Zylinders an beiden Kolbenseiten an mit Hydraulikfluid befüllte Druckräume des Zylinders angrenzt, in denen für Kolbenbewegungen hydraulischer Druck aufbaubar ist.
Bei dem Einsatz von Hydraulikzylindern zur Erzeugung von Arbeits- oder Steuerbewegungen ist es für einen sicheren Betrieb der zugeordneten, zu betätigenden oder zu steuernden Einrichtungen unerlässlich, dass Kolbenbewegungen zuverlässig sperrbar sind. Dies gilt insbesondere für Hydraulikzylinder, deren Kolben beidseits durch Fluiddruck beaufschlagbar ist, um Steuer- oder Arbeitsbewegungen in der einen oder anderen Richtung zu erzeugen. Als Beispiele unter einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für derartige Hydraulikzylinder seien hier lediglich Anwendungen im Bereich von Baumaschinen und Staplern oder bei hydraulischen oder hydraulisch unterstützen Lenksystemen von Fahrzeugen genannt. Bei solchen Anwendungen ist es während bestimmter Betriebsphasen, etwa dem Stillstand der betreffenden Maschine oder des betreffenden Fahrzeuges, erforderlich, dass Kolbenbewegungen des Zylinders sicher unterbunden sind, während in anderen Betriebsphasen eine sichere Freigabe der Arbeits- oder Steuerbewegungen gewährleistet sein muss.
Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Sperreinrichtung zur Verfügung zu stellen, die den vorstehend genannten, betrieblichen Anforderungen in besonderem Maße gerecht wird.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Sperreinrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Demgemäß sieht die Erfindung zum einen eine hydraulische Verriegelung des Zylinders vor, wobei auf einfache Weise hohe Haltekräfte realisierbar sind, so dass eine hohe Sicherheit gegen ein ungewolltes Entsperren gewährleistet ist. Dadurch, dass des weiteren dem Zylinder für das Verriegeln und Entsperren eine Ventilanordnung vorgeschaltet ist, die mittels einer Schalteinrichtung steuerbar ist, die derart betätigbar ist, dass ein Umschalten der Ventilanordnung zwischen Öffnungszustand und Schließzustand im Wechsel erfolgt, ist ein sicherer Betrieb der Sperreinrichtung mit geringem Steuerungsaufwand ermöglicht.
Aufgrund der hydraulischen Verriegelung des Zylinders und der damit gebotenen, im Vergleich zu einer mechanischen Arretierung des Zylinders wesentlich erhöhten Sicherheit gegen ungewolltes Entsperren eignet sich die Erfindung auch in besonderem Masse für die Sicherung von lenkbaren Fahrzeugen, etwa gegen Diebstahl oder unerlaubte Inbetriebnahme, indem ein Lenkzylinder oder ein Hilfszylinder des Lenksystems mittels der erfindungsgemäßen Sperreinrichtung während Stillstandszeiten des Fahrzeuges verriegelt wird.
Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist die Ventilanordnung ein Wegeventil, vorzugsweise in Form eines 2/2-Wegeventils möglicherweise aber auch in Form eines Wege-Sitzventils, auf, und die Schalteinrichtung für das Bewegen des Ventilkolbens des Wegeventils besitzt ein Verschiebesystem, das durch Auslöseimpulse betätigbar ist, um dem Ventilkolben pro Auslöseimpuls jeweils nur eine Steuerbewegung im Wechsel zwischen Offen- und Schließstellung zu erteilen, so dass das Wegeventil zwischen Auslöseimpulsen jeweils bistabil im Öffnungs- oder Schließzustand verbleibt. Dank des bistabilen Zustandes wird die Ventilanordnung den betrieblichen Grundanforderungen bei einem Zylinder eines Lenksystems für ein Fahrzeug gerecht, nämlich dass das Wegeventil während der Fahrt niemals schließen und im Parkzustand niemals öffnen darf. Dadurch, dass das Wegeventil zwischen Auslöseimpulsen jeweils in einem stabilen Zustand verharrt, ist für einen Schaltvorgang jeweils ein Auslöseimpuls erforderlich. Das System wird dadurch auch der Forderung gerecht, dass ein Energieverbrauch nur während eines Schaltvorgangs stattfindet.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen weist das Verschiebesystem zum Bewegen des Ventilkolbens einen koaxial zu dessen Bewegung geführten Druckbetätiger auf, gegen dessen Ende der Ventilkolben durch Federkraft vorgespannt ist, wobei die Schalteinrichtung einen Elektromagneten aufweist, der als Auslöseimpulse einem Betätigerkörper des Verschiebesystems jeweils einen diesen axial in Richtung auf den Druckbetätiger bewegenden Druckkraftimpuls erteilt, und wobei das Verschiebesystem eine den Druckbetätiger und den Betätigerkörper miteinander koppelnde Rasteinrichtung enthält, die die Axialbewegungen des Betätigerkörpers jeweils in Bewegungen des Druckbetätigers in axiale Schaltpositionen umsetzt, die im Wechsel der Offen- und der Schließstellung des Ventilkolbens entsprechen. Dadurch, dass der Betätigerkörper und der Druckbetätiger des Verschiebesystems über eine Rasteinrichtung derart miteinander gekoppelt sind, dass jeweils ein Druckkraftimpuls, der den Betätigerkörper axial in Richtung auf den Druckbetätiger bewegt, zu Bewegungen des Druckbetätigers in wechselnde Schaltpositionen führt, die im Wechsel der Offen- und der Schließstellung des Ventilkolbens entsprechen, ist die Erzeugung des Auslöseimpulses besonders einfach durch elektromagnetische Betätigung zu bewirken, beispielsweise mittels eines sogenannten Dummymagneten.
Die Anordnung kann mit Vorteil so getroffen sein, dass der Ventilkolben durch die ihn kraftschlüssig gegen den Druckbetätiger andrückende Federkraft in die Schließstellung des Wegeventils vorgespannt ist, wobei der Ventilkolben durch eine Schraubenfeder vorgespannt sein kann, die den dem Druckbetätiger zugewandten Endbereich des Ventilkolbens umgibt.
Um einen besonders sicheren Betrieb der Einrichtung zu gewährleisten, kann eine die Stellungen des Ventilkolbens signalisierende Positionsüberwachungseinrichtung vorgesehen sein.
In vorteilhafter Weise kann diesbezüglich so vorgegangen sein, dass die Positionsüberwachungseinrichtung einen Permanentmagneten am Ventilkolben und einen auf das Magnetfeld ansprechenden Hall-Sensor oder Reedschalter aufweist.
Alternativ kann die Anordnung auch so getroffen sein, dass die Positionsüberwachungseinrichtung am Ventilkolben eine eine Markierung bildende Struktur aufweist, die durch eine Signalisiereinrichtung erkennbar ist. Wenn es sich am Ventilkolben um eine physikalisch abtastbare Strukturierung handelt, kann die Signalisiereinrichtung durch einen Mikroschalter gebildet sein. Ebenso kommt eine optische Markierung (hell-dunkel) am Ventilkolben in Betracht, wobei die Signalisiereinrichtung einen optischen Sensor beinhaltet. Eine physikalische Struktur am Ventilkolben kann auch mittels einer einen Permanentmagneten mit zugeordnetem Feldsensor enthaltenden Signalisiereinrichtung erkannt werden.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 in schematisch vereinfachter Darstellung in der Art einer Schaltungsskizze ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sicherungssystems;
2 eine gegenüber einer praktischen Ausführungsform leicht vergrößert und den Einblick ins Gehäuseinnere ermöglichende, perspektivische Schrägansicht eines Wegeventils der Ventilanordnung des Ausführungsbeispieles;
3A bis 3C Prinzipskizzen zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer Rasteinrichtung des Ausführungsbeispieles, wobei 3A einen Druckbetätiger in einer dem Öffnungszustand des Wegeventils entsprechenden ersten Schaltstellung, 3B den Druckbetätiger in einer Zwischenstellung und 3C den Druckbetätiger in einer zweiten Schaltstellung zeigen, die dem Schließzustand des Wegeventils entspricht;
4 eine gegenüber einer praktischen Ausführungsform vergrößert, schematisch vereinfacht und teils aufgebrochen gezeichnete perspektivische Darstellung der Rasteinrichtung, und
5A bis 5C der 2 ähnliche, jedoch in kleinerem Maßstab gezeichnete Darstellungen, wobei 5A, 5B und 5C die Schaltstellungen zeigen, die den entsprechenden Positionen von 3A bzw. 3B bzw. 3C von 3 entsprechen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Beispieles beschrieben, bei dem eine in einem Fahrzeug befindliche Lenkung als Systembestandteil einen Zylinder 1 aufweist. 1 zeigt in stark vereinfachter Gesamtübersicht ein hydraulisches System, bei dem der doppelt wirkende Zylinder 1 in seinen beidseits an den Kolben 3 angrenzenden Druckräumen 5 und 7 mit Hydraulikfluid befüllt ist. Die Kolbenstange 9 des Kolbens 3 ist mit dem Lenkgestänge an beiden (nicht gezeigten) Achsschenkeln des zugehörigen Fahrzeuges derart verbunden, dass Druckaufbau in den Druckräumen 5 und 7 Lenkbewegungen der Räder erzeugt. Der Zylinder 1 ist über Zuleitungen 15 und 17 mit einem Hydrauliksystem in Verbindung, von dem in 1 lediglich eine spezielle, dem Druckraum 5 vorgeschaltete Ventilanordnung 51 schematisiert angedeutet ist, die jedoch in 2 und 5A bis 5C näher dargestellt ist. Als Hauptkomponente weist die Ventilanordnung 51 ein 2/2-Wegeventil 53 mit axial verschiebbarem Ventilkolben 55 auf. Die 2 und 5A zeigen den Ventilkolben 55 in der Offenstellung, bei der über die Ventilanschlüsse 57 und 59 die Zuleitung 15 zum Zylinder 1 offen ist. In diese Offenstellung ist der Ventilkolben 55 mittels einer im Ventilgehäuse befindlichen Druckfeder 61 vorgespannt, die den Endbereich 63 des Ventilkolbens 55 umgibt. An dem dem Endbereich 63 entgegengesetzten Ende des Ventilkolbens 55 befindet sich ein Permanentmagnet 65, der in Zusammenwirkung mit einer Positionsüberwachungseinrichtung 67, die beim vorliegenden Beispiel einen Hall-Sensor 69 aufweist, ein die Axialstellung des Ventilkolbens 55 anzeigendes Positionssignal liefert. Mittels einer Rasteinrichtung 71, über die der Endbereich 63 des Ventilkolbens 55 mit einem Betätiger in Form eines Elektromagneten 73 gekoppelt ist, ist das Wegeventil 53 in zwei stabile Zustände einstellbar, nämlich in den in 2 und 5A gezeigten Öffnungszustand und in den in 5C gezeigten Schließzustand, in dem die Zuleitung 15 gesperrt ist. Bei so geschalteter Ventilanordnung 51 ist der Zylinder 1 hydraulisch verriegelt, das Lenkgestänge somit durch die unbewegliche Kolbenstange gegen Lenkbewegungen gesperrt und das Fahrzeug dadurch gesichert.
Um einen Schaltvorgang des Wegeventils 53 auszulösen, wird der Elektromagnet 73 so angesteuert, dass auf einen Betätigerkörper 75, siehe 3 bis 5, ein Druckkraftimpuls ausgeübt wird, um den Betätigerkörper 75 in Richtung auf einen am Endbereich 63 des Ventilkolbens 55 befindlichen Druckbetätiger 79 hin zu bewegen. Diese Axialbewegung wird mittels einer die Koppelung zwischen Betätigerkörper 75 und Endbereich 63 des Ventilkolbens 55 bildenden Rasteinrichtung 71 abwechselnd in einen der beiden stabilen Schaltzustände des Wegeventils 53 umgesetzt. Die Funktionsweise dieser Rasteinrichtung 71 ist anhand der 3 und 4 näher erläutert.
Wie am deutlichsten aus 4 erkennbar ist, findet die Axialbewegung des Betätigerkörpers 75 innerhalb eines Steuerkörpers 77 statt, relativ zu dem der Druckbetätiger 79 am Endbereich 63 des Ventilkolbens 55 drehbar gelagert ist. Am Umfangsbereich des Druckbetätigers 79 befinden sich Schrägflächen 81, die in einer in 3A bis 3B näher erläuternden Art und Weise mit Schrägflächen 83 und 85 am Steuerkörper 77 zusammen wirken. Dabei sind die Schrägflächen 81 am Druckbetätiger 79 jeweils in gleichen Axialpositionen angeordnet, während die Schrägflächen 83 und 85 am Steuerkörper 77 unterschiedliche Axialpositionen einnehmen, wobei die Schrägflächen 83 dem Ventilkolben 55 näher gelegen sind als die Schrägflächen 85 und wobei der axiale Abstand zwischen den Schrägflächen 83 und 85 dem axialen Verschiebeweg des Ventilkolbens 55 zwischen Offen- und Schließstellung entspricht. Bei dem in 2, 3A sowie 5A dargestellten Zustand, der dem ungeschalteten Zustand des Wegeventils 53 entspricht, bei dem die Zuleitung 15 zum Zylinder 1 offen ist, befindet sich die Rasteinrichtung 71 in dem Zustand, wie er in der Prinzipskizze von 3A dargestellt ist. Dabei liegt der Druckbetätiger 79 am Endbereich 63 des Ventilkolbens 55 mit seiner Schrägfläche 81 an der Schrägfläche 85 des Steuerkörpers 77 an, d. h. der Ventilkolben 55 ist in der dem Elektromagneten 73 am stärksten angenäherten Axialposition, die dem in 2 und 5A gezeigten, ungeschalteten Öffnungszustand entspricht. 3B verdeutlicht den Zustand, bei dem ein Auslöseimpuls zum Umschalten des Wegeventils 53 in den Schließzustand, der in 5C dargestellt ist, eine Axialbewegung des Betätigerkörpers 75 in 3 nach unten, d. h. in 5B nach links, bewirkt hat, wodurch der Ventilkolben 55 aus der Offenstellung heraus einen maximalen Verschiebehub durchgeführt hat. Bei Erreichen dieses in 3B gezeigten Zustandes führt das durch die zusammenwirkenden Schrägflächen 81 und 85 erzeugte Drehmoment zu einer Drehbewegung des Druckbetätigers 79, wie in 3B mit Drehpfeil 87 angedeutet, wodurch die Schrägfläche 81 von ihrer Anlage an der Schrägfläche 85 des Steuerkörpers 77 auf die an diesem nächstfolgende Steuerfläche 83 übergeht, die Rasteinrichtung 71 daher von dem in 3B gezeigten Betriebszustand auf den in 3C gezeigten Zustand übergeht, bei dem die Druckfeder 61 den Druckbetätiger 79 und damit den Ventilkolben 55 in 3C wieder nach oben und in 5C nach rechts zurückgestellt hat, so dass nunmehr das Wegeventil 53 im Schließzustand ist. Zwischen Betätigungen der Rasteinrichtung 71, d. h. zwischen vom Elektromagneten 73 erzeugten Auslöseimpulsen, bei denen jeweils ein Übergang der Schrägfläche 81 des Druckbetätigers 79 auf die sich abwechselnden Schrägflächen 83 und 85 des Steuerköpers 77 übergeht, welcher, um die Abfolge der Schrägflächen 83 und 85 kenntlich zu machen, in 3A, 3B und 3C jeweils in Abwicklung schematisiert dargestellt ist, befindet sich das Wegeventil 73 jeweils in bistabiler Weise in einem seiner beiden Zustände. Mit anderen Worten gesagt, ist jeweils ein positiver Auslöseimpuls erforderlich, um das System zu sperren oder zu entsperren.
Wenn die Sperreinrichtung für den Betrieb des Fahrzeuges nicht aktiviert ist und sich die Ventilanordnung 51 im Freigabezustand befindet, ist das Lenksystem in normaler Weise betreibbar, wobei das Wegeventil 29 in der Zuleitung 15 in der Offenstellung ist, so dass der Kolben 3 des Zylinders 1 frei beweglich ist.

Claims

Sperreinrichtung für Hydraulikzylinder wie Aktuatoren für Arbeitsgeräte und/oder Arbeits- und/oder Hilfszylinder für Lenksysteme von Fahrzeugen, wobei der Kolben (3) des Zylinders (1) an beiden Kolbenseiten an mit Hydraulikfluid befüllte Druckräume (5, 7) des Zylinders (1) angrenzt, in denen für Kolbenbewegungen hydraulischer Druck aufbaubar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine einem Druckraum (5) vorgeschaltete Ventilanordnung (51) vorhanden ist, die zwischen einem Öffnungszustand und einem Schließzustand umschaltbar ist, bei dem der Zylinder (1) hydraulisch verriegelt ist, und dass eine Schalteinrichtung (71, 73) vorgesehen ist, die für ein im Wechsel erfolgendes Umschalten der Ventilanordnung (51) zwischen Öffnungszustand und Schließzustand betätigbar ist.
Sperreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (51) ein Wegeventil (53) aufweist und dass die Schalteinrichtung (71, 73) für das Bewegen des Ventilkolbens (55) des Wegeventils (53) ein Verschiebesystem (75, 77, 79) besitzt, das durch Auslöseimpulse betätigbar ist, um dem Ventilkolben (55) pro Auslöseimpuls jeweils nur eine Steuerbewegung im Wechsel zwischen Offen- und Schließstellung zu erteilen, so dass das Wegeventil (53) zwischen Auslöseimpulsen jeweils bistabil im Öffnungs- oder Schließzustand verbleibt.
Sperreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschiebesystem zum Bewegen des Ventilkolbens (55) einen koaxial zu dessen Bewegung geführten Druckbetätiger (79) aufweist, gegen dessen Ende der Ventilkolben (55) durch Federkraft (61) vorgespannt ist, dass die Schalteinrichtung einen Elektromagneten (73) aufweist, der als Auslöseimpulse einem Betätigerkörper (75) des Verschiebesystems jeweils einen diesen axial in Richtung auf den Druckbetätiger (79) bewegenden Druckkraftimpuls erteilt, und dass das Verschiebesystem eine den Druckbetätiger (79) und den Betätigerkörper (75) miteinander koppelnde Rasteinrichtung (71) enthält, die die Axialbewegungen des Betätigerkörpers (75) jeweils in Bewegungen des Druckbetätigers (75) in axiale Schaltpositionen umsetzt, die im Wechsel der Offen- und der Schließstellung des Ventilkolbens (55) entsprechen.
Sperreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasteinrichtung (71) des Verschiebesystems am Umfangsbereich des um die Achse des Ventilkolbens (55) drehbaren Druckbetätigers (79) mindestens eine Schrägfläche (81) an einem undrehbar gehaltenen Steuerkörper (77) mehrere mit der jeweiligen Schrägfläche (81) des Druckbetätigers (79) zusammenwirkende Schrägflächen (83, 85) aufweist, die in den Schaltpositionen des Druckbetätigers (79) entsprechenden, sich jeweils abwechselnden, unterschiedlichen Axialpositionen gelegen sind und bei den Axialbewegungen des Betätigerkörpers (75) eine Drehung des Druckbetätigers (79) zum Übergang von dessen Schrägfläche (81) auf die im Wechsel jeweils folgende Schrägfläche (83 oder 85) des Steuerkörpers (77) bewirken.
Sperreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (55) durch die ihn kraftschlüssig gegen den Druckbetätiger (79) andrückende Federkraft (61) in die Schließstellung des Wegeventils (53) vorgespannt ist.
Sperreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (55) durch eine Schraubenfeder (61) vorgespannt ist, die den dem Druckbetätiger (79) zugewandten Endbereich (63) des Ventilkolbens (55) umgibt.
Sperreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Stellungen des Ventilkolbens (55) signalisierende Positionsüberwachungseinrichtung (67) vorgesehen ist.
Sperreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsüberwachungseinrichtung (67) einen Permanentmagneten (65) am Ventilkolben (55) und einen auf das Magnetfeld ansprechenden Hallsensor (69) oder Reedschalter aufweist.
Sperreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsüberwachungseinrichtung (67) am Ventilkolben (55) eine eine Markierung bildende Struktur aufweist, die durch eine Signalisiereinrichtung erkennbar ist.
Sperreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisiereinrichtung durch einen Permanentmagneten mit zugeordnetem Feldsensor (69), einen Mikroschalter oder einen optischen Sensor gebildet ist.