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Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Stellelement mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Sie geht von der europäischen Patentanmeldung
EP 1 491 754 A1 aus. In dieser europäischen Patentanmeldung wird beispielsweise eine Unterdruckdose zum Einsatz für das Öffnen und Schließen eins Bypass-Ventils eines Turboladers beschrieben, in dem die Schließbewegung mit größerer Kraftbereitstellung erfolgt und zwar in Richtung der Wirkung einer Druckfeder, als die Öffnungsbewegung, die gegen die Federkraft erfolgt. Die Steuerdose hat zwei durch eine Membrane getrennte Druckräume und beide Druckräume sind unabhängig voneinander entweder auf atmosphärischem Druck oder auf Unterdruck einstellbar.
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Die bekannte Steuerdose, auch Unterdruckaktuator genannt, kann auch für eine schaltbare Klappe zum Verschließen und Öffnen eines Bypasses, beispielsweise wie von einem Abgaskühler, vorgesehen sein und dient in diesem Fall dazu, einen Abgasstrom wahlweise durch zwei verschiedene Pfade (z. B. gekühlt oder ungekühlt) zu schalten. Die Umschaltung erfolgt heutzutage mit dem bekannten Unterdruckaktuator in zwei Stellungen, also Kühlbetrieb (Unterdruckaktuator unbetätigt) oder Bypass-Betrieb (Unterdruckaktuator betätigt).
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Speziell bei sehr leistungsstarken Abgaskühlern und gut isoliertem Bypass ist die Temperaturspreizung zwischen den beiden Betriebsarten sehr groß, so dass eine mehrstufige Umschaltung, welche eine oder mehrere Zwischenstellungen ermöglicht, erforderlich wird. Grundsätzlich könnte man den Unterdruckaktuator anstatt mit einem Umschaltventil mit einem elektropneumatischen Druckwandler ansteuern und dadurch stufenlos jede Position anfahren, bzw. einstellen. Durch die großen Bauteilstreuungen eines elektropneumatischen Druckwandlers ist dabei eine akzeptable Positionsgenauigkeit ohne zusätzlichen Lagesensor und aktiven Regelkreis praktisch nicht darstellbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein pneumatisches Stellelement darzustellen, mit dem zumindest drei stabile Positionen einstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung stellt ein pneumatisches Stellelement dar, welches zur Rückstellung zwei oder mehrere seriell angeordnete Federelemente, mit unterschiedlicher Federkennlinie beinhaltet. Die Ausführung ist dermaßen gestaltet, dass zu Beginn der Betätigung erst einmal nur das (weiche) Federelement betätigt wird, da das zweite (härtere) Federelement mittels einer Zwischenplatte gegen einen Anschlag so weit vorgespannt ist, dass eine Betätigung des zweiten Federelementes erst erfolgt, wenn das erste Federelement in den Anschlag gedrückt wird, oder das betätigte Stützelement an der Zwischenplatte zur Anlage kommt. Durch einen entsprechenden Abstand zwischen den Federkräften F1 des ersten Federelementes (betätigt) und des zweiten Federelementes (unbetätigt) F2 ist es möglich, im Übergangsbereich eine „flache” Hub/Unterdruckkurve darzustellen. D. h. es ergibt sich innerhalb eines relativ breiten Unterdruckbereiches eine sehr genau definierte Hubposition, ein Plateau in einem Diagramm, bei dem der Unterdruck über dem Weg aufgetragen ist. Beim weiteren Erhöhen des Unterdrucks, wird dann das zweite Federelement betätigt. Dieses stufenweise Schalten kann bei Bedarf auch noch auf weitere Stufen ausgedehnt werden. Somit ermöglicht die Erfindung mit sehr geringem Aufwand eine mehrstufige Schaltung, beispielsweise einer unterdruckbetätigbaren Klappe.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ermöglicht eine genaue Festlegung der dritten Zwischen-Schaltposition, zwischen der ersten (z. B. ganz auf) und der zweiten (z. B. ganz zu) Schaltposition, oder umgekehrt.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
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Mit den Ausgestaltungen gemäß der Patentansprüche 4 und 5 ist eine Anpassung der Drucksteuerung an das absolut vorliegende Druckniveau möglich.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, wobei auch die kinematische Umkehr möglich ist, durch Lagewechsel der Federelemente in die andere Kammer.
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Abhängig vom vorliegenden Druckniveau kommt bevorzugt ein Federelement gemäß Patentanspruch 7 zum Einsatz, wenn der Druckbereich in der Kammer, in der die Federelemente angeordnet sind, im Unterdruckbereich liegt.
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Die Verwendung des pneumatischen Stellementes gemäß Patenanspruch 8 ist eine besonders bevorzugte Anwendungsvariante.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels in vier Figuren näher erläutert.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes pneumatisches Stellelement.
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2 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm für ein erfindungsgemäßes pneumatisches Stellelement.
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3 zeigt ein Hub-Druck-Diagramm für ein erfindungsgemäßes pneumatisches Stellelement.
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4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines teilgeschnittenen, erfindungsgemäßen pneumatischen Stellelementes.
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Im Folgenden gelten in den 1 bis 4 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes, pneumatisches Stellelement 1. Das pneumatische Stellelement 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Gehäuseboden 2 auf. In einem Innenvolumen des Gehäuses 2 ist eine Membrane 4 angeordnet, die radial von dem Gehäuse 2 lagefixiert ist. Die Lagefixierung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Gehäuse zweiteilig aufgebaut ist und die Membrane 4 von den Gehäusehälften radial umlaufend eingeklemmt, bzw. gehaltert ist. Die Membrane 4 teilt das Innenvolumen des Gehäuses 2 in eine erste Kammer 5 und eine zweite Kammer 6. Die zweite Kammer 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit der Umgebungsluft gasführend verbunden. Die erste Kammer 5 weist einen Unterdruckanschluss 13 auf, so dass die erste und die zweite Kammer 5, 6 mit gleichem oder unterschiedlichem Druck beaufschlagbar sind.
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Radial innen ist die Membrane 4 indirekt über ein Stützelement 12 mit einem Stößel 7 verbunden, der weitgehend senkrecht auf einer von der Membrane 4, im Bereich des Stützelementes 12 aufgespannten Ebene, ausgerichtet ist. In diesem Ausführungsbeispiel dient das Stützelement 12 zur Lagefixierung der Membrane 4 und zur Abstützung eines Federelementes 8 in der ersten Kammer 5. Der Stößel 7 ist in Richtung seiner Längsachse X schiebebeweglich in dem Gehäuse 2 angeordnet.
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Das Federelement 8 stützt sich einerseits an dem Stützelement 12 und andererseits an einer, in der ersten Kammer 5 in Richtung dem Gehäuseboden 2' lageveränderbaren, gasdurchlässigen Zwischenplatte 9 ab. Weiter ist zwischen dem Gehäuseboden 2' und der Zwischenplatte 9 ein zweites Federelement 10 angeordnet, welches sich einerseits an der Zwischenplatte 9, auf der dem Federelement 8 abgewandten Seite und andererseits an dem Gehäuseboden 2' abstützt. Ferner ist zwischen dem Gehäuse 2 und dem Gehäuseboden 2' ein radial umlaufender, in diesem Ausführungsbeispiel L-förmiger Anschlag 11 für die Zwischenplatte 9 eingelegt. Statt dem radial umlaufenden Anschlag kann auch nur ein punktueller Anschlag 11 vorgesehen sein.
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Weiter weisen das Federelement 8 und das zweite Federelement 10 unterschiedliche Federkonstanten auf, wobei das zweite Federelement 10 eine größere Federkonstante als das Federelement 8 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel sind das Federelement 8 und das zweite Federelement 10 in der ersten Kammer 5 angeordnet. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Kinematik jedoch auch umgekehrt werden und die Federelemente können in der zweiten Kammer 6 angeordnet werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Federelement 8 und das zweite Federelement 10 jeweils als eine Druckfeder ausgeführt. Eine bevorzugte Anwendung für das pneumatische Stellelement 1 ist die Verwendung zur Steuerung einer Bypass-Klappe 14, wie in 4 dargestellt ist.
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Erfindungsgemäß weist das pneumatische Stellelement 1 zur Rückstellung des Stößels 7 in diesem Ausführungsbeispiel zwei oder in anderen Ausführungsbeispielen mehrere seriell zueinander angeordnete Federelemente 8, 10 auf. Darüber hinaus haben Federelemente 8, 10 unterschiedliche Federkennlinien. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ausführung dermaßen gestaltet, dass zu Beginn der Betätigung (Anlegen von Unterdruck in der ersten Kammer 5) erst einmal nur das schwächste Federelement, hier das Federelement 8, betätigt wird, da das zweite Federelement 2 mittels einer Zwischenplatte 9 gegen den Anschlag 11 so weit vorgespannt ist, dass eine Betätigung des zweiten Federelementes 10 erst erfolgt, wenn das Federelement 8 in den Anschlag gedrückt wird. Durch einen entsprechenden Abstand zwischen den Federkräften F1 und F2 der Federelemente 8, 10 ist es möglich, im Übergangsbereich eine „flache” Weg-Unterdruck-Kurve, wie in 3 dargestellt ist, darzustellen. Dies bedeutet, es ergibt sich innerhalb eines relativ breiten Unterdruckbereiches eine sehr genau definierte Hubposition, ein Plateau. Beim weiteren Erhöhen des Unterdrucks in der ersten Kammer 5 an dem Unterdruckanschluss 13 wird dann das zweite Federelement 10 betätigt. Dieses stufenweise Schalten kann bei Bedarf auch noch auf weitere Stufen, mit weiteren Federelementen mit unterschiedlichen Federkonstanten ausgedehnt werden.
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2 zeigt in einem Diagramm den Federkraftverlauf über den Hubverlauf des Stößels 7. Über die Y-Achse ist die Federkraft von 0 bis 40 Newton aufgetragen, über die X-Achse ist der Hubweg des Stößels 7 von 0 bis 13,6 mm aufgetragen.
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Deutlich erkennbar ist das flache, lineare Kraft-Weg-Verhalten des Federelementes 8 im Bereich von 10 Newton bis etwa 13 Newton. Der dann anschließende, steil ansteigende lineare Bereich bis zu einer Kraft von 20 Newton (strichliert dargestellt) bedeutet, dass auch bei einer starken Druckveränderung die Wegänderung des Stößels 7 quasi Null ist und somit eine stabile Zwischenposition des Stößels 7 gewährleistet ist. Dann schließt sich der flache, lineare Bereich des zweiten Federelementes 10 von 20 Newton bis etwa 37 Newton an.
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Der Sachverhalt aus 2 geht auch aus 3 hervor, in der der Hub des Stößels 7 über den in der ersten Kammer 5 anliegenden Unterdruck dargestellt ist. Auf der Y-Achse ist der Hub des Stößels 7 von 0 bis 16 mm dargestellt, auf der X-Achse ist der in der ersten Kammer 5 anliegende Unterdruck von 0 bis 680 Millibar dargestellt.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, ist bis etwa 70 Millibar Unterdruck kein Hub des Stößels 7 erkennbar, aber bei etwa 70 Millibar Unterdruck erfolgt ein fast lineares Ansteigen des Weges bis auf etwa 2 Millimeter und anschließend ist über einen breiten Bereich von etwa 85 Millibar Unterdruck bis etwa 150 Millibar Unterdruck das sogenannte Plateau erkennbar, der der zweiten, stabilen Einstellstufe entspricht. Bei weiter steigendem Unterdruck ab ca. 150 Millibar ist wieder das lineare Verhalten des zweiten Federelementes erkennbar, welches einen Hub des Stößels 7 bis etwa 14 mm zulässt. Wenn beide Federn quasi auf Block sind, verändert sich der Hub von 14 mm nicht mehr bis zu einem Druck von etwa 680 Millibar.
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4 zeigt eine dreidimensionale Aufsicht auf ein teilgeschnittenes, erfindungsgemäßes pneumatische Stellelement 1. Erkennbar ist das teilgeschnittene Gehäuse 2 mit seinem Gehäuseboden 2' sowie der Membrane 4, die das Innenvolumen des Gehäuses 2 in die erste Kammer 5 und die zweite Kammer 6 aufteilt. Der Unterdruckanschluss 13 im Bereich des Gehäusebodens 2' ist mit einem Pfeil markiert. In dem ersten Volumen 8 ist das Federelement 8 angeordnet, welches sich einerseits auf dem Stützelement 12 abstützt und andererseits auf der Zwischenplatte 9. Zwischen dem Gehäuseboden 2' und der Zwischenplatte 9 ist das zweite Federelement 10 erkennbar, welches bei nicht anliegendem Unterdruck in der ersten Kammer 5 die Zwischenplatte 9 an den Anschlag 11 im Innenvolumen des Gehäuses 2 andrückt. Der Stößel 7 ist in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel an einen Hebelarm 3 zur Betätigung einer Bypassklappe 14, beispielsweise für einen Abgasrückführkühler, angeordnet.
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Die Erfindung ermöglicht mit sehr geringem Aufwand eine mehrstufige Schaltung, beispielsweise einer unterdruckbetätigten Klappe.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pneumatisches Stellelement
- 2
- Gehäuse
- 2'
- Gehäuseboden
- 3
- Hebelarm
- 4
- Membrane
- 5
- erste Kammer
- 6
- zweite Kammer
- 7
- Stößel
- 8
- Federelement
- 9
- Zwischenplatte
- 10
- zweites Federelement
- 11
- Anschlag
- 12
- Stützelement
- 13
- Unterdruckanschluss
- 14
- Bypassklappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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