DE102010022747A1

DE102010022747A1 - Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder und Verfahren zur Steuerung einer solchen Einrichtung

Info

Publication number: DE102010022747A1
Application number: DE102010022747A
Authority: DE
Inventors: Armin Brosch; Detlef Schmidt; Jens Willms
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2011-12-08
Also published as: BR112012028036A2; US9388831B2; US20130061746A1; CN102933858A; EP2577070A1; WO2011150990A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder (1), wobei der Stellzylinder (1) wenigstens einen Pneumatikkolben (2) und ein willkürlich betätigbares Bremselement (15) aufweist, das mit dem Pneumatikkolben (2) oder einem mittels des Pneumatikkolbens (2) bewegbaren Bauteil (3, 7) verbunden ist, wobei eine Bewegung des Pneumatikkolbens (2) durch Betätigung des Bremselements (15) bremsbar oder unterdrückbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Einrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Einrichtung gemäß dem Patentanspruch 7.
Pneumatische Stellzylinder werden als Aktuatoren in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Im Bereich der Nutzfahrzeugtechnik (Lastkraftwagen, Omnibusse) besteht eine vorteilhafte Anwendung darin, in Verbindung mit automatisierten Getriebeschaltsystemen über einen pneumatischen Stellzylinder eine automatische Kupplungsbetätigung zu realisieren. Hierdurch kann der Fahrer entlastet werden. Die Schaltvorgänge können vollständig automatisiert werden. Da in Nutzfahrzeugen ohnehin Druckluft zur Verfügung steht, ist der Einsatz eines pneumatischen Stellzylinders günstiger als ein hydraulischer Stellzylinder.
Bei der Kupplungsbetätigung kommt es darauf an, insbesondere im Bereich des Kupplungsdruckpunkts feinfühlig Stellbewegungen mittels des Stellzylinders ausführen zu können. Übliche Fahrzeugkupplungen haben eine Kraft-/Weg-Kennlinie, die zunächst etwa linear bis zu einem Maximum, das etwa beim Kupplungsdruckpunkt liegt, ansteigt. Jenseits des Maximums fällt die Kennlinie wieder mehr oder weniger stark ab. Dies hat den Effekt, dass der zum Erreichen des Kraftmaximums in dem Stellzylinder aufgebaute Druck nach Überschreiten des Maximums zu hoch ist, um eine Position in der Nähe des Maximums zu halten. Dies wird bisher durch relativ aufwendige Regelungsalgorithmen bei der Steuerung des Stellzylinder-Drucks derart berücksichtigt, dass auch eine relativ feinfühlige Positionseinstellung im Bereich des Kupplungsdruckpunkts möglich ist. Alternativ werden pneumatische Ventile zur Drucksteuerung im Stellzylinder mit unterschiedlichen Durchlassquerschnitten parallel zueinander geschaltet, um hierüber die Feinfühligkeit der Einstellung zu optimieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder sowie ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Einrichtung anzugeben, bei der mit wenig Aufwand eine feinfühlige Positionseinstellung des Stellzylinders auch bei nichtlinearem Gegenkraftverlauf eines durch den Stellzylinder zu betätigenden Objekts möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
Die Erfindung hat den Vorteil, mit einer einfach zu realisierenden konstruktiven Erweiterung, nämlich durch das Vorsehen eines willkürlich betätigbaren Bremselements, eine verbesserte Feinregelung bei der Positionierung des Stellzylinders auch bei stark nichtlinearen Verläufen der Gegenkraft zu ermöglichen. Das willkürlich betätigbare Bremselement kann in verschiedenen Ausführungen realisiert werden. Verwendbar sind alle Bauteile, die eine gezielte Abbremsung oder ein Halten der Position des Pneumatikkolbens des Stellzylinders bzw. eines damit bewegbaren Bauteils erlauben. Insofern erfasst der Begriff „Bremselement” neben klassischen Bremsen auch alle sonstigen Elemente, die ein solches Abbremsen oder Halten des Pneumatikkolbens oder eines damit bewegbaren Bauteils erlauben, wobei das Bremselement willkürlich betätigbar sein muss. Mittels des Bremselements kann der Pneumatikkolben oder ein damit bewegbares Bauteil an beliebigen Positionen gehalten werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass weniger Ventile zur Betätigung der Einrichtung erforderlich sind als bei vorbekannten Lösungen. So sind beispielsweise nur ein pneumatisches Ventil zur Betätigung des Stellzylinders und ein Ventil zur Betätigung des Bremselement erforderlich, statt bisher vier pneumatische Magnetventile.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Bremselement einen doppelt wirkenden hydraulischen Zylinder mit einem Hydraulikkolben auf. Der Hydraulikkolben ist mit dem Pneumatikkolben oder einem mittels des Pneumatikkolbens bewegbaren Bauteil mechanisch verbunden. Das Bremselement weist zudem eine willkürlich betätigbare Ventileinrichtung in einer hydraulischen Verbindungsleitung zwischen zwei hydraulischen Druckkammern auf, die auf einander gegenüber liegenden Seiten des Hydraulikkolbens gebildet sind. Hierdurch wird der pneumatische Stellzylinder um ein hydraulisches Regelvolumens ergänzt. Das hydraulische Regelvolumen kann aufgrund der Inkompressibilität des Hydraulikmediums relativ klein gebaut werden. Hierbei ist es insbesondere nicht erforderlich, eine aufwendige vollständige Hydraulikanlage mit einer Pumpe vorzusehen, sondern lediglich ein kleinbauendes in sich geschlossenes System. Hierdurch kann der Wartungsaufwand für das Bremselement gering gehalten werden.
Die Ergänzung eines hydraulischen Regelvolumens hat den Vorteil, dass hydraulische Systeme eine gute Regelperformance bieten, insbesondere dadurch, dass das Hydraulikmedium inkompressibel ist und damit ein gezieltes Bremsen und Halten des Pneumatikkolbens an willkürlich definierten Positionen erlaubt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Ventileinrichtung wenigstens eine Öffnungsstellung auf, in der die hydraulischen Druckkammern verbunden sind, und wenigstens eine Schließstellung, in der die hydraulischen Druckkammern voneinander abgesperrt sind. Dies erlaubt ein definiertes Halten des Pneumatikkolbens in willkürlich vorgegebenen Positionen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Bremselement eine willkürlich betätigbare Bremse mit wenigstens einem Bremsbelag auf, der bei Betätigung der Bremse gegen den Pneumatikkolben oder ein mittels des Pneumatikkolbens bewegbares Bauteil, insbesondere eine Kolbenstange, bewegbar ist. Dies erlaubt vorteilhaft die Verwendung unterschiedlichster Konstruktionen für die Bremse. Beispielsweise kann es sich um eine hydraulisch betätigbare Bremse oder eine elektromotorisch betätigbare Bremse handeln. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine pneumatisch betätigbare Bremse eingesetzt. Hierdurch kann vorteilhaft das gleiche Druckmedium für die Betätigung der Bremse verwendet werden wie für die Betätigung des pneumatischen Stellzylinders. Dies erlaubt eine besonders kostengünstige Realisierung des willkürlich betätigbaren Bremselements. Die Bremse kann z. B. als Reibungsbremse ausgestaltet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der pneumatische Stellzylinder als einfach wirkender Kupplungsbetätigungszylinder zur Betätigung einer Fahrzeugkupplung ausgebildet. Dies erlaubt eine einfache Betätigung des pneumatischen Stellzylinders mit nur einem Pneumatikventil.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind folgende Merkmale vorgesehen:

a) der pneumatische Stellzylinder weist eine Arbeitsseite und eine der Arbeitsseite abgewandte Rückseite auf,
b) die Stellbewegung des Pneumatikkolbens ist an der Arbeitsseite an ein in der Umgebung befindliches Bauteil abgebbar,
c) das Bremselement ist an der Rückseite angeordnet.

Dies erlaubt einen besonders kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung, so dass die erfindungsgemäße Einrichtung leicht in vorhandene Anwendungen zu integrieren ist.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Steuerung einer Einrichtung der zuvor beschriebenen Art ist vorgesehen:

a) sofern der Pneumatikkolben ausgefahren werden soll, wird eine Druckluftkammer des pneumatischen Stellzylinders mit Druckluft beaufschlagt, wobei das Bremselement unbetätigt ist,
b) sofern der Pneumatikkolben eingefahren werden soll, wird Druckluft aus der Druckluftkammer entlüftet, wobei das Bremselement unbetätigt ist,
c) sofern der Pneumatikkolben nicht bewegt werden soll, wird das Bremselement betätigt.

Dies hat gegenüber vorbekannten Verfahren den Vorteil, dass bezüglich der Steuerung des pneumatischen Stellzylinders nur noch eine Art Vorsteuerung erforderlich ist. Die eigentliche genaue Positionierung kann durch Betätigung des Bremselements erfolgen. Durch die Druckluft wird damit lediglich die Kraft zum Bewegen des Stellzylinders, z. B. zum Öffnen der Kupplung, zur Verfügung gestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Bremselement kurz vor oder bei Erreichen einer Sollposition des Pneumatikkolbens oder eines mittels des Pneumatikkolbens betätigbaren Bauteils betätigt. Hierdurch kann eine zuverlässige und sichere Positionierung erreicht werden. Insbesondere durch ein Betätigen des Bremselements kurz vor Erreichen der Sollposition kann eine dem Bremselement immanente verzögerte Reaktion kompensiert werden. Das Verfahren kann beispielsweise durch entsprechende Software-Programmierung eines das Bremselement steuernden elektronischen Steuergeräts realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mittels des pneumatischen Stellzylinders eine Fahrzeugkupplung betätigbar. Das Bremselement wird bei Erreichen der Ausrückposition der Fahrzeugkupplung betätigt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder und
2 eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
In der 1 ist ein pneumatischer Stellzylinder 1 erkennbar, der einen Pneumatikkolben 2 aufweist. Mit dem Pneumatikkolben 2 ist eine Kolbenstange 3 verbunden, die in der Darstellung gemäß 1 rechts aus dem Stellzylinder 1 herausragt und zur Betätigung eines externen Objekts dient. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass mittels der Kolbenstange 3 eine Fahrzeugkupplung betätigt wird. Die Fahrzeugkupplung wird in der Darstellung durch einen Pfeil 4 symbolisiert, der die Wirkungsrichtung der von der Fahrzeugkupplung auf die Kolbenstange 3 ausgeübten Gegenkraft F symbolisiert.
Der Stellzylinder 1 weist eine Druckluftkammer 10 auf. Die Druckluftkammer 10 ist über ein pneumatisches Ventil, z. B. in Form eines als 3-/2-Wege-Ventil ausgebildeten elektromagnetisch betätigbaren Ventils 5, mit einer Druckluftquelle 6 verbunden. Statt des dargestellten Ventils 5 mit zwei Stellungen kann auch ein 3-Stellungs-Ventil verwendet werden, das neben den beim dargestellten Ventil 5 vorgesehenen Schaltstellungen noch eine Druckhalte-Stellung aufweist.
Mittels des Ventils 5 kann Druckluft von der Druckluftquelle 6 in die Druckluftkammer 10 eingespeist oder aus der Druckluftkammer 10 in die Atmosphäre abgeführt werden. Durch entsprechende Druckeinstellung in der Druckluftkammer 10 wird über den Pneumatikkolben 2 und die Kolbenstange 3 eine entsprechende Kraft auf die Fahrzeugkupplung 4 ausgeübt, über die Fahrzeugkupplung in Ausrückrichtung betätigt werden kann.
Auf seiner der Kolbenstange 3 abgewandten Seite weist der Pneumatikkolben 2 eine rückwärtige Kolbenstange 7 auf, die aus dem Gehäuse des Stellzylinders 1 herausragt. Ebenfalls auf der Rückseite 17, d. h. der der Kolbenstange 3 abgewandten Seite 16 des Stellzylinders 1, ist ein Bremselement 15 angeordnet, das einen doppelt wirkenden hydraulischen Zylinder 8 aufweist. Der hydraulische Zylinder 8 ist beispielsweise an das Gehäuse des pneumatischen Stellzylinders 1 angeschraubt oder angeflanscht. Der hydraulische Zylinder 8 weist einen Hydraulikkolben 9 auf, der mit der rückwärtigen Kolbenstange 7 verbunden ist. Durch die Verbindung über die rückwärtige Kolbenstange 7 führen der Pneumatikkolben 2 und der Hydraulikkolben 9 immer gleiche Bewegungen aus.
Auf der einen Seite des Hydraulikkolbens 9 ist eine erste hydraulische Druckkammer 11 und auf der anderen Seite des Hydraulikkolbens 9 ist eine zweite hydraulische Druckkammer 12 angeordnet. Die hydraulischen Druckkammern 11, 12 sind über Hydraulikleitungen mit einem hydraulischen Ventil 13 verbunden. Das hydraulische Ventil 13 weist zwei Schaltstellungen auf, nämlich eine Öffnungsstellung, in der die hydraulischen Druckkammern 11, 12 verbunden sind, und eine Schließstellung, in der die hydraulischen Druckkammern 11, 12 voneinander abgesperrt sind. Das hydraulische Ventil 13 kann z. B. als elektromagnetisch betätigbares 2/2-Wege-Ventil ausgebildet sein. Durch Betätigung des Elektromagneten des hydraulischen Ventils 13 kann wahlweise die Öffnungsstellung oder die Schließstellung aktiviert werden.
In der Verbindungsleitung zwischen dem hydraulischen Ventil 13 und der hydraulischen Druckkammer 11 ist zusätzlich eine Drossel 14 angeordnet. Über die Drossel 14 kann die Strömung zwischen den hydraulischen Druckkammern 11, 12 auf einen gewünschten Wert gedrosselt eingestellt werden.
Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder, wobei bezüglich des Stellzylinders 1, des Pneumatikventils 5 und der Druckluftquelle 6 die gleichen Erläuterungen gelten wie für die Ausführungsform gemäß 1.
Das Bremselement gemäß 2 weist eine pneumatisch betätigbare Bremse auf. Die Bremse weist einen pneumatischen Stellzylinder 20 auf. Der pneumatische Stellzylinder 20 weist einen Pneumatikkolben 21 und eine Kolbenstange 22 auf, die mit einem ersten Bremsbelag 23 in Verbindung steht. Über eine Druckluftbetätigung einer Druckluftkammer 27 des Stellzylinders 20 kann über den Pneumatikkolben 21 und die Kolbenstange 22 der Bremsbelag 23 gegen die rückwärtige Kolbenstange 7 gepresst werden. Als Gegenlager zum ersten Bremsbelag 23 ist ein zweiter Bremsbelag 24 auf der gegenüberliegenden Seite der rückwärtigen Kolbenstange 7 angeordnet. Der zweite Bremsbelag 24 stützt sich an einem Gegenlagerblock 25 ab, der über eine Verbindungsplatte 26 mit dem Stellzylinder 20 verbunden ist. Die Bremsbeläge 23, 24 können beispielsweise in Form einer Reibungsbremse auf die rückwärtige Kolbenstange 7 einwirken und diese abbremsen und halten. Die rückwärtige Kolbenstange 7 kann zur Verbesserung der Bremswirkung auch aufgerauht sein oder mit einer definierten Maserung oder Rillen versehen sein.
Die Druckluftkammer 27 des Stellzylinders 20 ist über ein zweites pneumatisches Ventil 28, das elektromagnetisch betätigbar ist, wahlweise mit der Druckluftquelle 6 oder mit der Atmosphäre verbindbar. Hierdurch kann Druck in der Druckluftkammer 27 willkürlich aufgebaut oder abgebaut werden und somit die Bremse willkürlich betätigt werden.

Claims

Einrichtung mit einem pneumatischen Stellzylinder (1), wobei der Stellzylinder (1) wenigstens einen Pneumatikkolben (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung ein willkürlich betätigbares Bremselement (15) aufweist, das mit dem Pneumatikkolben (2) oder einem mittels des Pneumatikkolbens (2) bewegbaren Bauteil (3, 7) verbunden ist, wobei eine Bewegung des Pneumatikkolbens (2) durch Betätigung des Bremselements (15) bremsbar oder unterdrückbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (15) einen doppelt wirkenden hydraulischen Zylinder (8) mit einem Hydraulikkolben (9) aufweist, der mit dem Pneumatikkolben (2) oder einem mittels des Pneumatikkolbens bewegbaren Bauteil (3, 7) mechanisch verbunden ist, und das Bremselement (15) eine willkürlich betätigbare Ventileinrichtung (13) in einer hydraulischen Verbindungsleitung zwischen zwei hydraulischen Druckkammern (11, 12) aufweist, wobei die hydraulischen Druckkammern (11, 12) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Hydraulikkolbens (9) gebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (13) wenigstens eine Öffnungsstellung, in der die hydraulischen Druckkammern (11, 12) verbunden sind, und wenigstens eine Schließstellung aufweist, in der die hydraulischen Druckkammern (11, 12) voneinander abgesperrt sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (15) eine willkürlich betätigbare Bremse (29) mit wenigstens einem Bremsbelag (23, 24) aufweist, der bei Betätigung der Bremse (29) gegen den Pneumatikkolben (2) oder ein mittels des Pneumatikkolbens bewegbares Bauteil (3, 7), insbesondere eine Kolbenstange, bewegbar ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatische Stellzylinder (1) als einfach wirkender Kupplungsbetätigungszylinder zur Betätigung einer Fahrzeugkupplung (4) ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) der pneumatische Stellzylinder (1) weist eine Arbeitsseite (16) und eine der Arbeitsseite (16) abgewandte Rückseite (17) auf, b) die Stellbewegung des Pneumatikkolbens (2) ist an der Arbeitsseite (16) an ein in der Umgebung befindliches Bauteil (4) abgebbar, c) das Bremselement (15) ist an der Rückseite (17) angeordnet.
Verfahren zur Steuerung einer Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) sofern der Pneumatikkolben (2) ausgefahren werden soll, wird eine Druckluftkammer (10) des pneumatischen Stellzylinders (1) mit Druckluft beaufschlagt, wobei das Bremselement (15) unbetätigt ist, b) sofern der Pneumatikkolben eingefahren werden soll, wird Druckluft aus der Druckluftkammer (10) entlüftet, wobei das Bremselement (15) unbetätigt ist, c) sofern der Pneumatikkolben (2) nicht bewegt werden soll, wird das Bremselement (15) betätigt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (15) kurz vor oder bei Erreichen einer Sollposition des Pneumatikkolbens (2) oder eines mittels des Pneumatikkolbens (2) bewegbaren Bauteils (3, 7) betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des pneumatischen Stellzylinders (1) eine Fahrzeugkupplung (4) betätigbar ist und das Bremselement (15) bei Erreichen der Ausrückposition der Fahrzeugkupplung (4) betätigt wird.