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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen einer Klappe in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Abgasanlage, welche einen Aktuator mit einem Arbeitskolben und einer damit verbundenen Kolbenstange aufweist, wobei der Aktuator mittels einem an dem Arbeitskolben anliegenden Differenzdruck entgegen einer Vorspannkraft eines Vorspannelements betätigbar ist und zwischen zwei Endpositionen verschiebbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen einer entsprechenden Klappe in einem Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen für Klappen in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen in verschiedenen Ausführungen bekannt.
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So ist in der
DE 10 2004 062 099 B4 eine Stelleinrichtung für Abgasklappen offenbart, welche mit einem Elektromotor angetrieben wird und welche ein als Feder ausgebildetes Energiespeicherelement aufweist. Dabei dient die Feder als Spindel eines Spindeltriebs. Ein Nachteil dieser Stelleinrichtung ist der Energieverbrauch des Elektromotors als Antriebselement.
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Aus der
DE 10 2005 037 143 A1 ist eine Vorrichtung zum Steuern und Regeln eines pneumatischen Aktuators bekannt, welcher mit Unterdruck entgegen einer Federkraft bewegbar ist. Dabei stellt eine Ventilanordnung eine Verbindung zwischen dem Aktuator und einer Unterdruckquelle und/oder die Verbindung zwischen dem Aktuator und der Atmosphäre her. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass sie zwar eine kontinuierliche Verschiebung des Aktuators ermöglicht, allerdings verändert sich die Einstellposition des Aktuators bei jeglicher Veränderung des Unterdrucks, also auch bei einer ungewollten Veränderung, beispielsweise durch eine Leckage an der Unterdruckquelle.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Hinblick auf Betriebszuverlässigkeit und Betriebsmodi verbesserte Vorrichtung zum Einstellen einer Klappe in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Einstellen einer entsprechenden Klappe zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Aktuator mit einem Arbeitskolben und eine daran angebundene Kolbenstange zur Betätigung einer Klappe in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einer Klappe in einer Abgasanlage. Der Aktuator ist basierend auf einer veränderbaren Druckdifferenz an einem Arbeitskolben entgegen einer Vorspannkraft eines Vorspannelements betätigbar und zwischen zwei Endpositionen verschiebbar.
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Des Weiteren umfasst die Vorrichtung zumindest zwei pneumatische Steuerelemente, welche jeweils mit einem Einrastelement ausgebildet sind, welche in an der Kolbenstange ausgebildeten Rastaufnahmen einrasten können. Durch Einrasten zumindest eines Einrastelements in eine Rastaufnahme ist der Aktuator in einer Zwischenposition einstellbar, bei der zumindest eine Bewegungsrichtung der Kolbenstange unabhängig von der Druckdifferenz am Arbeitskolben in der Weiterbewegung gesperrt ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Veränderung des Drucks am Arbeitskolben, insbesondere bei einer unerwünschten Veränderung des Drucks beispielsweise durch eine Leckage, die Einstellposition des Aktuators und somit auch die Klappenstellung zumindest in eine Bewegungsrichtung gesperrt sind. Gerade bei pneumatischen Steuerelementen ist somit die Einstellung von mehreren stabilen Zuständen bzw. Positionen des Aktuators möglich und eine erhöhte Betriebzuverlässigkeit erreicht.
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Als stabil wird dabei ein Zustand bzw. eine Position dann bezeichnet, wenn sie ein lokales energetisches Minimum darstellt und typische Schwankungen der anliegenden Kräfte nicht aus dieser Position herausführen. Ein stabiler Zustand bzw. eine stabile Position kann überwunden werden, wenn anliegende resultierende Kräfte einen unteren Grenzwert überschreiten.
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Bei einer gesperrten Position kann eine Bewegung in die gesperrte Richtung nur dann wieder erfolgen, wenn die sperrende Vorrichtung, die insbesondere als Aktuator ausgeführt sein kann, entsperrt wird.
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Unter einer Druckdifferenz an dem Arbeitskolben ist insbesondere der Unterschied des Drucks eines gasförmigen Mediums, üblicherweise Luft, von der Kolbenvorderseite zu der Kolbenrückseite (dort in der Regel der Umgebungsdruck) zu verstehen. Im erweiterten Sinne ist unter einer Druckdifferenz von Null auch eine Druckdifferenz am Arbeitskolben zu verstehen, welche nicht ausreicht, um die Vorspannkraft des Vorspannelements sowie Reibungskräfte des Aktuators oder an der Klappe anliegende entgegen wirkende Kräfte zu überwinden und welche folglich nicht ausreicht, um eine Bewegung des Aktuators einzuleiten.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass abhängig vom Einrasten der beiden Einrastelemente in jeweils eine Rastaufnahme ein stabiler, von der Druckdifferenz am Arbeitskolben unabhängiger, Zwischenzustand mit einer Sperrung der Kolbenstange in beide Bewegungsrichtungen einstellbar ist. Die oben genannten Vorteile sind hier besonders begünstigt.
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Alternativ können auch mehrere Zwischenpositionen vorgesehen sein, die in mindestens eine, bevorzugt beide Bewegungsrichtungen, gesperrt sind.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung so ausgeführt, dass der Aktuator bei einer Druckdifferenz von Null an dem Arbeitskolben und den nicht eingerasteten Einrastelementen der pneumatischen Steuerelemente durch die Vorspannkraft des Vorspannelements selbständig in eine erste Endposition übergeht und in dieser Position gehalten ist. Insbesondere wird diese erste Endposition zumindest dann erreicht, wenn weder an dem Arbeitskolben noch an den pneumatischen Steuerelementen eine Druckdifferenz anliegt. Der Aktuator befindet sich somit in dieser ersten Endposition in einem stabilen Grundzustand, welcher die Eigenschaften eines sogenannten „Fail-Safe Zustands” aufweist.
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Vorzugsweise weisen die Rastaufnahmen an der Kolbenstange jeweils einseitig eine zur Bewegungsrichtung der Kolbenstange vertikale Flanke auf. Durch Einrasten der Raste in die Rastaufnahme kann auf einfache Weise eine Sperrung in einer Bewegungsrichtung aufrecht erhalten werden, ohne dass die pneumatischen Steuerelemente hohe Stellkräfte in radialer Richtung der Kolbenstange aufbringen müssen.
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Vorzugsweise weisen die Rastaufnahmen eine an die vertikale Flanke anliegende schräge Flanke auf. Eine erste Rastaufnahme ist mit einer schrägen Flanke ausgebildet, die von einer dem Arbeitskolben in axialer Richtung betrachtet im Vergleich zu einer zweiten Stelle näherliegenden ersten Stelle zu der zweiten Stelle zur Kolbenstangeachse hin ansteigt. Eine im Vergleich zur ersten Rastaufnahme zum Arbeitskolben entfernter ausgebildete zweite Rastaufnahme weist eine schräge Flanke auf, welche von einer dem Arbeitskolben in axialer Richtung im Vergleich zu einer vierten Stelle näher liegenden dritten Stelle zu der entfernter liegenden vierten Stelle zum Kolbenstangenmantel ansteigt. Dadurch kann ein unerwünschtes Verhaken oder Verkanten eines Einrastelements an den Rastaufnahmen vermieden und ein kontinuierliches und weniger abruptes Einschlagen eines Einrastelements in die Endstellung in einer Rastaufnahme erreicht werden.
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Vorzugsweise ist zumindest ein pneumatisches Steuerelement als ein Ventil ausgebildet. Insbesondere ist es durch eine Druckdifferenz an einer Druckkammer des Steuerelements entgegen einer Federkraft betätigbar. In vorteilhafter Weise ist ein erstes Steuerelement so ausgebildet, dass die Federkraft das Einrastelement in radialer Richtung an die Kolbenstange drückt und ein zweites Steuerelement so ausgeführt, dass die Federkraft das Einrastelement in radialer Richtung von der Kolbenstange wegzieht.
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Vorzugsweise ist der Aktuator so ausgeführt, dass die Zwischenposition aus zwei Bewegungsrichtungen der Kolbenstange anfahrbar ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Einstellen einer Klappe eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Klappe in einer Abgasanlage, bei dem ein einen Arbeitskolben und eine damit verbundene Kolbenstange aufweisender Aktuator mittels einer an dem Arbeitskolben anliegenden Druckdifferenz entgegen einer Vorspannkraft eines Vorspannelements betätigt wird und zwischen zwei Endpositionen verschoben wird, wobei zumindest zwei pneumatische Steuerelemente mit jeweils einem Einrastelement und die Kolbenstange mit Rastaufnahmen für die Einrastelemente ausgebildet werden, und durch Einrasten zumindest eines Einratselements in eine Rastaufnahme eine von der Druckdifferenz an dem Arbeitskolben unabhängige und in zumindest eine Bewegungsrichtung der Kolbenstange gesperrte Zwischenposition des Aktuators eingestellt wird.
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Vorzugsweise wird abhängig vom Einrasten der beiden Einrastelemente in jeweils eine Rastaufnahme ein von der Druckdifferenz an dem Arbeitskolben unabhängiger in beiden Bewegungsrichtungen der Kolbenstange stabiler Zwischenzustand des Aktuators eingestellt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. In dem Zusammenhang sind somit auch Ausführungsbeispiele als erfasst und offenbart anzusehen, die in der Figurenbeschreibung nicht explizit erläutert sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung in einer ersten Endposition eines Aktuators;
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2 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung in einer stabilen Zwischenposition des Aktuators; und
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3 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung in einer zweiten Endposition des Aktuators.
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In den Figuren werden gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung I, die in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Die Vorrichtung I umfasst einen Aktuator 1, welcher einen Arbeitskolben 2 mit einer Kolbenvorderseite 3 und einer Kolbenrückseite 4 aufweist. Der Arbeitskolben 2 ist in einem Kolbengehäuse 5 verschiebbar angeordnet. Der Arbeitskolben 2 ist über eine Kolbenstange 6 des Aktuators 1 mit einer Klappe 7 des Aktuators 1 verbunden. Im Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 1 so ausgeführt, dass für eine Bewegung des Aktuators 1 aus einer in 1 gezeigten ersten Endposition heraus ein Unterdruck an der Kolbenvorderseite 3 gegenüber der Kolbenrückseite 4 erforderlich ist.
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Die Bewegungsrichtung der Kolbenstange 6 verläuft entlang der Achse A. Zwischen einem Anschlag 8 und dem Kolbengehäuse 5 ist ein Vorspannelement 9 angeordnet, welches als Feder ausgeführt sein kann und im Ausführungsbeispiel koaxial zur Kolbenstange 6 verläuft.
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Die Kolbenstange 6 ist mit einer ersten Rastaufnahme 10 ausgebildet, welche eine schräge Flanke 11 aufweist, die von einer dem Arbeitskolben 2 in axialer Richtung betrachtet näherliegenden ersten Stelle 12 zu einer zweiten Stelle 13 zur Kolbenstangenachse A ansteigt. An die schräge Flanke 11 schließt eine vertikale Flanke 14 an.
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Des Weiteren weist die Kolbenstange 6 eine zweite Rastaufnahme 15 mit einer schrägen Flanke 16 auf, welche von einer dem Arbeitskolben 2 in axialer Richtung betrachtet gegenüber einer näher als eine vierte Stelle 18 liegende dritte Stelle 19 zu der nochmals entfernter liegenden vierten Stelle 18 zu einem Kolbenstangenmantel 20 hin ansteigt. Die zweite Rastaufnahme 15 weist eine an die dritte Stelle 19 mündende vertikale Flanke 17 auf.
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Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung I zwei pneumatische Steuerelemente 21 und 22, welche typischerweise als Ventile ausgebildet sind. Ein erstes pneumatisches Steuerelement 21 umfasst ein Einrastelement 23 mit einer Spitze 24 auf, welche einseitig mit einer zur Achse A vertikalen Flanke ausgebildet ist. Das zugehörige Einrastelement 23 ist mittels Unterdruck in einer Druckkammer 25 des Steuerelements 21 entgegen der Kraft einer Feder 26 bewegbar. Im konkreten Ausführungsbeispiel ist das Steuerelement 21 so ausgebildet, dass das zugehörige Einrastelement 23 bei Atmosphärendruck in der Druckkammer 25 per Federkraft der Feder 26 in radialer Richtung an die Kolbenstange 6 gedrückt wird.
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Das zweite pneumatische Steuerelement 22 ist so ausgeführt, dass ein zugehöriges Einrastelement 27 mit einer Spitze 28 bei Atmosphärendruck in einer Druckkammer 29 des Steuerelements 22 per Federkraft einer Feder 30 in radialer Richtung von der Kolbenstange 6 wegbewegt wird. Die beiden Steuerelemente 21 und 22 sind im Ausführungsbeispiel an gegenüberliegenden Seiten der Kolbenstange 6 angeordnet.
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In 1 ist der Aktuator 1 in der ersten Endposition gezeigt, bei dem keines der pneumatischen Steuerelemente 21, 22 eingerastet ist und am Arbeitskolben 2 keine Druckdifferenz anliegt. Hierbei bewegt das Vorspannelement 9 den Aktuator 1 in den vollständig ausgefahrenen Zustand oder hält den Aktuator 1 in dem vollständig ausgefahrenen Zustand.
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Ausgehend von der in 1 gezeigten Stellung des Arbeitskolbens 2 wird dieser bei Auftreten einer Druckdifferenz zwischen der Kolbenvorderseite 3 und der Kolbenrückseite 4 aus seiner ersten Endposition verschoben. Er erreicht dann eine stabile Zwischenposition gemäß 2.
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In 2 ist der Aktuator 1 in der stabilen Zwischenposition dargestellt. Die Einrastelemente 23 und 27 der beiden pneumatischen Steuerelemente 21 und 22 sind eingerastet und verhindern eine Bewegung der Kolbenstange 6 in beide möglichen Bewegungsrichtungen. Selbst eine Veränderung der Druckdifferenz am Arbeitskolben 2, beispielsweise durch eine Leckage, bewirkt keine Bewegung der Kolbenstange 6 und die Klappe 7 bleibt in der gewählten Einstellposition.
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3 zeigt den Aktuator 1 in einer zweiten Endposition, wobei keines der Einrastelemente 23 und 27 der pneumatischen Steuerelemente 21 und 22 eingerastet ist und der Arbeitskolben 2 vollständig eingefahren ist.
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Im Ausführungsbeispiel sperrt das pneumatische Steuerelement 21 einen direkten Übergang des Aktuators 1 von der ersten Endposition in die zweite Endposition an der Zwischenposition immer dann, wenn die Druckkammer 25 des pneumatischen Steuerelements 21 mit Atmosphärendruck beaufschlagt wird. Darüber hinaus sperrt das pneumatische Steuerelement 22 einen direkten Übergang des Aktuators 1 von der zweiten Endposition in die erste Endposition an einer Zwischenposition dann, die Druckkammer 29 des pneumatischen Steuerelements 22 mit Unterdruck beaufschlagt wird.
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Bezugszeichenliste
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- I
- Vorrichtung
- 1
- Aktuator
- 2
- Arbeitskolben
- 3
- Kolbenvorderseite
- 4
- Kolbenrückseite
- 5
- Kolbengehäuse
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Klappe
- 8
- Anschlag
- 9
- Vorspannelement
- 10
- Erste Rastaufnahme
- 11
- Schräge Flanke
- 12
- Erste Stelle
- 13
- Zweite Stelle
- 14
- Vertikale Flanke
- 15
- Zweite Rastaufnahme
- 16
- Schräge Flanke
- 17
- Vertikale Flanke
- 18
- Vierte Stelle
- 19
- Dritte Stelle
- 20
- Kolbenstangenmantel
- 21, 22
- Pneumatische Steuerelemente
- 23
- Erstes Einrastelement
- 24
- Spitze
- 25
- Druckkammer
- 26
- Feder
- 27
- Zweites Einrastelement
- 28
- Spitze
- 29
- Druckkammer
- 30
- Feder
- A
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062099 B4 [0003]
- DE 102005037143 A1 [0004]
