DE19752535C2 - Stellvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art.

Eine derartige Stellvorrichtung ist aus der DE 30 36 485 A1 be­ reits als bekannt zu entnehmen. Bei dieser Stellvorrichtung ist ein hydraulischer Arbeitszylinder mit einem Kolben als Arbeits­ element versehen, wobei zwischen dem Kolbenboden und der gegen­ überliegenden Zylinderwand eine Schraubenfeder abgestützt ist, die als Zug- oder als Druckfeder ausgebildet sein kann. Die in Abhängigkeit von der Axialstellung des Kolbens im Zylinder vari­ ierende Dehnung der Schraubenfeder wird über eine Kraftmeßein­ richtung z. B. über Dehnungsmeßstreifen erfaßt, die elektrische Signale zur meßtechnischen Feststellung der jeweils vorliegenden Kolbenposition liefert. Das Meßsignal muß außerhalb des Arbeits­ zylinders verarbeitet oder zumindest angezeigt werden, so daß eine technisch aufwendige Signalübertragung aus dem Arbeitszy­ linder heraus erforderlich ist. Das Durchdringen der Zylinder­ wand durch ein Kabel oder dgl. kann jedoch bei Stellvorrichtun­ gen aus technischen Gründen, wie z. B. wegen der Dichtungsprob­ lematik, unerwünscht sein.

Ferner ist aus der DE 30 31 779 A1 eine Vorrichtung zum Auslösen einer Funktion bei einer vorgegebenen Position eines durch ein Druckmittel getriebenen Kolbens bekannt, wobei die Zylinderwand von eine Bohrungsreihe durchdrungen ist. Die Bohrungen münden in einer Hohlkammer, die über eine Leitung mit einem zur Endab­ schaltung des Arbeitszylinders vorgesehenen Druckschalter ver­ bunden ist. Durch Verlagerung eines dichtenden Lochschiebers in der Hohlkammer kann somit eingestellt werden, in welcher der vorgesehenen Positionen des Kolbens die Abschaltung des Arbeits­ zylinders erfolgen soll. Auch diese bekannte Ausführungsform weist somit eine in unerwünschter Weise mit Bohrungen durchsetz­ te Zylinderwand auf.

Eine gattungsähnliche Stellvorrichtung ist aus der Offenlegungs­ schrift DE 34 24 461 A1 bekannt. Diese weist ein zylindrisches Gehäuse auf, an dessen Außenumfang eine Induktionsspule angeord­ net und in dem ein als Kern wirkender Kolben beweglich gelagert ist. Die Position des Kolbens kann durch eine Meßschaltung für die Änderung der Spuleninduktanz in Abhängigkeit von der Ver­ schiebung des Kolbens gemessen werden. Die Kolbenposition läßt sich auf induktivem Weg jedoch nur mit hohem technischem Aufwand ermitteln.

Aus der Offenlegungsschrift DE 196 29 065 A1 ist eine hydrauli­ sche Betätigungsanordnung für ein Fahrzeugverdeck bekannt, die mehrere parallel geschaltete Arbeitszylinder mit Schaltelementen zur gezielten Ansteuerung und Druckkontrolle der einzelnen Zy­ linder umfaßt. Ein Drucksensor überwacht den Vorlaufdruck zwi­ schen Pumpe und Zylindern, wobei dessen Meßsignal von einem Rechner einer Steuereinheit ausgewertet und mit bekannten Druck­ verläufen verglichen wird. Durch eine nacheinander erfolgende Ansteuerung läßt sich die jeweilige Endstellung der einzelnen Arbeitszylinder mit Hilfe des Drucksensors überwachen, wodurch eine Funktionskontrolle der gesamten Betätigungsanordnung reali­ siert wird. Hierbei ist der technische Aufwand für die Steuerung der Arbeitszylinder des Betätigungssystems insgesamt erheblich.

Ferner ist aus dem Gebrauchsmuster DE 94 12 435 U1 ein Arbeits­ zylinder bekannt, in dessen Gehäuse ein axial bewegbarer Kolben angeordnet ist. Der Kolben ist fest mit einer Kolbenstange ver­ bunden, die in einer Längsnut einen Meßstreifen bestehend aus mehreren in Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Mag­ netzonen aufweist, die durch eine Sensoreinrichtung berührungs­ los abtastbar sind. Dadurch wird es ermöglicht, die Position des Kolbens im Arbeitszylindergehäuse elektromagnetisch zu erfassen.

Durch die abgeflachte Kolbenstange läßt sich der Arbeitszylinder nur mit hohem technischen Aufwand stangenseitig abdichten.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der unter Vermeidung von Durchtrittsöffnungen in der Zylinderwand eine genaue und zu­ verlässige Positionsbestimmung des Arbeitselementes mit beson­ ders einfachen Mitteln möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine mehrfache Än­ derung des Bewegungswiderstandes des Arbeitselementes über sei­ nen Vorschubweg die Änderung einer weiteren, meßbaren Kenngröße des Arbeitselementes zur Folge hat, wodurch sich einer bestimm­ ten Position des Arbeitselementes eine bestimmte Anzahl von me­ chanischen Widerstandselementen also Wechseln des Bewegungswi­ derstandes zuordnen lassen. Diese Wechsel sind direkt oder indi­ rekt meßbar und geben somit über die entsprechende Position des Arbeitselementes innerhalb im Führungsgehäuses Auskunft. Derartige Widerstandselemente können sowohl großflächig als auch punktuell ausgeführt werden. Wenn das Arbeitselement den mecha­ nischen Widerstand überfährt, ergeben sich vorübergehend eine meßbare Verlangsamung der Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeits­ elementes und gegebenenfalls auch eine Erhöhung des Hydraulik­ drucks im Vorlauf oder eine Absenkung des Hydraulikdrucks im Nachlauf des Arbeitselementes. Als mechanische Widerstände kom­ men beispielsweise aufgerauhte Oberflächenstrukturen, Beschich­ tungen oder Einsätze aus Materialien mit erhöhtem Reibungswert, in Vertiefungen der Gleitflächen des Gehäuses versenkbare Hin­ dernisse oder mehrfach überfahrbare Federelemente an den Gleit­ flächen in Frage. Durch die entlang dem Bewegungsweg des Ar­ beitselementes verteilte Anordnung mehrerer gleichartiger oder auch verschiedener Widerstandselemente kann ein sich kontinuierlich oder abgestuft verändernder Bewegungswiderstand des Ar­ beitselementes erzeugt werden, wobei die einzelnen Änderungen des Bewegungswiderstandes oder auch der Bewegungswiderstand selbst die meßbare Kenngröße des Arbeitselementes beeinflussen und zur Positionsbestimmung herangezogen werden können. Als Än­ derung des Bewegungswiderstandes wird sowohl eine Erhöhung als auch eine Verringerung angesehen.

In Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Posi­ tionsbestimmung eine Sensoreinrichtung zur Erfassung wenigstens einer sich mit dem Bewegungswiderstand ändernden Kenngröße des Arbeitselementes, insbesondere eines Hydraulikdruckwertes. Als durch die Sensoreinrichtung zu erfassende Kenngröße des Arbeits­ elementes ist vorzugsweise der Hydraulikdruck zwischen einer Hy­ draulikpumpe und dem Arbeitselement, d. h. im Vorlauf des Arbeits­ elementes, nutzbar, jedoch kommen auch andere Hydraulikdrücke so­ wie Geschwindigkeit und Beschleunigung des Arbeitselementes als meßbare Kenngrößen in Frage.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur Positionsbestimmung eine mit der Sensoreinrichtung verbundene Steuereinheit, die die Meßwerte der Sensoreinrichtung verschie­ denen Positionen des Bewegungsweges des Arbeitselementes zuord­ net. Die Zuordnung durch die Steuereinheit kann darin bestehen, daß von der Sensoreinrichtung übermittelte Impulse gezählt wer­ den, wobei einer bestimmten Zahl von Impulsen eine bestimmte Po­ sition des Arbeitselementes entspricht, oder daß Funktionsver­ läufe aufgezeichnet und beliebig ausgewertet und/oder mit vor­ gebbaren Kennlinien verglichen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind als mechanische Wi­ derstände elastisch komprimierbare Druckelemente vorgesehen, die zugleich einen Endanschlag für das Arbeitselement bilden können. Wenn das Arbeitselement gegen eines der Druckelemente stößt, er­ höht sich der Arbeitsaufwand für die Bewegung des Arbeitselemen­ tes, woraus sich eine wenigstens kurzzeitige Verlangsamung der Bewegungsgeschwindigkeit und ggf. eine entsprechende Druckände­ rung ergeben. Durch eine Verwendung unterschiedlicher Druckele­ mente für verschiedene Endanschläge des Arbeitselementes, läßt sich einem bestimmten Endanschlag ein bestimmter Verlauf der ge­ messenen Kenngröße zuordnen, so daß der Endanschlag identifi­ zierbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist als ein Widerstands­ element eine vom Arbeitselement zu überfahrende Druckausgleichs­ öffnung vorgesehen. Eine derartige Druckausgleichsöffnung stellt gewissermaßen einen hydraulischen Widerstand und somit eine ein­ fach realisierbare Alternative zu einem mechanischen Widerstand dar. Das Überfahren der Druckausgleichsöffnung kann dabei sowohl eine Beschleunigung der Bewegung des Arbeitselementes als auch eine entsprechende Verlangsamung zur Folge haben. Als Druckaus­ gleichsöffnungen kommen beispielsweise quer oder längs angeord­ nete Aussparungen, oder abschnittsweise gesonderte Querschnitts­ erweiterungen der Gehäusewand in Betracht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Druckausgleichs­ öffnung als Nut oder Kerbe in der mit dem Arbeitselement in Dichtkontakt stehenden Gehäusewand ausgestaltet. Beim Überfahren der Nut oder Kerbe durch das Arbeitselement ergibt sich bei ent­ sprechender Ausgestaltung eine Leckage zwischen Vorlauf- und Nachlaufseite des Arbeitselementes, die wiederum eine meßbare Druckänderung bewirkt.

Nachfolgend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung anhand der Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung in Form eines Hydraulikzylinders mit einem linear beweg­ lich gelagerten Kolben, und

Fig. 2 ein Kraftfahrzeug mit einem schwenkbaren Verdeck, dessen Antriebseinheit eine erfindungsgemäße Stellvorrichtung umfaßt.

In Fig. 1 ist eine Stellvorrichtung in Form eines Hydraulikzy­ linders 1 dargestellt. Der Hydraulikzylinder 1 ist Bestandteil einer hydraulischen Antriebseinheit (1, 10, 12 bis 15) für ein schwenkbares Verdeck 11 eines Cabriolets, die in Fig. 2 skiz­ ziert ist.

Im Gehäuse 3 des Hydraulikzylinders 1 ist ein als Arbeitselement dienender Kolben 2 axial beweglich gelagert. Der Kolben 2 ist beidseitig von einer in Fig. 2 dargestellten Hydraulikpumpe 12 mit Hydraulikdruck beaufschlagbar und kann so in seinem Arbeits­ raum 3b hin und her bewegt werden. Für eine Zu- und Abfuhr von Hydraulikflüssigkeit sind entsprechende Leitungsanschlüsse 4 in dem Gehäuse 3 vorgesehen. Über eine Kolbenstange 8, die das Ge­ häuse 3 durchsetzt, treibt der Kolben 2 eine in Fig. 2 angedeu­ tete Mechanik 10 des Kraftfahrzeugverdecks 11 an.

Zwischen dem Kolben 2 und der Gehäusewand 3a ergeben sich Berüh­ rungsflächen, zwischen denen im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Dichtelement 7 angeordnet ist. Dieses Dichtelement 7 sorgt in herkömmlicher Weise für einen optimalen Dichtkontakt zwischen dem Kolben 2 und der Gehäusewand 3a. Des weiteren sind in der Gehäusewand mehrere, als Druckausgleichsöffnungen dienende um­ laufende Nuten 5 angeordnet, die in axialer Richtung breiter ausgestaltet sind als das Dichtelement 7. Wenn der Kolben 2 eine Position einnimmt, die derjenigen in Fig. 1 entspricht, büßt das Dichtelement 7 seine Wirksamkeit ein, da es den Kontakt zur Ge­ häusewand 3a verliert. Auf diese Weise ergibt sich eine Leckage­ strömung zwischen Vorlauf- und Nachlaufseite des Arbeitsraumes 3b, falls eine entsprechende Druckdifferenz am Kolben 2 anliegt.

Die Nuten 5 sind in Form von Kalotten derart ausgestaltet, daß eine Beschädigung des Dichtelements 7 auch bei wiederholtem Überfahren vermieden wird.

Im Arbeitsraum 3b des Kolbens 2 ist ferner ein elastisch kompri­ mierbares Druckelement in Form einer Druckfeder 6 vorgesehen, die sich an einer Anschlagfläche 3c des Gehäuses abstützt. Wenn der Kolben in Richtung der Anschlagfläche 3c verfahren wird, stößt er somit zuerst gegen die Druckfeder 6, die, wenn sie vollständig zusammengedrückt ist, selbst als Anschlag für den Kolben 2 wirkt.

Das beispielhaft vorgeschlagene Ausführungsbeispiel einer hy­ draulischen Antriebseinheit funktioniert wie folgt. Der Kolben 2 möge sich zunächst in einer nicht dargestellten Endposition be­ finden, in der die Kolbenstange 8 vollständig aus dem Gehäuse 3 ausgefahren ist und der Kolben 2 gegen eine Anschlagfläche 3d stößt. Wird er von dieser Seite, der Vorlaufseite, mit Hilfe der Hydraulikpumpe 12 mit Druck beaufschlagt, so reißt er sich aus dieser Position los und bewegt sich in Richtung auf die gegen­ überliegende Anschlagfläche 3c zu. Dabei ist zunächst ein gegen­ über dem normalen Arbeitsdruck erhöhtes Druckniveau erforder­ lich, da ein gewisser Losreißwiderstand überwunden und der Kol­ ben 2 beschleunigt werden muß. Danach sinkt das erforderliche Druckniveau auf den Wert des normalen Arbeitsdruckes ab, der insbesondere dann erreicht ist, wenn der Kolben seine konstante, normale Arbeitsgeschwindigkeit erreicht hat.

Nachdem der Kolben einen gewissen Weg zurückgelegt hat, über­ fährt er eine erste der umlaufenden Nuten 5, wobei wie bereits dargestellt, kurzzeitig eine Leckageströmung zwischen Kolben und Gehäusewand 3a auftritt, die für einen entsprechenden Druckab­ fall auf der Vorlaufseite des Kolbens sorgt. Dieser vorüberge­ hende Druckabfall, der im Rahmen üblicher Hydrauliksysteme vor­ zugsweise bis ca. 5 bar betragen kann, läßt sich in herkömmlicher Weise von einer Sensoreinrichtung in Form eines in Fig. 2 darge­ stellten Druckaufnehmers 13 erfassen. Nach dem Überfahren der ersten Nut stellt sich sehr schnell wieder der normale Arbeits­ druck ein, der annähernd konstant bleibt, bis der Kolben die nächste Nut überfährt. Da entlang des gesamten Bewegungsweges des Kolbens verteilt, mehrere derartige Nuten 5 vorgesehen sind, treten immer wieder ähnliche oder identische Druckabfälle auf, die von einem Druckaufnehmer erfaßt und an eine Steuereinheit 14 weitergeleitet werden können, die in der Lage ist, diese Druck­ sprünge zu registrieren und auszuwerten. Dabei ist vorgesehen, daß einer bestimmten Zahl an registrierten Druckabfällen eine bestimmte Position des Kolbens 2 innerhalb des Gehäuses 3 zuge­ ordnet ist. In der Steuereinheit sind der maximale Kolbenhub wie auch die Positionierung der Nuten entlang des Kolbenhubes er­ fasst, so daß die Steuereinheit zu jedem Zeitpunkt auswerten kann, an welcher Position sich der Kolben befindet. Die Positi­ onsbestimmung ist dabei um so genauer, je kleiner der Abstand der Nuten in axialer Richtung ausgeführt ist. Außerdem können besonders ausgeführte Abstände zwischen einzelnen Nuten und/oder besonders ausgeführte Nuten spezielle Positionen des Kolbens 2 kennzeichnen.

Wenn der Kolben 2 in eine Position gemäß Fig. 1 bewegt wird, trifft er auf die als mechanischer Widerstand dienende Druckfe­ der 6, die seine Bewegung behindert und einen kontinuierlichen Druckanstieg auf der Vorlaufseite bewirkt. Dieser Druckanstieg während der Bewegung des Kolbens kann von Druckabfällen infolge mehrerer überfahrener Nuten 5 überlagert werden. Der Kolben er­ reicht seine Endposition, wenn die Druckfeder vollständig zusam­ mengepreßt ist, wobei der Druck auf der Vorlaufseite stark an­ steigt, sobald der Kolben festliegt. Auf diese Weise läßt sich ein für den Endanschlag 3c spezifischer Druckverlauf konzipie­ ren, der von dem Druckaufnehmer 13 erfaßt und von der Steuerein­ heit 14 dem Endanschlag zugeordnet werden kann. Dadurch vermag die Steuereinheit 14 die Endposition zu detektieren und den Endanschlag 3c von dem Endanschlag 3d, der keine Druckfeder auf­ weist, zu unterscheiden. Besondere Endschalter können dadurch entfallen.

In modifizierten Ausführungsbeispielen können zusätzlich oder anstelle der hydraulisch wirkenden Nuten bzw. der mechanisch wirkenden Feder auch Oberflächenstrukturen, federnd in eine Ver­ tiefung der Gehäusewand 3a versenkbar gelagerte Kugeln oder an­ dere Elemente an der Gehäusewand 3a vorgesehen sein, die mecha­ nisch und/oder hydraulisch die Bewegung des Arbeitselementes we­ nigstens kurzzeitig beeinflussen.

Es ist vorgesehen, der Steuereinheit 14 ein Speichermodul 15 zu­ zuordnen, so daß die anhand eines Vergleichs des erfaßten Ar­ beitsdruckverlaufs mit einer vorgebbaren Kennlinie und/oder ei­ ner Druckimpulszählung ermittelte Position des Kolbens auch bei stillgelegter Stellvorrichtung gespeichert bleibt, so daß der Steu­ ereinheit jederzeit Informationen über die Position des Kolbens zur Verfügung stehen. Ferner soll der Steuereinheit 14 über das Speichermodul 15 eine Sollposition für das Verdeck 11 und damit für den Kolben 2 vorgebbar sein, aus der die Steuereinheit Steu­ erbefehle an die Hydraulikpumpe 12 generieren kann.

Die Steuereinheit kann Fehlfunktionen der Stellvorrichtung von einem Anfahren eines Endanschlags unterscheiden, da sowohl einem Endanschlag ein charakteristischer Druckverlauf zugeordnet ist, als auch die Bewegung des Kolbens innerhalb des Gehäuses mitge­ schrieben wird. Es läßt sich eine hohe Betriebssicherheit der Stellvorrichtung gewährleisten, da das System sowohl Fehlfunk­ tionen als auch Fehlbedienungen zuverlässig selbständig erkennt. Insbesondere das Einklemmen von Gegenständen oder Personen in der Mechanik 10 des Verdecks werden nicht irrtümlich als Errei­ chen einer Endposition erkannt, wodurch ein aktiver Einklemm­ schutz ermöglicht wird, da die Stellvorrichtung in einem solchen Fall sehr schnell durch die Steuereinheit abschaltbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist somit eine Ablaufsteue­ rung, insbesondere für hydraulische oder pneumatische Arbeitszy­ linder erzielbar, bei der entlang eines Bewegungsweges des Ar­ beitselementes, d. h. des Kolbens, entsprechende Störungen, deren Positionen relativ zum Bewegungsweg definiert sind, gezählt werden können, wodurch auch eine Umkehr des Bewegungsablaufes in einfacher Weise realisierbar ist. Insbesondere bei Verdecksteue­ rungen von Cabriolets kann somit auch bei einem Notstopp in der Mitte einer Versenk- oder einer Schließbewegung die jeweilige Bewegung nach Beseitigung des auslösenden Fehlers durch die ent­ sprechende Steuerung zu Ende geführt werden, ohne daß es zu Fehlfunktionen kommt.

Claims (8)

1. Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse beweglich gela­ gerten, hydraulisch ansteuerbaren Arbeitselement, mit Mitteln zur Positionsbestimmung des Arbeitselementes bezüglich eines ge­ häusefesten Punktes, wobei das Arbeitselement mit einem Wider­ standselement zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Positionsbestimmung mehrere, entlang dem Be­ wegungsweg des Arbeitselementes (2) verteilt angeordnete und gehäu­ sefest positionierte mechanische Widerstandselemente (5, 6) aufwei­ sen, die jeweils beim Überfahren mit dem Arbeitselement (2) zur Änderung von dessen Bewegungswiderstand führen.

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Positionsbestimmung eine Sensoreinrichtung (13) zur Erfassung wenigstens einer sich mit dem Bewegungswider­ stand ändernden Kenngröße des Arbeitselementes (2) umfassen.

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Positionsbestimmung eine mit der Sensorein­ richtung (13) verbundene Steuereinheit (14) umfassen, die die Meßwerte der Sensoreinrichtung (13) verschiedenen Positionen des Bewegungsweges des Arbeitselementes (2) zuordnet.

4. Stellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß endseitig wenigstens ein elastisch komprimierbares Druckele­ ment (6) vorgesehen ist, das einen Endanschlag für das Arbeits­ element (2) bildet.

5. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandselement eine vom Arbeitselement (2) zu über­ fahrende Druckausgleichsöffnung (5) vorgesehen ist.

6. Stellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnung (5) als Nut oder Kerbe in der mit dem Arbeitselement (2) in Dichtkontakt stehenden Gehäusewand (3a) ausgestaltet ist.

7. Stellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsöffnung (15) mindestens so groß dimensio­ niert ist, wie ein zwischen Arbeitselement (2) und Gehäusewand (3a) vorgesehenes Dichtelement (7).

8. Hydraulische Antriebseinheit für ein schwenkbares Fahrzeug­ verdeck (11) mit einer Steuerung (14), die geeignet ist, mit Hilfe einer Druckmeßsensorik verschiedene Funktionspositionen der Antriebseinheit anhand von Drucksignalen zu erfassen und die Antriebseinheit in Abhängigkeit von den erfaßten Signalen anzu­ steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit eine Stellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.