DE19817271C2 - Pneumatisches Stellelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Stellelement mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Pneumatische Stellelemente der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So werden beispielsweise Membranzylin­ der zur Ansteuerung von Regelklappen über einen He­ belmechanismus verwendet. Derartige sogenannte ein­ fach wirkende Zylinder gibt es in verschiedensten Bauformen und Größen. Zu den einfachsten Bauformen zählen Membranzylinder, auch als sogenannte Druck­ luftdosen beziehungsweise Unterdruckdosen bekannt. Hierbei ist eine Weichgummi-, Kunststoff- oder Metallmembran zwischen zwei Metall- oder Kunststoff­ schalen fest eingespannt. Eine Kolbenstange ist zen­ trisch in der Membran befestigt. Bei einer Beauf­ schlagung mit Druckluft oder einem Unterdruck bezie­ hungsweise Vakuum wird die Membran und damit die Kol­ benstange linear ausgelenkt.

Diese Hubbewegung kann zu unterschiedlichen Zwecken abgegriffen werden, beispielsweise zur kontinuierli­ chen Ausgabe und zur Ansteuerung eines Regelmechanis­ mus oder beispielsweise auch zur Ansteuerung eines Schalters, der bei einem bestimmten Grenzdruck schal­ tet, und somit nur zwei Schaltstellungen kennt. Mög­ lich sind Bauformen zur Erfassung eines äußeren Über­ druckes als auch solche, die ein Vakuum anzeigen, das heißt, bei denen ein Vakuumsignal die Membran ansaugt und dadurch die Betätigung eines Schalters ausgelöst wird.

Bekannt sind weiterhin Unterdruckdosen als sogenannte aktive Stellglieder, die vielerorts platzsparend und kostengünstig zum Einsatz kommen können, beispiels­ weise als Stellelemente für Drosselklappen in Kraft­ fahrzeugen. Je nach gegebenen Einbaubedingungen und verfügbarer Peripherieausrüstung können derartige pneumatische Stellglieder Vorteile gegenüber alterna­ tiven Ausführungsformen, beispielsweise elektromoto­ risch betriebenen Stellgliedern, aufweisen.

Aus der DE 43 08 644 A1 ist ferner ein druckmittel­ gesteuerter Antrieb bekannt, in dem eine Linearaus­ lenkung einer von einer mit einem Druck beaufschlag­ ten Membran über eine Schubstange und ein Zahnrad in eine Drehbewegung umgesetzt wird. Dabei weist die Drehachse einer die Drehbewegung ausführenden Welle eine zur Linearauslenkung der Membran beziehungsweise der Schubstange senkrechte Anordnung auf.

Die DE 37 06 121 A1 beschreibt außerdem einen Stell­ antrieb ohne Membran, in dem ein Arbeitshubelement (Kolben) durch wechselseitige Fluidbeaufschlagung bi­ direktional linear auslenkbar und verdrehsicher ange­ ordnet ist. Die Linearauslenkung des Kolbens wird in eine Drehbewegung einer axial fixierten Stellstange umgesetzt.

Nachteilig bei den bekannten pneumatischen Stellele­ menten beziehungsweise Membranzylindern sind die üb­ licherweise sehr geringen axialen Auslenkungen der Kolbenstange, die eine exakte Dosierung von Stellbe­ wegungen nur schwer ermöglichen. Sollen feine Druck­ veränderungen umgesetzt werden, stoßen die bekannten Membranzylinder, unter anderem wegen auftretender un­ erwünschter Hysteresiseffekte, an die Grenzen der realisierbaren Stell- und Meßgenauigkeiten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße pneumatische Stellelement, wel­ ches insbesondere eine Unterdruckdose ist, weist den Vorteil auf, durch einfachen konstruktiven Aufbau eine durch eine äußere Druckbeaufschlagung entstehen­ de lineare Auslenkung des Membrantellers in eine Dreh- und Längsbewegung umsetzen zu können, die als Ausgangsgröße zur Verfügung gestellt wird. Auf diese Weise sind vielfältige Einsatzmöglichkeiten bei sehr geringem Platzbedarf und gleichzeitig äußerst günsti­ gen Kosten realisierbar. So kann beispielsweise eine Ansteuerung einer Drosselklappe in einem Kraftfahr­ zeug mittels eines erfindungsgemäßen pneumatischen Stellelementes direkt, das heißt ohne weitere Hebel­ umlenkungen, erfolgen. Die als Ausgangsgröße zur Ver­ fügung gestellte Verdrehbewegung weist ferner eine nichtlineare Kennlinie auf, um beispielsweise anfangs eine große und gegen Ende des Membranhubes eine nur noch geringe Winkeländerung auszuführen und damit beispielsweise eine erhöhte Verschließkraft zur Ver­ fügung stellen zu können.

Weiterhin kann bei einem Einsatz als Sensorelement, beispielsweise zur Ansteuerung einer Auswerteschal­ tung, ein Potentiometer oder ein Drehkondensator, wahlweise mit linearer oder mit logarithmischer Cha­ rakteristik, direkt von der Unterdruckdose angesteu­ ert werden, ohne daß irgendwelche zusätzlichen mecha­ nischen Bauteile zur Umsetzung erforderlich wären. Auf diese Weise ist, insbesondere bei einer Wandlung in ein elektrisches Signal, eine deutlich exaktere und feinfühligere Meßwertausgabe möglich als bei der direkten Ausgabe der linearen Auslenkung einer Meß­ membran. Insbesondere bei kleinen zu messenden Druck­ unterschieden können unvermeidliche Meßwertungenauig­ keiten, beispielsweise durch Reibschwankungen von aufeinandergleitenden Teilen, erheblich reduziert werden. Zudem ist der gesamte Mechanismus in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht und äußerst kom­ pakt aufgebaut, was einen modularen Einsatz auch unter ungünstigen Einbau- oder Umgebungsbedingungen erleichtert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die ein pneumatisches Stellelement in einer schematischen Schnittansicht zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt einen als pneumatisches Stellelement wirkenden Membranzylinder 1 in einer schematischen Schnittansicht. Als zentrales Bauelement ist eine Membran 4 erkennbar, die vorzugsweise eine kreisrunde Kontur aufweist und an ihrem äußeren Rand in einem, einen ebenfalls runden Querschnitt aufweisenden, Gehäuse 2 fixiert ist, das sich von einer zylindri­ schen zu einer topfartigen Form eines Gehäusetopfes 3 aufweitet. Am äußeren Rand des Gehäusetopfes 3 ist die Membran 4 eingespannt und kann durch Beaufschla­ gung mit einer Kraft in bekannter Weise ausgelenkt werden.

Auf einer Oberseite ihres äußeren Randes ist die Membran 4 fixiert mit einem in das Gehäuse 2 bezie­ hungsweise den Gehäusetopf 3 passenden Membrandeckel 10, der von einer tellerartigen Form nach oben hin in eine zylindrische Form übergeht und eine, hier nicht dargestellte Öffnung zur Beaufschlagung der Membran 4 mit einem äußeren Druck, beispielsweise einem Meßdruck, aufweist. Mittig ist die Membran 4 fest verbunden mit einem Membranteller 8, der bei einer Auslenkung der Membran 4 durch Beaufschlagung mit einem äußeren Druck eine axiale Bewegung ausführen kann. Der Membranteller 8 setzt sich nach oben hin fort in einer zylindrischen Form und weist außen eine Verdrehsicherung 16, beispielsweise eine Kerb- oder Keilverzahnung auf, die in eine entsprechend passende Innenverzahnung im Membrandeckel 10 eingreift und somit eine radiale Verdrehung des Membrantellers 8 verhindert.

An einer Innenseite des hohl ausgeführten zylindri­ schen Membrantellers 8 weist dieser ein Gewinde, vor­ zugsweise ein Steilgewinde 14 auf, das mit einem ent­ sprechenden Gewinde auf einer Drehachse 6 korrespon­ diert. Die Drehachse 6 ist im Gehäuse 2 gelagert, beispielsweise in einem Gleitlager 18, und zur Membran 4 hin durch eine Dichtung 22 abgedichtet.

Bei einer axialen Auslenkung der Membran 4 durch Druckbeaufschlagung und damit einer axialen Auslen­ kung des Membrantellers 8 wird die Drehachse 6, bedingt durch das Steilgewinde 14, in eine radiale Drehung versetzt. Der Winkel der Verdrehung bezüglich einer axialen Auslenkung, das heißt die Übersetzung, wird festgelegt durch die Steigung des Steilgewindes 14 und den Hub des Membrantellers 8.

Weiterhin ist eine schematisch angedeutete Feder 12 erkennbar, die den Membranteller 8 in seiner Ruhelage nach unten drückt, das heißt, für eine Minimalauslen­ kung bei fehlender Druckbeaufschlagung sorgt und damit eine unkontrollierte Aufwärtsbewegung der Membran 4 mit dem Membranteller 8 bei Erschütterungen oder Verkippungen des Membranzylinders 1 verhindert. Diese Feder 12 kann beispielsweise eine Spiralfeder mit linearer oder auch mit progressiver oder degres­ siver Federkennlinie sein. Eine derartige Feder kann, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, aus einem Federblech gewickelt sein, wodurch sich eine sehr kompakt bauende Linearfeder mit relativ großem Hub darstellen läßt. Ebenso möglich ist die Verwendung einer aus üblichem Federdraht gewickelten Spiral­ feder.

Das Steilgewinde 14 kann wahlweise ein-, aber auch mehrgängig sein. Die Drehachse 6 muß zudem axial gegen ein Herausfallen gesichert sein, was im darge­ stellten Ausführungsbeispiel jedoch nicht eingezeich­ net ist. Eine derartige Sicherung kann beispielsweise durch einen Absatz oder eine umlaufende Nut in der Drehachse 6, in die ein von außen radial durch das Gehäuse 2 dringender Stift eingreift, realisiert wer­ den.

Claims (5)

1. Pneumatisches Stellelement, insbesondere Unter­ druckdose, mit einer in einem Gehäuse fixierten Mem­ bran, einem mit der Membran verbundenen Membran­ teller, und mit einer Gehäuseöffnung zur Verbindung der Membran mit einem umgebenden druckbeaufschlagten Medium, wobei die Membran und der Membranteller bei einer Druckbeaufschlagung eine Auslenkung senkrecht zur Membranoberfläche erfahren (Membranzylinder), da­ durch gekennzeichnet, daß der Membranteller (8) eine hohl ausgeführte zylindrische Form mit einer Symme­ trieachse senkrecht zur Oberfläche der Membran (4) und eine Innenseite mit einem Steilgewinde (14) auf­ weist, und daß eine über ein Lager (18) im Gehäuse (2) drehbar und längsverschieblich gelagerte Dreh­ achse (6) ein Gewinde aufweist, das mit dem Steilge­ winde (14) gekoppelt ist und das Steilgewinde eine nichtlineare Kennlinie aufweist.

2. Pneumatisches Stellelement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Membranteller (8) eine Verdrehsicherung (16) zu einer radialen Festlegung bei axialer Auslenkung aufweist.

3. Pneumatisches Stellelement nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verdrehsicherung (16) eine längsverschiebliche Keilwellen- oder Kerbzahnverbindung im Membranteller (8) und dazu passend in einem Membrandeckel (10) ist.

4. Pneumatisches Stellelement nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (18) ein Gleitlager ist.

5. Pneumatisches Stellelement nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (12) mit dem Membranteller (8) wirkverbunden ist und die Feder (12) in einer Ruhelage den Membran­ teller (8) mit einer Federkraft beaufschlagt und die Feder (12) eine nichtlineare Federkennlinie besitzt.