EP1209366A1 - Betätigungsvorrichtung für den Einsatz in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Betätigungsvorrichtung für den Einsatz in Kraftfahrzeugen Download PDF

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EP1209366A1
EP1209366A1 EP00124877A EP00124877A EP1209366A1 EP 1209366 A1 EP1209366 A1 EP 1209366A1 EP 00124877 A EP00124877 A EP 00124877A EP 00124877 A EP00124877 A EP 00124877A EP 1209366 A1 EP1209366 A1 EP 1209366A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
hose
pneumatic actuator
pressure
actuating device
actuator
Prior art date
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EP00124877A
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English (en)
French (fr)
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EP1209366B1 (de
Inventor
Albrecht Kretzschmar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Festo SE and Co KG
Aumovio Safety Engineering GmbH
Original Assignee
Festo SE and Co KG
Siemens Restraint Systems GmbH
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Publication date
Application filed by Festo SE and Co KG, Siemens Restraint Systems GmbH filed Critical Festo SE and Co KG
Priority to EP20000124877 priority Critical patent/EP1209366B1/de
Priority to DE50002102T priority patent/DE50002102D1/de
Publication of EP1209366A1 publication Critical patent/EP1209366A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1209366B1 publication Critical patent/EP1209366B1/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/10—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type
    • F15B15/103—Characterised by the construction of the motor unit the motor being of diaphragm type using inflatable bodies that contract when fluid pressure is applied, e.g. pneumatic artificial muscles or McKibben-type actuators

Definitions

  • the invention relates to an actuating device, in particular for the Use in motor vehicles.
  • actuation devices are used in motor vehicle construction used, which is usually the comfort of the driver and the Serve vehicle occupants, but also to a large extent tasks in the Take over as part of a comprehensive security concept.
  • the Window lifting device and the drive of the windshield wipers are only two Examples of such actuators.
  • actuators are predominantly closed understand that defined in response to a signal with the addition of auxiliary energy Start actions.
  • actuators in automotive engineering uses electric actuators, especially electric motors, as well the window lifting device already mentioned and the drive of the Do windshield wiper system. But there are also numerous Actuators that work mechanically and / or operated by hand become.
  • An example of this is the actuator for opening the Bonnet or tailgate, which are usually levers and cables includes.
  • the adjustment of the fresh air supply nozzles takes place usually by hand using an integrated in the nozzle and on the nozzle arranged mechanical actuator.
  • Actuators for motor vehicles the tasks under a Security concept take over are often combined with sensors. These sensors generate a given certain boundary conditions Signal which is fed to the actuating device and activates it.
  • An example of such an actuator is the gas generator an airbag module. If necessary, this is activated by a signal that is generated by a sensor, the sensor often being a Accelerometer is the one when a permissible is exceeded Acceleration generates a signal.
  • This signal works together with Auxiliary energy introduced, for example, the ignition of a pyrotechnic Ignition charge and / or the opening of a gas reservoir under pressure, wherein the gas generated or the gas released fills the airbag. Hiebei is the action started by the actuator filling the Airbag.
  • the electric drives also include mechanical ones Components, which is why they, like mechanical actuators in principle, are subject to the stick-slip effect disadvantageously. caused is the stick-slip effect due to the sliding between the friction occurring relative to each other.
  • Become the components that can be moved and are in contact by the electric drive is subjected to forces, so there is a displacement of Components against each other only when the external force, the static friction occurring in the interface between the in contact stationary components. This force increases with the beginning of the Relative movement a value corresponding to the coefficient of sliding friction, when falling below that defined by the sliding friction coefficient Sliding friction force the relative movement comes to a standstill again.
  • the number of vehicles is increasing used actuators and with them the total weight of the Motor vehicle to, in particular electric drives disadvantageous characterized by a high ratio of component weight to actuation force and thus contribute greatly to weight gain.
  • these electric drives may not always be in the frame of a passive safety concept, because with they do not have the necessary response or adjustment times can.
  • a sufficiently quick positioning is one Bonnet in a position advantageous for the opponent of the accident electric drive according to the prior art is not possible because the for the time provided for this process is insufficient or the Electric motor requires unacceptably long adjustment times.
  • a Actuating device in particular for use in motor vehicles, to introduce the disadvantages of the actuating devices according to the state the technology reduces or eliminates, in particular a faster Responsiveness or a shorter adjustment time and should a smaller ratio of component weight to actuation force Has.
  • an actuator with a compressed pressure medium storage and a pneumatic Actuator in which the memory and the pneumatic actuator are connected are connected and the connection can be closed by means of a valve and in which the pneumatic actuator has an axially and radially elastic hose comprises, by pressurizing the pneumatic actuator The diameter of the hose increases and the length of the hose increases shortened and in which the usable distance x to the shortened Actuation of a further, downstream device is used.
  • the actuation device according to the invention is memory as an energy source a self-sufficient unit that in particular does not rely on a battery is instructed as an energy source. This is precisely the case in motor vehicle construction reasons described in the introduction are advantageous since the number of Actuators in vehicle construction increases and an increase in Battery capacity is undesirable due to the associated disadvantages.
  • the actuating device according to the invention due to its Independence regardless of any existing or not existing energy sources can be arranged. For example, an im Actuator built-in rear of the motor vehicle does not have a possibly arranged in the front area battery, whereby the complex and costly laying of additional electrical Lines are omitted.
  • the use of the pneumatic actuator ensures Actuation device according to the invention for essential advantages the actuators known from the prior art.
  • the design of the pneumatic actuator and the one in it Integrated axially and radially elastic hose ensure an advantageous and improved operating behavior of the actuating device.
  • the behavior of the elastic hose with regard to its strength and the tension states present in the hose can be derived approximately from the consideration of a straight, circular cylindrical container - a so-called "boiler shell".
  • the so-called membrane stress state in the boiler jacket is described by a stress ⁇ I acting in the circumferential direction and a stress ⁇ II acting in the longitudinal direction.
  • ⁇ I p * r / s
  • ⁇ II 1 ⁇ 2 * p * r / s
  • the actuator is operated in such a way that by opening the Valve the connection between the memory and the pneumatic actuator will be produced.
  • the pneumatic actuator due to the compressed print medium stored in the memory acted upon, wherein the pressure medium flowing into the hose to a Increases the hose pressure.
  • This causes the elastic to expand Hose in the radial direction, which simultaneously causes a contraction of the Hose takes place in the longitudinal direction.
  • the shortening of the hose or the Distance x which is characterized by the length difference between the relaxed and the hose shortened by contraction is used for the Actuation of a downstream device used.
  • the hose with its free end i.e. with the end that is opposite the end connected to the memory, in the manner with a downstream device connected by the contraction available longitudinal force F of the hose for actuating the downstream device can be used.
  • the one with the hose connected device endeavors by the Pressurization to follow contraction of the hose and track the movement of the free end of the hose while doing so to cover the distance x required for the contraction. this leads to then ultimately to the intended actuation of the device.
  • the actuating device according to the invention is based on the principle less susceptible to faults and easier to install, which among other things the result is that the presented actuator no special maintenance, in particular no lubrication of individual components required. It is easier to install Actuator not only due to the fact that it is a independent, self-sufficient functional unit, but also because of pneumatic actuator is significantly less sensitive to installation errors, with the possibility of any guidance of the elastic Hose exists, which is not always linear in the installed state must be arranged.
  • Actuators in which the valve is a are advantageous Quick switching valve is. This allows the pneumatic actuator from Amount of pressure medium regulated and regulated in small stages can be dosed exactly. In addition, both the response and also the adjustment time of the overall "actuating device" system is shorter, these times being the individual response and adjustment times all of the elements of the device partially cumulative. Thus leads the improvement of an element to an improvement of the overall system.
  • a flexible pressure line allows an arrangement of the pneumatic Actuator and the memory each independently, but also the Supply of several pneumatic actuators from one memory by means of several pressure lines.
  • Actuators are advantageous in which between the memory and the pneumatic actuator is arranged a pressure reducer which Reduces the pressure of the compressed print medium. This makes it possible to store the print medium highly compressed in the memory. Will that If there is no pressure reducer, the pressure medium only exits from the memory, when entering the pneumatic actuator and possibly in the throttled pressure line arranged between these components, exists at the addition of a pressure reducer and thus an additional one Throttle point the possibility of a much higher pressure drop between Realize memory and actuator, thereby reducing the pressure medium under essential higher pressures can be stored in the memory. Consequently, at Using an additional pressure regulator reduces the internal pressure of the compressed storage medium storing memory a multiple of permissible internal pressure of the elastic hose.
  • a reduction in the storage volume is under the aspect of reducing the space required basically viewed as cheap, with an increase in storable mass of pressure medium is also advantageous in the way that at the actuator corresponding to a larger available quantity of pressure medium can be operated more often.
  • Such a configuration of the actuating device according to the invention has, as already indicated above, advantages in two ways.
  • the required storage volume with the same medium mass smaller the higher the print medium is compressed.
  • stocks the storage - assuming the same storage volume - with increasing Internal storage pressure a larger mass of pressure medium, which reduces the number of Actuations of the pneumatic actuator is increased.
  • the memory which is designed, for example, as a gas pressure cartridge, is less common must be replaced or filled.
  • Actuators which are characterized in that that in the hose of the pneumatic actuator a displacement body is arranged.
  • This advantageous embodiment is based on the idea that a Hose that has the smallest possible pressure medium Hose volume, when using one and the same storage - so equal storage volume and storage pressure required - can be operated more often than a hose that has a larger one with hose volume that can be acted upon by a pressure medium.
  • the hose has a hose volume V s in the relaxed state and has approximately the ambient pressure as the internal pressure. Then, when the pneumatic actuator is pressurized and a desired increase in the internal pressure of the hose to, for example, 6 bar, on the one hand so much pressure medium must be supplied that a pressure increase of 5 bar takes place in the hose volume V s of the relaxed hose and possibly a volume change ⁇ V des caused by a volume increase Hose is also filled with medium under 6 bar pressure.
  • the mass of pressure medium to be introduced into the hose is thus composed of two parts.
  • the hose volume V s is reduced by the volume V v of the displacement body.
  • the saving in pressure medium is proportional to the volume of the displacer V v .
  • a reduction in the hose volume V s by directly reducing the hose length or the hose diameter is generally not expedient, since the longitudinal force F to be generated must be of a predetermined size and this is a function of the square of the hose radius r.
  • a shortening of the hose is not possible in most applications. This is usually the case when it is not primarily the longitudinal force to be generated that is important, but rather the distance x made usable by the contraction of the hose. It must be taken into account here that the length of the distance x realized by the contraction of the hose depends not only on the internal pressure but also on the total length of the hose.
  • Actuating devices in which the displacement body is cylindrical and are arranged coaxially with the hose are advantageous.
  • the displacement body thus corresponds to the preferred outer shape of the hose, and it is precisely through the similarity of the outer shape of the displacement body and the hose that a maximum reduction in the hose volume V s can be achieved.
  • the invention furthermore relates to the use of one of the aforementioned actuators for positioning a hood of a motor vehicle, the pneumatic actuator with its free end, i.e. with the end that is the end connected to the memory opposite, is connected in the manner with the hood that the hose if the length is reduced due to pressurization, the bonnet from one Rest position, in which the hood is arranged in a closed position is in a working position in which the bonnet is positioned elevated, emotional.
  • the background to the targeted positioning of the bonnet is pedestrians and cyclists who are among the weaker road users from to provide protective devices on the part of the motor vehicles. It did studies have shown that the relevant impact zones of Pedestrians and two-wheelers in the area of the front section and here in particular in the area of the hood of the motor vehicle.
  • the hood is the targeted positioning of the hood in front of the Impact of the pedestrian or the two-wheeler. With the help of Positioning devices can be the usually small distance between Enlarge the engine and engine block so that there is a risk of the Head is reduced to the engine block.
  • the bonnet is the distance between the bonnet and the engine block thus increasing the usable deformation path when a person collides.
  • the available actuators, especially the pyrotechnic primers have more or less major disadvantages compared to the presented Actuator on.
  • the presented operating device according to the invention has all necessary properties on which an actuator for lifting a bonnet is mandatory. Especially the short ones Response or adjustment times are shown when using the Actuating device according to the invention for positioning a Bonnet of a motor vehicle as extremely cheap.
  • FIG. 1 shows the theoretical, biaxial stress state in the jacket of the hose 4.
  • the normal stress ⁇ II acts in the direction of the longitudinal axis of the hose 4, the product of this normal stress ⁇ II and the associated annular cross-sectional area of the hose jacket forming the longitudinal force F.
  • the circumferential stress ⁇ I acts perpendicular to the longitudinal stress ⁇ II and thus in the circumferential direction. It is twice as large as the longitudinal stress ⁇ II .
  • the formal relationships have been explained in detail in the general description section and should not be repeated here.
  • Figure 2 shows an embodiment of the actuator as it for example for positioning a hood of a motor vehicle is used.
  • the overall system is shown in the rest position, which one in addition to the actuating device, a control unit 11, an intermediate element 9 and a hood bracket 10.
  • the actuating device itself comprises a memory 1, one pneumatic actuator 2 and one the pneumatic actuator 2 and the memory 1 connecting pressure line 5, between the pneumatic actuator 2 and Storage 1 both a valve 3 and a pressure reducer 6 is arranged.
  • the pneumatic actuator 2 has an axially and radially elastic hose 4 on, in which a displacement body to reduce the hose volume 7 is arranged. With its free end 8, the pneumatic actuator is over a Intermediate element 9 with the short leg of an L-shaped and rotatable on Motor vehicle mounted hood bracket 10 connected.
  • the valve 3 is operated by the control unit 11, i.e. opened and closed.
  • the actuator is activated to position the bonnet ( Figure 3).
  • the valve 3 is opened by the control unit 11, so that the pressure medium stored in the memory 1 after passing through the Pressure reducer 6 and the valve 3 in the hose 4 of the pneumatic Actuator 2 flows. Due to the inflowing pressure medium increases the diameter of the hose 4 with simultaneous contraction of the Hose 4.
  • the intermediate element 9 with the free end 8 of the Pneumatic actuator 2 connected hood bracket 10 follows the Contraction of the hose 4 when pressurized in such a way that it is rotates around their bearing 12.
  • the connection point of the intermediate element 9 with the short leg of the hood bracket 10 also migrates in Direction of the longitudinal axis of the hose 4 and thus in the direction of Contraction of the hose 4.
  • the second longer leg of the motor bracket During this rotation, 10 lifts one that is mounted on the bonnet holder 10 Bonnet in an elevated position.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz in Kraftffahrzeugen. Es soll eine Betätigungsvorrichtung bereitgestellt werden, die insbesondere ein schnelleres Ansprechverhalten bzw. eine kürzere Verstellzeit aufweisen soll und sich darüber hinaus durch ein kleineres Verhältnis von Bauteilgewicht zu Betätigungskraft auszuzeichnen hat als dies bei Betätigungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik gegeben ist. Erreicht wird dies durch eine Betätigungsvorrichtung mit einem ein komprimiertes Druckmedium bevorratenden Speicher (1) und einem pneumatischen Aktor (2), bei der der Speicher (1) und der pneumatische Aktor (2) miteinander verbunden sind und die Verbindung mittels eines Ventils (3) verschließbar ist und bei der der pneumatische Aktor (2) einen axial und radial elastischen Schlauch (4) umfaßt, wobei durch Druckbeaufschlagung des pneumatischen Aktor (2) sich der Durchmesser des Schlauches (4) vergrößert und sich die Länge des Schlauches (4) verkürzt und bei der die durch die Verkürzung nutzbare Wegstrecke x zur Betätitung einer weiteren, nachgeordneten Vorrichtung dient. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen.
Im Kraftfahrzeugbau werden unterschiedlichste Betätigungsvorrichtungen verwendet, die in der Regel dem Komfort des Fahrzeugführers und der Fahrzeuginsassen dienen, aber auch zu einem großen Teil Aufgaben im Rahmen eines umfassenden Sicherheitskonzeptes übernehmen. Die Fensterhebevorrichtung und der Antrieb der Scheibenwischer sind nur zwei Beispiele für derartige Betätigungsvorrichtungen. Unter Betätigungsvorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind vorwiegend Vorrichtungen zu verstehen, die auf ein Signal hin unter Hinzunahme von Hilfsenergie definierte Aktionen in Gang setzen.
Der überwiegende Anteil an Betätigungsvorrichtungen im Kraftfahrzeugbau verwendet elektrische Aktuatoren, insbesondere Elektromotoren, wie dies auch die bereits oben genannte Fensterhebevorrichtung und der Antrieb der Scheibenwischanlage tun. Darüber hinaus gibt es aber auch zahlreiche Betätigungsvorrichtungen, die mechanisch arbeiten und/oder von Hand betätigt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Betätigungsvorrichtung für das Öffnen der Motorhaube bzw. der Heckklappe, die in der Regel Hebel und Seilzüge beinhaltet. Die Verstellung der die Frischluft zuführenden Düsen erfolgt üblicherweise per Hand mittels einer in der Düse integrierten und an der Düse angeordneten mechanischen Betätigungsvorrichtung.
Betätigungsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge, die Aufgaben im Rahmen eines Sicherheitskonzeptes übernehmen, werden häufig mit Sensoren kombiniert. Diese Sensoren generieren bei Vorliegen gewisser Randbedingungen ein Signal, welches der Betätigungsvorrichtung zugeführt wird und diese aktiviert. Ein Beispiel für eine derartige Betätigungsvorrichtung ist der Gasgenerator eines Airbagmoduls. Dieser wird im Bedarfsfall durch ein Signal aktiviert, das von einem Sensor generiert wird, wobei der Sensor häufig ein Beschleunigungssensor ist, der bei Überschreiten einer zulässigen Beschleunigung ein Signal generiert. Dieses Signal bewirkt zusammen mit eingebrachter Hilfsenergie beispielsweise die Zündung eines pyrotechnischen Zündsatzes und/oder das Öffnen eines unter Druck stehenden Gasspeichers, wobei das erzeugte Gas bzw. das freigesetzte Gas den Airbag füllt. Hiebei ist die von der Betätigungsvorrichtung in Gang gesetzte Aktion das Füllen des Gassackes.
In den weitaus häufigsten Anwendungsfällen kommen als Betätigungsvorrichtungen elektrische Antriebe bzw. Elektromotoren zum Einsatz, wobei die Anzahl der eingesetzten Aktuatoren insgesamt stark zunimmt. Dies führt neben einer Steigerung des Gesamtgewichtes des Fahrzeuges auch zu einem erhöhten Energiebedarf, der im Falle der elektrischen Antriebe bzw. Elektromotoren von der im Kraftfahrzeug installierten Batterie gedeckt werden muß. Einem Entsprechen des erhöhten Energiebedarfs durch Steigerung der Kapazität der Batterie führt wiederum zu einer Gewichtssteigerung, wobei insbesondere die Batterie durch ihr nachteilig hohes Verhältnis von Masse zu Leistung charakterisiert ist. Zudem nachteilig bei elektrischen Betätigungsvorrichtungen ist die zwingend erforderliche elektrische Leitung zwischen Batterie als Energieqquelle und Betätigungsvorrichtung.
Darüber hinaus umfassen auch die elektrischen Antriebe mechanisch arbeitende Bauteile, weshalb sie, wie mechanische Betätigungsvorrichtungen prinzipiell, dem Stick-Slip-Effect in nachteiliger Weise unterworfen sind. Hervorgerufen wird der Stick-Slip-Effect infolge der zwischen den aufeinander gleitenden, sich relativ zueinander bewegenden Bauteilen auftretenden Reibung. Werden die aufeinander verschiebbaren und in Kontakt befindlichen Bauteile durch den elektrischen Antrieb mit Kräften beaufschlagt, so findet ein Verschieben der Bauteile gegeneinander erst dann statt, wenn die von außen aufgeprägte Kraft, die in der Grenzfläche auftretende Haftreibung zwischen den in Kontakt stehenden Bauteile übersteigt. Diese Kraft nimmt mit Beginn der Relativbewegung einen Wert entsprechend dem Gleitreibungskoeffizienten an, wobei bei Unterschreiten der durch den Gleitreibungskoeffizienten definierten Gleitreibungskraft die Relativbewegung wieder zum Erliegen kommt. Bei einer nicht konstant von außen aufgeprägten Kraft kommt es dann zum sogenannten Stick-Slip-Effect, bei dem die Bauteile abwechselnd aneinander haften bzw. abgleiten. Die Folge des Stick-Slip-Effects ist, daß kein lineares Verhältnis zwischen der eingeleiteten Kraft und der von der Betätigungsvorrichtung auf ein nachgeordnetes Bauteil ausgeübten Kraft vorliegt, und kleine Kräfte prinzipbedingt nicht generiert werden können.
Wie oben bereits erwähnt, nimmt die Anzahl der in Kraftfahrzeugen eingesetzten Betätigungsvorrichtungen und mit ihnen das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeuges zu, wobei sich insbesondere elektrische Antriebe nachteilig durch ein hohes Verhältnis von Bauteilgewicht zu Betätigungskraft auszeichnen und damit in hohem Maße zu einer Gewichtssteigerung beitragen.
Darüber hinaus können diese elektrischen Antriebe nicht immer die im Rahmen eines passiven Sicherheitskonzeptes gestellten Anforderungen erfüllen, da mit ihnen nicht die notwendigen Ansprech- bzw. Verstellzeiten realisiert werden können. Beispielsweise ist eine ausreichend schnelle Positionierung einer Motorhaube in eine für den Unfallgegner vorteilhaften Position mittels elektrischen Antrieb nach dem Stand der Technik nicht möglich, da die für diesen Vorgang zur Verfügung gestellte Zeit nicht ausreichend ist bzw. der Elektromotor unakzeptabel hohe Verstellzeiten benötigt.
Des weiteren sind elektrische Antriebe bzw. Elektromotoren aufgrund ihrer komplexen Struktur und der hohen Anzahl insbesondere an sensiblen Bauteilen im allgemeinen störanfälliger als andere Betätigungsvorrichtungen, insbesondere mechanische Betätigungsvorrichtungen. Zusätzlich wird durch Verwendung der bereits oben erwähnten mechanischen Bauteile und des mit ihnen verbundenen Stick-Slip-Effects in der Regel eine Schmierung dieser Teile erforderlich, weshalb diese Betätitungsvorrichtungen für eine Wartung und Instandhaltung zugänglich angeordnet sein müssen. Ein weiterer Nachteil wird durch die Tatsache begründet, daß diese Betätigungsvorrichtungen einen sorgfältigen und exakten Einbau erfordern, um ein einwandfreies Arbeiten zu gewährleisten, insbesondere um beispielsweise ein Verklemmen oder Blockieren der zueinander beweglichen Teile zu verhindern.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, vorzustellen, die die Nachteile der Betätitungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik mindert oder eliminiert, wobei sie insbesondere ein schnelleres Ansprechverhalten bzw. eine kürzere Verstellzeit aufweisen soll und sich durch ein kleineres Verhältnis von Bauteilgewicht zu Betätigungskraft auszuzeichnen hat.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Betätigungsvorrichtung mit einem ein komprimiertes Druckmedium bevorratenden Speicher und einem pneumatischen Aktor, bei der der Speicher und der pneumatische Aktor miteinander verbunden sind und die Verbindung mittels eines Ventils verschließbar ist und bei der der pneumatische Aktor einen axial und radial elastischen Schlauch umfaßt, wobei durch Druckbeaufschlagung des pneumatischen Aktors sich der Durchmesser des Schlauches vergrößert und sich die Länge des Schlauches verkürzt und bei der die durch die Verkürzung nutzbare Wegstrecke x zur Betätigung einer weiteren, nachgeordneten Vorrichtung dient.
Durch die Verwendung eines mit einem komprimierten Druckmedium gefüllten Speichers als Energiequelle ist die erfindungsgemäße Betätitungsvorrichtung eine für sich autark arbeitende Einheit, die insbesondere nicht auf eine Batterie als Energiequelle angewiesen ist. Dies ist gerade im Kraftfahrzeugbau aus den eingangs beschriebenen Gründen vorteilhaft, da die Anzahl an Betätigungsvorrichtungen im Fahrzeugbau zunimmt und eine Vergrößerung der Batteriekapazität aufgrund der damit verbundenen Nachteile unerwünscht ist. Zudem kann die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung aufgrund ihrer Unabhängigkeit ohne Rücksicht auf eventuell vorhandene oder nicht vorhandene Energiequellen angeordnet werden. Beispielsweise muß eine im Heck des Kraftfahrzeuges eingebaute Betätigungsvorrichtung nicht mit einer eventuell im Frontbereich angeordneten Batterie verbunden werden, wodurch das aufwendige und kostenintensive Verlegen von zusätzlichen elektrischen Leitungen entfällt.
Darüber hinaus sorgt die Verwendung des pneumatischen Aktors bei der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung für wesentliche Vorteile gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Betätigungsvorrichtungen. Insbesondere die Ausgestaltung des pneumatischen Aktors und der in ihm integrierte axial und radial elastische Schlauch sorgen für ein vorteilhaftes und verbessertes Betriebsverhalten der Betätigungsvorrichtung.
Das Verhalten des elastischen Schlauches hinsichtlich seiner Festigkeit und die im Schlauch vorliegenden Spannungszustände können nährungsweise aus der Betrachtung eines geraden, kreiszylindrischen Behälters - eines sogenannten "Kesselmantels" - abgeleitet werden. Der im Kesselmantel vorliegende sogenannte Membramspannungszustand wird beschrieben durch eine in Umfangsrichtung wirkende Spannung σI und eine in Längsrichtung wirkende Spannung σII. Bei einem Innendruck p im Schlauch, einem Schlauchradius r und einer Wanddicke s des Schlauchmantels ergeben sich die Umfangsspannung bzw. Längsspannung wie folgt: σI = p*r/s σII = ½*p*r/s
Diese Gleichungen zeigen, daß die Längsspannung σII bzw. die Längskraft F proportional zum Innendruck des Schlauches ist, wenn vorausgesetzt wird, daß der Schlauchradius r und die Manteldicke s des Schlauches konstant sind. Hieraus ergibt sich ein annähernd lineares Verhältnis zwischen der Längskraft F, die zwecks Betätigung auf eine weitere, nachgeordnete Vorrichtung wirkt und den im Inneren des Schlauches vorliegenden Druck p. Damit ist in einfacher Weise gewährleistet, daß durch Einstellen eines definierten Drucks p im elastischen Schlauch eine definierte Längskraft F hervorgerufen wird, wobei infolge der klar definierten Kennlinie zwischen Druck p und Kraft F die angestrebten Einstellungen gezielt und beliebig wiederholbar realisiert werden können. Ein klar definierter Zusammenhang zwischen dem Innendruck p und der Kraft F wird u.a. erst dadurch ermöglicht, daß der nach dem Stand der Technik bei Betätigungsvorrichtungen auftretende Stick-Slip-Effect prinzipbedingt entfällt, weil es infolge der konstruktiven Ausgestaltung des pneumatischen Aktors an Möglichkeiten für die Ausbildung entsprechender Reibungseffekte fehlt.
Die Betätigungsvorrichtung wird in der Weise betrieben, daß durch Öffnen des Ventils die Verbindung zwischen dem Speicher und dem pneumatischen Aktor hergestellt wird. Infolge des offenen Ventils wird der pneumatische Aktor durch das komprimierte und im Speicher bevorratete Druckmedium beaufschlagt, wobei das in den Schlauch einströmende Druckmedium zu einer Erhöhung des Schlauchinnendruckes führt. Hierdurch dehnt sich der elastische Schlauch in radialer Richtung, wodurch gleichzeitig eine Kontraktion des Schlauches in Längsrichtung erfolgt. Die Verkürzung des Schlauches bzw. die Wegstrecke x, die sich durch die Längendifferenz zwischen dem entspanntem und dem durch Kontraktion verkürzten Schlauch ergibt, wird für die Betätigung einer nachgeordneten Vorrichtung genutzt.
Beispielsweise wird der Schlauch mit seinem freien Ende, d.h. mit dem Ende, das dem mit dem Speicher verbundenen Ende gegenüberliegt, in der Art mit einer nachgeschalteten Vorrichtung verbunden, daß die durch die Kontraktion des Schlauches zur Verfügung stehende Längskraft F für eine Betätigung der nachgeordneten Vorrichtung genutzt werden kann. Im allgemeinen wird die mit dem Schlauch verbundene Vorrichtung bestrebt sein, der durch die Druckbeaufschlagung hervorgerufenen Kontraktion des Schlauches zu folgen und die Bewegung des freien Endes des Schlauches nachzuvollziehen und dabei die für die Kontraktion notwendige Wegstrecke x zurückzulegen. Dies führt dann letztendlich zu der beabsichtigten Betätigung der Vorrichtung.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung prinzipbedingt weniger störanfällig und einbaufreundlicher, was u.a. daraus resultiert, daß die vorgestellte Betätigungsvorrichtung keine spezielle Wartung, insbesondere keine Schmierung einzelner Bauteile erfordert. Einbaufreundlicher ist die Betätigungsvorrichtung nicht nur aufgrund der Tatsache, daß sie eine selbständige, autarke Funktionseinheit bildet, sondern auch weil der pneumatische Aktor wesentlich unempfindlicher gegenüber Einbaufehlern ist, wobei auch die Möglichkeit einer beliebigen Führung des elastischen Schlauches besteht, der im eingebauten Zustand nicht in jedem Fall linear angeordnet sein muß.
Vorteilhaft sind Betätigungsvorrichtungen, bei denen das Ventil ein Schnellschaltventil ist. Hierdurch kann die dem pneumatischen Aktor vom Speicher zugeführte Menge an Druckmedium in kleinen Stufen geregelt und somit exakt dosiert werden. Darüberhinaus werden sowohl die Ansprech- als auch die Verstellzeit des Gesamtsystems "Betätigungsvorrichtung" kürzer, wobei sich diese Zeiten aus den einzelnen Ansprech- und Verstellzeiten sämtlicher Elemente der Vorrichtung zum Teil kumulativ ergeben. Somit führt die Verbesserung eines Elementes zu einer Verbesserung des Gesamtsystems.
Günstig sind Betätigungsvorrichtungen, bei denen der Speicher und der pneumatische Aktor über eine Druckleitung miteinander verbunden sind. Dies erhöht die Flexibilität beim Einbau der Vorrichtung im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen, bei denen der pneumatische Aktor ohne Zwischenschaltung einer Druckleitung direkt mit dem Speicher verbunden ist. Eine flexible Druckleitung ermöglicht eine Anordnung des pneumatischen Aktors und des Speichers jeweils unabhängig voneinander, aber auch die Versorgung mehrerer pneumatischer Aktuatoren aus einem Speicher mittels mehrerer Druckleitungen.
Vorteilhaft sind Betätigungsvorrichtungen, bei denen zwischen dem Speicher und dem pneumatischen Aktor ein Druckminderer angeordnet ist, der den Druck des komprimierten Druckmediums mindert. Hierdurch ist es möglich, das Druckmedium hochkomprimiert im Speicher zu bevorraten. Wird das Druckmedium bei nicht vorhandenem Druckminderer lediglich beim Austritt aus dem Speicher, beim Eintritt in den pneumatischen Aktor und ggf. in der zwischen diesen Bauteilen angeordneten Druckleitung gedrosselt, besteht bei der Hinzunahme eines Druckminderers und damit einer zusätzlichen Drosselstelle die Möglichkeit, ein wesentlich höheres Druckgefälle zwischen Speicher und Aktor zu realisieren, wodurch das Druckmedium unter wesentlich höheren Drücken im Speicher bevorratet werden kann. Folglich kann bei Verwendung eines zusätzlichen Druckminderers der Innendruck des das komprimierte Druckmedium bevorratenden Speichers ein Vielfaches des zulässigen Innendrucks des elastischen Schlauches betragen.
Gleiches Speichervolumen vorausgesetzt führt dies zu einer größeren Gesamtmasse an speicherbarem Druckmedium. Andererseits führt die Verwendung des Druckminderers zu der Möglichkeit einer Verkleinerung des Speichers, wenn eine gleich große zu speichernde Gesamtmasse an Druckmedium zugrndegelegt wird. Eine Reduzierung des Speichervolumens wird unter dem Aspekt einer Reduzierung des benötigten Bauraumes grundsätzlich als günstig angesehen, wobei eine Vergrößerung der speicherbaren Masse an Druckmedium auch vorteilhaft ist, in der Art, daß bei einer größeren verfügbaren Druckmediummenge der Aktor entsprechend häufiger betätigt werden kann.
Günstig sind Betätigungsvorrichtungen, bei denen der Arbeitsdruck des pneumatischen Aktors, der maximale Innendruck p des Schlauches bei Druckbeaufschlagung des Aktors, kleiner ist als der Druck des komprimierten Druckmediums im Speicher.
Eine derartige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung hat wie bereits oben angedeutet in zweierlei Hinsicht Vorteile. Einerseits wird das erforderliche Speichervolumen bei gleichbleibender Mediummasse um so kleiner je höher das Druckmedium komprimiert wird. Zum anderen bevorratet der Speicher - gleiches Speichervolumen vorausgesetzt - mit steigendem Speicherinnendruck eine größere Druckmediummasse, wodurch die Anzahl der Betätigungen des pneumatischen Aktors erhöht wird. Dies hat zur Folge, daß der beispielsweise als Gasdruckpatrone ausgebildete Speicher weniger häufig ausgewechselt bzw. gefüllt werden muß.
Vorteilhaft sind Betätigungsvorrichtungen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß in dem Schlauch des pneumatischen Aktors ein Verdrängungskörper angeordnet ist.
Dieser vorteilhaften Ausführungsform liegt der Gedanke zugrunde, daß ein Schlauch, der ein möglichst kleines mit einem Druckmedium beaufschlagbares Schlauchvolumen aufweist, bei Verwendung ein und desselben Speichers - also gleichgroßes Speichervolumen und identischer Speicherdruck vorausgesetzt - häufiger betätigt werden kann als ein Schlauch, der über ein größeres mit einem Druckmedium beaufschlagbare Schlauchvolumen verfügt.
Vorausgesetzt der Schlauch besitzt im entspannten Zustand ein Schlauchvolumen Vs und weist in etwa den Umgebungsdruck als Innendruck auf. Dann muß bei Druckbeauschlagung des pneumatischen Aktors und einer angestrebten Innendruckerhöhung des Schlauches auf beispielsweise 6 bar, zum einen soviel Druckmedium zugeführt werden, daß im Schlauchvolumen Vs des entspannten Schlauches eine Druckerhöhung um 5 bar stattfindet und ggf. eine durch Volumenvergrößerung verursachte Volumenänderung Δ V des Schlauches ebenfalls mit unter 6 bar Druck stehendem Medium ausgefüllt wird. Somit setzt sich die in den Schlauch einzuführende Masse an Druckmedium aus zwei Anteilen zusammen.
Durch Anordnen eines Verdrängungskörpers Vv im Schlauch des pneumatischen Aktors wird das Schlauchvolumen Vs um das Volumen Vv des Verdrängungskörpers verkleinert. Infolgedessen muß nun in diesen Schlauch weniger Druckmedium eingeführt werden, um die gleiche Steigerung des Innendruckes zu erzielen. Die Ersparnis an Druckmedium ist proportional zum Volumen des Verdrängungskörpers Vv.
Eine Verkleinerung des Schlauchvolumens Vs durch direkte Verkleinerung der Schlauchlänge bzw. des Schlauchdurchmessers ist in der Regel nicht zielführend, da die zu generierende Längskraft F eine vorgebenene Größe aufweisen muß und diese quadratisch vom Schlauchradius r abhängig ist. Eine Verkürzung des Schlauches ist in den meisten Anwendungsfällen nicht möglich. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn es primär nicht auf die zu generierende Längskraft, sondern auf die durch die Kontraktion des Schlauches nutzbar gemachte Wegstrecke x ankommt. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die durch die Kontraktion des Schlauches realisierte Länge der Wegstrecke x neben dem Innendruck auch von der Gesamtlämge des Schlauches abhängt.
Vorteilhaft sind Betätigungsvorrichtungen, bei denen der Verdrängungskörper zylinderförmig ausgebildet ist und koaxial zum Schlauch angeordnet ist. Damit entspricht der Verdrängungskörper der bevorzugten äußeren Form des Schlauches, wobei gerade durch die Ähnlichkeit der äußeren Form des Verdrängungskörpers und des Schlauches eine maximale Reduzierung des Schlauchvolumens Vs realisiert werden kann.
Des weiteren ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer der vorgenannten Betätigungsvorrichtungen zur Positionierung einer Motorhaube eines Kraftfahrzeuges, wobei der pneumatische Aktor mit seinem freien Ende, d.h. mit dem Ende, das dem mit dem Speicher verbundenen Ende gegenüberliegt, in der Art mit der Motorhaube verbunden ist, daß der Schlauch bei Längenverkürzung infolge Druckbeaufschlagung die Motorhaube aus einer Ruheposition, in der die Motorhaube in einer Verschließposition angeordnet ist, in eine Arbeitsposition, in der die Motorhaube erhöht positioniert ist, bewegt.
Hintergrund einer gezielten Positionierung der Motorhaube ist es, Fußgängern und Zweiradfahrern, die zu den schwächeren Verkehrsteilnehmern zählen, von seiten der Kraftfahrzeuge Schutzeinrichtungen bereitzustellen. Dabei hat sich bei Untersuchungen gezeigt, daß sich die relevanten Aufprallzonen von Fußgängern und Zweiradfahrern im Bereich der Frontpartie und hier insbesondere im Bereich der Motorhaube des Kraftfahrzeuges befinden. Ein Lösungsweg zur Minimierung der Verletzungsgefahr beim Aufprall im Bereich der Motorhaube ist die gezielte Positionierung der Motorhaube vor dem Aufprall des Fußgängers bzw. des Zweiradfahrers. Mit Hilfe von Positioniervorrichtungen läßt sich der in der Regel geringe Abstand zwischen Motor und Motorblock vergrößern, so daß die Gefahr des Durchschlagens des Kopfes bis zum Motorblock vermindert wird. Durch ein Anheben der Motorhaube wird der Abstand zwischen Motorhaube und Motorblock und damit der nutzbare Deformationsweg beim Aufprall einer Person vergrößert.
Als Aktuatoren für das Anheben der Motorhaube wurden zunächst nicht reversible Systeme, wie z.B. pyrotechnische Treibsätze verwendet, die nach Aktivierung durch einen Sensor die Motorhaube in die bevorzugte Position verfahren haben. Die Weiterentwicklung dieses Lösungsansatzes hat zum Einsatz von reversiblen Systemen geführt, wobei die verwendeten Aktuatoren die Motorhaube nach einem Aufprall bzw. bei einer fehlerhaft hervorgerufenen Aktivierung des Systems in ihre ursprüngliche Position zurückgeführt haben.
Die verfügbaren Aktuatoren, insbesondere die pyrotechnischen Zündsätze weisen mehr oder weniger große Nachteile gegenüber der vorgestellten Betätigungsvorrichtung auf.
Die vorgestellte erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung weist hingegen alle notwendigen Eigenschaften auf, die eine Betätigungsvorrichtung zum Anheben einer Motorhaube zwingend aufzuweisen hat. Insbesondere die kurzen Ansprech- bzw. Verstellzeiten erweisen sich bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung zur Positionierung einer Motorhaube eines Kraftfahrzeuges als überaus günstig.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den beigefügten Figuren erläutert. Hierbei zeigt:
Figur 1
den theoretischen Spannungszustand im Mantel des Schlauches anhand einer perspektivischen Darstellung eines Schlauchsegmentes, und
Figur 2
eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung zur Positionierung einer Motorhaube eines Kraftfahrzeuges in der Ruheposition, und
Figur 3
eine Seitenansicht der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung zur Positionierung einer Motorhaube eines Kraftfahrzeuges in der Arbeitsposition.
Figur 1 zeigt den theoretischen, zweiachsigen Spannungszustand im Mantel des Schlauches 4. Die Normalspannung σ II wirkt in Richtung der Längsachse des Schlauches 4, wobei das Produkt aus dieser Normalspannung σII und der zugehörigen ringförmigen Querschnittsfläche des Schlauchmantels die Längskraft F bildet. Die Umfangsspannung σI wirkt senkrecht zur Längsspannung σII und somit in Umfangsrichtung. Sie ist doppelt so groß wie die Längsspannung σII. Die formelmäßigen Zusammenhänge sind ausführlich im allgemeinen Beschreibungsteil erläutert worden und sollen an dieser Stelle nicht wiederholt werden.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung, wie sie beispielsweise zur Positionierung einer Motorhaube eines Kraftfahrzeuges verwendet wird. Dargestellt ist das Gesamtsystem in der Ruheposition, welches neben der Betätigungsvorrichtung ein Steuergerät 11, ein Zwischenelement 9 und eine Motorhaubenhalterung 10 umfaßt.
Die Betätigungsvorrichtung selbst umfaßt einen Speicher 1, einen pneumatischen Aktor 2 und eine den pneumatischen Aktor 2 und den Speicher 1 verbindende Druckleitung 5, wobei zwischen pneumatischem Aktor 2 und Speicher 1 sowohl ein Ventil 3 als auch ein Druckminderer 6 angeordnet ist. Der pneumatische Aktor 2 weist einen axial und radial elastischen Schlauch 4 auf, in dem zur Verkleinerung des Schlauchvolumens ein Verdrängungskörper 7 angeordnet ist. Mit seinem freien Ende 8 ist der pneumatische Aktor über ein Zwischenelement 9 mit dem kurzen Schenkel einer L-förmigen und drehbar am Kraftfahrzeug gelagerten Motorhaubenhalterung 10 verbunden. Das Ventil 3 wird von der Steuereinheit 11 betätigt, d.h. geöffnet und geschlossen.
Zur Positionierung der Motorhaube wird die Betätigungsvorrichtung aktiviert (Figur 3). Hierzu wird das Ventil 3 durch die Steuereinheit 11 geöffnet, so daß das im Speicher 1 bevorratete Druckmedium nach Durchtritt durch den Druckminderer 6 und das Ventil 3 in den Schlauch 4 des pneumatischen Aktors 2 einströmt. Infolge des einströmenden Druckmediums vergrößert sich der Durchmesser des Schlauches 4 bei gleichzeitiger Kontraktion des Schlauches 4. Die mittels Zwischenelement 9 mit dem freien Ende 8 des pneumatischen Aktors 2 verbundene Motorhaubenhalterung 10 folgt der Kontraktion des Schlauches 4 bei Druckbeaufschlagung in der Art, daß sie sich um ihr Lager 12 dreht. Die Verbindungsstelle des Zwischenelementes 9 mit dem kurzen Schenkel der Motorhaubenhalterung 10 wandert dabei auch in Richtung der Längsachse des Schlauches 4 und somit in Richtung der Kontraktion des Schlauches 4. Der zweite längere Schenkel der Motorhalterung 10 hebt bei dieser Drehung eine auf der Motorhaubenhaltung 10 gelagerte Motorhaube in eine erhöhte Position.
Bezugszeichenliste
1
Speicher
2
Pneumatischer Aktor
3
Ventil
4
Schlauch
5
Druckleitung
6
Druckminderer
7
Verdrängungskörper
8
freies Ende
9
Zwischenelement
10
Motorhaubenhalterung
11
Steuergerät
12
Lager

Claims (8)

  1. Betätigungsvorrichtung, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, mit einem ein komprimiertes Druckmedium bevorratenden Speicher (1) und einem pneumatischen Aktor (2), bei der der Speicher (1) und der pneumatische Aktor (2) miteinander verbunden sind und die Verbindung mittels eines Ventils (3) verschließbar ist und bei der der pneumatische Aktor (2) einen axial und radial elastischen Schlauch (4) umfaßt, wobei durch Druckbeaufschlagung des pneumatischen Aktors (2) sich der Durchmesser des Schlauches (4) vergrößert und sich die Länge des Schlauches (4) verkürzt und bei der die durch die Verkürzung nutzbare Wegstrecke x zur Betätigung einer weiteren, nachgeordneten Vorrichtung dient.
  2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (3) ein Schnellschaltventil ist.
  3. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (1) und der pneumatische Aktor (2) über eine Druckleitung (5) miteinander verbunden sind.
  4. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Anssprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Speicher (1) und dem pneumatischen Aktor (2) ein Druckminderer (6) angeordnet ist, der den Druck des komprimierten Druckmediums mindert.
  5. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsdruck des pneumatischen Aktors (2), der maximale Innendruck p des Schlauches (4) bei Druckbeaufschlagung des Aktors (2), kleiner ist als der Druck des komprimierten Druckmediums im Speicher (1).
  6. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schlauch (1) des pneumatischen Aktors (2) ein Verdrängungskörper (7) angeordnet ist.
  7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (7) zylinderförmig ausgebildet ist und koaxial zum Schlauch (4) angeordnet ist.
  8. Verwendung einer Betätigungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Positionierung einer Motorhaube eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß der pneumatische Aktor (2) mit seinem freien Ende (8), d.h. mit dem Ende, das dem mit dem Speicher (1) verbundenen Ende gegenüberliegt, in der Art mit der Motorhaube verbunden ist, daß der Schlauch (4) bei Längenverkürzung infolge Druckbeaufschlagung die Motorhaube von einer Ruheposition, in der die Motorhaube in einer Verschließposition angeordnet ist, in eine Arbeitsposition, in der die Motorhaube erhöht postioniert ist, bewegt.
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