EP2220382A1 - Elektropneumatische steuervorrichtung mit einem steuerschieber, der einen innerhalb einer magnetspule angeordneten magnetabschnitt aufweist - Google Patents
Elektropneumatische steuervorrichtung mit einem steuerschieber, der einen innerhalb einer magnetspule angeordneten magnetabschnitt aufweistInfo
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Abstract
Description
Beschreibung Titel Elektropneumatische Steuervorrichtung mit einem Steuerschieber, der einen innerhalb einer Magnetspule angeordneten Magnetabschnitt aufweist Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine elektropneumatische Steuervorrichtung mit einem Stellglied, das mit einer Membran verbunden ist, mittels der ein Druckraum für einen vom Umgebungsdruck abweichenden Arbeitsdruck ausgebildet ist, wobei das Stellglied von einem Steuerschieber zum Verschliessen oder Öffnen von Fluidleitungsöffnungen im Stellglied und einer Magnetspule umgeben ist. Aus dem Stand der Technik, etwa der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 028 015.6 mit Anmeldetag vom 19.06.2006 sind pneumatische Stellantriebe mit integrierter elektropneumatischer Positionsregelung bekannt. Die noch nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung offenbart einen elektropneumatischen Steller, der ein zweiteiliges Stellglied aufweist. Das Stellglied umfasst ein erstes Membranstangenteil und ein zweites Membranstangenteil. Die beiden Membranstangenteile sind mit einem zweiteiligen Regelschieber verbunden. Der Regelschieber ist von einer Magnetspule umgeben. Das erste Membranstangenteil ist ferner mit einer Membran verbunden. Die Membran teilt einen Druckraum in zwei unterschiedliche Bereiche. Dabei steht der erste Bereich der zwei Bereiche über einer Bohrung im ersten Membranstangenteil mit einem Belüftungskanal in Verbindung. Der Belüftungskanal ragt durch das erste Membranstangenteil bis in das Innere eines Steuerschiebers. Der Steuerschieber umgibt nicht nur das erste Membranstangenteil, sondern auch das zweite Membranstangenteil. Über Überströmöffnungen und einen Kanal, in dem ein erstes Ventil angeordnet ist, ist der Belüftungskanal in Kontakt bringbar mit dem zweiten Bereich. Das zweite Membranstangenteil weist einen Entlüftungskanal auf, der einerseits mit einer Unterdruckseite in Verbin-dung steht und andererseits über einen weiteren Kanal, der über ein zweites Ventil verschliessbar ist, und über die bereits bekannten Überströmöffnungen mit dem zweiten Bereich verbunden ist, in Verbindung steht. Die noch nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung offenbart somit ein schwingfähiges Feder-Massesystem. Durch äussere oder innere Anregung, z. B. durch Schwingbeschleunigung entstehen erhebliche Schwingungsamplituden der zwei Membranstangenteile, die die Funktion erheblich stören können oder gar zum Versagen führen können. Um dies zu vermeiden, wird im Stand der Technik entweder die Eigenfrequenz möglichst weit aus dem Anregungsspektrum herausgelegt oder es werden Dämpfungsmassnahmen realisiert. Es wird dabei eine möglichst hohe Eigenfrequenz angestrebt, indem die Massen, welche bewegt werden, möglichst gering gehalten werden. Es wird dann die Federsteifigkeit besonders hoch gewählt. Die aus dem Stand der Technik bekannte und noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung versucht allerdings eine Dämpfung über eine pneumatische Regelung zu erreichen. Beide Lösungsmöglichkeiten weisen bisher jedoch diverse Nachteile auf. Die Erhöhung der Federsteifigkeit wird mit dem Nachteil begleitet, dass die Betätigungskräfte dann höher werden, was ungewünscht ist. Auch hat das Reduzieren der Massen geometrische Grenzen und findet in der Materialauswahl physikalische Restriktionen. Bekannt ist, dass bei einem elektromagnetischen Steuerschieber, welcher im Kräftegleichgewicht zwischen der Kraft einer Steuerfeder und der Magnetkraft einer Spule zu stehen hat, in Folge der zwingend notwendigen magnetischen Eigenschaft, kein Leichtmetall möglich ist, weswegen die Masse des Feder-Massesystems nicht willkürlich über einen gewissen Wert hinaus reduziert werden kann. Aus dem Stand der Technik bekannte elektropneumatische Steuervorrichtungen weisen oft den Nachteil auf, dass keine effiziente schwingungstechnische Beruhigung des Steuerschiebers erreicht wird. Für eine optimale Regelung mittels einer elektropneumatischen Steuervorrichtung darf im anregungsrelevanten Frequenzbereich keine unzulässig hohe Schwingungsamplitude am Steuerschieber auftreten. Dies ist selbst dann notwendig, wenn Schwingungsbeschleunigungen von bis zu 20 g erwartet werden. Die Schwingungsamplitude ist selbst dann auf wenige zehntel Millimeter limitiert, um einerseits den Luftverbrauch durch ständiges Beund Entlüften zu minimieren, den Schwingungsverschleiss zu reduzieren und das Stellglied nicht unnötig anzuregen. Als typisches Stellglied wird im Stand der Technik eine Membranstange verwendet. Offenbarung der Erfindung Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden und der Allgemeinheit eine effiziente elektropneumatische Steuervorrichtung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einer elektropneumatischen Steuervorrichtung nach Anspruch 1 erreicht. Dadurch, dass der Steuerschieber einen Magnetabschnitt zum direkten Dämpfen der Bewegung des Steuerschiebers und indirektem Dämpfen der Bewegung des Stellgliedes und/oder Bestimmen der Lage des Steuergliedes aufweist, wobei der Magnetabschnitt innerhalb der Magnetspule angeordnet ist, wird eine Verringerung der Herstellkosten dadurch erreicht, dass bei Bewegung des Steuerschiebers, und damit auch des Magnetabschnittes, gezielt Wirbelströme in der Magnetspule induziert werden, welche die Bewegung des Steuerschiebers bremsen. Auch wird dadurch der Luftverbrauch vermindert. Durch Bremsung des Magnetabschnittes wird somit auch der Steuerschieber gebremst, was dazu führt, dass unerwünschte Schwingungen gedämpft werden. Durch Registrierung des Effektes der magnetischen Induktion, wenn der Magnetabschnitt innerhalb der Magnetspule befindlich ist, lässt sich auch eine dezidierte Lagerückmeldung erhalten. Auf diese Weise wird ein Dämpfen unerwünschter Schwingungen in der elektropneumatischen Steuervorrichtung wirkungsvoll erreicht. Als Nebeneffekt stellt sich vorteilhaft heraus, dass keine Erhöhung der Steifigkeit einer Steuerfeder notwendig ist, was eine Erhöhung der Magnetkraft nach sich ziehen würde. Dadurch müsste eine grössere Spule mit höherer Windungszahl und dickerem Kupferquerschnitt verwendet werden, was jedoch die Packaging-Kosten erheblich in die Höhe treiben würde. Dies wird in der vorliegenden Erfindung vermieden. Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen näher beschrieben, die in den Unteransprüchen auch beansprucht sind. - A - Es ist bspw. von besonderem Vorteil, wenn ein Schliesswiderstand parallel zu der Magnetspule in einem Dämpfungsund/oder Lagebestimmungsschaltkreis angeordnet ist. Mittels des Schliesswiderstandes lassen sich die induzierten Wirbelströme stark verlustbehaftet abführen. Der Steuerschieber wird dadurch effizient gebremst. Ferner lässt sich über den Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis, bei entsprechender Auslesung, nicht nur das Dämpfen unerwünschter Schwingungen erreichen, sondern auch die Lage des Magnetabschnittes des Steuerschiebers bzgl. der Magnetspule in Erfahrung bringen, was nützlich für eine genaue Regelung des durch die elektropneumatische Steuervorrichtung gesteuerten Maschinenbauteils ist. Um eine besonders kostengünstige und robuste Realisierung der Anbindung des Magnetabschnittes an den Steuerschieber zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn der Magnetabschnitt als Dauermagnet ausgebildet ist, der über einen Steg mit dem Steuerschieber verbunden ist. Durch Ausbildung des Magnetabschnittes als Dauermagnet, ist es auch nicht notwendig, den Magnetabschnitt während des Betriebes immer wieder zu magnetisieren. Etwaige Schleifkontaktstellen können somit vermieden werden. Eine einfache Bauweise ist die Folge. Wenn der Schliesswiderstand als Teil der den Steuerschieber umgebenden Magnetspule ausgebildet ist, so lässt sich der Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis weiter vereinfachen. Zum Ermöglichen einer elektrischen Betätigung des Stellgliedes ist es von Vorteil, wenn zusätzlich zu der den Steuerschieber umgebenden Magnetspule, die als Sekundärspule ausgebildet ist, eine Primärspule zum Bewegen des Steuerschiebers in unmittelbarer Nähe des Steuerschiebers angeordnet ist. Wird die Primärspule angrenzend an die Sekundärspule in einer weiteren Schaltung angeordnet, so lässt sich bauraumeffizient die elektropneumatische Steuervorrichtung realisieren. So ist es von besonderem Vorteil, wenn die Primärspule separat von der Sekundärspule ausgebildet ist und in einer von dem Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis getrennten Schaltung angeordnet ist. Dadurch wird vermieden, dass in einem Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis unterschiedliche ausfallmögliche Aktivierungsmittel eingebaut werden. Die Ausfallsicherheit in einem solchen Ausführungsbeispiel wird somit erhöht. Um den Widerstand dabei so zu dimensionieren, dass gerade eine ausrei-chende Dämpfung erreicht wird, ohne dass die Verstellzeit zu sehr leidet, ist es in einem weiteren Ausführungsbeispiel von Vorteil, wenn der Schliesswiderstand wertmässig in Abhängigkeit der Induktivität und der Feldstärke des Dauermagneten zur Beschränkung der Bewegung des Steuerschiebers im Bereich von vorzugsweise 0,1 mm bis 0,2 mm festgelegt ist. Um den Schliesswiderstand auf elektronischem Weg in einem Steuergerät, wie etwa einem Motorsteuergerät, variabel nachzubilden, so dass eine betriebspunktabhängige Dämpfung ermöglicht wird, ist es in einem weiteren Ausführungsbeispiel von Vorteil, wenn eine Transistor-Endstufe enthalten ist, die eine betriebspunktabhängige Dämpfung des Steuerschiebers hervorruft. Dadurch kann während einer Sollwertänderung die Dämpfung praktisch komplett entfallen und während einer Stationärphase die Dämpfung zugeschaltet werden. Dies ist etwa beim Anfahren eines Turboladers von grossem Vorteil. Auch lässt sich somit eine stufenlos variable Dämpfung als Funktion eines Sollwertgradienten mit besonders wenig Aufwand realisieren. Wenn die Transistor-Endstufe in einem Motor-Steuergerät angeordnet ist, so lässt sich in einem besonders häufig vorkommenden Anwendungsbereich eine effiziente Schwingungsdämpfung erreichen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Es zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer elektropneumatischen Steuervorrichtung, bei der ein Teil des Steuerschiebers magnetisch ausgebildet ist und einen Magnetabschnitt bildet, Figur 2 eine schematische Detaildarstellung des Bereichs des Steuerschiebers innerhalb eines Magnetabschnittes, wobei der Magnetabschnitt in einem Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis eingebunden ist und ein Schliesswiderstand parallel zur Magnetspule geschalten ist, und Figur 3 eine schematische Detaildarstellung einer zweiten Ausführungsvariante, in der neben einer Primärspule, die für den Hub des Steuerschiebers zuständig ist, eine Sekundärspule zuständig ist und der Magnetabschnitt mittels eines Steges an den Steuerschieber angebunden ist und in Wechselbeziehung mit der Sekundärspule steht. Ausführungsformen der Erfindung In Figur 1 ist eine elektropneumatische Steuervorrichtung 1 dargestellt. Die Steuervorrichtung weist ein Stellglied 2 auf. Das Stellglied 2 ist mittelbar an einer Membran 3 angebracht. Die Membran 3 kann als Roll-Membran ausgebildet sein und mittels eines Verbindungskolbens 4 an dem Stellglied 2 angebracht sein. An dem Stellglied 2 ist eine Steuerstange 7 angebracht. In einem Arbeitsraum liegt ein vom Umgebungsdruck unterschiedlicher oder gleicher Druck vor. Dabei ist der Druck fallweise auch niedriger. Ein erster Bereich in dem Umgebungsdruck wirkt, wird durch eine am Gehäuse 8 anliegende Schutzhaube 9 und die Membran 3 gebildet. Der Arbeitsraum wird durch unter anderem die Membran 3 und das Gehäuse 8 gebildet und ist durch die Membran 3 und das Gehäuse 8 von dem ersten Bereich getrennt. Der Verbindungskolben 4 ist mittels Sicherungsringen 10 auf dem Stellglied 2 festgelegt. Das Stellglied 2 ist relativ zu dem Gehäuse 8 und der Schutzhaube 9 auf zwei Gleitlagern 1 1 gelagert, bewegbar. Zwischen dem Stellglied 2 und dem Verbindungskolben 4 sind Dichtungen 12 vorgesehen. Die Schutzhaube 9 ist an einer Bördelung 13 mit dem Gehäuse 8 verbunden. An dieser Stelle ist auch ein Ende der Membran 3 befestigt. Die Rückstellung des Verbindungskolbens 4 und der Membran 3 wird über eine Arbeitsfeder 14 erreicht. Dabei befindet sich die Arbeitsfeder 14 zwischen dem Verbindungskolben 4 und einem Stützring 15, der in einem mit dem Gehäuse 8 verbundenen Magnetkörper 16 in Verbindung steht. Auf dem Stellglied 2 ist ein Steuerschieber 17 verschiebbar angeordnet. Im Stellglied 2 sind Fluidleitungen 18 angeordnet. Die Fluidleitungen 18 enden in Fluidleitungsöffnungen 19. An einem ersten Ende 20 des Stellgliedes 2 befindet sich eine Belüftungsöffnung 21. Die Belüftungsöffnung 21 steht mit einem Luftfilter/Schalldämpfer 22 in Kontakt. Das Stellglied 2 weist auch ein dem ersten Ende 20 gegenüberliegendes zweites Ende 23 auf. An diesem zweiten Ende 23 liegt ein Unterdruckanschluss vor, über den die FIuidleitung 18 mit einem Unterdruckbereich verbunden ist. Die Fluidleitung 18 ist durch einen Stopfen 24 unterbrochen. Beidseitig des Stopfens 24 befinden sich zwei Fluidleitungsöffnungen 19. Im Bereich dieser beiden Fluidleitungsöffnungen 19 ist der Steuerschieber 17 bewegbar angeordnet und weist zwei Durchgangsöffnungen 25 auf. Abwechselnd ist jeweils eine Durchgangsöffnung fluchtend über eine der beidseitig des Stopfens 24 befindlichen Fluidleitungsöffnungen bewegbar. Dies wird durch Anregung mittels einer Magnetspule 26 erreicht. Die Magnetspule 26 ist innerhalb des Gehäuses 8 und zwischen dem Magnetkörper 16 und einem Magnetjoch 27 angeordnet. Der Steuerschieber 17 ist dabei zwischen zwei Anschlägen 28 bewegbar. Auf einer Seite des Steuerschiebers 17 ist eine Steuerfeder 29 angeordnet. Aus Dichtigkeitsgründen ist auf der Seite eines Unterdruckanschlusses, relativ vom rechten Gleitlager 1 1 aus gesehen, eine Dichtung mittels eines O-Rings 30 realisiert. Bei entsprechender Bestromung der Magnetspule 26 bewegt sich der Steuerschieber auf dem Stellglied 2 entweder nach links oder rechts, was zu einer Belüftung oder Entlüftung der Fluidleitungen 18 durch die in Überlappung bringbaren Fluidleitungsöffnungen 19 und Durchgangsöffnungen 25 erreicht wird. In der vorliegenden Erfindung ist ein Teil des Steuerschiebers 17 magnetisiert ausgestaltet. Dieser leicht magnetisch ausgestaltete Abschnitt wird als Magnetabschnitt 31 in Figur 1 gekennzeichnet. Es ist auch möglich, dass der Magnetabschnitt 31 den gesamten Steuerschieber 17 umfasst. Dies ist in Figur 2 dargestellt. In den Figuren 2 und 3 werden für die selben Elemente die selben Bezugszeichen verwendet. Aus Figur 2 ist gut erkennbar, dass die Magnetspule 26 in einem Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis 32 angeordnet ist. Parallel zu der Magnetspule 26 ist dabei ein Schliesswiderstand 33 angeordnet. Durch die magnetische Ausgestaltung des Magnetabschnittes 31 des Steuerschiebers 17, werden Wirbelströme in dem Dämpfungs-und Lagebestimmungsschaltkreis 32 hervorgerufen. Dies erfolgt aufgrund der Verwendung der Magnetspule 26. Damit die gezielt hervorgerufenen Wirbelströme, eine Bewegung des Steuerschiebers 17 dämpfend abbauen, wird der Schliesswiderstand 33 in den Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis 32 eingebracht. Je schneller der SteuerSchieber 17 in die Magnetspule 26 eintaucht, desto höher ist die hervorgerufene Spannung im Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis 32. Je tiefer der Magnetabschnitt 31 in die Magnetspule 36 eintaucht, desto mehr verändert sich die Induktivität, wodurch die Lage bestimmt wird. Die Festlegung der Lage des Magnetabschnittes 31 lässt Rückschlüsse auf die Lage des Steuerschiebers 17 zu. Durch den gezielten Abbau der Wirbelströme lässt sich ein Dämpfen von Schwingungen, die auf die Steuerschieber 17 wirken, erreichen. Eine zweite Ausführungsform ist in Figur 3 dargestellt und unterscheidet sich vor allem darin, dass die Magnetspule 26 als Primärspule 34 ausgebildet ist. Die Primärspule 34 ist zuständig für das Hervorrufen der Bewegung des Steuerschiebers 17. Der Steuerschieber 17 weist einen Steg 35 auf, der die Verbindung zu dem als Dauermagnet 36 ausgebildeten Magnetabschnitt 31 sicherstellt. Der Dauermagnet 36 und der Steg 35 sind integrale Bestandteile des Steuerschiebers 17. Es ist jedoch auch möglich, dass diese drei Elemente einzeln hergesellt sind und miteinander auf herkömmliche Weise verbunden werden. Dabei bieten sich Klemm-, Schraubund Klebeverbindungen an. Es ist auch möglich, dass der unterhalb der Primärspule 34 befindliche Abschnitt und der innerhalb einer Sekundärspule angeordnete Magnetabschnitt 31 aus ferromagnetischem Material hergestellt ist, wohingegen der Steg 35 aus Leichtmetall geformt ist. Als Dauermagnet 36 wird ein herkömmlicher Permanentmagnet verstanden. Die Sekundärspule 37 ist in einen Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis 32 eingebunden. In diesem Dämpfungsund Lagebestimmungsschaltkreis 32 ist auch der Schliesswiderstand 33 parallel zu der Sekundärspule 37 geschalten.
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