EP4698806A1 - Mehrpositionszylinder - Google Patents

Abstract

Ein Mehrpositionszylinder umfasst einen fluidischen Aktuator (100) mit einer Schaltstange (115); eine erste Lagerung (210) für die Schaltstange (115); eine zweite Lagerung (220) für die Schaltstange (115); ein Schaltelement (300), welches an der Schaltstange (100) zwischen der ersten Lagerung (210) und der zweiten Lagerung (220) befestigt ist. Der fluidische Aktuator (100) ist ausgebildet, um die Schaltstange (115) zusammen mit dem Schaltelement (300) zwischen mehreren Positionen (P1, P2, P3) axial zu bewegen.

Description

BESCHREIBUNG

Mehrpositionszylinder

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mehrpositionszylinder und insbesondere auf einen Zylinder in einem Gehäuse mit einer doppelten Lagerung.

Bei konventionellen Getriebeschaltungen, insbesondere bei Gangstellern für Lastkraftwagen, sind häufig sehr viel Gänge zu schalten. Dementsprechend sind die Schaltstangen über lange Wege axial verschiebbar angeordnet. Bei konventionellen Schaltungen kommt es immer wieder zu einem hohen Verschleiß und zu undichten Stellen an fluidischen Aktuatoren (hydraulisch oder pneumatisch), da die Schaltereignisse mit hohen Kräften über weite Wege durchzuführen sind. Aufgrund der langen Schaltstangen können nämlich hohe Hebelkräfte auftreten, die oft zu den Undichtheiten an den Aktuatoren führen.

Daher besteht ein Bedarf nach weiteren fluidischen Aktuatoren bzw. nach Mehrpositionszylindern, die einerseits das Schalten von mehreren Positionen sicher erlauben und gleichzeitig die Dichtheit des fluidischen Aktuators - auch bei einem langen Betrieb - nicht gefährden.

Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch einen Mehrpositionszylinder nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes nach dem Hauptanspruch.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mehrpositionszylinder, der Folgendes aufweist: einen fluidischen Aktuator mit einer Schaltstange; eine erste Lagerung für die Schaltstange; eine zweite Lagerung für die Schaltstange; ein Schaltelement, welches an der Schaltstange zwischen der ersten Lagerung und der zweiten Lagerung befestigt ist. Der fluidische Aktuator ist ausgebildet, um die Schaltstange zusammen mit dem Schaltelement zwischen mehreren Positionen axial zu bewegen. Optional umfasst der fluidische Aktuator zumindest einen Kolben und ein Kolbengehäuse. Der zumindest eine Kolben kann in dem Kolbengehäuse eine erste Druckkammer von einer zweite Druckkammer trennen und die Schaltstange kann an dem zumindest einen Kolben befestigt sein, um so druckgesteuert zwischen den mehreren Positionen bewegbar zu sein. Der fluidische Aktuator kann so druckgesteuert zumindest zwei Positionen schalten.

Optional ist in dem Kolbengehäuse die erste Lagerung in einer Durchgangsöffnung des Kolbengehäuses bereitgestellt.

Optional umfasst der fluidische Aktuator nur eine abgedichtete Öffnung, durch die sich die Schaltstange erstreckt und durch die kein Fluidfluss erfolgt. Weitere Öffnungen können aber vorhanden sein, um eine Fluidzufuhr bzw. -abfuhr zu gewährleisten.

Optional umfasst der Mehrpositionszylinder eine Halterung, die sowohl die erste Lagerung als auch die zweite Lagerung gemeinsam hält. Die erste Lagerung als auch die zweite Lagerung stellen eine sichere axiale Führung für die Schaltstange bereit. Ein Verkanten der Schaltstange wie bei einem Ausleger (Cantilever) ist somit ausgeschlossen.

Optional umfasst die Halterung einen Positionsanschlag mit einem integrierten Positionssensor (z.B. an einer vorbestimmten Position). Der Positionssensor kann genutzt werden, um die jeweilige Position des Kolbens zu erfassen bzw. die den Anschlag am Positionsanschlag zu detektieren. Der Kolben kann optional einen Kolbenanschlag an einer vorbestimmten axialen Position aufweisen. Zwischen dem Kolbengehäuse und dem Kolben können ein erster Gleitkolben und ein zweiter Gleitkolben axial verschiebbar derart angeordnet sein, dass der Positionsanschlag und der Kolbenanschlag sich zwischen dem ersten Gleitkolben und dem zweiten Gleitkolben befinden. Bei einem vorbestimmten Druckverhältnis zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer bewegt sich der Kolben, bis der Kolbenanschlag sich an dem Positionsanschlag befindet, wodurch eine Zwischenposition erreicht wird. Diese Bewegung wird durch die Gleitkolben bewirkt, da diese den Druckkräften ausgesetzt sind. Optional kann der Mehrpositionszylinder drei stabile Positionen für das Schaltelement schalten: eine erste Position, wo nur die erste Druckkammer druckfrei ist, eine zweite Position, wo nur die zweite Druckkammer druckfrei ist, eine dritte Position wo keine der Druckkammern druckfrei ist, wobei die dritte Position die Zwischenposition ist. Die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer können für das Aktuatorfluid unterschiedliche Wirkflächen bzgl. des Kolben und der Gleitkolben aufweisen, so dass das vorbestimmte Druckverhältnis für die Zwischenposition über die unterschiedlichen Wirkflächen eingestellt werden kann.

Es versteht sich, dass der gleiche technische Effekt auch dann erreicht wird, wenn die Druckdifferenz zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer entsprechend groß gewählt wird. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass eine Kammer druckfrei sein muss, um die Verschiebung des Kolbens in eine seiner Endpositionen zu erreichen. Trotzdem bleibt es aber richtig, dass das Verschieben auch bei Druckfreiheit erreicht wird.

Optional definiert der Kolben zusammen mit den Gleitkolben eine symmetrische Kolbenanordnung (z.B. spiegelsymmetrisch für eine Spiegelebene senkrecht zur axialen Richtung).

Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf einen Getriebesteller mit einem Mehrpositionszylinder wie er zuvor beschrieben wurde.

Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Nutzfahrzeug, insbesondere einen Lastkraftwagen, mit einem Getriebesteller, wie er zuvor beschrieben wurde.

Ausführungsbeispiele lösen die eingangs erwähnten Probleme dadurch, dass ein Mehrpositionszylinder für einen fluidischen Aktuator an eine Schaltstange koppelt, die an zwei Lagerpunkten verschiebbar gelagert ist und mindestens ein Schaltelement zwischen den Lagerpunkten angeordnet ist und nur in dem Zwischenraum bewegt wird. Beide Lagerpunkte werden dabei insbesondere von einem Bauteil aufgenommen. Das Bauteil kann beispielsweise eine Halterung oder ein Teil eines Gehäuses (z.B. Deckel) sein, solange es eine ausreichende mechanische Stabilität sicherstellen kann. Insbesondere nutzen Ausführungsbeispiele unterschiedliche Wirkflächen beim Betätigen des fluidischen Aktuators in die eine oder in die andere Richtung.

Der Mehrpositionszylinder kann ein Gehäuse umfassen, in welchem sich sowohl die erste Lagerung als auch die zweite Lagerung befinden bzw. dadurch gehalten werden. Die oben erwähnte Halterung kann Teil des Gehäuses sein. Dies bietet den Vorteil, dass damit eine maximale Konzentrizität beider Lager und eine hohe Festigkeit erreicht wird.

Vorteilhafterweise besitzt der Mehrpositionszylinder nur eine zu dichtende Öffnung zwischen den Fluidräumen des Mehrpositionszylinders und nach außen. Durch die eine zu dichtende Öffnung kann die Schaltstange geführt werden. Der Mehrpositionszylinder ist insbesondere ein Dreipositionszylinder, der zwei axiale Endpositionen und dazwischen eine Zwischen- oder Mittenposition aufweist, die bei einem vorbestimmten Druckverhältnis zwischen den beiden Kammern des fluidischen Aktuators eingenommen wird. Insbesondere sind Ausführungsbeispiele dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenanordnung eine symmetrische Form entlang der Axialrichtung aufweist.

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

Fig. 1 zeigt einen Mehrpositionszylinder nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Mehrpositionszylinder nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Mehrpositionszylinder umfasst einen fluidischen Aktuator 100 (d.h. keinen elektromotorischen Aktuator), der einen Kolben 150 aufweist, an dem eine Schaltstange 115 befestigt ist. An der Schaltstange 115 ist ein Schaltelement 300 wie beispielsweise eine Schaltgabel befestigt, die die Schaltvorgänge ausführt. Außerdem umfasst der Mehrpositionszylinder eine erste Lagerung 210 für die Schaltstange 115 und eine zweite Lagerung 220 für die Schaltstange 115, wobei beide Lagerungen 210, 220 eine axiale Verschiebung der Schaltstange 115 erlauben, die Schaltstange 115 aber radial fixieren. Das Schaltelement 300 ist gemäß Ausführungsbeispielen zwischen der ersten Lagerung 210 und der zweiten Lagerung 220 an der Schaltstange 115 befestigt, so dass axiale Verschiebungen der Schaltstange 115 zu einer axialen Verschiebung des Schaltelementes 300 führt.

Der Mehrpositionszylinder umfasst außerdem eine Halterung 400 für den fluidischen Aktuator 100, wobei sowohl die erste Lagerung 210 als auch die zweite Lagerung 220 gemeinsam durch die Halterung gehalten werden. Auf diese Weise wird durch die erste Lagerung 210 und die zweite Lagerung 220 eine sichere axiale Führung für die Schaltstange 115 erreicht. Die Halterung 400 kann ein beliebiges unitäres Bauteil sein (z.B. einem Gehäuseteil oder ein Deckel), solange es die gewünschte Stabilität bereitstellen kann. Es sollte keine Anordnung von mehreren Bauteilen oder Komponenten sein.

Der fluidische Aktuator 100 umfasst zumindest einen Kolben 150 (es können auch mehrere miteinander gekoppelte Kolben sein) und ein Kolbengehäuse 160. Der Kolben 150 trennt in dem Kolbengehäuse 160 eine erste Druckkammer 110 von einer zweiten Druckkammer 120 und ist zwischen einem ersten Anschlag 161 und einen zweiten Anschlag 162 linear bewegbar. Der Abstand zwischen den Anschlägen 161 , 162 definiert die maximal erreichbare Verschiebung. Wenn die erste Druckkammer 110 druckfrei ist oder wenig Druck hat und die zweite Druckkammer 120 einen Mindestdruck aufweist (befüllt ist), bewegt sich der Kolben 150 zum ersten Anschlag 161. Wenn andererseits die zweite Druckkammer 120 druckfrei ist (oder nur einen geringen Druck hat) und die erste Druckkammer 110 einen weiteren Mindestdruck aufweist, bewegt sich der Kolben 150 zu dem zweiten Anschlag 162. Dementsprechend befindet sich das Schaltelemente 300 in der ersten Position P1 oder in der zweiten Position P2. Der Mindestdruck kann so gewählt werden, dass er eine Bewegung des Kolbens 150 in die eine oder andere Richtung in jedem Fall sicherstellt. Es versteht sich, dass es zur Bewegung des Kolbens 150 nicht zwingend erforderlich ist, dass eine der beiden Druckkammern 110,120 druckfrei ist. In diesem Fall muss jedoch die Druckdifferenz zwischen Druckkammern 110, 120 ausreichend groß sein.

Die Mittenposition P3 kann bei einem vorbestimmten Druckverhältnis zwischen der ersten Druckkammer 110 und der zweiten Druckkammer 120 eingenommen werden. Zur Schaltung dieser Position umfasst die Halterung 400 einen Positionsanschlag 405 mit einem integrierten Positionssensor 406 und der Kolben 150 einen Kolbenanschlag 152 an einer vorbestimmten axialen Position. Außerdem sind zwischen dem Kolbengehäuse 160 und dem Kolben 150 ein erster Gleitkolben 130 und ein zweiter Gleitkolben 140 axial verschiebbar derart angeordnet ist, dass der Positionsanschlag 405 mit dem integrierten Positionssensor 406 und der Kolbenanschlag 152 sich beide zwischen dem ersten Gleitkolben 130 und dem zweiten Gleitkolben 140 befinden und beide jeweils einen Anschlag für die Gleitkolben 130, 140 bieten. Die Gleitkolben 130, 140 können sich um den Kolben 150 herum erstrecken und auf dessen zylindrischen Oberfläche gleitend angeordnet sein. Daher vergrößern sie auch die Wirkfläche für den Druck in der ersten und zweiten Druckkammer 110, 120 durch die Gleitkolben 130, 140. Bei einem vorbestimmten Druckverhältnis zwischen der ersten Druckkammer 110 und der zweiten Druckkammer 120 wird der Kolben 150 über die Gleitkolben 130, 140, die an den Kolbenanschlag 152 anschlagen und diesen mitnehmen, zu dem Positionsanschlag 405 mit integriertem Positionssensor 406 geführt, wodurch die Zwischenposition P3 erreicht wird.

Somit definiert der Gehäuseanschlag mit integriertem Positionssensor 405, 406 (oder der Kolbenanschlag 152) die Zwischen- oder Mittenposition P3, die dann erreicht wird, wenn der Kolbenanschlag 152 sich an der gleichen axialen Position befindet wie der Gehäuseanschlag mit integriertem Positionssensor 405, 406. Die Zwischenposition P3 kann daher auch frei zwischen den Endpositionen P1 und P2 gewählt werden (z.B. über ein entsprechendes Verschieben des Gehäuseanschlages 405 mit integriertem Positionssensor 406). Insbesondere kann die Zwischenposition P3 mittig zwischen den beiden Endpositionen P1 und P2 fixiert werden. Außerdem können die Wirkflächen in der ersten Druckkammer 110 und der zweiten Druckkammer 120 so gewählt werden, dass bei einem gleichen Druck in der ersten Druckkammer 110 und der zweiten Druckkammer 120 (z.B. durch fluides Verbinden beider Kammern) die Zwischenposition P3 eingenommen wird. Das vorbestimmte Druckverhältnis zum Einnehmen der Zwischenposition P3 kann jedoch durch Ändern der Wirkflächen in der ersten Druckkammer 110 und/oder in der zweiten Druckkammer 120 angepasst werden.

Das Schaltelement 300 kann so zwischen drei Schaltpositionen geschaltet werden: eine erste Schaltposition P1 , eine zweite Schaltposition P2 und eine dritte Schaltposition P3, wobei die dritte Schaltposition P3 die vorbestimmte Zwischenposition ist.

Der fluide Aktuator 100 wird daher über ein Druckfluid (z. B. Luft oder ein Hydrauliköl) gesteuert, wozu weitere Fluidöffnungen vorgesehen sind, um das Ein- und Ausströmen des Druckfluids zu bewirken. Diese Öffnungen sind jedoch von der Öffnung 105 zu unterscheiden, durch die die Schaltstange 115 geführt wird. Durch die Fluidöffnungen fließt natürlich das Fluid, während es durch die Öffnung 105 nicht fließen soll.

Ein Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht darin, dass keine weiteren abzudichtenden Öffnungen in dem fluidischen Aktuator 100 erforderlich sind. Außerdem bieten die zwei Lagerungen 210, 220 eine hohe Stabilität für die Schaltstange 115, die bei den axialen Verschiebungen nicht verkippen kann und so die vorhandene Öffnung 105 schützt. Hierdurch wird eine deutlich erhöhte Lebensdauer des Mehrpositionszylinders erreicht, da die eine Dichtung in der Öffnung 105 wenig oder kaum in eine Richtung (z.B. senkrecht zur axialen Verschiebung) belastet wird.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Figur offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

BEZUGSZEICHENLISTE

100 fluidischen Aktuator (z.B. pneumatisch)

105 Durchgangsöffnung

110 erste Druckkammer

115 Schaltstange

120 zweite Druckkammer

130 erster Gleitkolben

140 zweiter Gleitkolben

150 Kolben

152 Kolbenanschlag

160 Kolbengehäuse

210 erste Lagerung

220 zweite Lagerung

300 Schaltelement (z.B. Schaltgabel)

400 Halterung

405 Positionsanschlag

406 integrierter Positionssensor

P1 , P2, P3 Schaltpositionen

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Mehrpositionszylinder, gekennzeichnet durch

- einen fluidischen Aktuator (100) mit einer Schaltstange (115);

- eine erste Lagerung (210) für die Schaltstange (115);

- eine zweite Lagerung (220) für die Schaltstange (115);

- ein Schaltelement (300), welches an der Schaltstange (100) zwischen der ersten Lagerung (210) und der zweiten Lagerung (220) befestigt ist, wobei der fluidische Aktuator (100) ausgebildet ist, um die Schaltstange (115) zusammen mit dem Schaltelement (300) zwischen mehreren Positionen (P1 , P2, P3) axial zu bewegen.

2. Mehrpositionszylinder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Aktuator (100) zumindest einen Kolben (150) und ein Kolbengehäuse (160) aufweist, wobei der zumindest eine Kolben (150) in dem Kolbengehäuse (160) eine erste Druckkammer (110) von einer zweite Druckkammer (120) trennt und die Schaltstange (115) an dem zumindest einen Kolben (150) befestigt ist, um so druckgesteuert zwischen den mehreren Positionen (P1 , P2, P3) bewegbar zu sein.

3. Mehrpositionszylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbengehäuse (160) die erste Lagerung (210) in einer Durchgangsöffnung (105) bereitstellt.

4. Mehrpositionszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Aktuator (100) nur eine abgedichtete Öffnung (105) aufweist, durch die sich die Schaltstange (115) erstreckt und durch die kein Fluidfluss erfolgt.

5. Mehrpositionszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (400), in welchem sich sowohl die erste Lagerung (210) als auch das zweite Lagerung (220) befinden.

6. Mehrpositionszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Halterung (400), die sowohl die erste Lagerung (210) als auch die zweite Lagerung (220) gemeinsam hält und die erste Lagerung (210) als auch die zweite Lagerung (220) eine axiale Führung für die Schaltstange (115) bereitstellen.

7. Mehrpositionszylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Halterung (400) einen Positionsanschlag (405) mit einem integrierten Positionssensor (406) aufweist,

- der Kolben (150) einen Kolbenanschlag (152) an einer vorbestimmten axialen Position aufweist, und

- zwischen dem Kolbengehäuse (160) und dem Kolben (150) ein erster Gleitkolben (130) und ein zweiter Gleitkolben (140) axial verschiebbar derart angeordnet ist, dass der Positionsanschlag (405) und der Kolbenanschlag (152) sich zwischen dem ersten Gleitkolben (130) und dem zweiten Gleitkolben (140) befinden, sodass bei einem vorbestimmten Druckverhältnis zwischen der ersten Druckkammer (110) und der zweiten Druckkammer (120) der Kolbenanschlag (152) sich an dem Positionsanschlag (405) befindet, wodurch eine Zwischenposition (P3) definiert ist.

8. Mehrpositionszylinder nach Anspruch 7, der drei stabile Positionen für das Schaltelement (300) erlaubt: eine erste Position (P1 ) wo nur die erste Druckkammer (110) druckfrei ist, eine zweite Position (P2) wo nur die zweite Druckkammer (120) druckfrei ist, eine dritte Position (P3) wo keine der Druckkammern (110, 120) druckfrei ist, wobei die dritte Position (P3) die Zwischenposition ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (110) und die zweite Kammer (120) für das Aktuatorfluid gleiche oder unterschiedliche Wirkflächen auf den Kolben (150) und den Gleitkolben (130, 140) aufweisen, so dass vorbestimmte Druckverhältnis für die Zwischenposition (P3) über unterschiedlichen unterschiedliche Wirkflächen eingestellt ist.

9. Mehrpositionszylinder nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (150) zusammen mit den Gleitkolben (130, 140) eine symmetrische Kolbenanordnung definieren.

10. Getriebesteller gekennzeichnet durch einen Mehrpositionszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Nutzfahrzeug, insbesondere ein Lastkraftwagen, gekennzeichnet durch einen Getriebesteller nach Anspruch 10.