Fluidbeaufschlagbarer Stell- und Steuerantrieb

Abstract

 Bei einem fluidbeaufschlagten, insbesondere pneumatischen Steuerantrieb mit Rollmembran (7) werden große ausgangsseitige Stellkräfte dadurch erzielt, daß das Ausgangsanschlußelement (17) nicht direkt, unmittelbar und starr an die Arbeitsplatte (14) der Rollmembran angeschlossen ist, sondern über einen Kraftumsetzer, insbesondere einen Hebeltrieb, der im einfachsten Fall ein einseitiger oder ein zweiseitiger Hebel sein kann, angekoppelt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft fluidbeaufschlagbare Stell- und Steuer­antriebe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

[0002] Solche fluidbeaufschlagbaren Antriebe bestehen üblicherweise aus einem zweiteiligen Kunststoffgehäuse, das durch eine quer­liegende, mittig durch eine Arbeitsplatte versteifte Arbeits­membran in einen als Arbeitskammer dienenden Druckraum und, der Membran gegenüberliegend, entweder in eine zweite Arbeits­kammer oder in eine belüftete Druckausgleichskammer unter­teilt ist. Solche Antriebe werden insbesondere zu Stell-, Steuer- und Verriegelungsaufgaben im Kraftfahrzeugbau ein­gesetzt. In diesem Anwendungsbereich werden die Antriebe ganz überwiegend für den Arbeitstakt mit Unterdruck beauf­schlagt. Während Unterdruck im Kraftfahrzeug mit geringem technischem und finanziellem Aufwand reichlich zur Verfügung steht, ist das elektrische System der Kraftfahrzeuge meist bereits ausgelastet und nur mit relativ großem Kostenaufwand weiter belastbar.

[0003] Grenzen sind den prinzipiell einfachen, preiswerten und zu­verlässigen Unterdruckantrieben jedoch dort gesetzt, wo einer­seits ausgangsseitig relativ große Stellkräfte erforderlich sind, die Antriebe andererseits aber eine vorgegebene maxi­male Baugröße nicht überschreiten dürfen. Während beispiels­weise bei einem verfügbaren Unterdruck von 0,8 bar an einem Antrieb der hier in Rede stehenden Art ausgangsseitig eine Stellkraft von rund 500 N verfügbar sein soll, müßte bei rotationssymmetrischer Ausbildung des Unterdruckstellantriebs der Durchmesser der wirksamen Arbeitsfläche der Arbeits­membran fast 40 cm betragen. Stellantriebe dieser Abmessun­gen würden jedoch nicht nur den baulichen Rahmen, sondern auch den Kostenrahmen realisierbarer Technik sprengen.

[0004] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen fluidbeaufschlagbaren Stell- und Steuerantrieb der vorstehend geschilderten Art zu schaf­fen, der auch bei kleinen räumlichen Bauabmessungen aus­gangsseitig vergleichsweise hohe Stellkräfte liefert.

[0005] Diese Aufgabe löst die Erfindung durch einen Antrieb der eingangs geschilderten Art, der die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

[0006] Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt mit anderen Worten also darin, nicht in der üblichen Weise die aus dem Antrieb herausgeführte Stellstange oder das in anderer Weise ausgebildete Ausgangsanschlußelement unmittelbar und trans­latorisch starr mit der Arbeitsplatte der Membran zu verbin­den, sondern in diese Verbindungsstrecke im Antriebsgehäuse integriert einen Kraftumsetzer einzubeziehen. Dieser Kraft­umsetzer kann dabei prinzipiell, bezogen auf das Verhält­nis der von der Membran abgegebenen Kraft zu der am Aus­gangsanschlußelement verfügbaren Kraft sowohl übersetzend als auch untersetzend ausgelegt sein. Er wird dann über­setzend ausgebildet sein, wenn ausgangsseitig hohe Kräfte erforderlich sind, er wird aber dann untersetzend ausgebil­det sein, wenn für andere Anwendungen, bei denen nur geringe Stellkräfte erforderlich sind, lange Stellwege benötigt werden.

[0007] Zu besonders einfachen Konstruktionen gelangt man dabei vor allem dann, wenn das Ausgangsanschlußelement des Antriebs durch eine Vorspannfeder in der dem Arbeitshub der Membran entgegengesetzten Richtung vorspannend beauf schlagt ist. Selbstverständlich muß die Kraft der Vorspannfeder geringer als die von der Arbeitsmembran lieferbare Kraft sein. Vor­zugsweise wird die Vorspannfeder so gewählt, daß die am Ausgangsanschlußelement verfügbare Vorspannkraft um 5 bis 25% geringer als die an der Membran verfügbare Stellkraft ist.

[0008] Der im Antriebsgehäuse integrierte Kraftumsetzer kann prin­zipiell beliebiger Art sein, solange er sich im Rahmen eines jeweils verfügbaren Bauraumes eingliedert und den jeweiligen Anwendungserfordernissen gerecht wird. So können als Kraftumsetzer beispielsweise Hebeltriebe, Kurbeltriebe, Kurventriebe, Zahntriebe oder gegebenenfalls auch Kettentriebe, insbesondere einfacherer und kleinerer Bauart im Antriebsgehäuse integriert werden. Vorzugsweise werden als Kraftumsetzer jedoch einseitige oder zweiseitige Hebel oder Systeme von Hebeln eingesetzt, die für den vor­liegenden Zweck die optimalen Eigenschaften bieten. Hebel sind kostengünstig, wartungsfrei, zuverlässig und erfordern überdies kaum nennenswerten Einbauraum. Dabei können selbst bei kleinsten Gehäuseabmessungen Kraftumsetzungen im Verhält­nis 10:1 ohne weiteres erreicht werden.

[0009] Bei der Verwendung von Hebeln als Kraftumsetzer können diese als einfache einseitige oder zweiseitige Hebel ausgebildet sein und sind dann vorzugsweise in der Transversalebene radial ausgerichtet angeordnet, und zwar insbesondere mehrere gleich­sinnig wirkende Hebel, die mit gleichem Winkelabstand vonein­ander verteilt angeordnet sind.

[0010] Neben solchen einfachen einseitigen und zweiseitigen Hebeln können vorteilhafterweise auch Gelenkhebelsysteme als Kraft­umsetzer in den Gehäusen der Stellantriebe gemäß der Erfin­dung integriert werden. Im einzelnen kann der Fachmann je nach Aufgabenstellung aufgrund seines Fachwissens ohne weiteres die geeignete Lösung ermitteln.

[0011] Während bei Stellantrieben mit geringerer Ausgangskraft für die axiale Lagerung und Führung des Ausgangsanschlußelementes meist ein einfaches Gleitlager reicht, ist es für die Stell­antriebe gemäß der Erfindung, bei denen ausgangsseitig höhere Kräfte wirken, durchaus vorteilhaft, das Ausgangsanschluß­element mittels eines Wälzkörperlagers, insbesondere vorzugs­weise mittels eines hülsenförmigen Wälzkörperlagers, axial verschiebbar zu lagern. Dadurch können mit vertretbarem Kostenaufwand eine hohe Stabilisierung auch gegen seitliche Störkräfte bei gleichzeitig wesentlich vermindertem Lager­verschleiß und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit des Antriebs erreicht werden.

[0012] Insbesondere bei einer solchen Wälzkörperlagerung des Aus­gangsanschlußelementes ist dieses dann vorzugsweise am Boden eines becherförmigen oder kragenbecherförmigen axial über das Wälzlager verschiebbaren Gehäuseeinsatzteils ange­ordnet, wobei dieses becherförmige Teil dann gleichzeitig als Vorspannfedergehäuse dienen kann. Die Vorspannfeder ist bei dieser Ausgestaltung des Antriebs dann beispielsweise unmittelbar auf dem inneren Boden des Einsatzes und gegen­überliegend an einem sich transversal durch das Antriebs­gehäuse erstreckenden ortsfest im Gehäuse fixierten Gehäuse­einsatzteil abgestützt. Diese Vorspannfeder wird bei Beauf­schlagung der Arbeitskammer mit Unterdruck als Druckfeder, bei Beaufschlagung der Arbeitskammer mit Überdruck als Zugfeder ausgebildet sein.

[0013] Insbesondere bei der Verwendung von Hebelsystemen als Kraf t­umsetzer werden für die Hebel vor allem stabile Widerlager benötigt. Zu diesem Zweck wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine in ein Kunststoffgehäuse des Antriebs eingesetzte metallische Lagerschale so ausge­staltet, daß deren Ränder gleichzeitig als Widerlager für die kraftumsetzenden Hebelsysteme dienen können. Solche hülsenförmigen Lagerschaleneinsätze werden insbesondere durch Reibschluß im Kunststoffgehäuse des Antriebs fixiert.

[0014] Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungs­beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur, nämlich die

Fig. 1 im Axialschnitt einen fluidbeauf schlagbaren steuerantrieb mit zweiteiligem Kunststoff­gehäuse.

[0015] In der Fig. 1 ist im Axialschnitt ein fluidbeaufschlagbarer Steuerantrieb, genauer, ein mit Unterdruck beaufschlagbarer Steuerantrieb dargestellt, der ein zweiteiliges Gehäuse auf­weist. Die beiden Gehäuseteile 1,2 bestehen aus Kunststoff und sind durch eine Ultraschallschweißnaht 3 fluiddicht und druckfest miteinander verbunden. Ortsfest im Gehäuse 1,2 ist ein Gehäuseeinsatz 4 eingeschlossen, der aus einem Zylinderring­ abschnitt 5 und einem zentralen trichterförmigen Teil 6 be­steht, das sich zu einer querliegenden Arbeitsmembran 7 hin öffnet und dessen Außenrand mit einem der beiden Ränder des zylindrischen Abschnittes 5 des Gehäuseeinsatzteils 4 so ver­bunden ist, daß der trichterförmige zentrale Abschnitt zumindest im wesentlichen vom zylindrischen Abschnitt 5 umgeben ist. Auf der Membranseite des ortsfest gehalterten Gehäuseeinsatzteils 4 ist eine Ringnut 8 ausgespart, in die eine periphere Dichtring­wulst 9 der Arbeitsmembran 7 eingedrückt ist. Das mit einem Anschlußstutzen 10 versehene Gehäuseteil 1 weist eine Schulter 11 auf, die eine Dichtringschneidkante aufweist, die bei geschlosse­nem Gehäuse fluiddicht und druckfest in die Dichtringwulst der Arbeitsmembran 7 eingepreßt ist. Dadurch entsteht im Gehäuse­teil 1 über der dem Anschlußstutzen 10 zugewandten Seite der Arbeitsmembran 7 eine Arbeitskammer 13, die über den Anschluß­stutzen 10 mit Unterdruck beaufschlagbar ist.

[0016] Die Arbeitsmembran 7 ist zentral mit einer formsteifen napf­artigen Arbeitsplatte 14 verbunden, durch deren Querschnitt­fläche im wesentlichen die an der Arbeitsmembran verfügbare Kraft bei Beauf schlagung eines konstanten Unterdrucks bestimmt ist. Die Arbeitsplatte 14 ist zentral mit einem Koppelzapfen 15 starr verbunden, die in den trichterförmigen Teil 6 des orts­festen Gehäuseeinsatzteils 4 hineinragt.

[0017] Der Teil des Gehäuses 1,2, der auf der dem Einlaßstutzen gegen­überliegenden Seite der Membran definiert ist, dient im wesent­lichen als Druckausgleichsraum 16, der zumindest im wesentlichen auf Umgebungsdruck liegt. Dem Anschlußstutzen 10 axial gegen­überliegend ist aus dem Druckausgleichsraum 16 des Gehäuseteils 2 ein Ausgangsanschlußelement 17 herausgeführt. Bei dem hier in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ausgangsan­schlußelement 17 als Gabel angeordnet, zwischen deren beiden Schenkeln auf einem Zapfen 18 eine Rollwalze 19 drehbar gelagert ist.

[0018] Am freien Ende des Koppelzapfens 15 ist eine Ringschulter­platte 20 angeformt, auf der drei einzelne Hebel 21 mit ihrem radial inneren Endbereich aufliegen. Die drei Hebel 21 liegen in der Transversalebene und sind radial ausgerichtet und so über den Umfang verteilt angeordnet, daß die drei Hebelarme jeweils untereinander den gleichen radialen Winkelabstand auf­weisen. Der trichterförmige Abschnitt 6 des ortsfest fixier­ten Gehäuseeinsatzteils 4 weist Fensterdurchbrüche 22 auf, durch die die Hebel 21 jeweils mit radialer Streckung frei hindurch­greifen. Mit ihrem radial außen liegenden Ende liegen die He­bel 21 jeweils auf einem Widerlager auf, das durch die stirn­seitige Kante 23 einer Kragenhülse 24 gebildet ist, die ihrer­seits aus Metall besteht, hier korrosionsbeständiger Stahl, und die unter Reibschluß fest im Gehäuseteil 2 im Bereich des Druckausgleichsraums eingepreßt ist. Der weiter zum Ausgangs­anschlußelement 17 liegende Abschnitt der Kragenhülse 24 dient als Lagerschale für ein hülsenförmiges Wälzlager 25, das axial verschiebbar einen beweglichen, kragenbecherartigen und eben­falls aus Metall bestehenden, zumindest im wesentlichen form­komplementären Gehäuseeinsatz 26 führt und lagert. Im Boden 27 des kragenbecherartigen axial beweglichen Gehäuseeinsatzes 26 ist das Ausgangsanschlußelement 17 starr verankert. Im Kragen­bereich 28 weist das kragenbecherartige bewegliche Gehäuse­einsatzteil 26 mit gleichem Winkelabstand voneinander drei radiale Durchbrüche 29 auf, durch die jeweils ein Hebel 21 hindurchgreift. Zwischen einer Ringfalznut 38, die am radial inneren freien stirnseitigen Ende des trichterförmigen Teils 6 des ortsfest fixierten Gehäuseeinsatzteils 4 ausgebildet ist und der Innenseite des Bodens 27 des kragenbecherartigen Ge­häuseeinsatzes 26 ist eine Druckfeder 31 eingespannt, die den verschiebbaren Gehäuseeinsatz 26 relativ zum Gehäuse in Richtung zum Ausgangsanschlußelement, also weg von der Arbeitskammer 13, derart vorspannt, daß die arbeitskammerseitigen Oberkanten der radialen Durchbrüche 29 im Kragenbereich 28 des beweglichen Ge­ häuseeinsatzteils 26 jeweils die Hebel 21 auf ihre Auflager 30 und Widerlager 23 niederzwingen.

[0019] In dem in Fig. 1 gezeigten Zustand befindet sich der Steueran­trieb in dem durch die Federvorspannung herbeigeführten Zustand, in dem das Ausgangsanschlußelement 17, das auch als Stell­stange oder entsprechend anders gestaltetes Ausgangsanschluß­element ausgebildet sein kann, in seiner axial am weitesten vorgeschobenen Position, während bei Abwesenheit eines Unterdrucks in der Arbeitskammer 13 die Membran 7 mit ihrer Arbeitsplatte 14 eine Konfiguration aufweist und in einer Po­sition steht, die der Ruhestellung entspricht. Bei Beaufschla­gung der Arbeitskammer 13 über den Anschlußstutzen 10 mit einem Unterdruck, der am Kolbenzapfen 15 eine Kraft erzeugt, die größer als die durch die Druckfeder 31 gelieferte Vorspannung ist, wird die Arbeitsplatte 14 der Membran 7 durch die Arbeits­kammer 13 hindurch in Richtung auf den Anschlußstutzen 10 zugezogen. Dabei wird das Auflager 30 der Hebel 21 axial in Richtung der Arbeitskammer 13 angehoben, während die radial außenliegenden Ränder der Hebel 21 auf der stirnseitigen Ring­kante 23 der Kragenhülse 24 als Widerlager unter Verkippen bzw. Verschwenken um einen Auflagedrehpunkt liegenbleiben. Bei dieser Hebelbewegung wird der axial bewegliche kragenbecherartige Gehäuseeinsatz 26, an dessen Boden 27 das Ausgangsanschluß­element 17 starr angebunden ist, gegen die Kraft der Vorspann­feder 31 an den Durchbrüchen 29 auf den Hebeln 21 aufliegend mit in Richtung der Arbeitsplatte 14 der Membran 7 und des Koppelzapfens 15, d.h. mit in Richtung zum Anschlußstutzen 10 gezogen. Das Ausgangsanschlußelement 17 führt also qualitativ die gleiche Bewegung in der gleichen Richtung wie die Arbeits­platte 14 aus. Da die Durchbrüche 29 des beweglichen Gehäuse­einsatzes 26 aber wesentlich dichter am Widerlager 23 der Hebel 21 als das Auflager 30 angreifen, in dem hier gezeig­ten Ausführungsbeispiel ungefähr im Verhältnis von 7:1, wird das Ausgangsanschlußelement 17 mit der rund siebenfachen Kraft unter Überwindung der Vorspannung der Feder 31 in Richtung auf das Gehäuse zu zurückgezogen, und zwar um eine Wegstrecke, die rund ein Siebentel kürzer als die von der Arbeitsplatte 14 der Membran 7 zurückgelegte Arbeitshubstrecke ist.

[0020] Mit anderen Worten, am Ausgangsanschlußelement 17 des Steuerantriebs gemäß Fig. 1 stehen bei kurzen Schaltweg­strecken hohe Schaltkräfte zur Verfügung, so daß der Antrieb beispielsweise als mechanischer Leistungsschalter oder als Stellantrieb und Steuerantrieb dort im Kraftfahr­zeugbau eingesetzt werden kann, wo hohe Ausgangsleistungen zu unmittelbar stellenden Steuerungen und Regelungen benutzt werden.

Ansprüche

1. Fluidbeaufschlagbarer Stell- und Steuerantrieb bestehend aus einem fluiddicht und druckfest verschlossenen zweitei­ligen Gehäuse (1,2), in dem durch eine mit einer zentralen Arbeitsplatte (14) ausgerüstete, transversal ausgerichtete Membran (7) eine Arbeitskammer (13) für das Fluid ausge­bildet ist, die über einen Anschlussstutzen (10) von aussen mit dem Arbeitsdruckfluid beaufschlagbar sowie über diesen Anschlussstutzen oder eine andere zweckent­sprechende Anordnung auch wieder entlastbar ist, während auf der der Arbeitskammerseite axial gegenüberliegenden Seite der Membran ein Druckausgleichsraum (16) ausgebildet ist, aus dem ein durch den Arbeitshub der Membran ver­stellbares Ausgangsanschlusselement (17) herausgeführt ist,
gekennzeichnet durch
einen im Inneren des Gehäuses (1,2) angeordneten über­setzenden oder untersetzenden Kraftumsetzer (13,21,23,29) im Kraftübertragungsstrang zwischen der Arbeitsplatte (14) der Membran (7) und dem Ausgangsanschlusselement(17).

2. Antrieb nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine vorspannfeder (31), die das Ausgangsanschlusselement (17) entgegen der vom Arbeitshub der Membran aufgebrachten Kraft beaufschlagt.

3. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kraftumsetzer ein Hebelsystem ist.

4. Antrieb nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hebelsystem aus einer Mehrzahl, insbesondere drei, in gleichem Winkelabstand voneinander in der Trans­versalebene radial angeordneten einseitigen Hebeln (21) besteht. die (a) relativ zum Gehäuse (1,2) radial aussen ortsfest widergelagert oder aufgelagert oder schwenkbar angelenkt sind, (b) radial innen einzeln oder gemeinsam an einem starr mit der Arbeitsplatte (14) der Membran (7) verbundenen Koppelzapfen (15) komplementär aufgelagert oder widergelagert oder ebenfalls schwenkbar angelenkt sind, und die (c) dem jeweils erforderlichen Übersetzungs­verhältnis entsprechend zwischen Auflager (30) und Wider­lager (23) eine kippfähige oder schwenkbare Anlenkung des Ausgangsanschlusselementes aufweisen.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
gekennzeichnet durch
ein zumindest im wesentlichen transversal ausgerichtetes, transversal und axial formschlüssig fixiertes Gehäuseein­satzteil (4), das die für Koppelglieder (15) und Kraft­umsetzerglieder (21) gegebenenfalls erforderlichen Öffnun­gen und Durchbrüche (22) aufweist und ein Lager oder Auf­nahmeprofil (30) für eine zentrale Abstützung der Vor­spannfeder (31) aufweist.

6. Antrieb nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch
ein arbeitskammerseitig auf dem Gehäuseeinsatzteil (4) ausgeformtes Ringprofilelement, insbesondere eine zweckentsprechend profilierte Ringnut (8), zur Aufnahme einer peripheren Dichtringwulst (9) der Arbeitsmemebran (7) zur Dichtung des anschlussstutzenseitigen Gehäuseteils (1) gegen das Gehäuseeinsatzteil (4) und damit auch gegen den Druckausgleichsraum (16) des Gehäuses (1,2).

7. Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
gekennzeichnet durch
einen kragenbecherartigen axial verschiebbaren Gehäuseein­satz (26), an dessen Boden (27) das Ausgangsanschluss­element (17) befestigt oder angeformt und die Vorspann­feder (31) gegenüber dem fixierten Gehäuseeinsatzteil (4) abgestützt sind, und an dessen axial gegenüberliegendem, insbesondere radial erweitertem Kragenbereich (28) Koppel­elemente (21) des Kraftumsetzers angreifen, insbesondere durch radiale Kragendurchbrüche (29) hindurchgreifen

8. Antrieb nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der axial verschiebbare Gehäuseeinsatz (26) in einem Wälzlagerkäfig (25) geführt ist.

9. Antrieb nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wälzlagerschale als beidseitig zumindest weit­gehend oder im wesentlichen offene metallische Kragenhülse (26) ausgebildet ist, die unter Reibschluss im Gehäuse (1,2) fixiert ist, und deren Kragenrand (23) als Auflager oder Widelager oder Schwenklagerbock für die Hebel (21) des Hebelsystems oder eines anderen Kraftumsetzers ausge­bildet oder nutzbar ist.

10. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Arbeitskammer (13) als Unterdruck-Arbeitskammer zur Beaufschlagung im Unterdruckbereich von 0,4 <= P_u <= 0,9 bar, die Vorspannfeder (31) als Druckfeder und der Kraftumsetzer (30,21,29,23) mit einer Kraftübersetzung im Bereich von 5:1 bis 15:1 ausgebildet sind.

Zeichnung