[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einer Vorrichtung
zur Positionsbestimmung.
[0002] Die Positionsbestimmung eines Zylinderkolbens stellt eine notwendige und wichtige
Aufgabe bei einer Reihe von technischen Anwendungen dar. Insbesondere spielt die exakte
Position des Zylinderkolbens oftmals eine tragende Rolle bei der zielgerichteten Ansteuerung
der Kolben-Zylinder-Einheit. Darüber hinaus lässt sich durch die Positionsbestimmung
die Betriebssicherheit einer Kolben-Zylinder-Einheit maßgeblich erhöhen, da der Einlaß
des Hydraulikmediums, insbesondere der Hydraulikflüssigkeit, in den Extrempositionen
des Zylinderkolbens exakt gesteuert und folglich rechtzeitig gestoppt werden kann.
[0003] Auch ist eine präzise Positionsbestimmung bei der automatischen Ansteuerung der Kolben-Zylinder-Einheiten
bei Baumaschinen bzw. Hubgeräten von Bedeutung. Die Kolben-Zylinder-Einheit betätigt
in üblicher Weise das Arbeitsgerät der Baumaschine bzw. des Hubgerätes. Eine hinreichend
genaue Positionsbestimmung der Kolben-Zylinder-Einheit erhöht die Qualität der Ansteuerung
und ist daher dringend erforderlich.
[0004] Die vorherrschenden hohen Steuerungsdrücke innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit,
die insbesondere bei hydraulischen Zylindereinheiten auftreten, lassen oftmals nur
eine geringfügige Modifikation des Kolbens bzw. des Zylindermantels zu, ohne eine
sicherheitsrelevante Beeinträchtigung des Gesamtsystems zu bewirken. Aus diesem Grund
gestaltet sich die Anordnung einer geeigneten Positionsmeßvorrichtung oftmals als
besonders schwierig und kostenintensiv.
[0005] Bei zahlreichen Kolben-Zylinder-Einheiten wird die aktuelle Position des Zylinderkolbens
durch angeordnete Seilzug-Potentiometer erfaßt.
[0006] Ferner sind Verfahren bekannt, die nach einem magnetorestrektiven Prinzip arbeiten.
Hier wird durch Anbringen eines Ringmagneten an einer bestimmten Kolbenposition in
Kombination mit einem in der Kolbenstange eingebauten Sensor die Position des Kolbens
erfaßt.
[0007] Allen bereits bekannten Verfahren ist es jedoch gemein, dass aufwändige und kostenintensive
Modifikationen der Kolben-Zylinder-Einheit zwingend sind. Zusätzliche Meßwertgeber
bzw. Meßsensoren müssen vorerst in die Kolben-Zylinder-Einheit integriert werden.
[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einer
Vorrichtung zur Positionsbestimmung aufzuzeigen, die eine zufriedenstellende Stabilität
und Robustheit aufweist und dennoch einfach und kostengünstig zu produzieren und anzubringen
ist.
[0009] Diese Aufgabe wird durch eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Kolben-Zylinder-Einheit ist vorzugsweise
als Hydraulikzylinder ausgeführt und verwendet als Hydraulikmedium besonders bevorzugt
ein Hydrauliköl.
[0010] Die Vorrichtung zur Positionsbestimmung umfasst wenigstens ein Anregungsmittel, das
mittelbar oder unmittelbar mit dem Zylindermantel und mittelbar oder unmittelbar mit
dem Zylinderkolben der Kolben-Zylinder-Einheit elektrisch leitend in Verbindung steht.
Zylindermantel und Zylinderkolben fungieren dabei jeweils als Elektrode eines Serienschwingkreises.
Die Kolbenstange und der Zylindermantel bilden eine Serieninduktivität. Gegenüberliegende
Kolben- und Zylindermantelflächen mit Hydraulikmedien bilden eine Kapazität. Demnach
kann die vollständige Kolben-Zylinder-Einheit als ein Schwingkreis aufgefaßt werden.
[0011] Das erfindungsgemäße Anregungsmittel dient zur Anregung des elektrischen Serienschwingkreises
zur Schwingung in seiner Resonanzfrequenz. Die sich einstellende Resonanzfrequenz
eines Schwingkreises ist grundsätzlich durch die Kapazität bzw. Induktivität bedingt.
Folglich kann anhand der Resonanzfrequenz auf die variable Kapazität der Kolben-Zylinder-Einheit
geschlossen werden, wobei die Kapazität und Induktivität von der aktuellen Kolbenstellung
abhängt. So ist aus der Resonanzfrequenz die aktuelle und exakte Kolbenposition bestimmbar.
Zu diesem Zweck ist weiter erfindungsgemäß ein die Resonanzfrequenz charakterisierendes
elektrisches Signal an der Vorrichtung abgreifbar.
[0012] Die Erfindung macht sich den Vorteil zu nutze, dass die Kolben-Zylinder-Einheit ohne
Modifikation zur Ausbildung eines elektrischen Schwingkreises geeignet ist. Im Gegensatz
zum Stand der Technik müssen keine externen Sensoren bzw. Meßgeber oder zusätzliche
Elektroden am oder innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit angeordnet werden. Die bekannten
Komponenten einer Kolben-Zylinder-Einheit, wie der Zylindermantel und der Zylinderkolben
werden zur Ausbildung eines Serienschwingkreises herangezogen.
[0013] Vorteilhafterweise umfasst das Anregungsmittel eine Oszillatorschaltung, die elektrisch
mit der Kolben-Zylinder-Einheit in Verbindung steht. Als besonders vorteilhaft erweist
sich eine Hartley-Oszillator-Schaltung.
[0014] Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist als hochfrequentes Signal einzuordnen
und liegt erfahrungsgemäß im Megahertzbereich. Die Kolben-Zylinder-Einheit kann als
Antenne wirken, die elektromagnetische Wellen abstrahlt. In diesem Zusammenhang kann
es zweckmäßig sein, dass vorteilhafterweise zumindest ein Teil der Vorrichtung zur
Positionsbestimmung innerhalb des Zylindergehäuses bzw. des Zylindermantels angeordnet
ist. Insbesondere ist das Anregungsmittel im Innenraum der Kolben-Zylinder-Einheit
bzw. einem dafür vorgesehenen Hohlraum der Kolben-Zylinder-Einheit angeordnet. Die
abschirmende Wirkung des Zylindermantels wirkt sich vorteilhaft auf die EMV-Charakteristik
der Vorrichtung bzw. der Kolben-Zylinder-Einheit aus.
[0015] Alternativ kann bevorzugt wenigstens ein zusätzliches Abschirmungsmittel vorgesehen
sein, dass die extern angeordnete Vorrichtung zur Positionsbestimmung, insbesondere
das Anregungsmittel abdeckt und die Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen unterbindet.
Als vorteilhaft erweist sich eine magnetische Abschirmung, die insbesondere aus einem
ferromagnetischen Material angefertigt ist. Gleichfalls sind selbstverständlich auch
andere Abschirmungsmaterialien denkbar, die die Vorrichtung zur Positionsbestimmung
geeignet abdecken und abschirmen. Weiterhin erweist sich der Einsatz wenigstens eines
EMI-Filters als vorteilhaft.
[0016] Bevorzugt ist das abzugreifende Signal, das die Resonanzfrequenz charakterisiert,
eine elektrische Spannung. Diese Spannung besitzt während des Schwingungsvorgangs
der Kolben-Zylinder-Einheit einen oszillierenden Signalverlauf, vorteilhafterweise
wird galvanisch getrennt, und als Rechtecksignal für digitale Auswertung verwendet.
[0017] Das Schwingungsverhalten wird unter Umständen durch die Schwingkreiskomponenten bzw.
äußere Einflüsse gedämpft und beeinflußt. Um die Amplitude der Schwingung konstant
zu halten, kann eine Schaltungsvorrichtung zur Stabilisierung der abgreifbaren Spannung
vorteilhaft sein. Zu den äußeren Einflüssen zählen beispielsweise Feuchtigkeit, Staubablagerungen,
etc. Durch diese Maßnahme lässt sich die Resonanzfrequenz stabilisieren und ermöglicht
eine hinreichend genaue Positionsbestimmung.
[0018] Vorzugsweise ist ein Auswertemittel vorgesehen, das zur Auswertung des Signals und
zur Ausgabe der vorliegenden Kolbenposition geeignet ist. Das Auswertemittel kann
ein entsprechend konfigurierter Mikrocontroller bzw. eine geeignete analoge Schaltungsvorrichtung
sein. Das Auswertemittel ist entweder fest mit der Kolben-Zylinder-Einheit verbunden
oder lösbar mit dieser verbindbar.
[0019] Zur Reduzierung der Resonanzfrequenz kann vorteilhafterweise eine zusätzliche Induktivität
zwischen Anregungsmittel und Kolben oder zwischen Anregungsmittel und Zylindermantel
angeordnet sein. Dies kann aus EMV-technischen Gründen vorteilhaft sein.
[0020] Die Kontaktierung zwischen Anregungsmittel und Kolben-Zylinder-Einheit ist vorteilhafterweise
durch einen Schleifkontakt hergestellt. Insbesondere der Kontakt zwischen dem bewegbaren
Teil der Kolben-Zylinder-Einheit, insbesondere der Kolbenstange, ist bevorzugt mittels
Schleifkontakt realisiert. Als zweckmäßig erweist sich ein Bürstenkontakt zwischen
Kolbenstange und Anregungsmittel, wobei die Bürste während der Kolbenbewegung entlang
der Kolbenstangenoberfläche gleitet. Die Bürste besteht vorzugsweise aus Karbon, Bronze
oder einem anderen geeigneten Material.
[0021] Alternativ kann die Kontaktierung zwischen der Kolbenstange und dem Anregungsmittel
mittels eines kapazitiven bzw. leitenden Rings erfolgen. Der Ring ist koaxial zur
Kolbenstange gleitbar auf deren Oberfläche angeordnet. Durch die Verwendung eines
kapazitiven Rings wird eine zusätzliche konstante Kapazität geschaffen, die in Serie
zu der Schwingkreisschaltung geschaltet ist.
[0022] Vorzugsweise besteht der Ring aus einem leitenden Material, das mittelbar bzw. unmittelbar
mit dem Anregungsmittel in Verbindung steht, wobei zwischen Ring und Kolbenstange
ein Dielektrikum angeordnet ist bzw. der leitende Ring direkt mit der Kolbenstange
galvanisch verbunden ist. Ferner kann eine Isolierung zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit
und dem Oszillator bzw. dem Anregungsmittel durch Einfügen eines Transformators erreicht
werden. Die Streuinduktivität des Transformators kann ebenfalls zur Reduzierung der
Resonanzfrequenz genutzt werden.
[0023] Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren eine Baumaschine bzw. ein Hubgerät
mit einer Kolben-Zylinder-Einheit nach einer der voranstehenden vorteilhaften Ausführungen.
Die erfindungsgemäße Baumaschine bzw. das Hubgerät weist offensichtlich dieselben
Vorteile und Eigenschaften wie die voranstehend beschriebene Kolben-Zylinder-Einheit
auf, weshalb an dieser Stelle auf eine erneute Erläuterung verzichtet wird.
[0024] Die Verwendung der Kolben-Zylinder-Einheit ist keinesfalls auf Baumaschinen bzw.
Hubgeräte begrenzt. Mögliche Einsatzbereiche ergeben sich bei Luftfahrzeugen bzw.
allgemein bei allen Maschinen/Geräten mit Hydraulik/Pneumatik-Technik.
[0025] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der in
den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1:
- die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit mit einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung,
- Figur 2:
- ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionsbestimmung,
- Figur 3:
- eine vorteilhafte Erweiterung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit,
- Figur 4:
- die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit mit einem zusätzlichen Abschirmungsmittel,
- Figur 5:
- eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit,
- Figur 6:
- die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit mit einem angeordneten kapazitiven Ring,
- Figur 7:
- eine Schnittdarstellung des kapazitiven Rings bzw. der Kolbenstange entlang der Schnittlinie
A-A und
- Figur 8:
- eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit.
[0026] Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit 10 mit einer Vorrichtung
zur Positionsbestimmung. Der Aufbau der Kolben-Zylinder-Einheit 10 ähnelt einer bekannten
Kolben-Zylinder-Einheit. Im einzelnen umfasst die Einheit 10 einen rohrförmigen Zylinder-Mantel
20, in dessen Hohlraum ein Kolben 30 mit angeordneter Kolbenstange 31 linear verschiebbar
gelagert ist.
[0027] Die Kolben-Zylinder-Einheit 10 wird bevorzugt bei Baumaschinen bzw. Hubgeräten eingesetzt,
wobei ein befestigtes Arbeitsgerät durch die Kolben-Zylinder-Einheit 10 angetrieben
wird. Der Automatikbetrieb des Arbeitsgerätes erfordert die präzise Positionsbestimmung
des Kolbens 30.
[0028] Um eine exakte Positionsbestimmung zu ermöglichen müssen weder zusätzliche Sensoren,
Elektroden oder Meßwertgeber an oder in der Kolben-Zylinder-Einheit 10 installiert
werden. Statt dessen wird der Vorteil ausgenützt, dass die gesamte Kolben-Zylinder-Einheit
10 durch entsprechende Anregung als elektrischer Schwingkreis wirkt. Im einzelnen
bildet der Kolben 30 eine erste Elektrode eines Serienschwingkreises und der Zylindermantel
20 die zweite Elektrode des Serienschwingkreises. Weder der Kolben 30, noch die Kolbenstange
31 sind leitend mit dem Zylindermantel 20 verbunden, sondern statt dessen über Dichtungen
zwischen Kolben 30 und Zylindermantel 20 sowie im Öffnungsbereich des Zylindermantels
20 und der austretenden Kolbenstange 31 gleitend gelagert. Zwischen dem Kolben 30
und dem Zylindermantel 20 befindet sich bei einem Hydraulikzylinder ein Hydraulikmedium,
insbesondere Hydrauliköl, das als Dielektrikum zwischen den beiden Elektroden agiert.
[0029] Zur Anregung des Schwingkreises dient ein Oszillator 50, der über die elektrischen
Leitungen 40 einmal mit dem Zylindermantel 20 sowie mit der Kolbenstange 31 in Verbindung
steht.
[0030] Nach Anregung des Schwingkreises über den Oszillator 50 schwingt dieser mit seiner
Resonanzfrequenz. Die gebildete Impedanz aus Kolben 30 und Zylindermantel 20 hängt
von der jeweiligen Stellung des Kolbens 30 im Hohlraum des Zylinders ab. Da die Kapazität
bzw. Induktivität des Schwingkreises die einstellende Resonanzfrequenz beeinflussen,
lässt sich anhand der erfaßten Resonanzfrequenz ein Rückschluß auf die vorliegende
Impedanz der Kolben-Zylinder-Einheit 10 treffen.
[0031] Zu diesem Zweck wird im Bereich des Oszillators 50 eine entsprechende Ausgangsspannung
V
out abgegriffen und durch ein entsprechendes nicht dargestelltes Auswertemittel analysiert
bzw. interpretiert und gegebenenfalls optisch oder akustisch angezeigt.
[0032] Die elektrische Kontaktierung zwischen dem Oszillator 50 und der bewegbaren Kolbenstange
31 wird mit Hilfe eines Schleifkontaktes realisiert. Das der Kolbenstange 31 zugewandte
Ende der Anschlußleitung 40 des Oszillators 50 weist hierzu einen Bürstenkontakt auf,
der gleitend auf der Oberfläche der Kolbenstange 31 verläuft. Die Bürsten dieser Kontaktstelle
sind bevorzugt aus Karbon, Bronze oder einem sonstigen geeigneten Material gefertigt.
[0033] Figur 2 zeigt eine Schaltbilddarstellung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit
10 mit der entsprechenden verschalteten Vorrichtung zur Positionsbestimmung. Die gekennzeichnete
Ausgangsspannung V
out weist einen oszillierenden Signalverlauf auf und beschreibt entsprechend die vorliegende
Resonanzfrequenz des gesamten Schwingkreises. Diese Spannung bzw. der Spannungsverlauf
verändert sich in Abhängigkeit der entsprechenden Kolbenstellung der Kolben-Zylinder-Einheit
10.
[0034] In Figur 3 ist die aus Figur 1 bekannte erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit
10 dargestellt, wobei diese um eine zusätzliche Induktivität zwischen dem Oszillator
50 und dem Zylindermantel 20 ergänzt ist. Da der gebildete Schwingkreis in einem hochfrequenten
Resonanzfrequenzbereich schwingt, kann durch die zusätzlich in Serie geschaltete Induktivität
60 die Resonanzfrequenz maßgeblich reduziert werden.
[0035] Unter Umständen muß die Anwendung der Kolben-Zylinder-Einheit 10 bei Baumaschinen
bzw. Hubgeräten hohen EMV-Anforderungen genügen. Wie bereits voranstehend erwähnt
wurde, treten bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders hochfrequente Schwingungen
auf, die sich unter Umständen in den Megahertzbereich erstrecken können. Um den erforderlichen
EMV-Anforderungen gerecht zu werden, wird, wie in Figur 4 dargestellt, eine zusätzliche
Abschirmung 70 installiert, die den Bereich um den Oszillator 50 abdeckt, und die
freiwerdenden elektromagnetischen Wellen aufgrund der Antennencharakteristik der Kolben-Zylinder-Einheit
10 gegenüber der Umwelt abschirmt. Eine solche Abschirmung 70 ist beispielsweise aus
einem ferromagnetischen Material angefertigt. Selbstverständlich sind sämtliche Materialien
vorstellbar, die eine ausreichende Abschirmung der elektromagnetischen Wellen gewährleisten.
[0036] In einer vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich der Zylindermantel 20 als Abschirmmittel
zweckentfremden. Wie dies Figur 5 zeigt, ist der Oszillator 50 im Hohlraum des Zylindermantels
20 montiert. Weiterhin können Funkenentstörfilter an den Ausgängen des Oszillators
50 geschaltet sein.
[0037] Als Alternative zu der Ausführung der Kolben-Zylinder-Einheit mit Schleifkontakten
kann die Verbindung zwischen Oszillator 50 und Kolbenstange 31 mit Hilfe eines kapazitiven
bzw. leitenden Rings 80 umgesetzt sein. Wie in Figur 6 dargestellt, verläuft ein derartiger
Ring 80 koaxial zur Kolbenstange 31 und liegt gleitend auf der Oberfläche der Kolbenstange
31 auf.
[0038] Eine Schnittdarstellung entlang der Schnittachse A-A ist der Figur 7 zu entnehmen.
Diese zeigt den kapazitiven Ring 80, der aus einem leitenden Material hergestellt
ist. Zwischen der Kolbenstange 31 und dem kapazitiven Ring 80 befindet sich ein Dielektrikum
90. Ring 80 und Kolbenstange 31 bilden eine konstante Kapazität, die in Serie zu der
Schwingkreisschaltung geschaltet ist.
[0039] Die letzte Figur (Figur 8) zeigt eine mögliche Entkopplung des Oszillators 50 von
der Kolben-Zylinder-Einheit 10. Die elektrische Verbindung ist über einen Transformator
100 hergestellt. Die interne Induktivität des Transformators 100 wirkt als zusätzlich
in Serie geschaltete Induktivität des Schwingkreises, wodurch die sich einstellende
Resonanzfrequenz weiter reduziert wird. Durch den Transformator 100 ist ferner eine
elektrische Isolation zwischen dem Zylinder und dem Oszillator 50 realisiert.
1. Kolben-Zylinder-Einheit mit einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung, wobei die Vorrichtung
wenigstens ein Anregungsmittel umfasst, das mittelbar/unmittelbar mit dem Zylindermantel
und dem Zylinderkolben der Kolben-Zylinder-Einheit elektrisch leitend in Verbindung
steht und den aus der Kolben-Zylinder-Einheit und den Kontaktleitungen gebildeten
elektrischen Schwingkreis zur Schwingung in seiner Resonanzfrequenz anregt, wobei
an der Kolben-Zylinder-Einheit ein die Resonanzfrequenz charakterisierendes elektrisches
Signal abgreifbar ist.
2. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungsmittel ein Oszillator, insbesondere ein Hartley-Oszillator ist.
3. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Positionsbestimmung zumindest teilweise innerhalb des Zylindergehäuses
bzw. des Zylindermantels angeordnet ist.
4. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgreifbare elektrische Signal eine meßbare Spannung ist.
5. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsvorrichtung zur Stabilisation der abgreifbaren Spannung bzw. zur Aufrechterhaltung
der Resonanzschwingung vorgesehen ist.
6. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswertemittel zur Auswertung des abgegriffenen Signals und gegebenenfalls zur
Ausgabe bzw. Darstellung der Kolbenposition.
7. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zusätzliche Induktivität zwischen Anregungsmittel und Kolben oder
zwischen Anregungsmittel und Zylindermantel angeordnet ist.
8. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzliches Abschirmmittel, insbesondere aus ferrormagnetischem Material,
zur Abschirmung der Vorrichtung vorgesehen ist.
9. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt zwischen Anregungsmittel und Kolben-Zylinder-Einheit, insbesondere
der Kolbenstange, mittels eines Schleifkontaktes erfolgt.
10. Kolben-Zylinder-Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleifkontakt ein kapazitiver Ring um die Kolbenstange angeordnet ist, der eine
zusätzlich in Serie geschaltete Kapazität innerhalb des Schwingkreises darstellt.
11. Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungsmittel über einen Transformator mit der Kolben-Zylinder-Einheit in Verbindung
steht.
12. Baumaschine oder Hubgerät mit einer Kolben-Zylindereinheit gemäß einem der Ansprüche
1 bis 11.