DE102005029494B4

DE102005029494B4 - Kolben-Zylinder-Anordnung

Info

Publication number: DE102005029494B4
Application number: DE102005029494A
Authority: DE
Inventors: Christian Huber
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2025-06-25
Also published as: DE102005029494A1

Abstract

Kolben-Zylinder-Anordnung (10) mit einem Zylinder (14), der ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder (14) ist, und einem darin hin- und herbeweglichen Kolben (12), wobei ein Wegsensor (20) mit einem Sensorelement (21) und einem mit dem Sensorelement (21) magnetisch wechselwirkenden Geberelement zur Detektion der Position des Kolbens (12) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Abschnitt (16) des Kolbens (12) das Geberelement für den Wegsensor (20) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolbenabschnitt (16) bis zum Innenumfangsbereich des Zylinders (14) erstreckt und sich an der der Kolbenstange (18) abgewandten Seite befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Zylinder, der ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder ist, und einem darin hin- und herbeweglichen Kolben, wobei ein Wegsensor mit einem Sensorelement und einem mit dem Sensorelement magnetisch wechselwirkenden Geberelement zur Detektion der Position des Kolbens vorgesehen ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Kolbens das Geberelement für den Wegsensor bildet.
In einer Mechatronik beispielsweise für ein Bremsmodul oder für Motor- beziehungsweise Getriebeanwendungen kommen regelmäßig Kolben-Zylinder-Anordnungen beispielsweise zur Kraftübertragung oder Steuerung insbesondere in pneumatischen Systemen zum Einsatz. Dabei ist es in der Regel wichtig, zumindest bestimmte Stellungen, gegebenenfalls auch die gesamte Bewegungscharakteristik des Kolbens zu detektieren. Je nach geforderter Genauigkeit stehen dabei zur Erfassung der Bewegung des Kolbens verschiedene Sensorsysteme zur Verfügung. Beispielsweise kann gemäß dem Stand der Technik für diese Aufgabe ein induktiver Wegsensor mit Spule und Tauchanker eingesetzt werden. Über eine geeignete Anbindung wird dabei die Bewegung des Kolbens oder der Kolbenstange direkt oder mittels einer Übersetzung auf den Tauchanker übertragen. Dieser ist beweglich im Inneren einer elektrischen Messspule gelagert und bewirkt aufgrund seiner durch den Kolben verursachten Bewegung eine Induktivitätsänderung in der Spule. Die Induktivitätsänderung kann als Messsignal zur Erfassung der Bewegung ausgewertet werden. Diese an sich robuste und genaue Methode zur Detektion der Kolbenbewegung weist den Nachteil auf, dass der Tauchanker als separates Bauteil mit dem Kolben verbunden und eigens gelagert werden muss. Dies erhöht den Konstruktions- und Herstellungsaufwand nicht unerheblich und stellt zudem eine mögliche Fehlerquelle da.
Die Druckschrift DE 202 05 855 U1 offenbart eine Positionsmessvorrichtung für fluidische Zylinder, bei der ein mit einer rohrförmigen Kolbenstange versehener Kolben in einem Zylinder verschiebbar geführt wird und sich ein mit einer Messspule bewickelter Kern von der dem Kolben gegenüberliegenden Seite ausgehend in den Längskanal der Kolbenstange erstreckt.
In der Druckschrift DE 40 20 369 A1 wird ein Weggeber beschrieben, bei dem in herkömmlicher Weise ein Tauchanker innerhalb einer Spule bewegt wird.
Die US 4,406,999 zeigt einen induktiven Wegsensor, dessen Sensorstange zumindest teilweise durch ein Sensorgehäuse geführt wird. Dabei tritt ein Sensorstangenabschnitt in magnetische Wechselwirkung mit einem weiteren Sensorelement und ist derart ausgebildet, dass sich dieser Sensorstangenabschnitt an einen Innenumfang des Sensorgehäuses erstreckt.
Die Druckschrift CH 488 999 beschäftigt sich ebenfalls mit der Wegerfassung von Kolben in Kolben-Zylinder-Einheiten. Insbesondere ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem ein Kolben an der dem Kolben abgewandten Seite einen Fortsatz trägt, der in einen von dem eigentlichen Zylinderraum druckfest abgedichteten Raum ragt. Die radiale Ausdehnung des Fortsatzes geht dabei nicht über die der Kolbenstange hinaus.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kolben-Zylinder-Anordnung anzugeben, die eine Wegerfassung der Kolbenbewegungen im Zylinder ermöglicht und dabei einen verringerten Fertigungsaufwand und eine kompaktere Bauweise bietet.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass sich der Kolbenabschnitt bis zum Innenumfangsbereich des Zylinders erstreckt und sich an der der Kolbenstange abgewandten Seite befindet. Dies kann insbesondere bei einer möglichst genauen Detektion der Kolbenbewegung beispielsweise bei der Erkennung von Tot- oder Abschaltpunkten vorteilhaft sein. Weiterhin ermöglicht die Integration des Geberelements in den Kolben ermöglicht den Entfall beispielsweise eines Tauchankers im Vergleich zum Stand der Technik sowie dessen Anbindung (z. B. Lagerung) und des damit verbundenen Verschleißes bei Wegsensoren und reduziert so die Anzahl an benötigten Bauteilen um das sonst separate Geberelement beispielsweise in Form eines Tauchankers. Dies reduziert neben dem konstruktiven und herstellungstechnischen Aufwand auch die Fehleranfälligkeit des Systems, da mit dem Wegfall einer ansonsten notwendigen Befestigung des Geberelements die Zuverlässigkeit der gesamten Anordnung erhöht wird. Dies ist insbesondere in Anwendungsbereichen wie einem Bremsmodul oder einer Motorbeziehungsweise Getriebeanwendung von Vorteil, da dort eine besonders hohe Zuverlässigkeit gefordert ist. Insbesondere bei pneumatischen Anwendungen lässt sich die Erfindung vorteilhaft einsetzen. Darüber hinaus lässt sich der Erfindungsgedanke selbstverständlich auch bei Systemen vorteilhaft einsetzen, die eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit anderen Arbeitsmedien aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung kann vorgesehen sein, dass der Wegsensor nach dem Wirbelstromverlustprinzip arbeitet. Dise erlaubt eine besonders einfache Erfassung der Bewegung des Kolbens beziehungsweise des Geberelements. Dabei erzeugt vorzugsweise das Sensorelement ein magnetisches Wechselfeld, das in dem Geberelement Wirbelströme induziert, die sich als Energieverlust des Magnetfeldes bemerkbar machen. Diese Wirbelstromverluste sind dann vorzugsweise vom Abstand zwischen Sensor- und Geberelement abhängig. Auf diese Weise kann eine berührungslose Wegbeziehungsweise Positionserfassung des Kolbens erfolgen.
Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass das Sensorelement eine Spule ist. Mittels einer Spule kann das Magnetfeld beziehungsweise eine Änderung desselben leicht und zuverlässig detektiert werden, insbesondere kann sie an die messtechnischen und geometrischen Gegebenheiten leicht angepasst werden. Es kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die Spule gleichzeitig zur Erzeugung des Magnetfeldes eingesetzt wird.
Des Weiteren kann eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung dadurch gekennzeichnet sein, dass der Kolbenabschnitt zumindest teilweise aus Aluminium besteht. Insbesondere kann der Kolben des Zylinders vollständig aus Aluminium hergestellt sein. Auf diese Weise lassen sich die herstellungstechnischen Vorteile von Aluminium mit der Funktionalität des Kolbenabschnitts als Geberelement in vorteilhafter Weise vereinen, insbesondere, wenn der Wegsensor nach dem Wirbelstromverlustprinzip arbeitet.
Bei einer ebenfalls alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Zylinder ein doppelt wirkender Zylinder ist. Insbesondere kann im Zusammenhang mit Druckübersetzungen vorgesehen sein, dass eine Seite des Zylinders an eine Pneumatik und die zweite Seite an eine Hydraulik angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Kolbenabschnitt und das Sensorelement des Wegsensors zumindest teilweise ineinander greifen. Durch eine geeignete geometrische Ausgestaltung von Sensorelement und Kolbenabschnitt kann die an der magnetischen Wechselwirkung beteiligte Oberfläche in vorteilhafter Weise erhöht werden und dadurch die Signalqualität des Wegsensors verbessert werden.
Weiterhin kann es in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, dass der Kolbenabschnitt im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist. Diese Form kann insbesondere mit einer rotationssymmetrischen Form des Sensorelements korrespondieren, so dass eine fertigungstechnisch leicht herzustellende und gleichzeitig eine hohe Wechselwirkungsoberfläche bietende Anordnung geschaffen wird.
Der Erfindungsgedanke und die damit verbundenen Vorteile können auch in Form eines Wegsensors realisiert werden.
Bei Wegsensoren, beispielsweise für Pneumatikkolben, kann der Tauchanker und dessen Anbindung entfallen, wenn die Geberfunktion des Tauchankers durch den Kolben selbst übernommen werden kann. Dies kann beispielsweise vorteilhaft bei einem Aluminiumkolben eines Pneumatikzylinders realisiert werden. Zur Erfassung der Bewegung des Kolbens kann dabei insbesondere auf das Wirbelstromverlustprinzip zurückgegriffen werden.
Die Erfindung wird nun auf die Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung.
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung 10. Die Kolben-Zylinder-Anordnung 10 besteht aus einem Kolben 12, der in einem Pneumatikzylinder 14 geführt wird, in dem Luft 22 als Arbeitsmedium eingesetzt wird. Sowohl der Kolben 12 als auch der Zylinder 14 weisen im Wesentlichen eine zylindrische Form auf, die in der Querschnittsansicht längs der gemeinsamen Rotationssymmetrieachse 26 nicht zu erkennen ist. Der Kolben 12 gliedert sich des Weiteren in eine Kolbenstange 18 und den eigentlichen Kolben 12, der auf seiner der Kolbenstange 18 abgewandten Seite einen topfartigen Abschnitt 16 aufweist, der als Geberelement ausgebildet ist. Ebenfalls auf der der Kolbenstange 18 abgewandten Seite ist im Pneumatikzylinder 14 ein Wegsensor 20 angebracht. Der Wegsensor 20 umfasst eine Wegsensorspule 21, die ebenfalls eine im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweist und in das Innere des Pneumatikzylinders 14 ragt. Die Wegsensorspule 20 ist über zwei elektrische Kontaktierungen 24 des Wegsensors 20 an der der Kolbenstange 18 abgewandten Seite elektrisch mit einer nicht dargestellten Auswerteelektronik verbindbar. Der Kolben 12 mit seiner Kolbenstange 18, der Pneumatikzylinder 14 und der Wegsensor 20 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Diese Elemente sind zentriert entlang ihrer Längsachsen auf der gemeinsamen Achse 26 angeordnet, selbstverständlich sind aber auch andere Bauformen und Anordnungen möglich.
Der Kolben 12 führt im Pneumatikzylinder 14 eine lineare Bewegung entlang der Achse 26 aus. Diese Bewegung kann beispielsweise durch das Be- und Entlüften entsprechender Bereiche des Pneumatikzylinders 14 über nicht dargestellte Ventile hervorgerufen werden. Aufgrund dieser linearen Bewegung verändert sich der Abstand zwischen dem als Geberelement fungierenden Kolbenabschnitt 16 und der Wegsensorspule 21. Zur Ermittlung des Abstandes zwischen dem Kolben 12 und der Wegsensorspule 21 und damit der momentanen Kolbenposition innerhalb des Pneumatikzylinders 14 wird, wie prinzipiell bereits oben erläutert, mittels der Wegsensorspule 21 ein magnetisches Wechselfeld zur Erzeugung von Wirbelströmen in dem Kolbenabschnitt 16 aufgebaut. Die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes sollte dabei hoch sein, um hohe Wirbelstromverluste im Kolbenabschnitt 16 zu erreichen. Dies bewirkt eine geringe Eindringtiefe des Magnetfeldes in den Kolbenabschnitt 16 und erlaubt so eine Ermittlung des Abstandes weitgehend unabhängig von der Dicke des Kolbenabschnitts 16. Das Material des Kolbens 12 und damit auch des Kolbenabschnitts 16 ist vorzugsweise Aluminium. Es kann aber auch ein anderes elektrisch leitfähiges Material wie etwa Eisen, Kupfer, Messing, etc. eingesetzt werden. Bevorzugt werden allerdings nicht-ferromagnetische Materialien. Eine Bewegung des Kolbens 12, die eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Kolbenabschnitt 16 und der Wegsensorspule 21 bewirkt, resultiert in einer Abnahme der Wirbelstromverluste in dem Kolbenabschnitt 16. Diese Abnahme kann beispielsweise über eine Änderung der Eingangsimpedanz der Wegsensorspule 21 detektiert und ausgewertet werden. In entsprechender Weise führt eine Annäherung des Kolbens, insbesondere des Kolbenabschnitts 16, an die Wegsensorspule 21 zu einer Zunahme der Wirbelstromverluste, die in analoger Weise zur Erfassung der augenblicklichen Position auswertet werden kann. Es muss aber nicht zwangsläufig eine Veränderung des Magnetfeldes herbeigeführt werden, es kann nur der (statische) Relativabstand zwischen Kolbenabschnitt 16 und Wegsensorspule 21 ermittelt werden.

10: Kolben-Zylinder-Anordnung
12: Kolben
14: Pneumatikzylinder
16: Kolbenabschnitt
18: Kolbenstange
20: Wegsensor
21: Wegsensorspule
22: Luft
24: Elektrische Kontaktierung
26: Symmetrieachse

Claims

Kolben-Zylinder-Anordnung (10) mit einem Zylinder (14), der ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder (14) ist, und einem darin hin- und herbeweglichen Kolben (12), wobei ein Wegsensor (20) mit einem Sensorelement (21) und einem mit dem Sensorelement (21) magnetisch wechselwirkenden Geberelement zur Detektion der Position des Kolbens (12) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Abschnitt (16) des Kolbens (12) das Geberelement für den Wegsensor (20) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolbenabschnitt (16) bis zum Innenumfangsbereich des Zylinders (14) erstreckt und sich an der der Kolbenstange (18) abgewandten Seite befindet.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (20) nach dem Wirbelstromverlustprinzip arbeitet.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (21) eine Spule ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (16) zumindest teilweise aus Aluminium besteht.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder ein doppelt wirkender Zylinder ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (16) und das Sensorelement (21) des Wegsensors (20) zumindest teilweise ineinander greifen.