DE102008011731A1

DE102008011731A1 - Pneumatischer Aktuator

Info

Publication number: DE102008011731A1
Application number: DE102008011731A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dreyer; Joachim SCHÄFER; Erik Wiesinger
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-09-03
Also published as: US20130019743A1; US8739682B2; GB201121342D0; GB2486549A; GB2486549B; GB2457800B; US8316758B2; GB2457800A; GB0902815D0; US20090217814A1

Abstract

Ein pneumatischer Aktuator für eine aktive Haube umfasst einen Zylinder (1) und einen Kolben (2), der in dem Zylinder (1) zwischen einer unteren Endstellung, in der das Volumen einer von Kolben (2) und Zylinder (1) begrenzten, mit Druckgas beaufschlagbaren Kammer minimal ist, und einer oberen Endstellung bewegbar ist, in der das Volumen der Kammer maximal ist. Der Kolben (2) ist durch einen in erste Aussparungen (9, 10) des Zylinders (1) und des Kolbens (2) eingreifenden Sperrkörper (8) in der unteren Endstellung verriegelbar. Ein Schieber (5) ist durch Beaufschlagung mit dem Druckgas aus einer Ruhestellung, in der er den Sperrkörper (8) in den ersten Aussparungen (10, 9) fixiert, in eine Auslösestellung verschiebbar, in der eine zweite Aussparung (31) des Schiebers (9) mit einer der ersten Aussparungen (9, 10) überlappt und zusammen mit einer einzigen (9) der ersten Aussparungen (9, 10) in der Lage ist, den Sperrkörper (8) aufzunehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen pneumatischen Aktuator für eine aktive Haube eines Kraftfahrzeugs. Die Aufgabe eines solchen Aktuators ist, wenn ein Kraftfahrzeug in einen Unfall verwickelt ist, durch Einspeisen von Druckgas in einen Zylinder die Fronthaube des Fahrzeugs in kürzester Zeit anzuheben, um so den Abstand zwischen der Haube und darunter liegenden Teilen des Motorblocks oder anderen nicht verformbaren Komponenten des Fahrzeugs zu vergrößern und so für einen eventuell auf die Haube aufschlagenden Fußgänger einen möglichst langen Verzögerungsweg zu schaffen, um die Gefahr schwerer Verletzungen zu verringern.
Aus DE 10 2006 008 900 A1 ist ein pneumatischer Aktuator für eine aktive Haube mit einem Zylinder und einem Kolben bekannt, bei dem der Kolben in dem Zylinder zwischen einer unteren Endstellung, in der das Volumen einer von Kolben und Zylinder begrenzten, mit Druckgas beaufschlagbaren Kammer minimal ist, und einer oberen Endstellung bewegbar ist, in der das Volumen der Kammer maximal ist. Der Kolben ist in der unteren Endstellung durch einen lang gestreckten Sperrkörper verriegelbar, indem dieser gleichzeitig in sich quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens erstreckende Bohrungen des Kolbens und des Zylinders eingreift.
Eine Stirnfläche des Sperrkörpers ist von einem pyrotechnischen Gasgenerator her zuströmendem Druckgas ausgesetzt, um von diesem aus der Bohrung des Kolbens verdrängt zu werden und so den Kolben zu entriegeln, bevor das Druckgas die Kammer erreicht.
Ein Problem dieses bekannten Aktuators liegt in der Schwierigkeit, eine ausreichende Beweglichkeit des Sperrkörpers mit einer guten Sicherung gegen ein vorzeitiges Eindringen des Druckgases in die Kammer zu kombinieren. Gelangt nämlich Druckgas in die Kammer, bevor der Sperrkörper aus der Bohrung des Kolbens zurückgezogen ist, so erhöht das Druckgas die zwischen Sperrkörper und Kolben wirkende Reibung, so dass der Sperrkörper in der Bohrung des Kolbens festklemmen kann. Dann wird der Kolben nicht entriegelt, und die Haube wird nicht angehoben. Um eine sichere Entriegelung dieses bekannten Aktuators zu gewährleisten, ist daher eine hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen pneumatischen Aktuator für eine aktive Haube zu schaffen, der eine sichere Entriegelung des Kolbens auch ohne hohe Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit gewährleistet.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem pneumatischen Aktuator mit einem Zylinder und einem Kolben, der in dem Zylinder zwischen einer unteren Endstellung, bei der das Volumen einer von Kolben und Zylinder begrenzten, mit Druckgas beaufschlagbaren Kammer minimal ist, und einer oberen Endstellung bewegbar ist, in der das Volumen der Kammer maximal ist, und der durch einen in eine erste Aussparung eines Zylinders und des Kolbens eingreifenden Sperrkörper in der unteren Endstellung verriegelbar ist, ferner ein Schieber vorgesehen ist, der durch Beaufschlagung mit dem Druckgas aus einer Ruhestel lung, in der er den Sperrkörper in den ersten Aussparungen fixiert, in eine Auslösestellung verschiebbar ist, in der eine zweite Aussparung des Schiebers mit einer der ersten Aussparungen überlappt und zusammen mit einer einzigen der ersten Aussparungen in der Lage ist, den Sperrkörper aufzunehmen. Eine derartige Blockierung der Bewegung des Sperrkörpers durch den Schieber in der unteren Endstellung erlaubt es, den Weg des Sperrkörpers zwischen Ruhestellung und Auslösestellung wesentlich kürzer zu machen als im Stand der Technik und dennoch eine sichere Verriegelung des Kolbens in der unteren Endstellung zu gewährleisten. Da sich mit der Weglänge auch die Dauer der Bewegung des Sperrkörpers zwischen Ruhestellung und Auslösestellung verkürzt, kann auch die Menge des in dieser Zeit in die Kammer eindringenden Gases gering gehalten werden.
Während der Sperrkörper zwischen Kolben und Zylinder wirksam ist und daher im Falle des Eindringens von Gas in die Kammer zwangsläufig einer erhöhten Kraft und damit erhöhter Reibung ausgesetzt ist, gilt dies für den Schieber nicht. Dieser kann daher leicht beweglich sein, so dass bereits eine geringe Menge des Druckgases ausreicht, um ihn in seine Auslösestellung zu bringen.
Ein kompakter Aufbau ergibt sich insbesondere dann, wenn diejenige erste Aussparung, die zusammen mit der zweiten Aussparung in der Lage ist, den Sperrkörper auszunehmen, die erste Aussparung des Kolbens ist.
Eine Kontaktfläche zwischen dem Sperrkörper und derjenigen Aussparung, aus der der Sperrkörper ausrückt, wenn der Schieber in die Auslösestellung übergeht, ist vorzugsweise schräg zur Bewegungsrichtung des Kolbens so ausgerichtet, dass eine in Bewegungsrichtung auf den Kolben wirkende Kraft eine den Sperrkörper quer zur Bewegungsrichtung aus dieser ersten Aussparung heraus treibende Kraft hervorruft. So kann ein Blockieren des Sperrkörpers sicher ausgeschlossen werden.
Bevorzugt ist ferner, dass der Kolben den Schieber und einen die Bewegung des Schiebers zwischen der Ruhestellung und der Auslösestellung führenden Führungskörper umfasst, und dass die erste Aussparung des Kolbens in dem Führungskörper gebildet ist.
So kann eine die Kammer begrenzende Stirnfläche des Kolbens von dem Schieber gebildet sein. In die Kammer eindringendes Druckgas wirkt somit zunächst auf den Schieber und verdrängt diesen, so dass der Kolben entriegelt werden kann. Indem der Schieber eine komplette Stirnfläche der Kammer bildet, kann die den Schieber antreibende Kraft groß gemacht werden. Erst wenn der Schieber die Auslösestellung erreicht hat, wird der Kolben als Ganzes, einschließlich des Führungskörpers angehoben.
Vorzugsweise greift der Schieber in einen inneren Hohlraum des Kolbens ein, und die erste Aussparung des Kolbens ist eine Bohrung in einer den Hohlraum umgebenden Wand des Kolbens. So kann der Sperrkörper beim Entriegeln radial nach innen, zur Kolbenachse hin, ausweichen.
Vorzugsweise ist der Sperrkörper eine Kugel, die in der Ruhestellung eine Wand der ersten Aussparung des Zylinders und den Schieber gleichzeitig berührt.
Um die Fertigung des Aktuators, insbesondere die Herstellung der ersten Aussparung des Zylinders, zu vereinfachen, ist der Zylinder vorzugsweise aus zwei Teilen zusammengefügt, und die erste Aussparung des Zylinders ist an der Grenze der zwei Teile gebildet.
Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Aussparung um eine an einer Innenfläche des Zylinders umlaufende Nut.
Ein Drosseldurchgang kann durch den Kolben verlaufen, um nach Erreichen der oberen Endstellung das Abfließen des Druckgases aus der Kammer zu ermöglichen, so dass der Kolben nach Abfließen des Druckgases ohne großen Widerstand in seine untere Endstellung zurück bewegt werden kann.
So kann die Rückstellung des Kolbens in die untere Endstellung eventuell von einem Benutzer des Fahrzeugs, in dem der Aktuator eingebaut ist, selbst vorgenommen werden, und es ist nicht erforderlich, allein zu diesem Zweck eine Werkstatt aufzusuchen.
Um eine wiederholte Nutzung des Aktuators zu ermöglichen, ist zweckmäßigerweise zwischen einer pyrotechnischen Druckgasquelle und der Kammer ein Partikelfilter vorgesehen, der in dem Druckgasstrom der Quelle enthaltene Partikel aus der Kammer fern hält.
Vorzugsweise ist der Partikelfilter angeordnet, um an seiner Oberfläche einen von der Druckgasquelle zur Kammer fließenden Druckgasstrom abzulenken, so dass in dem Strom enthaltene Partikel, die aufgrund ihrer Massenträgheit der Umlenkung des Druckgasstroms nicht folgen können, in den Partikelfilter einschlagen und darin aufgefangen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen axialen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktuator;
2 einen Querschnitt durch einen Sockel des Aktuators entlang der Ebene II-II aus 1;
3 einen Querschnitt entlang der Ebene III-III aus 1; und
4 ein stark vergrößertes Detail der 1.
1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktuator entlang der Langsachse von dessen in der Fig. nur teilweise dargestelltem Zylinder 1. Ein in den Zylinder 1 verschiebbarer Kolben 2 ist über eine an einem (nicht dargestellten) oberen Ende des Zylinders 1 austretende Kolbenstange 3 an einer durch den Aktuator anzuhebenden Motorhaube eines Kraftfahrzeugs befestigt. Der gesamte Aktuator ist unter der Motorhaube verborgen in der Karosseriestruktur eines Kraftfahrzeugs montiert.
Der Kolben 2 umfasst einen mit der Kolbenstange 3 fest verbundenen, hohlzylindrischen und nach unten offenen Kolbenmantel 4 und einen Schieber 5 von im Wesentlichen zylindrischer Gestalt, der in einen von dem Kolbenmantel 4 umgebenen Hohlraum eingreift. Die Unterseite des Schiebers 5 ist durch einen umlaufenden Bund 6 vergrößert, so dass sie den freien Querschnitt des Zylinders 1 bis auf ein geringes Spiel ausfüllt.
In der in 1 dargestellten Konfiguration hält ein Kopfabschnitt 7 des Schiebers 5 eine Mehrzahl von Rastkugeln 8 in einer Stellung blockiert, in der sie zum Teil von Bohrungen 9 des Kolbenmantels 4 aufgenommen sind und zum Teil in eine an der Innenseite des Zylinders 1 umlaufende Nut 10 eingreifen. Die Rastkugeln 8 halten den Kolben 2 fest verriegelt, so dass die Motorhaube an der Kraftfahrzeugkarosserie über den Aktuator fest verankert ist.
Der Zylinder 1 ist aus mehreren Teilen zusammengefügt, von denen die Fig. ein lang gestrecktes Rohrstück 11 und ein Fußstück 12 zeigt. Das Fußstück 12 umfasst einen Rohrstutzen 13, in den das Rohrstück 11 eingeschraubt ist, und eine Bodenplatte 14. Das Rohrstück 11 und der Rohrstutzen 13 grenzen in Höhe der Nut 10 aneinander. Dies vereinfacht die Fertigung des Zylinders 1, da Rohrstück 11 und Fußstück 12 frei von Hinterschneidungen gehalten werden können.
Das Fußstück 12 ist in einem topfförmigen Gehäuse 15 aufgenommen. Die Bodenplatte 14 unterteilt das Innere des Gehäuses in eine untere Kammer und eine den Rohrstutzen 13 umgebende obere Kammer.
Wie der Querschnitt der 3 zeigt, ist die untere Kammer zu einem großen Teil durch einen Formkörper 16 ausgefüllt. In einer flachzylindrischen Aussparung des Formkörpers 16 ist ein ring- oder rohrförmiger Filterkörper 17 untergebracht. Ein innerer Hohlraum 18 des Filterkörpers 17 kommuniziert mit dem Zylinder 1 über eine Öffnung 19 in der Bodenplatte 14.
In die Oberseite des Formkörpers 16 eingetiefte Kanäle 20 laufen auf den Filterkörper 17 zu. An einem vom Filterkörper 17 abgewandten Ende jedes Kanals 20 ist eine weitere Öffnung 21 in der Bodenplatte 14 gebildet, die den Kanal 20 mit dem Inneren einer Hülse 22 verbindet. Die Hülsen 22 sind eingebettet in einen die obere Kammer des Gehäuses 15 ausfüllenden Formkörper 23 und enthalten jeweils einen Gasgenerator 24. Die Gasgeneratoren 24 sind in den Hülsen 22 durch eine gemeinsame Deckplatte 25 formschlüssig fixiert, die ihrerseits durch einen auf den oberen Rand des Gehäuses 15 aufgeschraubten Ring 26 gehalten ist.
Wenn bei einem Unfall einer der Gasgeneratoren 24 durch einen elektrischen Impuls gezündet wird, strömt frei gesetztes Druckgas durch die Öffnung 21 der Bodenplatte 14 und den Kanal 20 zum Filterkörper 17. Es passiert einen dem Kanal 20 zugewandten Abschnitt 27 des Filterkörpers 17, wobei ein Teil der im Gasstrom mitgeführten Partikel in dem Abschnitt 27 abgefangen wird. Im inneren Hohlraum 18 des Filterkörpers 17 wird der Gasstrom rechtwinklig, senkrecht zur Schnittebene der 3, umgelenkt und strömt durch die Öffnung 19 in den Zylinder 1. Die nach dem Durchgang durch den Abschnitt 27 noch im Gasstrom mitgeführten Partikel sind zu träge, um dem Richtungswechsel zu folgen und schlagen in einen von den Kanälen 20 abgewandten Abschnitt 28 des Filterkörpers 17 ein, wo sie stecken bleiben.
Das auf diese Weise von Partikeln befreite Druckgas drückt im Zylinder 1 zunächst den Schieber 5 aufwärts. Dabei wird eine Schraubenfeder 29 elastisch gestaucht, die in einem zentralen Hohlraum des Kolbens 2 zwischen dem Schieber 5 und dem Kolbenmantel 4 untergebracht ist. Die Kolbenstange 3 kann dem Druck des Gases zunächst nicht folgen, da die Rastkugeln 8 eine Aufwärtsbewegung des Kolbenmantels 4 blockieren. Der Kolbenmantel 4 überträgt die von der Feder 29 übertragene aufwärts gerichtete Kraft auf die Rastkugeln 8, so dass diese, wie in der vergrößerten Darstellung der 4 zu sehen, zwischen einer Unterseite der Bohrung 9 und einer schrägen, nach außen abschüssigen Wandung 30 der Nut 10 eingeklemmt sind. Die Wandung 30 kompensiert die aufwärts gerichtete Kraft der Feder 29 und übt gleichzeitig eine radial nach innen, zur Achse des Zylinders 1 hin gerichtete Kraft auf die Rastkugeln 8 aus. Diese radiale Kraft wird in der Konfiguration der 1 und 4 vom Kopfabschnitt 7 des Schiebers 5 aufgefangen.
Wenn sich der Schieber 5 unter dem Einfluss des Druckgases aufwärts bewegt, resultiert aus der Reibung zwischen den Rastkugeln 8 und dem Kopfabschnitt 7 zum einen eine aufwärts gerichtete Kraft und andererseits ein Drehmoment, die beide auf die Rastkugeln 8 wirken. Die Aufwärtskraft verringert die Reibung zwischen der Rastkugel 8 und der Unterseite der Bohrung 9 und begünstigt ein Drehen der Rastkugeln 8. Wenn eine unterhalb des Kopfabschnitts 7 umlaufende Nut 31 des Schiebers 5 in Höhe der Bohrungen 9 gelangt, können diese der radial einwärts gerichteten Kraft der Wandung 30 leicht nachgeben, so dass sie aus der Nut 10 aus- und in die Nut 31 einrücken. Damit ist der Kolben 2 entriegelt und bewegt sich unter dem Druck des in den Zylinder 1 einströmenden Gases aufwärts bis zu einem oberen Anschlag am nicht dargestellten oberen Ende des Zylinders 1. In dieser Stellung ist die Haube angehoben.
Solange der Kolben 2 angehoben ist, können die Kugeln 8 die Nut 31 nicht wieder verlassen, so dass in dieser Zeit der Schieber 5 in einer angehobenen Stellung, mit gestauchter Schraubenfeder 29, am Kolbenmantel 4 verriegelt ist.
Eine sich in mehreren Abschnitten durch den Kolben 2 erstreckende Drosselbohrung 32 ermöglicht ein langsames Abfließen des Druckgases, so dass mit einer gewissen Verzögerung nach dem Anheben der Haube der Kolben 2, angetrieben durch das Gewicht der Haube oder einen mäßigen, von außen auf die Haube ausgeübten Druck, wieder absinkt. Sobald die Rastkugeln 8 wieder die Höhe der Nut 10 erreicht haben, rücken sie, angetrieben von der Schraubenfeder 29, in diese ein, verrasten so den Kolbenmantel im Zylinder 1 und lösen gleichzeitig die Verriegelung des Schiebers 5 am Kolbenmantel 4. Der Schieber 5 kehrt unter dem Druck der Feder 29 in die in 1 gezeigte Ruhestellung zurück. So ist der Aktuator für eine erneute Betätigung durch Zünden eines weiteren Gasgenerators 24 bereit, ohne dass es eines Reparatureingriffs bedarf. Erst wenn die Gasgeneratoren 24 sämtlich verbraucht sind, müssen sie und vorzugsweise auch der Filterkörper 17 ausgewechselt werden.

1: Zylinder
2: Kolben
3: Kolbenstange
4: Kolbenmantel
5: Schieber
6: Bund
7: Kopfabschnitt
8: Rastkugel
9: Bohrung
10: Nut
11: Rohrstück
12: Fußstück
13: Rohrstutzen
14: Bodenplatte
15: Gehäuse
16: Formkörper
17: Filterkörper
18: Hohlraum
19: Öffnung
20: Kanäle
21: Öffnung
22: Hülse
23: Formkörper
24: Gasgenerator
25: Deckplatte
26: Ring
27: Abschnitt
28: Abschnitt
29: Schraubenfeder
30: Wandung
31: Nut
32: Drosselbohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006008900 A1 [0002]

Claims

Pneumatischer Aktuator für eine aktive Haube, mit einem Zylinder (1) und einem Kolben (2), der in dem Zylinder (1) zwischen einer unteren Endstellung, in der das Volumen einer von Kolben (2) und Zylinder (1) begrenzten, mit Druckgas beaufschlagbaren Kammer minimal ist, und einer oberen Endstellung bewegbar ist, in der das Volumen der Kammer maximal ist, und der durch einen in erste Aussparungen (9, 10) des Zylinders (1) und des Kolbens (2) eingreifenden Sperrkörper (8) in der unteren Endstellung verriegelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schieber (5) durch Beaufschlagung mit dem Druckgas aus einer Ruhestellung, in der er den Sperrkörper (8) in den ersten Aussparungen (10, 9) fixiert, in eine Auslösestellung verschiebbar ist, in der eine zweite Aussparung (31) des Schiebers (9) mit einer der ersten Aussparungen (9, 10) überlappt und zusammen mit einer einzigen (9) der ersten Aussparungen (9, 10) in der Lage ist, den Sperrkörper (8) aufzunehmen.
Pneumatischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aussparung (9), die zusammen mit der zweiten Aussparung (31) in der Lage ist, den Sperrkörper (8) aufzunehmen, die erste Aussparung (9) des Kolbens (2) ist.
Pneumatischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktfläche (30) zwischen dem Sperrkörper (8) und der ersten Aussparung (10), die in der Auslösestellung den Sperrkörper (8) nicht aufnimmt, schräg zur Bewegungsrichtung des Kolbens (2) ausgerichtet ist, so dass eine in Bewegungsrichtung auf den Kolben (2) wirkende Kraft eine den Sperrkörper (8) quer zur Bewegungsrichtung aus dieser ersten Aussparung (19) heraus treibende Kraft hervorruft.
Pneumatischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) den Schieber (5) und einen die Bewegung des Schiebers (5) zwischen der Ruhestellung und der Auslösestellung führenden Führungskörper (4) umfasst, und dass die erste Aussparung (9) des Kolbens (2) in dem Führungskörper (4) gebildet ist.
Pneumatischer Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Kammer begrenzende Stirnfläche des Kolbens von dem Schieber gebildet ist.
Pneumatischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (5) in einen inneren Hohlraum des Kolbens (2) eingreift und dass die erste Aussparung (9) des Kolbens (2) eine Bohrung in einer den Hohlraum umgebenden Wand (4) des Kolbens (2) ist.
Pneumatischer Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrkörper (8) eine Kugel (8) ist, die in der Ruhestellung eine Wand der ersten Aussparung (9) des Zylinders und den Schieber (8) gleichzeitig berührt.
Pneumatischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) aus zwei Teilen (11, 12) zusammengefügt ist und die erste Aussparung (10) des Zylinders (1) an einer Grenze zwischen den zwei Teilen (11, 12) gebildet ist.
Pneumatischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aussparung (10) des Zylinders (1) eine an einer Innenfläche des Zylinders (1) umlaufende Nut (10) ist.
Pneumatischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drosseldurchgang (32) durch den Kolben (2) verläuft.
Pneumatischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer pyrotechnischen Druckgasquelle (24) und der Kammer ein Partikelfilter (17) vorgesehen ist.
Pneumatischer Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (17) angeordnet ist, um einen von der Druckgasquelle (24) zur Kammer fließenden Druckgasstrom an seiner Oberfläche abzulenken.