DE19623961A1 - Pneumatisches Schaltelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Schaltele­ ment mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genann­ ten Merkmalen.

Stand der Technik

Als Unterdruckschaltdose ausgebildete pneumatische Schaltelemente der gattungsgemäßen Art sind be­ kannt. Diese weisen einen in einem Druckraum der Unterdruckschaltdose mittels einer Membran gelager­ ten Membranteller auf, der bei Beaufschlagung des Druckraumes mit einem Unterdruck gegen die Kraft eines Federelementes verlagerbar ist. Durch die Verlagerung des Membrantellers wird eine aus dem Druckraum herausgeführte Membranstange betätigt, die wiederum einen Schaltvorgang auslöst. Hierzu kann die Membranstange mit einer drehbar gelagerten Wippe verbunden sein, über die eine Bewegung der Membranstange in eine mechanische Schaltbewegung umgesetzt wird. Derartige Unterdruckschaltdosen werden beispielsweise bei Brennkraftmaschinen ein­ gesetzt, bei denen ein umschaltbares Saugrohr für die Ansaugluft vorgesehen ist. Dieses drehzahl- oder lastabhängige Umschalten des Saugrohres muß in relativ kurzen Zeitspannen, beispielsweise im 1/10 Sekunden-Bereich wirkungsvoll erfolgen. Der Um­ schaltvorgang wird entweder durch Beaufschlagung der Unterdruckschaltdose mit Unterdruck oder durch Abschalten des Unterdrucks und gleichzeitiger Be­ aufschlagung des Membrantellers durch die Feder­ kraft des Federelementes bewirkt.

Bei den bekannten Unterdruckschaltdosen ist nach­ teilig, daß diese ein relativ großes Totvolumen aufweisen. Dieses Totvolumen ergibt sich einerseits durch die Anordnung des Federelementes in der Un­ terdruckschaltdose, so daß ein entsprechend großer Einbauraum für das Federelement zur Verfügung ste­ hen muß. Andererseits wird das Beaufschlagen bezie­ hungsweise Abschalten des Unterdrucks bekannter­ weise über ein Magnetventil durchgerührt, das über entsprechende Zuleitungen mit der Unterdruckquelle und der Unterdruckschaltdose verbunden ist. Die Zu- und Ableitungen des Magnetventiles führen gemeinsam mit dem das Federelement aufnehmenden Druckraum zu einem relativ großen Totvolumen, das heißt bei Be­ aufschlagung des Druckraumes mit Unterdruck ist zur Evakuierung dieses Totvolumens eine relativ lange Zeitspanne erforderlich, die ein Auslösen der Schaltfunktion der Unterdruckschaltdose verzögert.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße pneumatische Schaltelement mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demge­ genüber den Vorteil, daß ein Totvolumen des pneuma­ tischen Schaltelements minimiert ist. Dadurch, daß das Federelement außerhalb des Druckraumes angeord­ net ist und an der Betätigungseinrichtung angreift, ist es vorteilhaft möglich, den Druckraum unabhän­ gig von der Dimensionierung des Federelementes auf den minimal notwendigen Verstellweg des Stellglie­ des sowie die minimal notwendige Wirkfläche des Stellgliedes zum Aufbringen der erforderlichen Be­ tätigungskraft zu begrenzen. Somit erfolgt bei Be­ aufschlagung des Druckraumes des pneumatischen Schaltelementes mit Unterdruck eine schnellere Be­ tätigung der Betätigungseinrichtung, da das zu eva­ kuierende Totvolumen auf sein Minimum beschränkt ist.

Ferner ist durch ein erfindungsgemäßes pneumati­ sches Schaltelement mit den im Anspruch 9 genannten Merkmalen ebenfalls eine Minimierung des Totvolu­ mens möglich. Dadurch, daß das Schaltmittel zum Be­ aufschlagen des pneumatischen Schaltelements mit dem Unterdruck in das pneumatische Schaltelement integriert ist, ist es vorteilhaft möglich, den Verbindungsweg von der Unterdruckquelle zu dem Druckraum, insbesondere von dem Schaltmittel zum Druckraum, zu verkürzen, so daß sich das diesem Verbindungsweg entsprechende Totvolumen ebenfalls reduziert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genann­ ten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine Un­ terdruckschaltdose,

Fig. 2. eine Draufsicht auf eine Unterdruck­ schaltdose nach einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel und

Fig. 3 eine Seitenansicht der Unterdruck­ schaltdose gemäß Fig. 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist eine als pneumatisches Schalt­ mittel ausgebildete Unterdruckschaltdose 10 in ei­ ner Schnittdarstellung gezeigt. Die Unterdruck­ schaltdose 10 besitzt ein Gehäuse 12, das aus einem ersten Gehäuseteil 14 und einem zweiten Gehäuseteil 16 besteht. Die Gehäuseteile 14 und 16 sind bei­ spielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet und über eine Rastverbindung 18 druckdicht miteinander verbunden. Innerhalb des Gehäuses 12 ist durch die Gehäuseteile 14 und 16 somit ein Druckraum 20 aus­ gebildet. Das Gehäuseteil 14 besitzt wenigstens eine Durchgangsöffnung 22 die den Druckraum 20 mit einem Anschluß 24 verbindet, der mit einer nicht dargestellten Unterdruckquelle verbindbar ist. Das Gehäuseteil 14 bildet einen Aufnahmebereich 26 aus, in dem ein hier nicht detailliert dargestelltes Ma­ gnetventil 28 angeordnet ist. Das Magnetventil 28 ist zwischen dem Anschluß 24 und dem Druckraum 20 geschaltet, so daß eine durchgehende Verbindung zwischen der Unterdruckquelle und dem Druckraum 20 hergestellt beziehungsweise unterbrochen werden kann. Das Magnetventil 28 ist über eine elektrische Anschlußeinheit 30 mit einer nicht dargestellten Steuerung, beispielsweise dem elektronischen Steu­ ergerät eines Kraftfahrzeuges verbunden.

Innerhalb des Gehäuses 12 ist eine durch einen Mem­ branteller 32 verstärkte Membran 34 angeordnet, die ein Stellglied 35 der Unterdruckschaltdose 10 bil­ den. Die Membran 34 ist an ihrem Außenumfang 36 fest an dem Gehäuse 12 arretiert, beispielsweise zwischen den Gehäuseteilen 14 und 16 eingeklemmt. Der Membranteller 32 ist im wesentlichen topfförmig ausgebildet, wobei dessen Grundplatte 38 fest mit der Membran 34 verbunden ist und dessen koaxialver­ laufender Rand 40 keine feste Verbindung mit dem Membran 34 besitzt. Der Membranteller 32 ist in der Fig. 1 in zwei noch zu erläuternden Stellungen ge­ zeigt, nämlich in einer Ruhestellung R und einer Arbeitsstellung A.

Das Gehäuseteil 14 ist derart ausgebildet, daß der Membranteller 32 innerhalb des Gehäuses 12 von der Ruhestellung R in die Arbeitsstellung A beziehungs­ weise umgekehrt entlang eines Hubweges w überführt werden kann.

Der Membranteller 32 ist mit einer Membranstange 42 fest verbunden, die eine Betätigungseinrichtung 44 der Unterdruckschaltdose 10 ausbildet. Die Membran­ stange 42 ist durch einen Dom 46 des Gehäuseteiles 16 geführt. Die Membranstange 42 besitzt einen als Lager 48 ausgebildeten Kragen 50 an dem sich ein elastisches Federelement 52 einerseits abstützt. Andererseits stützt sich das Federelement 52 an dem Dom 46 des Gehäuseteiles 16 ab, der somit gleich­ zeitig ein Widerlager 54 für das Federelement 52 bildet. Der Abstand zwischen dem Lager 48 und dem Widerlager 54 ist so gewählt, daß das Federelement 52, das beispielsweise eine Spiralfeder 56 sein kann, die von der Membranstange 42 durchgriffen wird, leicht vorgespannt ist.

An seinem dem Gehäuse 12 abgewandten Ende besitzt die Membranstange 42 einen Kugelkopf 58 mittels dem eine in den Fig. 2 und 3 noch näher gezeigte Einrichtung betätigbar ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Unterdruckschaltdose 10 übt folgende Funktion aus:
Im Ausgangszustand befindet sich der Membranteller 32 in seiner Ruhestellung R. Wird nun über das nicht dargestellte Steuergerät ein Steuerbefehl an das Magnetventil 28 gegeben, öffnet dieses und stellt eine Verbindung zwischen der Unterdruck­ quelle und dem Druckraum 20 her. Hierdurch wird der Druckraum 20 evakuiert und anschließend der Mem­ branteller 32 gegen die Kraft des Federelementes 52 von seiner Ruhestellung R in seine Arbeitsstellung A überführt. Durch den anliegenden Unterdruck wird eine Betätigungskraft ausgeübt, die größer ist als die Federkraft des Federelementes 52 und die von der Betätigungseinrichtung 44 aufzubringende mecha­ nische Kraft. Der Membranteller 32 wird entlang des Hubweges w bewegt, wobei das Federelement 52 zwi­ schen dem Lager 48 und dem Widerlager 54 kompri­ miert, das heißt gespannt wird. Durch die mit dem Membranteller 32 synchrone Bewegung der Membran­ stange 42 erfolgt eine Bewegung des Kugelkopfes 58, so daß dieser beispielsweise eine Wippe, einen Druckschalter oder ähnliches betätigen kann. Durch permanentes Anliegen des Unterdruckes über den An­ schluß 24 wird der Membranteller 32 so lange in seiner Arbeitsstellung A gehalten, bis über die Steuerung ein weiteres Steuersignal an das Magnet­ ventil 28 gegeben wird. Dieses unterbricht hierauf die Verbindung zwischen der Unterdruckquelle und dem Druckraum 20, so daß die Federkraft des Feder­ elementes 52 größer wird als die von der Unter­ druckquelle ausgehende Betätigungskraft und hierauf der Membranteller 32 von seiner Arbeitsstellung A entlang des Hubweges w in seine Ruhestellung R überführt wird. Gleichzeitig erfolgt die synchrone Bewegung der Membranstange 42, so daß über die Be­ tätigungseinrichtung 44 ein zuvor ausgelöster Schaltvorgang rückgängig gemacht werden kann.

Die in der Fig. 1 dargestellte Unterdruckschalt­ dose 10 bietet gegenüber den bisher bekannten Un­ terdruckschaltdosen den Vorteil, daß das Federele­ ment 52 außerhalb des Druckraumes 20 angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Magnetventil 28 direkt in den Unterdruckweg in un­ mittelbarer Nähe zum Druckraum 20 angeordnet ist. Durch diese beiden Maßnahmen wird das Totvolumen der Unterdruckschaltdose 10 drastisch reduziert, so daß eine Überführung des Membrantellers 32 von sei­ ner Ruhestellung R in seine Arbeitsstellung A un­ mittelbar nach ansprechen des Magentventils 28 ohne große Zeitverzögerung erfolgt. Durch den Wegfall irgendwelcher zusätzlicher Anschlußleitungen des Magnetventils an den Verbindungsweg zwischen der Druckquelle und dem Druckraum werden weiterhin Dichtrisiken vermieden. Ferner ist vorteilhaft, daß der Membranteller 32 und somit die Membran 34 in ihrer Ruhestellung R nicht unter einer mechanischen Spannung stehen, da das Federelement 52 gegenüber den bekannten Unterdruckschaltdosen in der Ruhe­ stellung R entspannt und in der Arbeitsstellung A gespannt ist.

Mit der Minimierung des Totvolumens der Unterdruck­ schaltdose 10, das lediglich auf den minimal not­ wendigen Hubweg w und die minimal notwendige Wirk­ fläche des Membrantellers 32 abgestimmt zu sein braucht, ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß bei Anschluß der Unterdruckschaltdose 10 an einen Un­ terdruckspeicher dieser eine größere Anzahl von Schalthandlungen zuläßt, bevor dieser wieder evaku­ iert, das heißt, aufgeladen werden muß.

Nach weiteren nicht dargestellten Ausführungsbei­ spielen, kann das pneumatische Schaltmittel an­ stelle als Unterdruckschaltdose auch als Druck­ schaltdose ausgebildet sein, wobei sich aufgrund der Auslagerung des Federelementes 52 aus dem Druckraum 20 und das Anordnen des Magnetventils 28 in unmittelbarer Nähe des Druckraumes 20 im direk­ ten Verbindungsweg von der Druckquelle zum Druck­ raum 20 die gleichen Vorteile durch die Verringe­ rung des Totvolumens ergeben.

In den Fig. 2 und 3 ist in einer Draufsicht und einer Seitenansicht eine Unterdruckschaltdose 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Be­ zugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.

In den Darstellungen ist das Gehäuse 12 geschlossen dargestellt, so daß der Druckraum 20 sowie der Mem­ branteller 32 im einzelnen nicht erkennbar sind. Hinsichtlich Aufbau und Funktion wird auf Fig. 1 verwiesen.

Anhand der Fig. 2 wird verdeutlicht, daß bei Ver­ lagerung des Membrantellers 32 von seiner Ruhestel­ lung R in seine Arbeitsstellung A gleichzeitig die Membranstange 42, der hieran angeordnete Kugelkopf 58 und somit eine Wippe 60 ebenfalls von einer Ru­ hestellung R in eine Arbeitsstellung A überführt werden. Die Wippe 60 ist um eine ortsfeste Drehachse 62 verschwenkbar. In bezug auf die Drehachse 62 ist die Unterdruckschaltdose 10 eben­ falls ortsfest angeordnet, wobei hier angedeutete Befestigungselemente 64 zur Arretierung an einem nicht näher dargestellten Chassis dienen können. Wie Fig. 3 näher zeigt, fällt die Drehachse 62 mit einem drehbar gelagerten Zapfen 66 zusammen, an dessen freiem Ende 68 eine verdreh- beziehungsweise verschwenkbare Klappe oder ähnliches angebracht werden kann.

Von einem hier angedeuteten Chassis 70 entspringt ein Halterarm 72 der eine Aufnahme 74 für ein Fe­ derelement 76 ausbildet. Das Federelement 76 ist als gewundene Biegefeder 78 ausgebildet, dessen er­ stes Ende 80 in die Aufnahme 74 eingreift. Das zweite Ende 82 der Biegefeder 78 greift an der Wippe 60 an. Die Biegefeder 78 ist derart angeord­ net, daß eine Federlängsachse 84 mit der Drehachse 62 zusammenfällt.

Die Funktion der Unterdruckschaltdose 10 ist be­ reits anhand des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 erläutert, so daß hier nur auf Unterschiede einge­ gangen werden soll. Nachdem der Druckraum 20 über das Magnetventil 28 mit der Unterdruckquelle ver­ bunden wurde, wird die Wippe 60 von ihrer Ruhestel­ lung R in die Arbeitsstellung A um die Drehachse 62 verschwenkt. Hierbei wird gleichzeitig der Zapfen 66 um einen entsprechenden Winkelbetrag verdreht, so daß eine an dem Ende 68 angebrachte Klappe eine Schwenkbewegung ausführt und hierdurch ein Schalt­ vorgang, beispielsweise das Umschalten einer Rohr­ länge eines Saugrohres einer Brennkraftmaschine ausgelöst wird. Gleichzeitig wird die Biegefeder 78 gespannt, indem die in eine Ebene projizierten En­ den 80 und 82 der Biegefeder 78 aufeinander zu be­ wegt werden. Nach Unterbrechung der Verbindung zwi­ schen dem Druckraum 20 und der Unterdruckquelle, wird durch die Federkraft der Biegefeder 78 die Wippe 60 von der Arbeitsstellung A in die Ruhestel­ lung R um die Drehachse 62 zurückgeschwenkt. Gleichzeitig gelangt die Membranstange 42 und der Membranteller 32 ebenfalls wieder in ihre Ruhestel­ lung R.

Auch bei der gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 geänderten Ausführung beziehungsweise An­ ordnung des Federelementes 76, wird auch hier eine Minimierung des Totvolumens der Unterdruckschalt­ dose 10 gegenüber bekannten Unterdruckschaltdosen erreicht, da durch die externe Anordnung der Biege­ feder 76 das Volumen der Unterdruckschaltdose 10 auf den minimal notwendigen Hubweg w und die mini­ male Wirkfläche des Membrantellers abgestimmt zu sein braucht.

Claims (13)

1. Pneumatisches Schaltelement, insbesondere Unter­ druckschaltdose, mit einem über ein Schaltmittel mit einer Unterdruckquelle verbindbaren Druckraum, in dem ein gegen die Kraft eines Federelementes durch einen Unterdruck verlagerbares Stellglied an­ geordnet ist, das mit einer aus dem Druckraum her­ ausgeführten Betätigungseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (52, 76) außerhalb des Druckraumes (20) angeordnet ist und an der Betätigungseinrichtung angreift.

2. Pneumatisches Schaltelement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellglied (35) ein Membranteller (32) ist.

3. Pneumatisches Schaltelement nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (44) von einer aus der Unterdruckschaltdose (10) herausgeführten Membran­ stange (42) gebildet wird, die mit dem Federelement (52, 76) zusammenwirkende Mittel aufweist.

4. Pneumatisches Schaltelement nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranstange (42) ein Lager (48) für das Fe­ derelement (52) trägt und dieses das Federelement (52) bei anliegendem Unterdruck gegen ein Gegenla­ ger (54) spannt.

5. Pneumatisches Schaltelement nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (54) von dem Gehäuse (12) beziehungsweise einem Teil (Dom 46) des Gehäuses (12) gebildet wird.

6. Pneumatisches Schaltelement nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (52) eine Spiralfeder (56) ist, die von der Membranstange (42) durchgriffen wird.

7. Pneumatisches Schaltelement nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung (44) eine um eine Drehachse (62) verschwenkbare Wippe (60) aufweist, die gleichzeitig ein Lager für das Federelement (76) bildet.

8. Pneumatisches Schaltelement nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Federelement (76) eine Biegefeder (78) ist, deren Federachse (84) mit der Drehachse (62) zusammenfällt und die Biegefeder (78) an einem ortsfesten Punkt gegengelagert ist.

9. Pneumatisches Schaltelement nach einem der An­ sprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager von einem einem Chassis (70) entsprin­ genden Halterarm (72) gebildet wird.

10. Pneumatisches Schaltelement, insbesondere Un­ terdruckschaltdose, mit einem über ein Schaltmittel mit einer Unterdruckquelle verbindbaren Druckraum, in dem ein gegen die Kraft eines Federelementes durch einen Unterdruck verlagerbares Stellglied an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (28) in die Unterdruckschaltdose (10) integriert ist.

11. Pneumatisches Schaltelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (28) in einem Gehäuseteil (14) angeordnet ist, das einen mit der Unterdruckquelle verbindbaren Anschluß (24) aufweist.

12. Pneumatisches Schaltelement nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (28) direkt in einem Verbindungs­ weg zwischen dem Anschluß (24) und dem Druckraum (20) der Unterdruckschaltdose (10) angeordnet ist.

13. Pneumatisches Schaltelement nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltmittel (28) ein Magnetventil ist.