DE3730926A1 - Doppeltwirkender zylinder - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem doppeltwirkenden Zylinder nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits bekannt, mit Hilfe von induktiven Wegsensoren die Auslenkung eines Kolbens eines Zylinders zu bestimmen. Hierbei wird ein mit dem Kolben bzw. der Kolbenstange verbundener zusätzlicher Eisenkern relativ zu einem Spulensystem be­ wegt. Dabei ragen aber die Sensorteile aus dem Zylinderrohr heraus, so daß diese bei Betrieb leicht beschädigt werden können. Alternativ können bei einfachwirkenden Zylindern auch die Sensorteile in einer Bohrung in der Kolbenstange angeordnet sein. Dies hat aber den Nach­ teil, daß der Zylinder aufwendig baut und die mechanische Festigkeit der Kolbenstange verringert wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße doppeltwirkende Zylinder mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Zylinder und das Sensorsystem in besonders einfacher Weise in einem einzigen Bauteil integriert werden können. Es ist eine ein­ fache, genaue analoge Wegmessung in beide Richtungen für den Kol­ ben eines doppeltwirkenden Zylinders möglich. Der Zylinder kann als relativ störunanfällige Steuereinrichtung für eine Hinterradlenkung eines Fahrzeugs verwendet werden. Der Zylinder baut einfach und re­ lativ preisgünstig. Der Kolben weist eine Doppelfunktion auf, er dient sowohl zur Kraftübertragung als auch als Geber für das Wegmeß­ system.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Zylinders möglich. Insbesondere durch die konische Ausbildung des Spulenkör­ pers ist ein nahezu linearer Verlauf der Meßkurve möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen doppeltwirkenden Zylinder mit einem Weg­ meßsystem, Fig. 2 und 3 je eine Abwandlung des Ausführungsbei­ spiels und Fig. 3a eine Einzelheit nach Fig. 3.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist mit 10 ein doppeltwirkender Zylinder bezeichnet, der aus einem auf beiden Seiten durch Zylinderköpfe 11, 12 abge­ schlossenen, aus nicht magnetisierbarem Material, wie z.B. Austenit, Bronze, Aluminium, hergestellten Zylinderrohr 13 besteht. Im Zylin­ derrohr 13 ist ein Kolben 14 gleitend geführt. Mit Hilfe eines Dichtrings 15, der in einer etwa in der Mitte der Längsrichtung des Kolbens 14 ausgebildeten Ringnut 16 angeordnet ist, sind die beiden Druckräume 17, 18 des Zylinders 10 abgedichtet. Die beiden Kolben­ stangen 19, 20 des Kolbens 14 sind in mittigen Bohrungen 21, 22 der Zylinderköpfe 11, 12 geführt. Ferner sind in den Zylinderköpfen 11, 12 Einlaßbohrungen 23, 24 für die beiden Druckräume 17, 18 des Zy­ linders 10 ausgebildet. Beide Kolbenstangen 19, 20 sind durch in Nu­ ten 25, 26 der Zylinderköpfe 11, 12 angeordneten Dichtungen 27, 28 abgedichtet.

Der Kolben 14 besteht aus magnetisierbarem Material, wie z.B. Weich­ eisen. Es ist aber auch möglich, auf dem Kolben 14 eine der Innen­ wand des Zylinderrohrs 13 zugewandten Schicht aus magnetisierbarem Material aufzubringen oder, wie in Fig. 3 dargestellt, den Kolben 14 a als auf einer Kolbenstange 19 a aufgesetzten Hülse 30 aus magne­ tisierbarem Material herzustellen. In der Außenwand des Zylinderroh­ res 13 sind zwei Ringnuten 33, 34 ausgebildet, in denen sich je eine mit dem Kolben 14 in Wirkverbindung stehende Meßspule 35, 36 befin­ det. Die Meßspulen 35, 36 sind in Reihe geschaltet und mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsversorgung bzw. einer Auswerte­ schaltung, z.B. einem Hybrid oder einem IC (integrierte Schaltung) verbunden. Die Ringnuten 33, 34 und somit die Meßspulen 35, 36 sind so lang ausgebildet, daß sie mindestens den jeweiligen Druckraum 17, 18 umfassen, d.h. sie reichen vom Zylinderdeckel bis etwa zur Mitte des Zylinderrohrs 13. Zwischen den beiden Ringnuten 33, 34 befindet sich ein Steg 37, dessen Länge kleiner sein soll als die Länge des Kolbens 14. Vorteilhafterweise sollten die Meßspulen 35, 36 gering­ fügig die Zylinderköpfe 11, 12 und den sich in der Mitte des Zylin­ derrohrs 13, d.h. den sich in Grundstellung befindlichen Kolben 14 geringfügig überdecken. Der Kolben 14 ist so lang auszubilden, daß er in seiner jeweiligen maximalen Auslenkung nach links oder rechts, d.h. wenn er mit seiner jeweiligen Stirnseite am Zylinderdeckel 11 oder 12 anliegt, mit seinem anderen Ende die Meßspule 35 bzw. 36 verläßt.

Es ist auch möglich, die Spulen auf separate Spulenkörper aufzuwic­ keln und auf das Zylinderrohr aufzuschieben.

In der sogenannten Grundstellung befindet sich der Kolben 14 in der Mitte des Zylinderrohrs 13, so daß beide Druckräume 17, 18 möglichst gleich groß ausgebildet sind, was auch bedeutet, daß der Kolben 14 sich im Bereich des Stegs 37 befindet, und der Kolben 14 beide Spu­ len 35, 36 in den dem Steg 37 zugewandten Randbereichen gleich über­ decken. Werden die Spulen 35, 36 von einem Wechselstrom durchflossen so wird ein magnetisches Feld erzeugt, das den Strom behindern möch­ te. Bekanntlich wird dieser Effekt als Induktivität bezeichnet. Das Meßprinzip beruht auf der Veränderung dieser Induktivität durch ei­ nen in den Spulen bewegten magnetisierbaren Kern. Dadurch wird das Magnetfeld verdichtet und so die Induktivität erhöht.

Wenn über die Einlaßbohrungen 23, 24 Druckmittel in den Druckraum 17 bzw. 18 gelangt, so wird der Kolben 14 in der Fig. 1 nach rechts verschoben. Dadurch wird der Kolben 14 weiter in die Spule 36 hin­ eingeschoben und bewirkt dadurch in der Spule 36 eine Erhöhung der Induktivität. Gleichzeitig wird der Kolben 14 um denselben Betrag aus der Spule 35 herausbewegt, so daß dadurch die Induktivität der Spule 35 verringert wird. Da die Spulen 35, 36 in Reihe geschaltet sind, wird durch diese Gegentaktanordnung die Kennlinie linearisiert und das Meßsignal gleichzeitig verdoppelt. Es entspricht somit jeder axialen Lage des Kolbens 14 ein bestimmter von der Spule 36 abgenom­ mener elektrischer Wert. Diese Werte werden analog gewonnen und aus­ gewertet. Eine gewünschte Stellung des Kolbens 14 kann genau und leicht reproduzierbar angefahren werden.

Ist der doppeltwirkende Zylinder zur Steuerung in die Hinterradlen­ kung oder Vorderradlenkung eines Fahrzeugs eingebaut, so sind die Kolbenstangen 19, 20 mit dem Lenkgestänge des Fahrzeugs verbunden. Je nach Auslenkung des Lenkgestänges, ob nach links oder nach rechts, wird der Kolben 14 verschoben und gelangt somit in den Be­ reich der einen oder anderen Spule. Dadurch ist ein exakter Abgriff der jeweiligen Lenkstellung der Räder des Fahrzeugs und eine exakte, leicht reproduzierbare Steuerung in zwei Richtungen möglich.

Zur Ausschaltung von Temperaturschwankungen z.B. des Druckmediums und somit des Kolbens 14, die als Widerstandsänderungen das Meßsi­ gnal verfälschen können, können bekannte Methoden angewendet werden. Hierzu wäre z.B. im Bereich des Zylinderkopfes eine dritte Spule an­ zuordnen, die gegenläufig zu den Spulen 35, 36 gewickelt sein müßte.

In Fig. 2 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels dargestellt, das nach dem sogenannten Transformatorprinzip arbeitet. Gleiche Teile sind dabei wieder mit gleichen Ziffern bezeichnet. Ergänzend ist in der Außenwand des Zylinderrohrs 13 a zwischen den beiden Nuten 33, 34, d.h. im Bereich der Grundstellung des Kolbens 14 eine dritte Nut 40 ausgebildet, in der sich eine dritte Spule 41 befindet. Die dritte Spule 41 dient beim Transformatorprinzip als Primärspule und die beiden Spulen 35, 36 dienen als Sekundärspulen. Die Spulen 35, 36 sind parallel geschaltet. Wird wieder der Kolben 14 hin und her bewegt, so wird die Kopplung zwischen der Primärspule, d.h. der Spule 41, und einer der Sekundärspulen, d.h. der Spulen 35 bzw. 36, verändert, wodurch die Induktivität der Spulen 35, 36 verändert wird. An den Spulen 35 bzw. 36 kann dann direkt die der jeweiligen Stellung des Kolbens 14 proportionale Spannung abgegriffen werden.

Da bekanntlich der Meßbereich in den jeweiligen Endbereichen der Spulen von dem gewünschten linearen Verlauf abweicht, ist in Fig. 3 eine Abwandlung mit einem über dem jeweiligen Druckraum 17 bzw. 18 konisch verlaufenden Spulenkörper 44 für die Spulen 35 a bzw. 36 a dargestellt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist auf dem Zylin­ derrohr 13 b der Spulenkörper 44 angeordnet. Der Boden 45 des Spulen­ körpers 44 ist so ausgebildet, daß er im Bereich der Grundstellung des Kolbens 14 seinen maximalen Durchmesser aufweist und sich zu den beiden Zylinderköpfen 11, 12 hin konisch verjüngt. Dadurch ist es möglich, wie in Fig. 3a näher gezeigt, die Windungszahl der Spulen 35 a, 36 a so zu erhöhen, daß der Meßbereich auch in den Randbereichen der Spulen 35 a, 36 a linear verläuft. Die dritte Spule 41 a ist über die beiden Spulen 35 a und 36 a, d.h. über beide Druckräume 17, 18 an­ geordnet, wodurch die Linearität des Meßbereichs verbessert werden kann. Ferner ist es möglich bei einer möglichst kurzen Baulänge des Kolbens 14 und einem möglichst langen Hub, d.h. langem Druckraum, den Zylinder 10 sehr kompakt und kurz auszubilden.

Selbstverständlich ist es auch möglich zur Verbesserung der Linea­ rität die Spulen in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 in den Randbereichen mit unterschiedlicher Windungszahl zu wickeln.

Weiterhin ist es möglich die Steigung bzw. die Linearität des Aus­ gangssignals durch Variation des Stoffes zu beeinflussen, aus dem die Zylinderköpfe 11, 12 hergestellt sind. So wird durch nur elek­ trisch leitende Stoffe das Ausgangssignal in den Kolbenendlagen (Zy­ linderköpfe) stark, durch magnetisierbare Stoffe weniger hoch ver­ stärkt.

Claims (10)

1. Doppeltwirkender Zylinder (10), insbesondere für die Betätigung der Radlenkung eines Fahrzeugs, mit einem Zylinderrohr (13), einem Kolben (14), Kolbenstangen (19, 20) und einem induktiven Wegaufneh­ mersystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderrohr (13) aus nicht magnetisierbarem Material und der Kolben (14) mindestens teil­ weise aus magnetisierbarem Material besteht und daß im Bereich jedes Druckraums (17, 18) je mindestens eine Spule (35, 36) an der Außen­ wandung des Zylinderrohrs (13) angeordnet ist.

2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwi­ schen den Spulen (35, 36) der beiden Druckräume (17, 18) ein Steg (37) befindet und daß dieser Steg (37) kleiner ist als die Länge des magnetisierbaren Bereichs des Kolbens (14).

3. Zylinder nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstellung des Kolbens (14) sich im Bereich des Stegs (37) mittig zwischen den Spulen (35, 36) der beiden Druckräume (17, 18) befindet.

4. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulen (35, 36) in in der Außenwand des Zylinderrohrs (13) ausgebildeten Nuten (33, 34) angeordnet sind.

5. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulen (35, 36) mindestens bis zu den Zylinderköpfen (11, 12) des Zylinders (10) reichen.

6. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kolben (14) an seiner Oberfläche eine Schicht aus ma­ gnetisierbarem Material aufweist.

7. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kolben (14) als auf eine Kolbenstange (19 a) aufgesetzte Hülse (30) aus magnetisierbarem Material ausgebildet ist.

8. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge der Druckräume (17, 18) kürzer ist als die Länge des Kolbens (14).

9. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulen (35, 36) mindestens im Bereich eines Endes eine erhöhte Wicklungszahl aufweisen.

10. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß von der Grundstellung des Kolbens (14) zu seiner jeweiligen maximalen Auslenkung die Spulen (35, 36) zunehmende Wicklungszahl aufweisen.