DE4121745A1 - Membranarbeitselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mit Unterdruck beaufschlagtes Membranarbeitselement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Solche Membranarbeitselemente, die mit einem Arbeitsfluid, meist Luft, arbeiten, werden in großem Umfang in der Kraft­ fahrzeugtechnik, dann meist mit Unterdruck beaufschlagt, seltener auch mit Bidruck beaufschlagt, eingesetzt.

Typische Vertreter solcher Membranarbeitselemente sind bei­ spielsweise aus den vorveröffentlichten Druckschriften DE 24 52 784 A1, DE 85 18 419 U1 und DE 37 41 897 A1 bekannt.

Wie die Praxis und der druckschriftliche Stand der Technik übereinstimmend zeigen, weisen diese in der Kraftfahrzeug­ technik nahezu idealen Membranarbeitselemente zwei Eigen­ schaften auf, die nach wie vor noch nicht befriedigend gelöst werden konnten: (1) die Membranarbeitselemente sind zu groß, und (2) Membranen reißen zu schnell ein. Beide Probleme sind als zusammenhängende technische Aufgabe zu sehen. Um ausgangs­ seitig, d. h. an der Stellstange, eine möglichst große Nutz­ leistung zur Verfügung zu stellen, müssen sowohl die wirksame Arbeitsfläche als auch der wirksame Betriebsdruck möglichst groß sein. Zudem müssen die Verschiebewege der Stellstange hinreichend lang sein, um die angeschlossenen Schaltvorgänge oder Stellvorgänge mit ausreichender Sicherheit durchführen zu können.

Das Erfordernis akzeptabel hoher Ausgangsleistung an der Stellstange bedingt große Wirkflächen, die Ursache für eine vergleichsweise sperrige Bauweise dieser Membranarbeits­ elemente ist. Gerade in der Kraftfahrzeugtechnik steht jedoch für solche Membranelemente meist nur ein geringes Einbau­ volumen zur Verfügung. Die bei anwendungsbedingt vorgegebener kleinerer Bauweise der Membranarbeitselemente notwendigerweise verkleinerte effektive Arbeitsfläche dieser Arbeitselemente kann und muß dann durch die Anwendung höherer Betriebsdrücke, d. h. eines höheren Unterdrucks, ausgeglichen werden. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer stärkeren dynamischen Belastung der Arbeitsmembran und wiederum zu einer Verkürzung der Standzeit der Membranen, die nicht selten bei solchen kleiner dimensionierten Hochleistungs-Membranarbeitselementen bereits nach 30.000 bis 40.000 Schaltzyklen durch Einreißen ausfallen.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 24 52 748 A1 ist versucht worden, die nutzbare Ausgangsleistung eines Membran­ stellantriebs der hier in Rede stehenden Art durch eine Verminderung der Leistungsverluste an der Durchführung der Stellstange durch das Gehäuse herbeizuführen. Um den Preis einer zusätzlichen, die Stellstange abdichtenden Rollmembran wird dadurch ein Leistungsgewinn erzielt, der dem weitgehenden Fortfall der Reibungsverluste an der Stellstangendurchführung entspricht, also bezogen auf die Gesamtausgangsleistung nicht unbedingt signifikant zu sein braucht, sicherlich aber nicht groß genug ist, um von der sperrigen doppelkegligen Bauweise des Membrangehäuses abgehen zu können.

Um bei diesem Membranarbeitselement die Haltbarkeit der Arbeitsmembran zu verbessern, wurde diese nach Art eines weit offenen Kegelstumpfmantels konfiguriert. Ziel dieser Maßnahme war, die Rollfaltungsbelastung der Arbeitsmembran zu vermin­ dern. Außerdem wurde die Anbindung des Rollbereichs der Arbeitsmembran an die Arbeitsplatte verstärkt. Dennoch ließ sich auf dieser Basis keine Verkleinerung der Abmessungen des Membrangehäuses vornehmen, ohne die erzielbare Anzahl der fehlerfrei möglichen Betätigungszyklen, d. h. ohne die Stand­ zeit wieder zu vermindern.

Bei den aus den Druckschriften DE 85 18 419 U1 und DE 37 41 897 A1 bekannten Membranarbeitselementen wird ebenfalls versucht, die Haltbarkeit der Arbeitsmembran durch eine Verbesserung des Abrollverhaltens der Membran zu erreichen, zu welchem Zweck entweder im Gehäuse zusätzliche Leit­ vorrichtungen für die Rollbewegung der Arbeitsmembran vorge­ sehen oder in der entspannten Membran selbst Rollfaltenansätze präformiert sind. Diese Maßnahmen haben zwar im Bereich vergleichsweise niedrigerer Betriebsdrücke beachtlichte Fort­ schritte erbracht, konnten jedoch nicht das Einreißen der Ar­ beitmembran beim Arbeiten mit höheren Betriebsdrücken verhin­ dern.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Membranarbeitselement der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei höheren Betriebs­ drücken eine für die Praxis zufriedenstellende Standzeit aufweist, d. h., die Arbeitsmembran auch bei höheren Betriebs­ drücken während der Schaltzyklen so schont, daß die Anzahl der Schaltzyklen bis zum Einreißen der Membran deutlich erhöht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Membranarbeitselement gemäß der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale auf.

Gemäß der Erfindung wird also auch für Membrangehäuse kleine­ rer Bauart und für den Betrieb bei auch höheren Betriebs­ drücken eine signifikante Verbesserung der Haltbarkeit der Arbeitsmembran unter dynamischer Belastung durch eine Verbes­ serung der Anbindung des frei beweglichen zumindest im wesent­ lichen glockenförmigen oder wannenförmigen Teils der Membran an die Arbeitsplatte erreicht. Diese verbesserte Anbindung ist dabei wesentlich durch die Kombination von zwei Merkmalen gekennzeichnet, nämlich durch Ausbildung einerseits eines verstärkten Membrananschlußabschnitts, dessen der Druckkammer abgewandte Oberfläche in der Ebene der auf der gleichen Seite liegenden Oberfläche der mit dem Membranmaterial ummantelten Arbeitsplatte liegt, also oberhalb der Mittelebene der Arbeitsplatte, wobei sich "oberhalb" der kürzeren Darstellung halber auf die der Unterdruckkammer abgewandte Seite der Arbeitsplatte bezieht, und andererseits durch einen in diesem verstärkten Membrananschlußabschnitt auf der Seite der Unter­ druckkammer ausgebildeten übergroßen Krümmungsradius der zur Unterdruckkammer hin offenen ringförmigen Rinne, die sich im Anschlußbereich der flexiblen Membran zur Arbeitsplatte ergibt. Dadurch, daß der große Krümmungsradius im Bereich des verstärkten Anbindungsabschnitts ausgebildet ist, ist die gebildete Rinne so ausreichend elastisch formsteif, daß sie auch bei vergleichsweise aktiven Unterdrücken in der Unter­ druckkammer nicht bis zu einer knickenden Faltung der Membran flachgezogen werden kann. Dabei wird diese Wirkung durch das Hochlegen an den der Unterdruckkammer gegenüberliegenden Außenrand der Arbeitsplatte durch eine dadurch ermöglichte weitere Biegestabilisierung des Membrananschlußabschnitts unterstützt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die für die Verbesserung der Haltbarkeit der Arbeitsmembran unter dynami­ scher Belastung ausschlaggebende Verhinderung, zumindest Ver­ minderung, der Ausbildung scharfkantiger Falten, oder zumindest Falten mit kleinen Krümmungsradien, dadurch gefördert werden, daß die Unterkanten der Arbeitsplatte nicht in der bisher üblichen Weise stark gerundet zurückspringen, sondern zumin­ dest parallel zur Verschieberichtung der Stellstange verlau­ fen, auch die mit dem Elastomer umhüllte Arbeitsplatte also geometrisch die Form einer Zylinderscheibe hat. Eine weitere Verbesserung dieser ergänzenden Abstützung der bei Unterdruck­ beaufschlagung der Unterdruckkammer belasteten Membran kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schließlich dadurch erreicht werden, daß auf der der Unterdruckkammer zugewandten Seite der Arbeitsplatte in deren umgebender Gummierung ein Stützring für die sich. einziehende Membran aus­ gebildet ist, beispielsweise in Form eines vorspringenden Wulstringes oder einer in anderer Weise und mit anderem Profil vorspringenden Ringstruktur. Bei Beaufschlagung der Unter­ druckkammer mit Unterdruck und Anlage der sich unter der Wirkung des Unterdrucks einziehenden Membran an solcherart ausgebildeten Stützringprofilen an der Unterseite der Arbeits­ platte wird die durch die elastisch steife Vorformung der mit großem Krümmungsradius ausgebildeten Unterseite des Membran­ anschlußabschnitts vorgegebene, einer Einfaltung der Membran entgegenwirkenden Formgebung der Arbeitsverformung der Membran gleichsam weitergeleitet. Im weiteren Verlauf steht dann die vergleichsweise große Fläche der flexiblen Membranseitenwand zur Verfügung, auf der sich die durch den Unterdruck erzeugte Verformungsspannung weitgehend homogen verteilen kann und tatsächlich auch verteilt.

Versuche haben gezeigt, daß die Haltbarkeit einer Membran, die in einem vergleichsweise kleinen Gehäuse bei Betriebsdrücken im Bereich von 0,6 bis 0,8 bar Unterdruck bei einer Anbindung der Membran in der aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 24 52 748 bekannten Weise lediglich 40.000 Schaltzyklen überdauert, durch eine Vergrößerung des formsteifen Krümmungs­ radius der zur Unterdruckkammer hin offenen Rinne und einen Wulstring an der der Unterdruckkammer zugewandten Seite der gummierten Arbeitsplatte zur Abstützung der sich einziehenden Membran ohne Anderung weiterer Versuchsparameter bis auf 350.000 Schaltzyklen verbessert werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur, nämlich die

Fig. 1 im Axialschnitt und in Teildarstellung die funk­ tionswichtigen Teile eines Membranarbeits­ elements, bei dem die Merkmale der Erfindung verwirklicht sind.

In der Fig. 1 ist in Teildarstellung und im Axialschnitt ein mit Unterdruck beaufschlagbares Membranarbeitselement darge­ stellt, bei dem eine glockenförmige Arbeitsmembran 1 mittig eine Arbeitsplatte 2 umschließt, an die wiederum eine Stell­ stange 3 angelenkt ist. Zwischen einem Bodenteil 4 und einem Deckelteil 5 eines zweiteiligen Membrangehäuses ist die Arbeitsmembran 1 derart fluiddicht eingespannt, daß unter der Arbeitsmembran 1 im Bodenteil 4 des Membrangehäuses eine Unterdruckkammer 6 abgegrenzt ist.

Die Stellstange 3 ist, bezogen auf die Mittelachse des runden Gehäuses, zentralaxial aus dem Deckelteil 5 des zweiteiligen Gehäuses axial verschiebbar herausgeführt.

Die aus Kunststoff bestehende Arbeitsplatte ist zentral in der glockenförmigen Membran 1 eingeschlossen. Dabei kann die Arbeitsplatte 2 entweder in die Membran 1 eingeknöpft oder während des Herstellungsprozesses der Membran 1 mit dem Elastomer, aus dem die Membran 1 besteht, umspritzt werden. Insbesondere besteht die Membran 1 aus Siliconkautschuk.

In der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise ist der Membrananschluß­ abschnitt 7, über den der flexible Rollmantel 8 der Arbeits­ membran 1 an die Arbeitsplatte 2 angebunden ist, in der Weise in der Ebene der Arbeitsplatte 2 verstärkt ausgebildet, daß er eine deutlich geringere Flexibilität als der Rollmantel 8 auf­ weist. Dabei ist der Membrananschlußabschnitt 7 so ausge­ bildet, daß er insgesamt zumindest im wesentlichen oberhalb der Mittelebene 9 der Arbeitsplatte 2 liegt, daß seine der Unterdruckkammer 6 abgewandte obere oder äußere kreisring­ förmige Oberfläche 10 in einer Ebene mit der ebenfalls der Unterdruckkammer 6 abgewandten Oberfläche 11 der ummantelten Arbeitsplatte 2 liegt.

Die plane Oberfläche 10,11 der ummantelten Arbeitsplatte 2 und des Membrananschlußabschnitts 10 liegt in der in Fig. 1 gezeigten deckelnahen Endlage der Membran 1, in der die Unter­ druckkammer 6 nicht beaufschlagt ist, an Anschlägen 12,13 an, die auf der Innenwandfläche des Deckelteils 5 ausgebildet sind.

Um den Aufbau von Stördrücken zu vermeiden, die die Funktion des Membranarbeitselements stören oder beeinträchtigen können, sind an den Außenrändern der Oberfläche 10,11 Anschlagstege 14 vorgesehen, deren Anschlagkanten in der Ebene der Oberfläche 11 der ummantelten Arbeitsplatte 2, also in der Kreisring­ fläche 10 liegen. Zwischen den Anschlagrippen 14 bewirken die so gebildeten Einschnitte oder Zwischenräume eine zuverlässige kommunizierende Belüftung der Nebenkammern 15,16 des Deckel­ teils 5 des Membrangehäuses.

Auf der der Unterdruckkammer 6 zugewandten Seite ist der Membrananschlußabschnitt 7 nach Art einer im Profil U-förmigen und zur Unterdruckkammer 6 hin offenen ringförmigen Rinne 17 ausgebildet. Der Krümmungsradius der Rinne 17 ist mindestens gleich der Dicke der Membranwand außerhalb des Membran­ anschlußabschnitts, also mindestens gleich der Dicke der Wand der Membran l im Rollabschnitt 8. Dieser Krümmungsradius, der in der Fig. 1 nicht maßstäblich gezeigt ist, liegt vorzugs­ weise im Bereich des einfachen bis 1,8-fachen der Membranwand­ stärke im Rollbereich 8. Wenn der Krümmungsradius zu klein wird, tritt eine scharfkantige axial verlaufende Faltung der Membran auf, die unter dynamischer Belastung zum Reißen der Membran führt. Die gleich unerwünschte Wirkung tritt auf, wenn der Radius so groß wird, daß er durch die elastische Steifig­ keit des Membrananschlußabschnitts nicht mehr ausreichend stabilisiert wird, so daß auch dann bei Unterdruckbeauf schlagung der Unterdruckkammer 6 und damit der maximalen Belastung der Membran 1 ein Zusammendrücken und axiales Abknicken des Rinnenbereichs und damit wiederum die Ausbildung der axialen Faltung der Membran erfolgt.

Der untere Rand 18 der ummantelten Arbeitsplatte 2 ist mit einem, bezogen auf die Arbeitsplatte, radial auswärts vorspringenden angeformten Wulstring 19 versehen, der in dem die eigentliche steife Arbeitsplatte ummantelnden Abschnitt der Arbeitsmembran 1 ausgeformt ist, und der die Sohlen­ konfiguration der Rinne 17 stabilisierenden Abstützung der durch den Unterdruck in der Unterdruckkammer 6 einwärts verformten Membran 1 dient. Die Kontur des Rollabschnitts 8′ der Membran 1 bei Beaufschlagung der Unterdruckkammer 6 mit Betriebsunterdruck ist in der Fig. 1 mit unterbrochenen Linien dargestellt. Dieser mit unterbrochenen Linien dargesteilte Zustand zeigt den Gesamtzustand des Membranarbeitselements und insbesondere der Membran 1 kurz vor Erreichen des Betriebs­ wertes des Unterdrucks und damit kurz vor dem Auslösen des über die Stellstange 3 übertragenen Stellvorgangs oder Steuer­ vorgangs. In diesem Zustand unterliegt die Arbeitsmembran 1 ihrer maximalen Verformungsbelastung. Dabei ist diese Belastung in der in der Fig. 1 dargestellten und deutlich ersichtlichen Weise so lange auch langfristig von der Membran 1 auffangbar, wie kein Abknicken und damit keine Faltenbildung im Bereich des Anschlusses des flexiblen Teils der Membran 1, also des Rollabschnitts 8, an die ummantelte Arbeitsplatte 2, also ausgehend vom Membrananschlußabschnitt 7, eintritt.

In der aus Fig. 1 schließlich ebenfalls ersichtlichen Weise, ist das hier als Ausführungsbeispiel beschriebene Membran­ arbeitselement als Schaltdose mit Innenwänden 20,21 ausgebil­ det, die zur Richtung der Axialverschiebung der Stellstange 3 parallel verlaufen. Dies bedeutet, daß das in der Fig. l gezeigte Membranarbeitselement bezogen auf die erforderliche Ausgangsleistung in seinen radialen Außenabmessungen so klein wie möglich bemessen ist. Dies bedeutet gleichzeitig, daß zwischen dem äußeren Rand der Arbeitsplatte 2 und der Innen­ wand 20,21 des Membrangehäuses 4,5 ein nur noch schmaler zylindrischer Ringraum für die Rollverformung des Roll­ abschnitts 8 der Membran 1 verfügbar ist. Dies bedeutet zusätzlich zu den relativ hohen Betriebsdrücken eine ungewöhn­ lich hohe Spannungsbelastung der Membran 1. Daß mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dennoch rund 350.000 Schaltzyklen bei einem Betriebsdruck von 0,6 bar ohne Ein­ reißen der Membran erzielbar sind, liegt dabei daran, daß die Membran durch die vorstehend beschriebene spezielle Ausgestal­ tung des Anbindungsbereiches an die Arbeitsplatte 2 keine Axialfalten wirft.

Claims (6)

1. Mit Unterdruck beaufschlagbares Membranarbeitselement, bei dem eine glockenförmige oder wannenförmige Arbeitsmembran (1), die mit­ tig eine Arbeitsplatte (2), an die wiederum eine Stellstange (3) ange­ lenkt ist, zumindest im wesentlichen vollständig umschliesst, zwischen einem Bodenteil (4) und einem Deckelteil (5) eines zweiteiligen Membrangehäuses derart eingespannt ist, daß unter der Arbeits­ membran im Bodenteil des Membrangehäuses eine Unterdruckkammer (6) abgegrenzt ist, bei dem die axial verschiebbare Stellstange (3) durch das Deckelteil (5) des Membrangehäuses aus diesem herausge­ führt ist, und bei dem die Arbeitsmembran an der der Unterdruck­ kammer des Membrangehäuses ab gewandten Seite der Arbeitsplatte über einen in der Ebene der Arbeitsplatte liegenden verstärkten Membrananschlussabschnitt (7) angebunden ist, der eine zur Unter­ druckkammer hin offene, zumindest im wesentlichen U-förmige Rinne (17) bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Rinne (17) mindestens gleich der Dicke der Membranwand (8) ausserhalb des Membrananschlussab­ schnitts (7) ist.

2. Membranarbeitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (20,21) des Membrangehäusesß (4,5) parallel zur Verschieberichtung der Stellstange (3) verlaufen.

3. Membranarbeitselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Seite der Unterdruckkammer (6) liegende Rand (18) der mit der Membran ummantelten Arbeitsplatte (2) als Stützring (19) für die sich bei Unterdruckbeaufschlagung der Unterdruckkammer (6) einziehende Membran (1; 8) ausgebildet ist.

4. Membranarbeitselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (19) der Arbeitsplatte radial vorspringend ausgebildet ist.

3. Membranarbeitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Unterdruckkammer (6) abgewandte Oberfläche (11) der mit dem Arbeitsmembranmaterial überzogenen Arbeitsplatte (2) und die der Unterdruckkammer ebenfalls abgewandte kreisringförmige Oberfläche (10) des Membrananschlussabschnitts (7) eine einheitliche plane Oberfläche bilden, die bei belüfteter Unterdruckkammer an dem Deckelteil (5) des Membrangehäuses anliegt.

6. Membranarbeitselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die um die Oberfläche (10) des Membrananschlussabschnitts (7) erweiterte Oberfläche (11) der Arbeitsplatte (2) radiale Anschlagstege (14) aufweist, deren Anschlagkanten in der Ebene der Oberfläche (11) der Arbeitsplatte liegen.