DE102008014506A1

DE102008014506A1 - Zylinder

Info

Publication number: DE102008014506A1
Application number: DE102008014506A
Authority: DE
Inventors: Jens-Thorsten Gronau; Mike Heurich; Christian SEESTÄDT; Tino Wiggers
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2008-03-15
Filing date: 2008-03-15
Publication date: 2009-09-17
Also published as: ES2397506T3; EP2257712A1; EP2257712B1; CN101952606A; US20110048363A1; JP5605851B2; JP2011514498A; WO2009115168A1; CN101952606B; US8833234B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinder mit einem in einem Zylindergehäuse (12) laufenden Kolben (14), der an einer Zylinderstange (16) befestigt und um eine Zylinderlängsachse (L) drehbar ist, und einem Positionssensor (18), der einen Sensormagneten (20) und ein Sensorelement (22), das mit dem Sensormagneten (20) zusammenwirkt, umfasst, und ausgebildet ist zum Erfassen einer Zylinderstangenposition relativ zu dem Zylindergehäuse (12). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Sensormagnet (20) drehbar bezüglich der Zylinderstange (16) an der Zylinderstange befestigt und drehfest bezüglich des Zylindergehäuses (12) geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinder mit einem in einem Zylindergehäuse laufenden Kolben, der an einer Zylinderstange befestigt und um eine Zylinderachse drehbar ist, und einem Positionssensor, der einen Sensormagneten und ein Sensorelement, das mit dem Sensormagneten zusammenwirkt, umfasst, wobei der Sensormagnet ausgebildet ist zum Erfassen einer Zylinderstangenposition relativ zu dem Zylindergehäuse. Zudem können benachbart angeordnete Sensoren durch die Teilmagneten gestört werden.
Ein derartiger Kolben ist beispielsweise aus der DE 20 2005 005 508 U1 bekannt. Dabei sind an dem Kolben sich zu einem magnetischen Ring ergänzende Teilmagneten angeordnet, deren Magnetfeld von einem Magnetfeldsensor erfasst wird. Nachteilig an dem Kolben ist sein hoher Fertigungsaufwand.
Aus der DE 20 2007 001 020 U1 ist ein fluidischer Zylinder mit einer Positionserfassungseinrichtung für die Kolbenposition bekannt. Auch hieran ist nachteilig, dass der Zylinder aufwändig zu fertigen und schlecht zu warten ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leicht zu fertigenden Zylinder anzugeben, der zudem einfach zu warten ist und umliegende Sensoren weniger stark beeinflusst.
Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Zylinder, bei dem der Sensormagnet bezüglich der Zylinderstange drehbar an der Zylinderstange befestigt und bezüglich des Zylindergehäuses drehfest geführt ist.
Vorteilhaft hieran ist, dass ein derartiger Zylinder einfach zu fertigen ist. So kann ein Standardzylinder verwendet werden, an dem lediglich der spezielle Positionssensor befestigt werden muss. Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Positionssensor in Umfangsrichtung keinerlei zusätzlichen Bauraum beansprucht, so dass der Zylinder in Umfangsrichtung schmal baut.
Ein weiterer Vorteil ist, dass ein sehr kleiner Magnet verwendet werden kann, was die Herstellkosten senkt. Gleichzeitig sind Streufelder deutlich reduziert, wodurch umliegende Sensoren weniger beeinflusst werden.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Zylinderstange insbesondere jedes Bauteil verstanden, was bezüglich der Betätigungsrichtung des Kolbens fest mit dem Kolben gekoppelt ist. So kann die Zylinderstange mehrere Teilzylinderstangen umfassen, die schubstabil oder durch Gelenke aneinander befestigt sind. Unter dem Merkmal, dass ein Objekt drehfest bezüglich eines anderen Objektes angeordnet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass ein freies Drehen, beispielsweise um mehrere Umdrehungen nicht möglich ist. Das schließt aber nicht aus, dass ein Verschwenken um einen kleinen Winkelbereich, beispielsweise weniger als 20°, möglich sein kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Sensormagnet ausschließlich über einen Bruchteil eines Zylinderstangen-Umfangswinkels der Zylinderstange. Da der Sensormagnet drehfest bezüglich des Zylindergehäuses geführt ist, ist es lediglich notwendig, dass der Sensormagnet stets dem Sensorelement zugewandt ist. Auf einer dem Sensorelement abgewandten Seite der Zylinderstange ist kein magnetisches Element notwendig und möglicherweise sogar schädlich, da umliegende Sensoren beeinflusst werden können. Vorteilhaft hieran ist, dass das magnetische Element klein und damit kostengünstig herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass das magnetische Feld, das den Sensormagnet umgibt, nur in unmittelbarer Nähe des Sensorelements vorliegt. Dadurch werden magnetische Störfelder vermieden, die ansonsten andere in der Nähe angeordnete Sensoren stören können. Vorteilhaft ist zudem, dass ein kleiner Sensormagnet auf weniger durch externe Magnetfelder beeinflusst wird, was seinerseits die Messgenauigkeit erhöht.
Es hat sich herausgestellt, dass es ausreichend und vorteilhaft ist, wenn der Sensormagnet sich über weniger als ein Drittel, insbesondere weniger als ein Fünftel, des Zylinderstangen-Umfangswinkels der Zylinderstange erstreckt. Es ist sogar möglich, dass sich der Sensormagnet über weniger als 70° oder sogar weniger als 45° über den Zylinderstangen-Umfangswinkel erstreckt.
Ein besonders einfach zu fertigender Sensormagnet wird erhalten, wenn dieser kreissegmentförmig ist. Besonders vorteilhaft daran ist, dass ein derartiger Sensormagnet bei gegebener Magnetfeldstärke radial besonders klein baut.
Ein konstruktiv besonders einfacher Kolben wird erhalten, wenn der Sensormagnet an einem Adapter befestigt ist, wobei der Adapter an einer dem Sensorelement abgewandten Seite frei von magnetisiertem Material ist und bezüglich der Zylinderstangen-Längsrichtung in zumindest eine Richtung unverschieblich an der Zylinderstange befestigt ist. Dadurch, dass der Adapter an einer dem Sensorelement zugewandten Seite frei von magnetisiertem Material ist, werden räumlich ausgedehnte Magnetfelder vermieden, die umliegend positionierte Magnetfeldsensoren stören können. Durch den Verzicht auf magnetisiertes Material kann der Zylinder zudem besonders einfach kostengünstig gefertigt werden. Unter dem Merkmal, dass der Adapter bezüglich der Zylinderstangen-Längsrichtung in zumindest eine Richtung verschieblich an der Zylinderstange befestigt ist, ist insbesondere zu verstehen, dass eine Bewegung des Kolbens in zumindest eine Richtung stets zu einer Bewegung des Adapters in die gleiche Richtung führt. Der Adapter wird in anderen Worten in zumindest eine Richtung von der Zylinderstange mitgenommen.
Bevorzugt ist der Adapter um die Zylinderstangen-Längsrichtung drehsicher in einer Führungshülse geführt. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Führungshülse relativ zum Zylindergehäuse ruht, so dass der Adapter relativ zum Zylindergehäuse keine Drehbewegung ausführen kann. Eine Schwenkbewegung um wenige Grad kann aber möglich sein. Dazu ist nicht notwendig, dass das Zylindergehäuse und die Führungshülse direkt miteinander verbunden sind. So ist es möglich, dass beispielsweise das Zylindergehäuse und die Führungshülse gemeinsam an einem dritten Objekt befestigt sind.
Eine besonders einfach und wenig störungsanfällige Konstruktion wird erhalten, wenn der Adapter eine Führungsnut aufweist, in die ein Führungsvorsprung der Führungshülse eingreift. Selbstverständlich ist es alternativ oder additiv auch möglich, dass der Adapter einen Führungsvorsprung aufweist, der in eine Ausnehmung in der Führungshülse eingreift.
Bevorzugt weist die Zylinderstange einen Anschlag für den Adapter auf, wobei der Kolben eine relativ zum Zylindergehäuse drehsicher befestigte Feder, insbesondere eine Spiralfeder, umfasst, die den Adapter auf den Anschlag vorspannt. Der Adapter ist dabei drehsicher an der Feder befestigt, so dass der Adapter drehsicher relativ zum Zylindergehäuse ist. Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Spiralfeder die Zylinderstange umgibt und an dem Adapter befestigt, beispielsweise eingeklippst ist. Auf der dem Adapter gegenüberliegenden Seite ist die Spiralfeder dann drehfest relativ zum Zylindergehäuse gelagert. Der Adapter kann so kleine Schwenkbewegungen um die Zylinderstangen-Längsachse ausführen, wird durch die Feder jedoch stets in eine Ruhelage zurückgedrückt. Diese Konstruktion hat den Vorteil, besonders einfach zu fertigen und zu warten zu sein.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines oben beschriebenen Kolbens in einem Getriebesteller für ein automatisches oder halbautomatisches Getriebe. Dabei kann der Zylinder bevorzugt zum Schalten einer Gasse des Getriebes ausgebildet sein. Bei einem derartigen Getriebesteller dürfen weder eine Gassenstange, die zum Schalten der Gasse dient, noch der sie zu betätigende Zylinder drehfest ausgebildet sein. Bei bekannten Getriebestellern sind deshalb Ringmagneten vorgesehen, die mit dem Sensorelement zusammenwirken. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Ringmagneten umliegende Sensoren beeinflussen können, beispielsweise einen Gangsensor zum Ermitteln einer Gangstellung des Getriebes oder einen Splitsensor zum Ermitteln einer Schaltstellung einer Splitstufe des Getriebes. Mit einem erfindungsgemäßen Zylinder, der ein Pneumatik-Zylinder oder ein Hydraulik-Zylinder sein kann, wird dieses Problem vermieden.
Bevorzugt ist der Positionssensor als Gassensensor ausgebildet, der eine Position einer Gassenstange des Getriebes erfasst. In diesem Fall ist der Sensormagnet ein Gassensensormagnet und das Sensorelement ein Gassensensorelement. Bei den Sensorelementen handelt es sich bevorzugt um magnetinduktive Sensorelemente, insbesondere um PLCD-Sensorelemente (PLCD, permanet magnet linear contact-less displacement, linear, kontaktlose Verschiebesensoren mit Permanentmagneten).
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zylinder,
2 eine Explosionszeichnung des Zylinders gemäß 1,
3 eine Seitenansicht eines Teils der Komponenten eines erfindungsgemäßen Zylinders gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinders, der Teil eines erfindungsgemäßen Getriebestellers ist und
5 eine Detail-Querschnittsansicht des Zylinders gemäß 4.
1 zeigt einen Zylinder 10 mit einem in einem Zylindergehäuse 12 laufenden Kolben 14, der an einer Zylinderstange 16 befestigt und um eine Zylinderstangen-Längsachse L drehbar befestigt ist.
Der Zylinder 10 umfasst zudem einen Positionssensor 18, der einen Sensormagneten 20 und ein Sensorelement 22 umfasst, das mit dem Sensormagneten 20 zusammenwirkt. Der Positionssensor 18 ist so ausgebildet, dass er die Position des Kolbens 14 auf einer Höhe zur Zylinderstangen-Längsachse L misst.
Der Kolben 14 ist bezüglich des Zylindergehäuses 12 um die Längsachse L um einen Drehwinkel φ drehbar. Der Sensormagnet 20 ist bezüglich des Zylindergehäuses 12 stets gegenüber dem Sensorelement 22 angeordnet, indem er drehfest bezüglich des Zylindergehäuses 12 angeordnet ist. Dazu ist der Sensormagnet 20 an einem Adapter 24 befestigt. Beispielsweise ist der Sensormagnet 20 in dem Adapter 24 eingespritzt, eingeklebt oder eingeklippst. Der Kolben 14 und die Zylinderstange 16 sind relativ zum Adapter 24 drehbar. Der Adapter 24 ist in erste Richtung R₁ entlang der Zylinderstangen-Längsachse L verschieblich an der Zylinderstange 16 gelagert. Dazu umgibt der Adapter 24 die Zylinderstange 16 ringförmig und bildet mit der Zylinderstange 16 eine Spielpassung 26.
Bezüglich einer der ersten Richtung R₁ entgegengesetzten zweiten Richtung R₂ ist der Adapter 24 nicht relativ zum Kolben 14 bewegbar, da er an einen Anschlag 28 anschlägt, der durch eine Fläche des Kolbens 14 gebildet ist.
Der Adapter 24 ist ein Kunststoff-Spritzgussteil, das unmagnetisch und unmagnetisierbar ist, so dass lediglich in einer Umgebung des Sensormagneten 20 ein Permanentmagnetfeld existiert. Das Sensorelement 22 ist ausgebildet, um dieses Magnetfeld entlang der Zylinderlängsachse L ortsaufgelöst zu messen und daraus die Position des Kolbens 14 zu bestimmen. An den Adapter 24 ist eine Spiralfeder 30 angebracht, beispielsweise angeklippst. Dadurch ist die Spiralfeder drehfest an dem Adapter 24 befestigt. Mit ihrem dem Adapter 24 abgewandten Ende ist die Spiralfeder 30 in einer Aufnahmenut 32 an dem Zylindergehäuse 14 drehfest befestigt. Im Umfang von wenigen Grad kann dadurch der Sensormagnet 20 um die Zylinderlängsachse L verschwenken, wird jedoch durch die Spiralfeder 30 stets auf eine vorgegebene Drehwinkelposition zurückgeführt.
2 zeigt eine Explosionszeichnung der in dem Zylindergehäuse 12 angeordneten Komponenten, wobei auch ein Dichtgummi 34 des Kolbens 14 erkennbar ist. Es ist zu erkennen, dass der Sensormagnet 20 sich nur um einen Bruchteil eines Zylinderstangen-Umfangswinkels der Zylinderstange 16 erstreckt. In anderen Worten könnte eine Vielzahl von Sensormagneten 20 in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet werden, bis die Zylinderstange 16 vollständig radial von Sensormagneten 20 umgeben wäre. Die Bestimmung des Zylinderstangen-Umfangswinkels wird weiter unten in Zusammenhang mit 4 näher erläutert.
3 zeigt die Komponenten einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinders. In dieser Ausführungsform durchgreift die Zylinderstange 16 anders als bei der Ausführungsform gemäß 2 weder den Adapter 24 noch die Spiralfeder 30. Bei beiden Ausführungsformen, sowohl nach 2 als auch nach 3, sind der Adapter 24 mit dem Sensormagneten 20 sowie die Spiralfeder 30 im Zylindergehäuse 12 angeordnet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass Adapter 24 und Spiralfeder 30 außerhalb des Zylindergehäuses 12 angeordnet sind.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinders, wobei das Zylindergehäuse 12 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden ist. Die Zy linderstange 16 durchgreift den Adapter 24, der den kreissegmentförmigen Sensormagneten 20 haltert. Dazu besitzt der Adapter 24 eine Sensormagnetaufnahme 36 und einen Klemmvorsprung 38. Der Sensormagnet 20 ist in der Sensormagnetaufnahme 36 aufgenommen und wird vom Klemmvorsprung 38 festgehalten.
Der Adapter 24 ist wiederum um den Drehwinkel φ frei um die Zylinderstangen-Längsachse L der Zylinderstange 16 schwenkbar. Der Sensormagnet 20 erstreckt sich zudem über einen Zylinderstangen-Umfangswinkel α, der wie skizziert bestimmt wird. Dazu wird eine Messebene E aufgespannt, durch die die Zylinderstangen-Längsachse L verläuft. Der Zylinderstangen-Umfangswinkel α ist der derjenige Winkel, der zwischen zwei Messebenen E existiert, die gerade die Außenseiten des Sensormagneten 20 berühren. Je kleiner der Zylinderstangen-Umfangswinkel α ist, desto weniger werden etwaige umliegende Sensoren durch Streufelder negativ beeinflusst. In 4 beträgt α ungeführt 90°.
Der Adapter 24 besitzt in der Ausführungsform gemäß 4 eine Führungsnut 40, in die eine Führungsnase 42 (vgl. 5) einer Führungshülse 44 eingreift.
Wie 4 zeigt, ist der Adapter 24 fest mit dem Kolben 14 über eine Schraube 46 verbunden und damit relativ zum Kolben 14 unbeweglich. Der Kolben 14 ist zur Kolbenstange 16 drehbar, so dass der Adapter z24 auch drehbar bezüglich der Zylinderachse ist. In andren Worten ist die Zylinderstange 16 drehbar bezüglich des Adapters 24 und damit bezüglich des Sensormagneten 20.
5 zeigt einen Querschnitt durch den Zylinder 10, dessen inneren Komponenten in 4 gezeigt sind. Es ist zu erkennen, dass die Führungshülse 44 an einem Ende des Zylindergehäuses 14 angebracht ist und gegenüber diesem mit einem O-Ring 48 abgedichtet ist. In 5 ist das Dichtgummi 34 direkt am Kolben 14 angebracht. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Dichtgummi 34 am Adapter 24 angebracht ist. Es ist zudem möglich, dass, wie in der ersten beschriebenen Ausführungsform, der Adapter 24 relativ zum Kolben 14 verdrehbar ist, so dass der Kolben sich in dem Zylindergehäuse 12 drehen kann, ohne dass der Sensormagnet 20 sich von seiner Position gegenüber dem Sensorelement 22 entfernt. Es ist zudem möglich, dass der Adapter 24 einen integralen Bestandteil des Kolbens 14 darstellt.
Durch das Eingreifen der Führungsnase 42 in die Führungsnut 40 des Adapters 24 kann die Zylinderstange 16 frei mit Bezug auf das Zylindergehäuse drehen und dennoch ist der Sensormagnet drehfest bezüglich des Zylindergehäuses 12 geführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202005005508 U1 [0002]
- DE 202007001020 U1 [0003]

Claims

Zylinder mit (a) einem in einem Zylindergehäuse (12) laufenden Kolben (14), der (i) an einer Zylinderstange (16) befestigt und (ii) um eine Zylinderlängsachse (L) drehbar ist, und (b) einem Positionssensor (18), der (i) einen Sensormagneten (20) und (ii) ein Sensorelement (22), das mit dem Sensormagneten (20) zusammenwirkt, umfasst, und (iii) ausgebildet ist zum Erfassen einer Zylinderstangenposition relativ zu dem Zylindergehäuse (12), dadurch gekennzeichnet, dass (c) der Sensormagnet (20) (i) drehbar bezüglich der Zylinderstange (16) an der Zylinderstange befestigt und (ii) drehfest bezüglich des Zylindergehäuses (12) geführt ist.
Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sensormagnet (20) ausschließlich über einen Bruchteil eines Zylinderstangen-Umfangswinkels (a) der Zylinderstange (16) erstreckt.
Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sensormagnet (20) über weniger als ein Drittel, insbesondere weniger als ein Fünftel, des Zylinderstangen-Umfangswinkels (a) der Zylinderstange (16) erstreckt.
Zylinder nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensormagnet (20) kreissegmentförmig ist.
Zylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensormagnet (20) an einem Adapter (24) befestigt ist und der Adapter (24) (i) an einer dem Sensorelement (22) abgewandten Seite frei von magnetisiertem Material ist und (ii) bezüglich der Zylinderstangen-Längsrichtung in zumindest eine Richtung unverschieblich an der Zylinderstange (16) befestigt ist.
Zylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (24) um die Zylinderstangen-Längsachse (L) drehsicher in einer Führungshülse (44) geführt ist.
Zylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (24) eine Führungsnut (40) aufweist, in die eine Führungsnase (42) der Führungshülse (44) eingreift.
Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die Zylinderstange (16) einen Anschlag (28) für den Adapter (24) aufweist und (ii) der Kolben (14) eine relativ zum Zylindergehäuse (12) drehsicher befestigte Feder (30), insbesondere Spiralfeder, umfasst, die den Adapter (24) auf den Anschlag (28) vorspannt, (iii) wobei der Adapter (24) drehsicher an der Feder (30) befestigt ist, so dass der Adapter (24) drehsicher relativ zum Zylindergehäuse (12) ist.
Getriebesteller für ein Getriebe, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Zylinder (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst, wobei der Zylinder (10) zum Schalten einer Gasse ausgebildet ist und wobei die Zylinderstange (16) mit einer Gassenstange des Getriebes gekoppelt ist.
Getriebe mit einem Getriebesteller nach Anspruch 9.