DE102004062099A1

DE102004062099A1 - Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE102004062099A1
Application number: DE200410062099
Authority: DE
Inventors: Hans Gerards; Udo Rauschning
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: DE102004062099B4

Abstract

Eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Klappen, wie Drossel-, Drall- oder Abgasklappen, weist ein Antriebselement (10), insbesondere einen Elektromotor, auf. Mit dem Antriebselement ist ebenfalls über ein zwischengeschaltetes Getriebe (18, 20) und einen ggf. vorgesehenen Spindeltrieb (24, 26) ein Übertragungselement (34) verbunden. Das Übertragungselement (34) ist über eine ggf. zwischengeschaltete Hebeleinrichtung mit der Klappe verbunden. Um die bei Erreichen einer Endposition der Klappe auf Grund der Trägheit des Antriebselements etc. verbleibende Energie aufnehmen zu können, ist erfindungsgemäß ein Energiespeicherelement (28, 38) zur Aufnahme von Rotationsenergie zwischen dem Antriebselement (10) und dem Übertragungselement (34) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Klappen.
Zum Zuführen und Abführen von Gasen zu bzw. von Brennkraftmaschinen sind in Kraftfahrzeugen unterschiedliche Klappen, wie Drosselklappen, Drallklappen und Abgasklappen vorgesehen. Die Klappen sind mit einer Stelleinrichtung zum Verschwenken verbunden. Die Stelleinrichtung weist üblicherweise einen Elektromotor, insbesondere einen Gleichstrommotor, als Antriebselement sowie ein Übertragungselement zum Betätigen der Klappe auf. Ggf. ist zwischen dem Antriebselement und dem Übertragungselement ein Getriebe vorgesehen. Das Übertragungselement kann beispielsweise auf einen mit der Klappe verbundenen Hebelmechanismus eine Zug- und Druckkraft übertragen. Ebenso kann es sich bei dem Übertragungselement um eine Welle handeln, die unmittelbar oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe mit einer Schwenkachse der Klappe verbunden ist.
Zusätzlich zu ggf. anfahrbaren Zwischenpositionen der Klappen werden insbesondere die Endpositionen der Klappen häufig angefahren. In den beiden Endpositionen ist ein Strömungsquerschnitt, in dem die Klappe angeordnet ist, beispielsweise vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen. In diesen Endpositionen sind üblicherweise Anschläge vorgesehen. Auf Grund der kinetischen Energie der Stelleinrichtung ist es zum Anfahren der Endpositionen erforderlich, das Antriebselement, d.h. üblicherweise den Elektromotor, entsprechend zu steuern, um ein langsames Anfahren der Endpositionen zu ermöglichen. Andernfalls kann ein Verklemmen oder Verkeilen der Klappe an den Anschlägen erfolgen. Ferner kann bei einem ungebremsten Anfahren der Endpositionen ein Beschädigen der Klappe, des Getriebes oder anderer Elemente der Stelleinrichtung erfolgen. Das Vorsehen einer entsprechenden elektronischen Steuereinrichtung, die ein langsames Anfahren der Endpositionen gewährleistet, ist jedoch aufwändig. Ferner erhöht sich die erforderliche Zeit zum Anfahren einer Endposition und somit eine ggf. gewünschte kurze Reaktionszeit.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, an den Endanschlägen dämpfende Materialien vorzusehen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dämpfende Materialien ggf. von dem Kraftstoff oder den Abgasen angegriffen werden. Ferner kann durch die elastischen dämpfenden Materialien ein Rückimpuls auf die Klappe ausgeübt werden, durch die die Klappe ggf. aus der Endposition herausgedreht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Klappen zu schaffen, mit der auf einfache Weise ein sicheres Anfahren von Endpositionen möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung für Klappen, wie Drossel-, Drall-, Abgasklappen und dgl. weist ein Antriebselement, wie beispielsweise einen Elektromotor, auf. Mit dem Antriebselement ist ggf. über ein zwischengeschaltetes Getriebe ein Übertragungselement verbunden. Das Übertragungselement ist wiederum mit der Klappe bzw. mit der Klappenwelle verbunden, wobei ggf. ein Getriebe oder ein Hebelmechanismus zwischengeschaltet ist. Um beispielsweise ein Verklemmen der Klappe in einer Endposition oder ein Beschädigen von Teilen der Stelleinrichtung eines Hebelmechanismus etc. zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die kinetische Energie des Antriebselements beim Anfahren einer Endposition der Klappe in einem zwischen dem Antriebselement und dem Übertragungselement angeordneten Energiespeicherelement aufgenommen. Das erfindungsgemäße Energiespeicherelement nimmt somit zumindest einen Teil der in dem Antriebselement bei Erreichen einer Endposition verbleibenden Rotationsenergie auf. Hierdurch ist ein Verklemmen der Klappe in der Endposition oder ein Beschädigen von Bauteilen vermieden.

Vorzugsweise ist das Energiespeicherelement, bzw. ein Teil des Energiespeicherelements elastisch, insbesondere drehelastisch, verformbar. Auf Grund der elastischen Verformbarkeit des Energiespeicherelements wird von dem Energiespeicherelement in verformtem Zustand eine Kraft auf die Übertragungseinrichtung ausgeübt, durch die die Klappe in der Endposition gehalten wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Energiespeicherelement zur Energiespeicherung verdrillbar ausgebildet. Insbesondere kann es sich hierbei um einen gewickelten Draht, insbesondere einen Federdraht, handeln, der beim Anfahren der Endposition verdrillt wird und somit Rotationsenergie speichert. Auch ein derartiges Energiespeicherelement überträgt in verdrillter Stellung eine Kraft auf die Klappe, durch die diese in der Endposition gehalten wird. Insbesondere handelt es sich bei einem derartigen verdrillbaren Energiespeicherelement um einen schraubenlinienförmig gewickelten Federdraht. Ebenso kann das verdrillbare Energiespeicherelement spiralförmig mit zunehmendem Außendurchmesser gewickelt sein. Selbstverständlich ist auch eine Kombination einer spiralförmig und einer schraubenlinieförmig gewickelten Feder oder dgl. möglich.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Antriebselement und dem Übertragungselement ein Spindeltrieb vorgesehen, der ggf. auch als Getriebe dient. Es kann jedoch auch zusätzlich zum Spindeltrieb ein Getriebe zur Über- oder Untersetzung vorgesehen sein. Hierbei ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Spindel des Spindeltriebs derart ausgebildet, dass sie als Energiespeicherelement dient. Hierbei kann es sich um das einzige oder ein zusätzliches Energiespeicherelement der Stelleinrichtung handeln. Da ggf. nur geringe Mengen an Rotationsenergie in dem Energiespeicherelement gespeichert werden müssen, ist es möglich, als Spindel einen schraubenlinienförmig gewickelten Draht vorzusehen. Zur Aufnahme der Rotationsenergie verdrillt sich dieser geringförmig innerhalb der Spindel. Dies führt zu einer Art Selbsthemmung, jedoch bei entsprechender Auslegung nicht zu einem Verklemmen der Spindel in der Spindelmutter.

Besonders bevorzugt ist es, dass die Spindel des Spindeltriebs mit dem Energiespeicherelement verbunden ist. Hierbei kann beispielsweise die Spindel als Gewindestange ausgebildet und mittelbar oder unmittelbar mit dem Energiespeicherelement verbunden sein. Besonders bevorzugt ist es, die Spindel zusammen mit dem Energiespeicherelement einstückig auszubilden und insbesondere als gewickelte Feder auszubilden. Hierbei kann der als Spindel dienende Bereich dieses Elements fester und der sich hieran anschließende, als Energiespeicherelement dienende Teil lockerer gewickelt sein. Dies hat zur Folge, dass die Verdrillung überwiegend in dem lockerer gewickelten Bereich stattfindet. Hierbei kann der als Energiespeicherelement dienende Bereich vorzugsweise spiral- und schraubenlinienförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise vergrößert sich der Durchmesser der Wickelung in Richtung des Übertragungselements, d.h. von der Spindel weg.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das oder ein zusätzliches Energiespeicherelement mit der Spindelmutter verbunden. Ein derartiges Energiespeicherelement kann als Übertragungswelle zwischen der Spindelmutter und dem Antriebselement mit einem ggf. zwischengeschalteten Getriebe vorgesehen sein. Auch dieses Energiespeicherelement kann als Drehfeder ausgebildet sein.

Auf Grund der in dem Energiespeicherelement gespeicherten Rotationsenergie wird von dem Energiespeicherelement auf das Übertragungselement eine Kraft ausgeübt. Diese dient als Vorspannkraft bzw. Haltekraft für die Klappe, so dass diese in der Endposition gehalten wird. Zum Lösen der Klappe aus der Endposition bzw. zum Drehen der Klappe in entgegengesetzte Richtung wird vorzugsweise ein definierter Stromimpuls an den Elektromotor angelegt, um kurzzeitig eine erhöhte Kraft zum Lösen der Vorspannung aufbringen zu können.

Ferner ist es möglich, durch einen definierten Stromimpuls das elastische Kopfelement bzw. das Energiespeicherelement entgegen der gewünschten Drehrichtung zunächst vorzuspannen, um sodann bei einer Drehrichtungsumkehr das von dem Energiespeicherelement erzeugte Drehmoment zusätzlich zu dem Drehmoment des Elektromotors bzw. des Antriebselement nutzen zu können. Hierdurch ist beispielsweise sichergestellt, dass die in dem Spindeltrieb auftretende Haftreibung überwunden wird.

Dieses erhöhte Drehmoment kann ebenfalls genutzt werden, um beispielsweise eine Klappe in eine Einrastposition zu verfahren bzw. aus dieser zu lösen. Hierbei hat das Vorsehen von Rastelementen in einer gewünschten Position den Vorteil, dass die Klappe ohne das Vorsehen einer zusätzlichen Haltekraft in dieser Position verweilt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:
1 eine schematische Skizze einer ersten bevorzugten Ausführungsform, und
2 eine schematische Skizze einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
Die dargestellte Stelleinrichtung weist ein Antriebselement 10 auf, wobei es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel bei dem Antriebselement 10 um einen Gleichstrommotor handelt. Der Gleichstrommotor 10 ist über Leitungen 12 mit einer Steuereinrichtung 14 verbunden. Eine Abtriebswelle 16 des Gleichstrommotors 10 ist mit einem Zahnrad 18 verbunden. Das Zahnrad 18 mit kleinem Durchmesser ist zur Untersetzung mit einem Zahnrad 20 mit großem Durchmesser verbunden. Das Zahnrad 20 ist mittig auf einem zylindrischen Verbindungselement 22 gehalten und über das Verbindungselement 22 mit einer Spindelmutter 24 verbunden. Innerhalb der Spindelmutter 24 ist eine Spindel 26 angeordnet, die einstückig mit einem Energiespeicherelement 28 verbunden ist und ggf. selbst ein Teil des Energiespeicherelements ausbildet.
Die Spindel 26 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als schraubenlinienförmig gewickelte Feder ausgebildet, deren einzelne Wicklungen mit den Innen-Gewindegängen der Spindelmutter 24 korrespondieren. Durch Drehen der Spindelmutter 24 erfolgt somit eine Bewegung der Spindel 26 in Richtung eines Pfeils 30.
Das Energiespeicherelement 28 ist über ein beispielsweise als starre Stange ausgebildetes abgewinkeltes Verbindungselement 32 mit einem Übertragungselement 34 verbunden. Bei dem Übertragungselement 34 handelt es sich um eine Zug-Druckstange, die beispielsweise über einen Hebelmechanismus mit der Welle einer Klappe verbunden ist. Das abgewinkelte Verbindungselement 32 dient als Verdrehsicherung und ist in einer ortsfesten Halterung in axialer Richtung 36 verschiebbar gehalten.
Durch Drehen der Spindelmutter 24 erfolgt somit ein Verschieben der Spindel 26 in Richtung des Pfeils 30. Dies wiederum führt zu einem Verschieben des Übertragungselements 34 in dieselbe Richtung. Sobald die Klappe einen Endanschlag erreicht, wird die auf Grund der Trägheit des Elektromotors 20 verbleibende Rotationsenergie in dem Energiespeicherelement 28 durch Verdrillen der Wicklungen gespeichert. Hierbei ist das Energiespeicherelement 28 im dargestellten Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass die Wicklungen schraubenlinienförmig und spiralförmig sind. Der Außendurchmesser des Energiespeicherelements 28 nimmt somit in Richtung des Übertragungselements 34 zu.
Über die Steuereinrichtung 14 kann die Drehrichtung des Elektromotors gesteuert werden. Ferner kann von der Steuereinrichtung 14 zum Lösen der Klappe aus einer Endposition ein Spannungsimpuls erzeugt werden.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (2) sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der wesentliche Unterschied der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass ein Energiespeicherelement 38 in Form einer Verbindungswelle zwischen der Spindelmutter 24 und dem mit dem größeren Zahnrad 20 verbundenen Verbindungselement 22 angeordnet ist. Bei dem Energiespeicherelement 38 kann es sich ebenfalls um eine Drehfeder handeln. Ebenso kann es sich bei dem Energiespeicherelement jedoch auch um ein drehelastisches Element, insbesondere aus einem elastomeren Material, handeln.
Die Spindel 26 kann als Gewindestange ausgebildet und unmittelbar mit dem Übertragungselement 34, d.h. einer Zug-Druckstange verbunden sein. Ggf. kann die Spindel 26 zumindest teilweise auch als zweites Energiespeicherelement ausgebildet sein.
Die Funktionsweise der zweiten Ausführungsform entspricht derjenigen der anhand 1 beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung.

Claims

Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Klappen, insbesondere Abgasklappen, mit einem insbesondere als Elektromotor ausgebildeten Antriebselement (10) und einem von dem Antriebselement (10) angetriebenen, mit der Klappe verbundenen Übertragungselement (34) zum Betätigen der Klappe, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Antriebselement (10) und dem Übertragungselement (34) angeordneten Speicherelement (28, 38) zur Aufnahme von Rotationsenergie des Antriebselements (10).
Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (28, 38) zur Energiespeicherung elastisch, insbesondere drehelastisch verformbar ist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (28, 38) zur Energiespeicherung verdrillbar ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Antriebselement (10) und dem Übertragungselement (34) ein Getriebe (18, 20; 24, 26) angeordnet ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe einen Spindeltrieb (24, 26) aufweist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (28) als Spindel (26) des Spindeltriebs (24, 26) dient oder die Spindel (26) ein zusätzliches Energiespeicherelement ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (28) mit einer Spindel (26) des Spindeltriebs (24, 26) verbunden ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (38) mit einer Spindelmutter (24) des Spindeltriebs verbunden ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (28, 38) eine spiralförmig gewickelte Feder aufweist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser des Energiespeicherelements (28) variiert, insbesondere stetig zunimmt.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeicherelement (28, 38) in einer Endposition der Klappe eine Vorspannkraft auf die Klappe aufbringt.