DE102005018259A1

DE102005018259A1 - Elektrischer Aktuator für eine anzusteuernde Einrichtung

Info

Publication number: DE102005018259A1
Application number: DE102005018259A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Walter
Original assignee: Renk GmbH
Current assignee: Renk GmbH
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: GB0607718D0; KR20060110778A; GB2425341A; KR101202157B1; DE102005018259B4; US20060236801A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Aktuator (10) für eine anzusteuernde Einrichtung (11), mit einem elektromotorischen Antrieb (12) und einem Übersetzungsgetriebe (13), wobei der elektromotorische Antrieb (12) in das Übersetzungsgetriebe (13) eintreibt und wobei über das Übersetzungsgetriebe (13) die anzusteuernde Einrichtung (11) antreibbar ist, um dieselbe von einer definierten Position in eine andere definierte Position zu überführen. Erfindungsgemäß ist dem Übersetzungsgetriebe (13) ein Kupplungselement (14) derart nachgeschaltet, dass die anzusteuernde Einrichtung (11) von dem Übersetzungsgetriebe (13) unter Zwischenschaltung des Kupplungselements (14) antreibbar ist, wobei das Kupplungselement (14) bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator (10) das Übersetzungsgetriebe (13) von der anzusteuernden Einrichtung (11) entkoppelt, sodass von der anzusteuernden Einrichtung (11) eine definierte Grundpositon bzw. Ruheposition selbsttätig einnehmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Aktuator für eine anzusteuernde Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Aktuatoren zur Ansteuerung bzw. Verstellung anzusteuernder Einrichtungen bekannt, die neben einem mit hoher Drehzahl rotierenden elektromotorischen Antrieb ein dem Antrieb nachgeschaltetes Übersetzungsgetriebe aufweisen, mithilfe dessen die hohen Drehzahlen des elektromotorischen Antriebs zur Ansteuerung der anzusteuernden Einrichtung in große Drehmomente sowie geringe Drehzahlen übersetzt werden können. Derartige elektrische Aktuatoren, die neben einem elektromotorischen Antrieb ein Übersetzungsgetriebe aufweisen, verfügen über den Vorteil, dass dieselben geringe Abmessungen sowie ein geringes Gewicht aufweisen und demnach in einer kleinen Bauform ausgeführt werden können. In Anwendungsfällen, in denen die Baugröße eines elektrischen Aktuators ein entscheidendes Kriterium ist, finden demnach üblicherweise elektrische Aktuatoren aus einem rotatorischen, elektromotorischen Antrieb mit nachgeschaltetem Übersetzungsgetriebe Verwendung.

In vielen Anwendungsfällen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, ist es erforderlich, dass eine anzusteuernde Einrichtung bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. der Spannungsversorgung für den Aktuator eine definierte Position, z. B. eine Ruheposition bzw. Grundposition, einnimmt bzw. in dieselbe zurückkehrt. Bei solchen elektrischen Aktuatoren, deren elektromotorischem Antrieb ein Übersetzungsgetriebe nachgeschaltet ist, bewirkt das Übersetzungsgetriebe jedoch häufig in Folge von Reibung eine Sperrung bzw. Hemmung, so dass bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator die anzusteuernde Einrichtung nicht in eine definierte Position zurückkehren kann.

Da jedoch in vielen Anwendungsfällen die Rückkehr der anzusteuernden Einrichtung in eine definierte Position zwingend erforderlich ist, besteht ein Bedarf nach derartigen elektrischen Aktuatoren, die bei Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator die Rückkehr der anzusteuernden Einrichtung in eine definierte Position zulassen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, einen neuartigen elektrischen Aktuator für eine anzusteuernde Einrichtung zu schalten.

Dieses Problem wird durch einen elektrischen Aktuator für eine anzusteuernde Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Aktuator umfasst ein dem Übersetzungsgetriebe derart nachgeschaltetes Kupplungselement, dass die anzusteuernde Einrichtung von dem Übersetzungsgetriebe unter Zwischenschaltung des Kupplungselements antreibbar ist, wobei das Kupplungselement bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator das Übersetzungsgetriebe von der anzusteuernden Einrichtung entkoppelt, sodass von der anzusteuernden Einrichtung eine definierte Grundposition bzw. Ruheposition selbsttätig einnehmbar ist.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Aktuator für eine anzusteuernde Einrichtung vorgeschlagen, der neben einem elektromotorischen Antrieb und einem Übersetzungsgetriebe ein dem Übersetzungsgetriebe nachgeschaltetes Kupplungselement umfasst. Der elektromotorische Antrieb treibt in das Übersetzungsgetriebe und das Übersetzungsgetriebe treibt über das Kupplungselement in die anzusteuernde Einrichtung ein. Bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator öffnet das Kupplungselement und koppelt das Übersetzungsgetriebe von der anzusteuernden Einrichtung ab, so dass dieselbe die definierte Grundposition bzw. Ruheposition einnehmen kann.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematisierte Anordnung aus einem erfindungsgemäßen Aktuator und einer anzusteuernden Einrichtung;
2: ein Detail aus der Anordnung der 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3: ein Detail aus der Anordnung der 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 die Erfindung in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem erfindungsgemäßen elektrischen Aktuator 10 und einem über den elektrischen Aktuator 10 anzusteuernden Einrichtung 11. Der erfindungsgemäße elektrische Aktuator 10 umfasst einen elektromotorischen Antrieb 12, der vorzugsweise als kleinbauender, schnelldrehender Elektromotor ausgeführt ist. Weiterhin umfasst der erfindungsgemäße elektrische Aktuator 10 ein Übersetzungsgetriebe 13, wobei der elektromotorische Antrieb 12 in das Übersetzungsgetriebe 13 eintreibt. Mithilfe des Übersetzungsgetriebes 13 werden die vom elektromotorischen Antrieb 12 bei hohen Drehzahlen zur Verfügung gestellten kleinen Drehmomente in große Drehmomente bei kleinen Drehzahlen übersetzt, um so die anzusteuernde Einrichtung 11 zwischen definierten Positionen zu überführen. Dabei ist es von Wichtigkeit bzw. von Bedeutung, dass bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator 10 die anzusteuernde Einrichtung 11 eine der definierten Positionen einnimmt bzw. in eine definierte Grundposition bzw. Ruheposition zurückkehrt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung umfasst der elektrische Aktuator 10 neben dem elektromotorischen Antrieb 12 sowie dem Übersetzungsgetriebe 13 ein Kupplungselement 14. Das Kupplungselement 14 ist dem Übersetzungsgetriebe 13 nachgeschaltet und demnach zwischen das Übersetzungsgetriebe 13 und die anzusteuernde Einrichtung 11 geschaltet. Bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator 10 öffnet das Kupplungselement 14 selbsttätig und trennt so das Übersetzungsgetriebe 13 von der anzusteuernden Einrichtung 11, so dass dieselbe über ein als Federelement 15 ausgebildetes Rückstellelement in die definierte Grundposition bzw. Ruheposition überführt werden kann. Durch die Öffnung des Kupplungselements 14 bei Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator 10 wird demnach die Sperrwirkung des Übersetzungsgetriebes 13 ausgeschaltet, so dass die anzusteuernde Einrichtung 11 bedingt durch die durch das Federelement 15 bereitgestellte Rückstellkraft in die definierte Grundposition bzw. Ruheposition zurückkehren kann.
Obwohl in 1 nicht gezeigt, kann zwischen das Kupplungselement 14 und die anzusteuernde Einrichtung 11 ein sogenanntes Anpassungsgetriebe geschaltet sein, welches durch ein niedriges Übersetzungsverhältnis gekennzeichnet ist und demnach keine Sperrwirkung aufweist.
Das Kupplungselement 14 des erfindungsgemäßen Aktuators kann auf vielfältige Art und Weise ausgestaltet sein. So kann das Kupplungselement 14 z. B. durch ein Planetengetriebe bereitgestellt werden. Alternativ kann das Kupplungselement 14 als Klinkenkupplung, Lamellenkupplung, Elektrokupplung oder auch hydrodynamische Kupplung ausgeführt sein. Die Betätigung des Kupplungselements 14 bei Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator 10 zum Abkoppeln des Übersetzungsgetriebes 13 von der anzusteuernden Einrichtung 11 kann im Sinne der hier vorliegenden Erfindung hydraulisch oder elektrisch oder magnetisch oder auch elektromagnetisch erfolgen.
2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Kupplungselements 14 des erfindungsgemäßen elektrischen Aktuators 10. So ist im Ausführungsbeispiel der 2 das Kupplungselement 14 als Planetengetriebe ausgeführt, wobei der elektromotorische Antrieb 12 über das Übersetzungsgetriebe 13 in ein Sonnenrad 16 des Planetengetriebes der 2 eintreibt. Ein Hohlrad 17 des Planetengetriebes wird durch einen Hubmagneten 18 blockiert, wobei der Hubmagnet 18 als sogenannte Sperrklinke auf das Hohlrad 17 des Planetengetriebes der 2 wirkt. Der Abtrieb aus dem Planetengetriebe der 2 und demnach der Eintrieb in die anzusteuernde Einrichtung 11 erfolgt über einen Planetenträger 19 von Planetenrädern 20 des Planetengetriebes 14. Nach Anfahren einer definierten Position für die anzusteuernde Einrichtung 11 wird der elektromotorische Antrieb 12 des Aktuators 10 abgeschaltet, da über die selbsthemmende bzw. selbstsperrende Wirkung des Übertragungsgetriebes 13 die von der anzusteuernden Einrichtung 11 eingenommene Position gehalten werden kann. Hierzu wird lediglich der Hubmagnet 18 bestromt, der eine wesentlich kleinere Stromaufnahme als der elektromotorische Antrieb 12 aufweist.
Bei einem Ausfall der Spannungsversorgung bzw. Stromversorgung für den Aktuator 10 gibt der Hubmagnet 18 das Hohlrad 17 frei, wodurch die anzusteuernde Einrichtung 11 bedingt durch die vom Federelement 15 bereitgestellte Federkraft in eine Grundstellung bzw. Ruheposition zurückkehren kann. Nach Wiederverfügbarkeit der Stromversorgung wird der Hubmagnet 18 wieder bestromt und das Hohlrad 17 durch den elektromotorischen Antrieb 12 so lange gedreht, bis der Hubmagnet 18 das Hohlrad 17 des Planetengetriebes 14 wieder blockiert.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Zuordnung von Eintrieb, Abtrieb und Hubmagnet zu den Elementen des Planetengetriebes, also zu Sonnenrad, Hohlrad und Planetenträger, beliebig getauscht werden kann.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für das Kupplungselement 14 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 zeigt 3. Im Ausführungsbeispiel der 3 ist das Kupplungselement 14 als Klinkenkupplung ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel treibt der elektromotorische Antrieb 12 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 über das Übersetzungsgetriebe 13 in eine Eintriebwelle 21 des als Klinkenkupplung ausgebildeten Kupplungselement 14 ein, wobei die Eintriebwelle 21 mit einem Eintriebrad 22 verbunden ist, welches eine Verzahnung 23 trägt. Bei geschlossener Klinkenkupplung 14 steht die Verzahnung 23 des Eintriebrads 22 mit einer Verzahnung 24 eines Abtriebrads 25 in Eingriff, wobei das Abtriebrad 25 mit einer Abtriebwelle 26 gekoppelt ist.
Bei geschlossener Klinkenkupplung 14 ist eine der Klinkenkupplung 14 zugeordnete Magnetspule 27 bestromt, um so das Abtriebrad 25 im Sinne des Pfeils 28 in Richtung auf das Eintriebrad 22 zu bewegen bzw. zu ziehen und so das Abtriebrad 25 mit dem Eintriebrad 22 in Eingriff zu bringen. Zwischen Abtriebrad 25 und Abtriebwelle 26 ist eine sogenannte Mitnahmeverzahnung ausgebildet, so dass sich das Abtriebrad 24 in Axialrichtung relativ zur Abtriebwelle 26 bewegen kann und trotzdem in kraftschlüssigem Eingriff mit der Abtriebwelle 26 bleibt.
Bei einem Ausfall der Spannungsversorgung bzw. Stromversorgung für den Aktuator 10 wird die Magnetspule 27 nicht weiter bestromt, wodurch das Abtriebrad 25 vom Eintriebrad 22 bedingt durch eine leichte Schrägverzahnung der Verzahnungen 23 und 24 entkoppelt wird. Bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator 10 wird demnach auch das als Klinkenkupplung ausgebildete Kupplungselement 14 der 3 automatisch geöffnet, um so das selbsthemmende Übersetzungsgetriebe 13 von der anzusteuernden Einrichtung 11 zu entkoppeln, so dass die anzusteuernde Einrichtung 11 durch das Federelement 15 in eine definierte Position überführt bzw. rückgeführt werden kann.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 ist die Magnetspule 27 in ein Gehäuse 29 des als Klinkenkupplung ausgebildeten Kupplungselements 14 integriert. Die Positionierung der Magnetspule 27 im Kupplungselement 14 des Ausführungsbeispiels der 3 kann jedoch variiert werden, sofern nur über die Magnetspule 27 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Verzahnung 23 des Eintriebrads 22 und der Verzahnung 24 des Abtriebrads 25 etabliert werden kann. Es ist auch möglich, die Magnetspule 27 durch einen Hubmagneten zu ersetzen, der mittelbar über weitere mechanische Bauelemente einen Kraftschluss zwischen Eintriebrad 22 und Abtriebrad 25 herstellt. Anstelle einer selbstöffnenden Schrägverzahnung zwischen Eintriebrad 22 und Abtriebrad 25 kann auch eine Rückstellfeder für das Abtriebrad 25 vorgesehen sein. Die Eintriebseite sowie die Abtriebseite des als Klinkenkupplung ausgebildeten Kupplungselements 14 können vertauscht bzw. ausgetauscht werden.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 wurden als Planetengetriebe bzw. als Klinkenkupplung ausgebildete Kupplungselemente 14 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 beschrieben. Wie bereits erwähnt, kann das Kupplungselement 14 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 auch als Elektrokupplung, als hydrodynamische Kupplung oder auch als Lamellenkupplung ausgebildet sein.
In dem Fall, in welchem das Kupplungselement 14 als hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist, die über eine Pumpe sowie eine Turbine verfügt, treibt der elektromotorische Antrieb 12 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 über das Übersetzungsgetriebe 13 in das Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung ein, wobei die Drehung des Pumpenrads der hydrodynamischen Kupplung im Bereich des Turbinenrads ein Moment erzeugt, welches die anzusteuernde Einrichtung 11 in die gewünschte Position überführt. Ist diese gewünschte Position der anzusteuernden Einrichtung 11 erreicht, so wird die Drehzahl des elektromotorischen Antriebs 12 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 soweit reduziert, bis dieser die anzusteuernde Einrichtung 11 gerade noch entgegen der vom Federelement 15 bereitgestellten Federkraft in der definierten Position hält.
Fällt jedoch die Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator 10 aus, so erzeugt das Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung keine Vorwärtskraft mehr auf das Turbinenrad, und das Turbinenrad der hydrodynamischen Kupplung bewegt sich bedingt durch die vom Federelement 15 bereitgestellte Federkraft so lange rückwärts, bis die anzusteuernde Einrichtung 11 ihre definierte Grundposition bzw. Ruhestellung eingenommen hat.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen für die Kupplungselemente 14 werden dieselben elektrisch, elektromagnetisch oder magnetisch getätigt. Es ist auch möglich, die Kupplungselemente 14 hydraulisch einzusteuern, was insbesondere in Kraftfahrzeugen von Vorteil ist, in welchen ein Hydraulikdruck ohnehin verfügbar ist. In diesem Fall kann das Kupplungselement 14 des erfindungsgemäßen Aktuators 10 durch den ohnehin vorhandenen, hydraulischen Versorgungsdruck angesteuert werden, um das Kupplungselement 14 zu öffnen bzw. zu schließen. Bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung bricht nämlich auch die Druckversorgung zusammen, so dass dann durch einen Abfall des hydraulischen Versorgungsdrucks das Kupplungselement 14 von der anzusteuernden Einrichtung 11 entkoppelt werden kann, damit die anzusteuernde Einrichtung 11 über das Federelement 15 in die Grundstellung bzw. Ruheposition überführt werden kann.
Der erfindungsgemäße Aktuator wird insbesondere dort verwendet, wo eine anzusteuernde Einrichtung zwischen zwei Schaltpositionen zu überführen ist. Der erfindungsgemäße Aktuator kann aber auch in solchen Anwendungsfällen Verwendung finden, in welchen die anzusteuernde Einrichtung mehr als zwei Schaltpositionen einnehmen kann, von welchen dann eine als Ruheposition bzw. Grundposition gilt, die bei Stromausfall selbsttätig eingenommen werden soll.
Der erfindungsgemäße Aktuator wird vorzugsweise durch eine elektrische Steuerung betätigt, die den elektromotorischen Antrieb des Aktuators bei Umschaltbedarf in der jeweiligen Richtung antreibt.
Das Ende des Umschaltvorgangs kann dabei durch ein Erreichen eines Zeitlimits oder durch Positionserfassung der anzusteuernden Einrichtung vorgegeben werden. Detailabläufe des Schaltvorgangs können durch eine mikrokontrollerbasierte, elektrische Steuerung vorgegeben werden.

10: Aktuator
11: Einrichtung
12: Antrieb
13: Übersetzungsgetriebe
14: Kupplungselement
15: Federelement
16: Sonnenrad
17: Hohlrad
18: Hubmagnet
19: Planetenträger
20: Planetenrad
21: Eintriebwelle
22: Eintriebrad
23: Verzahnung
24: Verzahnung
25: Abtriebrad
26: Abtriebwelle
27: Magnetspule
28: Pfeil

Claims

Elektrischer Aktuator (10) für eine anzusteuernde Einrichtung (11), mit einem elektromotorischen Antrieb (12) und einem Übersetzungsgetriebe (13), wobei der elektromotorische Antrieb (12) in das Übersetzungsgetriebe (13) eintreibt, und wobei über das Übersetzungsgetriebe (13) die anzusteuernde Einrichtung (11) antreibbar ist, um dieselbe von einer definierten Position in eine andere definierte Position zu überführen, gekennzeichnet durch ein dem Übersetzungsgetriebe (13) derart nachgeschaltetes Kupplungselement (14), dass die anzusteuernde Einrichtung (11) von dem Übersetzungsgetriebe (13) unter Zwischenschaltung des Kupplungselements (14) antreibbar ist, wobei das Kupplungselement (14) bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung für den Aktuator (10) das Übersetzungsgetriebe (13) von der anzusteuernden Einrichtung (11) entkoppelt, sodass von der anzusteuernden Einrichtung (11) eine definierte Grundposition bzw. Ruheposition selbsttätig einnehmbar ist.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (14) hydraulisch betätigbar ist, um dasselbe bei Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung zu öffnen.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (14) elektrisch betätigbar ist, um dasselbe bei Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung zu öffnen.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (14) magnetisch betätigbar ist, um dasselbe bei Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung zu öffnen.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (14) elektromagnetisch betätigbar ist, um dasselbe bei Ausfall der Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung zu öffnen.
Aktuator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (14) als Planetengetriebe ausgebildet ist.
Aktuator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (14) als hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist.
Aktuator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (14) als Klinkenkupplung oder als Lamellenkupplung ausgebildet ist.
Anordnung aus einem elektrischen Aktuator (10) und einer vom Aktuator (10) anzusteuernde Einrichtung (11), wobei der elektrische Aktuator (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der anzusteuernden Einrichtung (11) ein Rückstellelement, insbesondere ein Federelement (15) zugeordnet ist, welches die anzusteuernde Einrichtung (11) bei von derselben entkoppeltem Übersetzungsgetriebe (13) in eine definierte Grundposition bzw. Ruheposition überführt.