DE102006050218A1 - Elektrischer Stellantrieb - Google Patents
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Abstract
Bei vielen regelnd zu verstellenden Organen z. B. in einem Kraftfahrzeug ist es zur Sicherstellung einer vorbestimmten Sollposition bekannt, einen Stellantrieb mit einem selbsthemmenden Getriebe auszurüsten oder die Position dauernd nachzuregeln. Hierdurch entstehen ein erhöhter Energiebedarf und ein größerer Verschleiß. Um dies zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, dass der Stellantrieb eine auf Reibung beruhende Bremse umfasst, die nur bei Stillstand des Stellmotors zwischen dem Gehäuse und einem Abtrieb des Stellantriebs wirkt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektrischen Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Solche Stellantriebe werden z.B. in Kraftfahrzeugen – und hier besonders im Motorraum – eingesetzt, um elektronisch geregelte Systeme wie Drosselklappen oder Ventile für eine Abgasrückführung (AGR) regelnd anzutreiben.
- Bei vielen Stellantrieben ist es sinnvoll, von außen wirkende Kräfte so auszugleichen, dass diese keine Einfluss auf die Stellgeschwindigkeit und -genauigkeit haben. Hierfür ist es zum einen bekannt, dass der Stellantrieb permanent in Betrieb ist und Veränderungen ausgleicht. Dies hat den Nachteil, dass der Stellantrieb schneller verschleißt und einen erhöhten Energiebedarf aufweist. Zum anderen ist es bekannt, selbsthemmende Getriebe wie z.B. Schneckengetriebe einzusetzen. Diese weisen einen schlechten Wirkungsgrad auf und sind verschleißanfällig; eine Fail-Safe Funktion ist nur bedingt realisierbar.
- Die
DE 10 2004 046 798 A1 beschreibt ein Verfahren zur Aufrechterhaltung eines Notbetriebs eines Turboladers mit veränderlicher geometrischer Gestaltung (VTG), bei dem bei Ausfall eines Drucksensors elektronisch eine Ansteuerung eines Stellantriebs mit Ersatzwerten aufrecht erhalten wird. - Aus der
DE 10 2004 022 325 A1 ist eine Drosselregelungsvorrichtung mit einem Drosselventil und einem zugeordneten Stellmotor bekannt. Weiterhin ist eine Erfassungseinrichtung für den Öffnungsgrad des Drosselventils angeordnet. - Die
EP 1 515 022 A1 offenbart einen Stellantrieb für eine Drosselklappe, bei der zwei entgegengesetzt wirkende Drehfedern angeordnet sind. Eine schließend wirkende der Drehfedern ist mit größerer Stellkraft als Blattfeder ausgebildet und fährt die Drossel klappe bei fehlendem Antrieb in eine teilweise offene Stellung – die so genannte limphome Position. Der Stellantrieb muss hier ständig gegen Federkraft arbeiten. - Aus der
DE 197 21 239 A1 ist eine Vorrichtung zur Betätigung einer Drosselklappe bekannt, bei der zusätzlich zu einer mechanischen Betätigungsvorrichtung ein Stellantrieb angeordnet ist. Im Normalbetrieb ist die mechanische Betätigungsvorrichtung von der Drosselklappe ausgekoppelt, und deren Betätigung erfolgt ausschließlich durch den Stellantrieb mit Hilfe entsprechender Sensoren. Bei Ausfall z.B. des Stellantriebs wird die mechanische Betätigungsvorrichtung eingekoppelt, so dass ein Notlaufbetrieb aufrecht erhalten werden kann. Das Öffnen der Drosselklappe erfolgt stets gegen die Kraft einer Feder. - Die
DE 198 56 716 C1 beschreibt einen elektrischen Stellantrieb mit einem Antriebsmotor und einem nachgeordneten Getriebe, wobei der Antriebsmotor mittels einer Doppelfeder in einem Gehäuse gehalten ist. - Keines der Dokumente beschreibt eine auf Reibung beruhende Bremse für einen Stellantrieb.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrischen Stellantrieb zu schaffen, der eine Bremswirkung auf ein zu stellendes Organ gegen von außerhalb des Stellantriebs wirkende Kräfte aufweist, wenn dieses in einer Sollposition ist, wobei die Bremswirkung entfällt, wenn der Stellantrieb in Betrieb ist. Trotzdem soll eine Fail-Safe-Funktion bei einem Ausfall des Stellantriebs oder der Spannungsversorgung möglich sein.
- Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Stellantrieb umfasst eine auf Reibung beruhende Bremse, die nur bei Stillstand des Stellmotors zwischen dem Gehäuse und einem Abtrieb des Stellantriebs wirkt. Hierdurch bleibt ein zu stellendes Organ sicher in einer Sollposition, wenn der der Stellantrieb nicht in Betrieb ist, das heißt, keine neue Sollposition anfahren muss. Von außen wirkende Kräfte werden sicher abgehalten und wirken sich nicht auf die Position des Organs aus. Sobald der Stellantrieb eingeschaltet ist, wird hierdurch die Bremse mechanisch gelöst, so dass das Organ in eine neue Sollposition verfahren werden kann. Die Einrichtung einer Fail-Safe-Funktion ist möglich. Die Mittel hierfür müssen an einer Abtriebswelle des Stellmotors beziehungsweise eines zugehörigen Getriebes angreifen.
- Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
- Eine Backenbremse nach den Ansprüchen 2 bis 8 ist besonders kompakt herstellbar und daher für beengte Verhältnisse besonders geeignet. Hierbei ermöglicht die Anordnung eines Bremsrings eine Vormontage eines Abtriebs mit der Backenbremse, der dann auf den Stellmotor aufgesetzt werden kann. Die dreieckförmige Ausbildung des Bremsrings vergrößert zum einen die Bremsfläche und verhindert zum anderen das unbeabsichtigte Zerfallen des vormontierten Abtriebs in die Einzelteile.
- Eine Scheibenbremse nach den Ansprüchen 9 bis 13 ist besonders einfach.
- Anhand der beigefügten schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine vergrößerte Sicht auf einen Teil eines Stellantriebs mit Backenbremse, links bei wirksamer und rechts bei unwirksamer Bremse -
2 einen Schnitt durch den Stellantrieb gemäß1 , -
3 einen vergrößerten Schnitt eines Teils eines Stellantriebs mit Scheibenbremse und -
4 einen Auslösemechanismus der3 als Detail in Normal- und in Bremsposition. - In den Figuren ist jeweils nur ein Teil betreffend einen Abtrieb und ein Teil eines Gehäuses eines Stellantriebs dargestellt.
- Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
1 und2 anhand einer Backenbremse dargestellt. Ein Abtrieb1 eines Stellantriebs ist drehbar mit einem Ge häuse2 des Stellantriebs verbunden. Der Stellantrieb umfasst nicht dargestellt einen Stellmotor und ein Getriebe, die in dem Gehäuse2 angeordnet sind. Der Abtrieb1 ist einstückig aus drei zumindest weitgehend kreisförmigen Scheiben unterschiedlicher Durchmesser gebildet; die jeweils untere der Scheiben weist den größeren Durchmesser auf. Die untere, dem Gehäuse2 zugewandte Seite des Antriebs1 ist mir einer kreisförmigen, im Querschnitt (senkrecht zur Ansicht) rechteckigen Aussparung ausgebildet. In und konzentrisch mit der Aussparung sind ein Teil einer Abtriebswelle3 des Getriebes und ein Bremsring4 angeordnet. Der Bremsring4 ist gegen das Gehäuse2 durch geeignete Mittel wie z.B. Nocken an dem Gehäuse2 und entsprechende Ausnehmungen an dem Bremsring4 gegen Verdrehen gesichert. - Der Außendurchmesser des Bremsrings
4 ist so bemessen, dass dieser mit geringem Spiel in die Aussparung passt. Die Innenfläche des Bremsrings4 , die eine Wirkfläche definiert, ist dreieckförmig mit aus dem Querschnitt weisender Spitze ausgebildet. Das bedeutet, der Querschnitt des Bremsrings4 ist aus einem Rechteck und einem an der Innenseite des Bremsrings4 angesetzten gleichschenkligen Dreieck zusammengesetzt. - Innerhalb des von dem Bremsring
4 umschlossenen Raums sind zwei Bremsbacken5 so angeordnet, dass die Bremsflächen um 180° versetzt voneinander weg weisen. Jede Bremsbacke5 ist an einem zugeordneten Träger6 befestigt, der über einen Arm8 mit dem Abtrieb1 verbunden ist. Die Bremsbacke5 , der Träger6 und der Arm8 sind vorzugsweise einstückig gefertigt. Die Arme8 sind gelenkig an einem Bolzen9 gelagert, der an dem Abtrieb1 parallel zu der Abtriebswelle3 ausgebildet ist. In jeden Träger6 ist eine rechteckige Öffnung7 so eingelassen, dass sie bei gelöster Bremse weitgehend zentrisch zu der Abtriebswelle3 ist. Diese durchdringt beide Öffnungen7 und ist an dem Abtrieb1 drehbar gelagert. Zwischen den Bremsbacken5 und gegen diese abgestützt ist eine Druckfeder10 gelagert. Die Druckfeder10 ist als Schraubenfeder ausgebildet und im Wesentlichen parallel zu den Längsachsen der Träger6 . - Die Abtriebswelle
3 weist an ihrem Ende in dem Umfangsbereich, der die Öffnungen7 durchdringt, zwei Nocken11 auf. Die Nocken11 sind um 180° auf dem Umfang der Abtriebswelle3 versetzt. Sie sind im Querschnitt in etwa dreiecksförmig; ihre Länge entspricht mindestens der Gesamtdicke der beiden Träger6 . Die Größe der Öffnungen7 ist entsprechend den Abmessungen der Abtriebswelle3 und der Nocken11 bestimmt: Die Länge L, die sich senkrecht zur Längsachse der Träger6 erstreckt, entspricht dem Durchmesser der Abtriebswelle3 einschließlich der Nocken11 und zuzüglich einem geringen Spiel. Die Breite B ist etwas größer als der Durchmesser der Abtriebswelle3 und kleiner als der Durchmesser der Abtriebswelle3 einschließlich der Nocken11 . - Im Betrieb drückt bei Stillstand des Stellmotors die Druckfeder
10 die Bremsbacken5 auseinander und gegen den Bremsring4 . Hierdurch ist infolge Reibung eine Drehung zwischen dem Abtrieb1 und dem Gehäuse2 blockiert. Damit ist auch eine ungewollte Verstellung des Organs durch äußere Einflüsse verhindert. Die Öffnungen7 weisen hier besonders bezüglich der Breite B an beiden Seiten Spiel zu der Abtriebswelle3 auf. - Sobald das Organ verstellt werden soll, geht der Stellmotor in Betrieb und dreht die Abtriebswelle
3 . Unabhängig von der Drehrichtung gelangen die Nocken11 gegen jeweils eine der Längsseiten der Öffnungen7 und ziehen so die Bremsbacken5 über die Träger6 gegen die Kraft der Druckfeder10 von dem Bremsring4 weg. Dann verkeilen die Nocken11 in den Öffnungen und die Träger6 drehen mit der Abtriebswelle3 . Da die Träger über die Arme6 mit dem Abtrieb1 verbunden sind, dreht auch dieser mit der Abtriebswelle3 , so dass das Organ verstellt wird. - Sobald die Sollposition des Organs erreicht ist, wird der Stellmotor ausgeschaltet, und die Abtriebswelle
3 ist ohne oder nahezu ohne Drehmoment. Hierdurch überwiegt wieder die Kraft der Druckfeder10 auf die Bremsbacken5 , die so auf den Bremsring4 gedrückt werden. Gleichzeitig wird die Abtriebswelle3 durch die über die Seiten der Öffnungen auf die Nocken11 wirkende Kraft der Druckfeder10 entgegen der vorherigen Drehrichtung gedreht, bis die Kraft vollständig auf den Bremsring4 übertragen wird. - Ein zweites Ausführungsbeispiel ist aus den
3 und4 ersichtlich. Hier besteht die auf Reibung beruhende Bremse aus einer Scheibenbremse. - Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Stellantrieb nicht dargestellt den Stellmotor und das Getriebe, die in dem Gehäuse
2 angeordnet sind. An dem Gehäuse2 ist in der Nähe eines aus dem Getriebe weisenden Endes der Abtriebswelle3 eine kreisringförmige erste Scheibe12 befestigt. In Verlängerung der Abtriebswelle3 jenseits der ersten Scheibe12 ist der Abtrieb1 von einer Welle gebildet, die drehbar an dem Gehäuse2 gelagert ist und mit einem Ende aus dem Gehäuse2 ragt. Im Bereich des anderen Endes des Abtriebs1 ist eine zweite Scheibe13 so angeordnet, dass sie mit geringem Abstand parallel zu der ersten Scheibe12 und zwischen dieser und dem Lager des Abtriebs1 ist. Hierbei ist die zweite Scheibe13 drehfest und in Richtung der Längsachse des Abtriebs1 verschiebbar befestigt. Koaxial auf dem Abtrieb1 ist zwischen der zweiten Scheibe13 und dem Lager des Abtriebs1 eine Druckfeder10 eingespannt. Die Druckfeder10 ist als Schraubenfeder ausgebildet. - Zwischen dem Abtrieb und der Abtriebswelle
3 ist ein Mechanismus14 angeordnet, der bei Betrieb des Stellmotors die zweite Scheibe13 von der ersten Scheibe12 abhebt. Der Mechanismus14 umfasst zwei kreisförmige Platten15 , wovon eine an dem Ende der Abtriebswelle3 und die andere an der zweiten Scheibe13 sowie parallel zu dieser befestigt ist. Die Platten15 sind mit geringem Abstand parallel angeordnet. In benachbarten Flächen der Platten15 sind jeweils vier längliche radiale Nuten16 eingelassen. Diese sind in Form eines rechtwinkligen Kreuzes angeordnet, wobei sie sich über eine Teillänge der Radialstrahlen erstrecken. Die Nuten16 der einen Platte15 liegen den Nuten16 der anderen Platte15 zumindest teilweise deckungsgleich gegenüber. In jedem zwischen zwei gegenüberliegenden Nuten16 gebildeten Hohlraum ist jeweils eine Kugel17 gelagert. Jede der Nuten16 weist einen Querschnitt in Form eines flachen V auf. Alle vier Kugeln17 weisen den selben Durchmesser auf, wobei dieser in etwa der doppelten Höhe einer der Nuten16 entspricht. - In einer Alternative ist eine der Platten
15 an der entsprechenden Fläche der zweiten Scheibe13 ausgebildet. - Im Betrieb drückt bei Stillstand des Stellmotors die Druckfeder
10 die zweite Scheibe13 gegen die erste Scheibe12 . Dies bewirkt, dass der Abtrieb1 und somit das zu stellende Organ infolge Reibung zwischen den Scheiben12 ,13 blockiert ist und nicht durch äußere Kräfte gedreht werden kann. Die Platten15 sind hierbei in einer Ausgangslage, in der jeweils gegenüberliegende Nuten16 genau übereinander liegen. - Wenn das Organ verstellt werden soll, wird der Stellmotor mit einer entsprechenden Drehrichtung eingeschaltet. Dies bewirkt, dass die beiden Platten
15 aus der Ausgangslage über einen begrenzten Winkel gegeneinander verdreht werden. Hierbei rollen die Kugeln17 zwangsweise entlang der Flanken der Nuten16 , so dass der Abstand zwischen den Platten15 vergrößert wird. Da die Abtriebswelle3 mit der zugeordneten Platte15 nicht axial verschiebbar ist, wird die zweite Scheibe13 mit der zugehörigen Platte15 axial gegen die Kraft der Druckfeder10 verschoben. Die Strecke der Verschiebung ist hierbei durch die Kraft und/oder die Länge der zusammengedrückten Druckfeder10 begrenzt. Infolge der Verschiebung wird die zweite Scheibe13 von der ersten Scheibe12 abgehoben, so dass keine Bremswirkung an dem Abtrieb1 wirkt. Sobald die maximale Verschiebung erreicht ist, wirken die Kugeln17 als Mitnehmer, so dass beide Platten15 gleichmäßig gedreht werden und somit auch das Organ über die zweite Scheibe14 und den Abtrieb1 . - Sobald die Sollposition erreicht ist, wird der Stellmotor abgeschaltet. Durch die Kraft der Druckfeder
10 wird die zweite Scheibe14 in Richtung der ersten Scheibe12 gedrückt. Hierbei drücken die Kugeln17 gegen die Flanken der Nuten16 , so dass die Platten15 gegenseitig zurück in die Ausgangslage gedreht werden. Der Abstand zwischen den Platten15 wird verringert, bis die beiden Scheiben12 ,13 aufeinander liegen und bremsend auf den Abtrieb1 wirken. -
- 1
- Abtrieb
- 2
- Gehäuse
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- Bremsring
- 5
- Bremsbackee
- 6
- Träger
- 7
- Öffnung
- 8
- Arm
- 9
- Bolzen
- 10
- Druckfeder
- 11
- Nocken
- 12
- Erste Scheibe
- 13
- Zweite Scheibe
- 14
- Mechanismus
- 15
- Platte
- 16
- Nut
- 17
- Kugel
Claims (12)
- Elektrischer Stellantrieb mit einem Gehäuse (
2 ), in dem ein Stellmotor und ein Getriebe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb eine auf Reibung beruhende Bremse umfasst, die nur bei Stillstand des Stellmotors zwischen dem Gehäuse (2 ) und einem Abtrieb (1 ) des Stellantriebs wirkt. - Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse eine Backenbremse mit zwei gegenüber liegenden Bremsbacken (
5 ) ist. - Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bremsbacke (
5 ) an einem zugeordneten Arm (8 ) befestigt ist, der drehbar an dem Abtrieb (1 ) gelagert ist. - Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Bremsbacken (
5 ) eine Druckfeder (10 ) so angeordnet ist, dass sie die Backen (5 ) auseinander drückt. - Elektrischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bremsbacke (
5 ) einen Träger (6 ) umfasst, in die eine rechteckige Öffnung (7 ) eingelassen ist, durch die eine Abtriebswelle (3 ) geführt ist, die zwei um 180° versetzte radiale Nocken (11 ) aufweist. - Elektrischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (
2 ) ein Bremsring (4 ) drehfest angeordnet ist, der mit den Backen (5 ) zusammen wirkt. - Elektrischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wirkfläche des Bremsrings (
4 ) im Querschnitt dreieckförmig und die Backen (5 ) entsprechend ausgebildet sind. - Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse eine Scheibenbremse mit zwei parallelen, koaxialen Scheiben (
12 ,13 ) ist, wovon eine erste (12) an dem Gehäuse (2 ) befestigt ist. - Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite der Scheiben (
13 ) drehfest und axial verschiebbar an dem Abtrieb (1 ) angeordnet ist. - Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (
10 ) auf die zweite Scheibe (13 ) in Richtung der ersten Scheibe (12 ) wirkt. - Elektrischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Scheibe (
13 ) und der Abtriebswelle (3 ) ein Mechanismus (14 ) angeordnet ist, der bei Betrieb des Stellmotors die zweite Scheibe (13 ) von der ersten Scheibe (12 ) abhebt. - Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus (
14 ) zwei benachbarte Platten (15 ) umfasst, wovon eine an der der Abtriebswelle (3 ) zugewandten Seite der zweiten Scheibe (13 ) und eine andere an einem Ende der Abtriebswelle (3 ) befestigt ist, wobei jede Platte (15 ) in benachbarten Flächen vier kreuzförmig angeordnete längliche Nuten (16 ) aufweist und wobei jeweils zwei zugehörige Nuten (16 ) mit einer Kugel (17 ) zusammenwirken.
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---|---|---|---|
DE200610050218 DE102006050218A1 (de) | 2006-10-25 | 2006-10-25 | Elektrischer Stellantrieb |
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