DE102006050218A1

DE102006050218A1 - Elektrischer Stellantrieb

Info

Publication number: DE102006050218A1
Application number: DE200610050218
Authority: DE
Inventors: Jörg Meyer-Schürmann; Daniel Otterbach
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-04-30

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 gemäß 1,
3 einen vergrößerten Schnitt eines Teils eines Stellantriebs mit Scheibenbremse und
4 einen Auslösemechanismus der 3 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 und 2 anhand einer Backenbremse dargestellt. Ein Abtrieb 1 eines Stellantriebs ist drehbar mit einem Ge häuse 2 des Stellantriebs verbunden. Der Stellantrieb umfasst nicht dargestellt einen Stellmotor und ein Getriebe, die in dem Gehäuse 2 angeordnet sind. Der Abtrieb 1 ist einstückig aus drei zumindest weitgehend kreisförmigen Scheiben unterschiedlicher Durchmesser gebildet; die jeweils untere der Scheiben weist den größeren Durchmesser auf. Die untere, dem Gehäuse 2 zugewandte Seite des Antriebs 1 ist mir einer kreisförmigen, im Querschnitt (senkrecht zur Ansicht) rechteckigen Aussparung ausgebildet. In und konzentrisch mit der Aussparung sind ein Teil einer Abtriebswelle 3 des Getriebes und ein Bremsring 4 angeordnet. Der Bremsring 4 ist gegen das Gehäuse 2 durch geeignete Mittel wie z.B. Nocken an dem Gehäuse 2 und entsprechende Ausnehmungen an dem Bremsring 4 gegen Verdrehen gesichert.
Der Außendurchmesser des Bremsrings 4 ist so bemessen, dass dieser mit geringem Spiel in die Aussparung passt. Die Innenfläche des Bremsrings 4, die eine Wirkfläche definiert, ist dreieckförmig mit aus dem Querschnitt weisender Spitze ausgebildet. Das bedeutet, der Querschnitt des Bremsrings 4 ist aus einem Rechteck und einem an der Innenseite des Bremsrings 4 angesetzten gleichschenkligen Dreieck zusammengesetzt.
Innerhalb des von dem Bremsring 4 umschlossenen Raums sind zwei Bremsbacken 5 so angeordnet, dass die Bremsflächen um 180° versetzt voneinander weg weisen. Jede Bremsbacke 5 ist an einem zugeordneten Träger 6 befestigt, der über einen Arm 8 mit dem Abtrieb 1 verbunden ist. Die Bremsbacke 5, der Träger 6 und der Arm 8 sind vorzugsweise einstückig gefertigt. Die Arme 8 sind gelenkig an einem Bolzen 9 gelagert, der an dem Abtrieb 1 parallel zu der Abtriebswelle 3 ausgebildet ist. In jeden Träger 6 ist eine rechteckige Öffnung 7 so eingelassen, dass sie bei gelöster Bremse weitgehend zentrisch zu der Abtriebswelle 3 ist. Diese durchdringt beide Öffnungen 7 und ist an dem Abtrieb 1 drehbar gelagert. Zwischen den Bremsbacken 5 und gegen diese abgestützt ist eine Druckfeder 10 gelagert. Die Druckfeder 10 ist als Schraubenfeder ausgebildet und im Wesentlichen parallel zu den Längsachsen der Träger 6.
Die Abtriebswelle 3 weist an ihrem Ende in dem Umfangsbereich, der die Öffnungen 7 durchdringt, zwei Nocken 11 auf. Die Nocken 11 sind um 180° auf dem Umfang der Abtriebswelle 3 versetzt. Sie sind im Querschnitt in etwa dreiecksförmig; ihre Länge entspricht mindestens der Gesamtdicke der beiden Träger 6. Die Größe der Öffnungen 7 ist entsprechend den Abmessungen der Abtriebswelle 3 und der Nocken 11 bestimmt: Die Länge L, die sich senkrecht zur Längsachse der Träger 6 erstreckt, entspricht dem Durchmesser der Abtriebswelle 3 einschließlich der Nocken 11 und zuzüglich einem geringen Spiel. Die Breite B ist etwas größer als der Durchmesser der Abtriebswelle 3 und kleiner als der Durchmesser der Abtriebswelle 3 einschließlich der Nocken 11.
Im Betrieb drückt bei Stillstand des Stellmotors die Druckfeder 10 die Bremsbacken 5 auseinander und gegen den Bremsring 4. Hierdurch ist infolge Reibung eine Drehung zwischen dem Abtrieb 1 und dem Gehäuse 2 blockiert. Damit ist auch eine ungewollte Verstellung des Organs durch äußere Einflüsse verhindert. Die Öffnungen 7 weisen hier besonders bezüglich der Breite B an beiden Seiten Spiel zu der Abtriebswelle 3 auf.
Sobald das Organ verstellt werden soll, geht der Stellmotor in Betrieb und dreht die Abtriebswelle 3. Unabhängig von der Drehrichtung gelangen die Nocken 11 gegen jeweils eine der Längsseiten der Öffnungen 7 und ziehen so die Bremsbacken 5 über die Träger 6 gegen die Kraft der Druckfeder 10 von dem Bremsring 4 weg. Dann verkeilen die Nocken 11 in den Öffnungen und die Träger 6 drehen mit der Abtriebswelle 3. Da die Träger über die Arme 6 mit dem Abtrieb 1 verbunden sind, dreht auch dieser mit der Abtriebswelle 3, 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 Druckfeder 10 auf die Bremsbacken 5, die so auf den Bremsring 4 gedrückt werden. Gleichzeitig wird die Abtriebswelle 3 durch die über die Seiten der Öffnungen auf die Nocken 11 wirkende Kraft der Druckfeder 10 entgegen der vorherigen Drehrichtung gedreht, bis die Kraft vollständig auf den Bremsring 4 übertragen wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist aus den 3 und 4 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 Gehäuse 2 ist in der Nähe eines aus dem Getriebe weisenden Endes der Abtriebswelle 3 eine kreisringförmige erste Scheibe 12 befestigt. In Verlängerung der Abtriebswelle 3 jenseits der ersten Scheibe 12 ist der Abtrieb 1 von einer Welle gebildet, die drehbar an dem Gehäuse 2 gelagert ist und mit einem Ende aus dem Gehäuse 2 ragt. Im Bereich des anderen Endes des Abtriebs 1 ist eine zweite Scheibe 13 so angeordnet, dass sie mit geringem Abstand parallel zu der ersten Scheibe 12 und zwischen dieser und dem Lager des Abtriebs 1 ist. Hierbei ist die zweite Scheibe 13 drehfest und in Richtung der Längsachse des Abtriebs 1 verschiebbar befestigt. Koaxial auf dem Abtrieb 1 ist zwischen der zweiten Scheibe 13 und dem Lager des Abtriebs 1 eine Druckfeder 10 eingespannt. Die Druckfeder 10 ist als Schraubenfeder ausgebildet.
Zwischen dem Abtrieb und der Abtriebswelle 3 ist ein Mechanismus 14 angeordnet, der bei Betrieb des Stellmotors die zweite Scheibe 13 von der ersten Scheibe 12 abhebt. Der Mechanismus 14 umfasst zwei kreisförmige Platten 15, wovon eine an dem Ende der Abtriebswelle 3 und die andere an der zweiten Scheibe 13 sowie parallel zu dieser befestigt ist. Die Platten 15 sind mit geringem Abstand parallel angeordnet. In benachbarten Flächen der Platten 15 sind jeweils vier längliche radiale Nuten 16 eingelassen. Diese sind in Form eines rechtwinkligen Kreuzes angeordnet, wobei sie sich über eine Teillänge der Radialstrahlen erstrecken. Die Nuten 16 der einen Platte 15 liegen den Nuten 16 der anderen Platte 15 zumindest teilweise deckungsgleich gegenüber. In jedem zwischen zwei gegenüberliegenden Nuten 16 gebildeten Hohlraum ist jeweils eine Kugel 17 gelagert. Jede der Nuten 16 weist einen Querschnitt in Form eines flachen V auf. Alle vier Kugeln 17 weisen den selben Durchmesser auf, wobei dieser in etwa der doppelten Höhe einer der Nuten 16 entspricht.
In einer Alternative ist eine der Platten 15 an der entsprechenden Fläche der zweiten Scheibe 13 ausgebildet.
Im Betrieb drückt bei Stillstand des Stellmotors die Druckfeder 10 die zweite Scheibe 13 gegen die erste Scheibe 12. Dies bewirkt, dass der Abtrieb 1 und somit das zu stellende Organ infolge Reibung zwischen den Scheiben 12, 13 blockiert ist und nicht durch äußere Kräfte gedreht werden kann. Die Platten 15 sind hierbei in einer Ausgangslage, in der jeweils gegenüberliegende Nuten 16 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 Kugeln 17 zwangsweise entlang der Flanken der Nuten 16, so dass der Abstand zwischen den Platten 15 vergrößert wird. Da die Abtriebswelle 3 mit der zugeordneten Platte 15 nicht axial verschiebbar ist, wird die zweite Scheibe 13 mit der zugehörigen Platte 15 axial gegen die Kraft der Druckfeder 10 verschoben. Die Strecke der Verschiebung ist hierbei durch die Kraft und/oder die Länge der zusammengedrückten Druckfeder 10 begrenzt. Infolge der Verschiebung wird die zweite Scheibe 13 von der ersten Scheibe 12 abgehoben, so dass keine Bremswirkung an dem Abtrieb 1 wirkt. Sobald die maximale Verschiebung erreicht ist, wirken die Kugeln 17 als Mitnehmer, so dass beide Platten 15 gleichmäßig gedreht werden und somit auch das Organ über die zweite Scheibe 14 und den Abtrieb 1.
Sobald die Sollposition erreicht ist, wird der Stellmotor abgeschaltet. Durch die Kraft der Druckfeder 10 wird die zweite Scheibe 14 in Richtung der ersten Scheibe 12 gedrückt. Hierbei drücken die Kugeln 17 gegen die Flanken der Nuten 16, so dass die Platten 15 gegenseitig zurück in die Ausgangslage gedreht werden. Der Abstand zwischen den Platten 15 wird verringert, bis die beiden Scheiben 12, 13 aufeinander liegen und bremsend auf den Abtrieb 1 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

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.