DE102008014609A1

DE102008014609A1 - Aktuator für Schaltelement einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008014609A1
Application number: DE102008014609A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hannewald; Vinzenz Kremina
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2009-09-24
Also published as: WO2009115442A3; WO2009115442A2; EP2265807A2

Abstract

Ein Aktuator dient zum Betätigen eines Schaltelements (12) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem elektromotorischen Stellantrieb (40), der über ein Getriebe auf das Schaltelement (12) wirkt. Um eine Überbeanspruchung insbesondere des Schaltelements (12) zu vermeiden, ist vorgesehen, dass das Getriebe wenigstens ein elastisches Element (58) aufweist, das die maximalen Kräfte oder Momente wenigstens auf das Schaltelement (12) in wenigstens einer Stellrichtung begrenzt.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Aktuator zum Betätigen eines Schaltelements einer Verbrennungskraftmaschine mit einem elektromotorischen Stellantrieb, der über ein Getriebe auf das Schaltelement wirkt.
Derartige Schaltelemente werden heutzutage vielfach bei Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, beispielsweise zur Nockenwellenverstellung, zum Schalten von Abgasrückführventilen, zum Verstellen der Leiterschaufeln eines Turboladers oder zum Betätigen eines Wastegateventils in einem Turbolader, nur um einige Anwendungsbeispiele in diesem Bereich zu nennen. Neben elektromotorischen Stellantrieben sind auch pneumatisch wirkende Vorrichtungen bekannt, die aber auch im statischen Betrieb eine permanente Leistungsaufnahme aufweisen.
Im Falle elektromotorischer Stellantriebe wirkt der Elektromotor in der Regel nicht unmittelbar auf das Schaltelement selbst, sondern es ist ein Getriebe zwischengeschaltet, das beispielsweise die hohe Drehzahl des Motors für die Stellbewegung des Schaltelements reduziert. Dabei kann es zu Spitzenbelastungen insbesondere auch auf das Schaltelement kommen, wenn der Motor mit hoher Drehzahl gegen den durch das Schaltelement selbst definierten Endanschlag läuft und die hohen Massenträgheitsmomente des Motors und des nachgeschalteten Getriebes beispielsweise von einem Ventilsitz aufgenommen werden müssen. Dies kann zu einem schnellen Verschleiß des Schaltelements führen, wobei diese Problematik sich noch verstärkt, wenn das Schaltelement in einem mit hoher Temperatur beanspruchten Bereich angeordnet ist, beispielsweise als Abgasrückführungsventil im Abgasstrang oder als Wastegateventil in einem Turbolader. Dort kann es unter ungünstigen Betriebszuständen vorkommen, dass der unmittelbar im Turbola dergehäuse ausgebildete Sitz des Wastegateventils derart hoch belastet wird, dass das Gehäuse des Turboladers selbst beschädigt werden kann. Hoch beanspruchte Teile müssen aber vorsorglich so groß dimensioniert werden, dass sie auch unerwünschten Kraftspitzen standhalten, wodurch der Raumbedarf und das Gewicht der Aktuatoren ansteigen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Aktuator zu schaffen, der das Betätigen eines Schaltelements mit definierten Kräften ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Aktuator der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem das Getriebe wenigstens ein elastisches Element aufweist, das die maximalen Kräfte oder Momente wenigstens auf das Schaltelement selbst in wenigstens einer Stellrichtung begrenzt.
Das elastische Element, das grundsätzlich an einer beliebigen Stelle des Getriebes zwischen dem elektromotorischen Stellantrieb und dem Schaltelement angeordnet sein kann, sorgt beispielsweise dafür, dass beim Anfahren des Schaltelements an einen Endanschlag, beispielsweise dem Erreichen eines Ventilsitzes durch ein Ventilelement, die Massenträgheit der noch schnell rotierenden Teile nicht zu einem rapiden Anstieg der Kräfte und Momente in dem Antriebsstrang und insbesondere im Bereich des Ventilsitzes führt, da sich die Bewegung des Stellantriebes zunächst unter Ausnutzung der elastischen Verformung des elastischen Elements reduzieren kann, ohne dass die Kraft auf das Schaltelement dabei wesentlich ansteigt. Der elektromotorische Antrieb braucht im statischen Betrieb keine Energie und die Teile können wegen der fehlenden Spitzenbelastungen kleiner dimensioniert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das elastische Element in einer ersten Endstellung des Schaltelements und/oder in einer zweiten Endstellung des Schaltelements deformiert ist, d. h., auf das Schaltelement selbst wirken lediglich die durch das deformierte elastische Element wirkenden elastischen Rückstellkräfte.
Sofern die Begrenzung die Kräfte lediglich in einer Schaltrichtung erforderlich ist, beispielsweise, um einen Ventilsitz eines Wastegateventils in einem Turbolader vor zu hoher Beanspruchung zu schützen, ist es ausreichend, wenn in einer Bewegungsrichtung des Stellantriebes das Getriebe einen starren Durchtrieb aufweist. Im Falle eines Wastegateventils wäre diese Bewegungsrichtung die Bewegung in der Öffnungsrichtung. In der Schließrichtung hingegen wird beim Erreichen des geschlossenen Zustand des Wastegateventiles dann ein unkontrolliertes Anfahren dieses Zustandes mit hoher Geschwindigkeit durch das elastische Element abgefedert, so dass Kraftimpulse infolge der Massenträgheit nicht zu erwarten sind.
Als elastisches Element wird vorzugsweise ein vorgespanntes Federelement eingesetzt, wobei die Vorspannung sicherstellt, dass eine elastische Deformation nicht bereits bei sehr niedrigen Kräften und Momenten auftritt, was zu einem quasi spielbehafteten Verhalten des Aktuators führen würde.
Sofern eine Elastizität in beiden Bewegungsrichtungen des Antriebes gewünscht ist, kann das Federelement zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen des Getriebes angeordnet sein, wobei es in einer vorgespannten Mittellage jeweils zwischen zwei Widerlagern an dem ersten Element und zwischen zwei Widerlagern des zweiten Elements eingespannt ist, so dass die beiden Elemente in beiden Drehrichtungen relativ zueinander unter weiterer Vorspannung des elastischen Elements beweglich sind. Sofern die Begrenzung der Kräfte nur in einer Stellrichtung gewünscht ist, kann das Federelement zwischen einem Widerlager an dem ersten Element und einem Widerlager an dem zweiten Element eingespannt sein, wobei ein Drehanschlag die relative Verdrehung zwischen den beiden Elementen in der Entspannungsrichtung des elastischen Elements begrenzt und den starren Durchtrieb bildet. Beispielsweise kann sich das Widerlager des zweiten Elements unmittelbar an den Drehanschlag des ersten Elements anlegen.
Das Federelement kann z. B. zwischen Widerlagern einer Welle und eines Zahnrades eingespannt sein, das koaxial drehbar auf der Welle sitzt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher das Zahnrad Bestandteil eines ein- oder mehrstufigen Zahnradgetriebes ist, das zwischen dem elektromotorischen Antrieb und der Welle angeordnet ist. Dieses Zahnradgetriebe sorgt bereits für eine wesentliche Drehzahlreduktion zwischen dem Antrieb und der Welle.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem elektromotorischen Stellantrieb und dem elastischen Element an einem bewegten Getriebebauteil wenigstens ein Endanschlag vorgesehen ist, der den Deformationsweg des elastischen Elements in einer Stellrichtung durch Auflage an einem ortsfesten Anschlag begrenzt. Sofern der Deformationsweg in beiden Stellungsrichtungen begrenzt werden soll, ist entsprechend ein zweiter Endanschlag in der entgegengesetzten Stellrichtung an einem bewegten Getriebebauteil vorzusehen, der mit einem weiteren ortsfesten Anschlag zusammenwirkt.
Der Anschlag sorgt dafür, dass beispielsweise nach dem Erreichen einer Endstellung des Schaltelements das elastische Element nur um einen bestimmten Weg deformiert werden kann, bis der elektromotorische Stellantrieb den vorgeschalteten Teil des Getriebes gegen den Anschlag fährt. Damit lässt sich insbesondere bei einem vorgespannten Federelement über den Differenzweg zwischen Erreichen der Endstellung des Schaltelements und dem Erreichen des Anschlages vor dem elastischen Element eine exakt definierte Schließkraft (und/oder eine definierte Kraft am entgegengesetzten Endanschlag) einstellen. Die erhöhte Drehmomentspitze in dem Bereich des Getriebes zwischen dem elektromotorischen Stellantrieb und beispielsweise dem dem elastischen Element unmittelbar vorgeschalteten Zahnrad ist in der Regel unproblematisch, da dort eine kompakte Gehäusestruktur die in dem Getriebe auftretenden Kräfte gut aufnehmen kann. Begrenzt werden diese Kraftspitzen aber auch dadurch, dass nach dem Erreichen der Endstellung des Schaltelements das sich dann weiter vorspannende elastische Element die Bewegung des Stellantriebes und des vorgeschalteten Getriebeteils bereits wesentlich abbremst, so dass das Anfahren an den Anschlag nur noch mit stark verminderter Geschwindigkeit erfolgt.
In dem Fall, dass das Schaltelement ein Wastegateventil auf der Abgasseite eines Abgasturboladers darstellt, ist es besonders bevorzugt, wenn der Stellantrieb auf der Frischluftseite des Abgasturboladers angeordnet ist und über das Getriebe mit dem Wastegateventil auf der Abgasseite verbunden ist. Zweckmäßig ist dabei, wenn die Welle mit dem elastischen Element auf der Frischluftseite angeordnet ist und über ein Hebelgetriebe auf eine zweite Welle wirkt, die drehstarr mit dem Wastegateventil auf der Abgasseite gekoppelt ist. Dadurch lassen sich alle Temperaturempfindlichen Bauteile des Aktuators auf der Frischluftseite anordnen, wo ihre Temperaturbeanspruchung entsprechend niedriger ist.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
1 eine Schrägansicht eines Abgasturboladers mit einem Aktuator zur Betätigung eines Wastegateventils;
2 den Turbolader aus 1 in anderer Perspektivansicht;
3 eine Schrägansicht auf die frischluftseitigen Bauteile des Aktuators bei geöffnetem Gehäuse in einem geöffneten Zustand des Wastegateventils;
4 eine Schrägansicht gemäß 3 bei geschlossenem Wastegateventil und noch in Bewegung befindlichem Stellantrieb;
5 eine Schrägansicht entsprechend 3 bei geschlossenem Wastegateventil und mit dem Stellantrieb in einer Endlage;
6 ein Explosionsschaubild der drehelastischen Lagerung des letzten Abtriebszahnrades des Aktuators aus 3.
1 zeigt eine Schrägansicht auf einen Abgasturbolader auf dessen Abgasseite ein Wastegateventil 12 vorgesehen ist, das unter Betriebszuständen im geöffneten Zustand als Bypass für eine Abgasturbine 14 dient, so dass die Abgase unmittelbar von einem Einlass des Turboladers 10 zu einem Auslass 18 gelangen können. Das Wastegateventil 12 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilelement 20 und einem Ventilsitz 22, der unmittelbar an dem Gehäuse des Abgasturboladers ausgebildet ist. Das Ventilelement 20 ist drehstarr mit einer im Gehäuse des Abgasturboladers 10 drehbar gelagerten Abtriebswelle verbunden, an welcher über einen drehstarr mit ihr gekoppelten Abtriebshebel 26 ein Schubhebel 28 angelenkt ist. Der Schubhebel 28 ist über einen Antriebshebel 30 wiederum mit einer Antriebswelle 32 gekoppelt, die wie alle übrigen Bestandteile eines Aktuators 34 in einem Gehäuse 36 angeordnet ist, das auf der Frischluftseite (siehe 2) des Abgasturboladers 10 angeordnet ist. Lediglich die Abtriebswelle 24 und der Abtriebshebel 26 sind als Bestandteile des Aktuators 34 auf der Abgasseite des Turboladers 10 angeordnet und entsprechend den dort hohen Temperaturen ausgesetzt, wobei der Schubhebel 28 zur Verbindung der Antriebsteile auf der Frischluftseite mit den Antriebsteilen auf der Abgasseite vorgesehen ist. Besonders gut deutlich wird die räumliche Trennung des Gehäuses 36 des Aktuators 34 von der Abgasseite des Turboladers 10 aus der gegenüber 1 gedrehten Perspektivansicht gemäß 2.
3 zeigt eine Ansicht des geöffneten Aktuatorgehäuses 36, wobei ein Deckel 38 (siehe 1) entfernt worden ist, um den Blick auf die in dem Gehäuse 36 angeordneten Getriebeteile freizugeben.
Der Aktuator 34 besitzt einen elektromotorischen Stellantrieb 40, der auf ein Ritzel 42 wirkt, das mit einem ersten Zahnrad 44 auf einer Zwischenwelle 46 in Eingriff steht. Auf der Zwischenwelle 46 ist drehstarr ein weiteres Zahnrad (verdeckt, nicht sichtbar) angeordnet, das wiederum mit einem Abtriebszahnrad 48 in Eingriff steht, das auf der Antriebswelle 32 (siehe hierzu auch 1) schwenkbar gelagert ist. Die Verzahnung des Abtriebszahnrades 48 erstreckt sich nur über einen Teilbereich des Umfangs, wobei an der Außenflanke des Abtriebszahnrades 48 ein erster Endanschlag 50 und ein zweiter Endanschlag 52 vorgesehen sind, die den Verdrehwinkel des Abtriebszahnrades 48 begrenzen. Zwischen dem Abtriebszahnrad 48 und der Antriebswelle 32 besteht keine unmittelbar, drehstarre Verbindung (sieh auch 6). Die Kopplung erfolgt über ein zwischenliegendes Mitnehmerelement 54 mit einem Hebelarm 56, das drehstarr mit der Antriebswelle 32 gekoppelt ist. Zwischen dem Abtriebszahnrad 48 und dem Mitnehmerelement 54 ist ein vorgespanntes Federelement 58 vorgesehen, das zwischen ersten Widerlager 60 an dem Abtriebszahnrad 48 und einem als zweites Widerlager fungierenden Hebelarm 56 des Mitnehmerelements 54 abgestützt ist. In der in 3 gezeigten Stellung stützt sich der Hebelarm 56 an einem Drehanschlag 62 ab, womit er in dieser relativen Verdrehrichtung einen starren Durchtrieb bildet.
Die Abbildung gemäß 3 zeigt die Stellung des Abtriebszahnrades 48 in einer Drehwinkelstellung, in welcher das Wastegateventil 12 gerade seine geschlossene Stellung erreicht. Dies bedeutet, dass der Elektromotor 40 noch mit ma ximaler Drehzahl läuft, während der Verstellweg des Ventilelements 20 mit dem Erreichen des Ventilsitzes 22 endet.
Durch die kinetische Energie der bewegten Teile und ggf. auch durch die noch nicht abgeschaltete oder gar nicht abzuschaltende Antriebsleistung des Elektromotors 40 wird nunmehr das Abtriebszahnrad 48 weiter in der Richtung bewegt, die einer Bewegung in Schließrichtung des Wastegateventils 12 entspricht. Da dieses aber bereits geschlossen ist und somit über die Abtriebswelle 24, den Abtriebshebel 26, das Schubelement 28, den Antriebshebel 30 und die Antriebswelle 32 das Mitnehmerelement 54 blockiert, hebt der Drehanschlag 62 von dem Hebelarm 56 unter der Wirkung des sich infolge des weiterbewegenden ersten Widerlagers 60 weiter vorspannenden Federelements 58 ab. Die nunmehr zwischen dem Hebelarm 56 und dem ersten Widerlager 60 sich schnell erhöhende Federkraft bremst dabei den Elektromotor 40 und die nachfolgenden Zahnräder 44, 48 rapide ab, ohne dass das Drehmoment in der Antriebswelle 32 und damit die Kräfte auf das Wastegateventil 12 über die durch Rückstellkraft des Federelements 58 bewirkten Kräfte ansteigen könnte.
Schließlich erreicht der erste Endanschlag 50 einen feststehenden Anschlag 64 am Gehäuse 36 des Aktuators 34 der auch eine mögliche Stoßbelastung infolge restlicher vorhandener kinetischer Energie des Stellantriebs aufnimmt, wobei auch eine Dauerbestromung des Motors 40 ohne weiteres möglich ist, da der feststehende Anschlag 64 auch das Moment des elektrischen Antriebsmotors abstützen kann. In dieser in 5 gezeigten Stellung befinden sich der Hebelarm 56 und das erste Widerlager 60 in einer maximal aufeinander zu verschwenkten Stellung, d. h. das Federelement 58 hat seinen maximal vorgespannten Zustand erreicht.
Dieser Vorspannzustand definiert auch eine bestimmte Schließkraft des Wastegateventils 12, d. h., die Belastung des Ventilsitzes 22 im Gehäuse des thermisch hoch belastenden Turbo laders 10 kann exakt eingestellt werden. Toleranzen im Bereich des Aktuators 34, die beispielsweise auch von Temperaturschwankungen in diesem Bereich herrühren können, spielen aufgrund der sich unter den ändernden Temperaturbedingungen kaum ändernden Spannkraft des Federelementes 58 dann nur noch eine zu vernachlässigende Rolle. Der genaue Aufbau der beweglichen Lagerung des Abtriebszahnrades 48 auf der Antriebswelle 42 unter Zwischenschaltung des vorgespannten Federelementes 58 ergibt sich auch aus der Explosionsansicht gemäß 6.
Sofern eine Begrenzung der maximalen Momente bzw. Kräfte zwischen dem elektromotorischen Antrieb 40 und dem Wastegateventil 12 in beiden Verstellrichtungen gewünscht ist, beispielsweise auch bei einem Anfahren des Ventilelements 20 an einen Endanschlag in der geöffneten Stellung, kann das Mitnehmerelement 54 durch geringfügige Veränderung der in 3 bis 6 gezeigten Elemente in der Art einer Drehmomentwaage an das Abtriebszahnrad 48 gekoppelt werden. Bei einer solchen Ausführungsform verfügt das Mitnehmerelement dann über zwei Hebelarme, die jeweils fluchtend zu zwei in exaktem Abstand wie die Hebelarme zueinander angeordneten Widerlagern an dem Abtriebszahnrad 48 angeordnet sind. Die Schenkel des Federelements 58 können bei konstruktiver Beibehaltung desselben sowohl an den beiden Widerlagern des Abtriebszahnrades 48 als auch an den beiden Hebelarmen des Mitnehmerelements anliegen, so dass ein Verschwenken unter weiterer Vorspannung des bereits in der Mittellage vorgespannten Federelements in beiden relativen Verdrehrichtungen möglich ist.

Claims

Aktuator zum Betätigen eines Schaltelements (12) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem elektromotorischen Stellantrieb (40) der über ein Getriebe auf das Schaltelement (12) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe wenigstens ein elastisches Element (58) aufweist, das die maximalen Kräfte oder Momente wenigstens auf das Schaltelement (12) selbst in wenigstens einer Stellrichtung begrenzt.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (58) in einer ersten Endstellung des Schaltelements (12) und/oder in einer zweiten Endstellung des Schaltelements (12) gegenüber einer Normallage deformiert ist.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Bewegungsrichtung des Stellantriebes (40) das Getriebe einen starren Durchtrieb aufweist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (58) ein vorgespanntes Federelement ist.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (58) zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen des Getriebes angeordnet ist, wobei es in einer vorspannten Mittellage jeweils zwischen zwei Widerlagern an dem ersten Element und zwischen zwei Widerlagern des zweiten Elements eingespannt ist, so dass die beiden Elemente in beiden Drehrichtungen relativ zueinander unter weiterer Vorspannung des elastischen Elements beweglich sind.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (58) zwischen einem Widerlager (60) an dem ersten Element (48) und einem Widerlager (56) an dem zweiten Element eingespannt ist, wobei ein Drehanschlag (62) die relative Verdrehung zwischen den beiden Elementen in der Entspannungsrichtung des elastischen Elements (58) begrenzt und den starren Durchtrieb in einer Stellrichtung bildet.
Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (58) zwischen Widerlagern (56, 60) einer Welle (32) und eines Zahnrades (48) eingespannt ist, das koaxial drehbar auf der Welle sitzt.
Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (48) Bestandteil eines ein- oder mehrstufigen Zahnradgetriebes ist, das zwischen dem elektromotorischen Antrieb (40) und der Welle (32) angeordnet ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem elektromotorischen Stellantrieb (40) und dem elastischen Element (38) an einem bewegten Getriebebauteil wenigstens ein Endanschlag (50) vorgesehen ist, der den Deformationsweg des elastischen Elements (58) in einer Stellrichtung durch Anlage an einem ortsfesten Anschlag (64) begrenzt.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (12) ein Wastegateventil auf der Abgasseite eines Abgasturboladers (10) ist.
Aktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (40) auf der Frischluftseite des Abgasturboladers (10) angeordnet ist und über das Getriebe mit dem Wastegateventil (12) auf der Abgasseite verbunden ist.
Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (32) mit dem elastischen Element (58) auf der Frischluftseite angeordnet ist und über ein Hebelgetriebe (30, 28, 26) auf eine zweite Welle (24) wirkt, die drehstarr mit dem Wastegateventil (12) auf der Abgasseite gekoppelt ist.