DE102009022843A1

DE102009022843A1 - Vorrichtung zur Einstellung eines Fahrzeugscheinwerfers

Info

Publication number: DE102009022843A1
Application number: DE102009022843A
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Böttger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Vorrichtung zur Einstellung eines Fahrzeugscheinwerfers mit einem Linearstellantrieb, der einen bürstenlosen Gleichstrommotor, ein Stellelement und eine Ansteuereinheit umfasst, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor ein Schraubengetriebe aufweist, das die Drehbewegung des Gleichstrommotors auf das Stellelement überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung eines Fahrzeugscheinwerfers, beispielsweise zur Einstellung der Leuchtweite oder zur Kurvennachführung der Scheinwerfer eines Kraftfahrzeuges.
Die DE 10 2004 052 434 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Leuchtweitenregulierung von Fahrzeugscheinwerfern, die einen Servomotor verwendet, der mit dem Scheinwerfer mechanisch gekoppelt ist und diesen verkippen kann. Einzelheiten des Servomotors und der Kopplung sind nicht beschrieben.
In der Praxis kommen heute, für die Einstellung der Leuchtweite und die Kurvenlichtverstellung Schrittmotoren zum Einsatz. Bei einem Schrittmotorantrieb wird permanent der maximale Strom in die Wicklungen des Antriebs gespeist, unabhängig davon, welche Last sich am Abtrieb befindet. In der Praxis verursachen Anwendungen, wie ein Leuchtweitensteller oder ein Kurvenlichtsteller für Fahrzeugscheinwerfer, nur eine durchschnittliche Belastung des Schrittmotors, die ungefähr 15 bis 20% des maximalen Motor-Drehmomentes entspricht. Gleichwohl erzeugt ein Schrittmotor in jedem Schritt ein maximales Drehmoment, unabhängig davon, ob dies benötigt wird oder nicht. Selbst bei geringer Belastung führt dies zu einer merklichen Erwärmung des Antriebs. Wird stets das maximale Drehmoment erzeugt und somit eine entsprechende Erwärmung des Schrittmotors generiert, kann leicht die thermische Einsatzgrenze des Antriebs und seiner Treiberstufe erreicht werden, insbesondere weil die Scheinwerfer selbst eine relativ hohe Eigenerwärmung erzeugen.
Wie im „Handbuch elektrische Kleinantriebe", erschienen 2001 im Hanser Verlag (ISBN 3-446-21007-5), beschrieben, werden Schrittmotoren, im Gegensatz zu Gleichstrommotoren, gewöhnlich mit einem maximalen Strom beaufschlagt und mit einer offenen Regelung betrieben. Dadurch entsteht ein weiterer Nachteil von Schrittmotoren, nämlich ein stets möglicher Schrittverlust und die damit einhergehende Notwendigkeit der Schrittverlusterkennung. Ohne diese kann eine zuverlässige Positionierung nicht sichergestellt werden. Des Weiteren ist es notwendig, Blockierzustände (Stall) zu erkennen. Hierfür sind relative aufwendige Sensoren und Erfassungssysteme notwendig, die nicht nur die Kosten des Antriebs insgesamt erhöhen, sondern häufig auch schlecht in dem Antrieb unterzubringen sind. Außerdem benötigt die Treiberstufe für einen Schrittmotor insgesamt acht Transistoren.
Ein Linearstellantrieb auf der Grundlage eines Schrittmotors, der zur Einstellung eines Frontscheinwerfers mit Leuchtweitenregulierung oder Kurvenlichtnachführung verwendet wird, ist in der DE 10 2005 054 912 A1 beschrieben.
DE 10 2006 010 945 A1 beschreibt einen Positionsgeber für das Stellelement eines Linearmotors. Ein Anwendungsgebiet des Linearmotors ist in dieser Schrift nicht angegeben.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Einstellung eines Fahrzeugscheinwerfers mit einem Linearstellantrieb anzugeben, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und mit dem insbesondere die Eigenerwärmung des Antriebs deutlich reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Linearstellantrieb mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, einem Stellelement und einer Steuereinheit, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor ein Schraubengewinde aufweist, dass die Drehbewegung des Gleichstrommotors auf das Stellelement überträgt. Die Verwendung des bürstenlosen Gleichstrommotors erlaubt es, die mittlere Stromaufnahme des Motors und dadurch die Eigenerwärmung deutlich zu reduzieren, weil dieser Motor immer nur mit dem Strom betrieben wird, der aufgrund der Belastung am Abtrieb notwendig ist. Dadurch ist es möglich, den Antrieb auch bei höheren Umgebungstemperaturen einzusetzen und/oder mit einem höheren Strom und somit einer höheren Leistung bei gleicher maximaler Erwärmung zu betreiben. Dies erlaubt eine höhere Verstellkraft und/oder eine kleinere Baugröße des Antriebs bei gleicher Leistung. Darüber hinaus haben bürstenlose Gleichstrommotoren den Vorteil, dass ihr Wirkungsgrad deutlich höher ist als der von Schrittmotoren; er liegt im Bereich von 60 bis 80%. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Kaltanlauf eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der im Automobilbereich bis zu Temperaturen von –40° gewährleistet sein muss, weniger Probleme bereitet als bei Schrittmotoren. Während ein Schrittmotor nur einen Anlaufversuch hat und im Falle eines Blockierzustandes durch Schrittverlust seine Position verlieren kann, wird sich ein bürstenloser Gleichstrommo tor zunächst, wenn er das aufgrund der hohen Kälte erforderliche Drehmoment nicht erzeugen kann, selbst erwärmen und dadurch in einen Betriebszustand bringen, in dem ein fehlerfreier Anlauf gewährleistet ist.
Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung eines bürstenlosen Gleichstrommotors als Antrieb besteht in der wesentlich schnelleren Beschleunigung und der höheren Stellgeschwindigkeit im Vergleich zu einem Schrittmotor. Hier können Verbesserungen im Bereich von Faktor 2 bis 5 erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das Schraubengetriebe ein Außengewinde, das auf das Abtriebsende der Welle des Gleichstrommotors aufgebracht ist, und das Stellelement weist eine Gewindemutter auf, die mit dem Außengewinde der Welle zusammenwirkt, um die Drehbewegung des Gleichstrommotors in eine Linearbewegung des Stellelementes zu übersetzen.
In einer anderen Ausführung der Erfindung umfasst das Schraubengetriebe eine Gewindemutter, die mit dem Rotor des Gleichstrommotors drehfest verbunden ist, und das Stellelement ist eine Stellstange mit einem Außengewinde, das mit der Gewindemutter zusammenwirkt, um die Drehbewegung des Rotors in eine Linearbewegung der Stellstange zu übersetzen.
Das Stellelement bzw. die Stellstange ist vorzugsweise durch einen Gehäuseteil oder Flansch des Gleichstrommotors geführt und, in der zweiten Ausführung, ist die Stellstange zusätzlich durch die Gewindemutter geführt.
In der bevorzugten Ausführung ist das Stellelement ein Stellstift mit einem Gelenkkopf, beispielsweise einem Kugelgelenk an seinem freien Ende. Ein solches Kugelgelenk kann direkt an dem Fahrzeugscheinwerfer oder einem zugeordneten Reflektor ansetzen, um diesen zu verstellen.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ferner ein Positionssensor zur Erfassung der Lage des Stellelementes vorgesehen. Der Positionssensor kann beispielsweise einen Lagegeber-Magneten und einen Magnetsensor, z. B. einen Hallsensor, aufweisen, wobei eine der beiden Komponenten mit dem Stellelement gekoppelt ist und die andere mit einem feststehenden Teil des Gleichstrommotors, beispielsweise seinem Flansch, verbunden ist. Ein Beispiel für einen solchen Positionssensor ist in der DE 10 2006 010 945 A1 beschrieben.
Die Ansteuereinheit ist beispielsweise eine Treiberstufe mit sechs Transistoren, die sensorlos ausgeführt sein kann. Dadurch ergibt sich gegenüber der Verwendung von Schrittmotoren eine Kosteneinsparung sowie wiederum eine Reduzierung der Baugröße und der Eigenerwärmung aufgrund der geringeren Transistorzahl.
Schließlich kann erfindungsgemäß die Ansteuereinheit mit einer Schnittstelle zur Kommunikation mit der Fahrzeugelektronik ausgestattet sein, beispielsweise mit einer LIN (Local Interconnect Network) oder einer CAN(Controller Area Network)-Schnittstelle.
Der Gleichstrommotor ist vorzugsweise ein miniaturisierter Motor mit einer Baugröße von nicht mehr als ungefähr 25 mm Durchmesser und 30 mm Länge. In diesen Größenordnungen ließe sich kein Schrittmotor realisieren, der eine ausreichende Leistung zur Verwendung als Leuchtweitensteller oder Kurvenlichtsteller hätte.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 eine isometrische Darstellung eines Linearstellantriebs gemäß der Erfindung;
2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Linearstellantriebs der 1; und
3 eine Schnittdarstellung durch den Linearstellantrieb der 1.
In den 1 bis 3 ist eine Ausführung eines Linearstellantriebs gemäß der Erfindung dargestellt, der zur Einstellung eines Fahrzeugscheinwerfers, insbesondere zur Leuchtweitenregulierung und zur Kurvenlichtverstellung eingesetzt wird. Herzstück des Linearstellantriebs ist ein bürstenloser Gleichstrommotor 10, der auf an sich bekannte Weise mit einem Stator 12 und einem Rotor 14 aufgebaut ist. Der Stator 12 umfasst ein Statorblechpaket 16, in dem Statorpole und -nuten ausgebildet sind, zur Aufnahme einer Statorwicklung. Der Rotor 14 umfasst einen Rotormagneten 18 und ist mit einer Welle 20 des Gleichstrommotors drehfest verbunden. An seinen beiden Stirnenden ist der Stator 12 mit Deckelflanschen 22, 24 gekoppelt, welche den Gleichstrommotor 10 zusammen mit dem Außenumfang des Statorblechpakets 16 nach außen hin abschließen. Die Welle 20 ist in den Deckelflanschen 22, 24 mittels Kugellager 26, 28 drehbar gelagert. Der Innenring des Kugellagers 26 ist an dem Rotor 14 durch eine Feder 30 abgestützt und dadurch vorgespannt. An der der Abtriebsseite gegenüberliegenden Stirnseite des Stators 12 ist eine Leiterplatte 32 mit Ansteuerelektronik 34 angeordnet. Die Ansteuerelektronik 34 ist schematisch durch einen IC-Chip dargestellt. Die Leiterplatte 32 ist mit einer auf den Stator 12 aufgebrachten Nutisolation 36 direkt verbunden.
Die Welle 20 weist an ihrem Abtriebsende ein Außengewinde 38 auf, das mit einer in einem Stellstift 40 ausgebildeten Gewindemutter 42 zusammenwirkt. Der Stellstift 40 ist in einem Führungsflansch 44, der außerhalb des Deckelflansches 24 an der Abtriebsseite des Gleichstrommotors angebracht ist, linear geführt. An dem freien Ende des Stellstiftes 40 ist ein Kugelgelenk 46 vorgesehen, dass dazu dient, die Bewegung des Stellstiftes 40 auf einen Fahrzeugscheinwerfer zu übertragen. Dreht sich die Welle 12, so wird ihre Drehung über das Außengewinde 38 und die Gewindemutter 42 in eine lineare Verschiebung des Stellstifts 40 übersetzt. Der Stellstift ist in dem Führungsflansch 44 derart geführt, dass er ausschließlich eine Translationsbewegung, jedoch keine Drehbewegung ausführen kann. Das Kugelgelenk 46 kann in eine korrespondierende Aufnahme an einem Scheinwerfer oder Reflektor eingreifen, um diesen zu verstellen. Die hohe Drehgeschwindigkeit eines Gleichstrommotors, der Umdrehungen von mehr als 1000/min erreichen kann, wird durch das Außengewinde 38 und die Gewindemutter 42 in eine brauchbare Lineargeschwindigkeit übersetzt. Die hohen Be schleunigungen des Gleichstrommotors sorgen dafür, dass sehr kurze Stellzeiten erzielt werden können. Über die Gewindesteigung ist die Positioniergenauigkeit und die Lineargeschwindigkeit einstellbar.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.

10: bürstenloser Gleichstrommotor
12: Stator
14: Rotor
16: Statorblechpaket
18: Rotormagnet
20: Welle
22, 24: Deckelflansche
26, 28: Kugellager
30: Feder
32: Leiterplatte
34: Ansteuerelektronik
36: Nutisolation
38: Außengewinde
40: Stellstift
42: Gewindemutter
44: Führungsflansch
46: Kugelgelenk

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004052434 A1 [0002]
- DE 102005054912 A1 [0005]
- DE 102006010945 A1 [0006, 0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Handbuch elektrische Kleinantriebe”, erschienen 2001 im Hanser Verlag (ISBN 3-446-21007-5) [0004]

Claims

Vorrichtung zur Einstellung eines Fahrzeugscheinwerfers mit einem Linearstellantrieb, der einen bürstenlosen Gleichstrommotor (10), ein Stellelement (40) und eine Ansteuereinheit (34) umfasst, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (10) ein Schraubengetriebe (38) aufweist, das die Drehbewegung des Gleichstrommotors (10) auf das Stellelement (40) überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubengetriebe ein Außengewinde (38) umfasst, das auf die Welle (20) des Gleichstrommotors (10) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (40) eine Gewindemutter (42) aufweist, die mit dem Außengewinde (38) der Welle (20) zusammen wirkt, um eine Drehbewegung des Gleichstrommotors (10) in eine Linearbewegung des Stellelementes (40) zu übersetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (40) durch einen Gehäuseteil oder Flansch (44) des Gleichstrommotors (10) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubengetriebe eine Gewindemutter umfasst, die mit dem Rotor (18) des Gleichstrommotors (10) drehfest verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement eine Stellstange mit einem Außengewinde aufweist, das mit der Gewindemutter zusammen wirkt, um eine Drehbewegung des Rotors (18) in eine Linearbewegung der Stellstange zu übersetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellstange durch die Gewindemutter und einen Gehäuseteil oder Flansch des Gleichstrommotors geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement einen Stellstift (40) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellstift (40) einen Gelenkkopf, insbesondere eine Kugelgelenk (46) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Positionssensor zur Erfassung der Lage des Stellelementes.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionssensor einen Lagegeber-Magneten und einen Magnetsensor aufweist, von denen einer mit dem Stellelement (40) gekoppelt ist und der andere mit einem feststehenden Teil des Gleichstrommotors (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (34) eine Treiberstufe mit sechs Transistoren umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (34) eine LIN- oder CAN-Schnittstelle aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommotor (10) ein miniaturisierter Motor mit einer Baugröße von nicht mehr als 25 mm Durchmesser und 30 mm Länge ist.