-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung zur bidirektionalen Betätigung eines Stellglieds einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einer derartigen Stellvorrichtung ausgestattete Brennkraftmaschine sowie eine zugehörige Verwendung.
-
Bei Brennkraftmaschinen können Stellvorrichtungen zum Einsatz kommen, um z. Bsp. ein Wastegate-Ventil bei einem Abgasturbolader zu betätigen. Ebenso lassen mit einer solchen Stellvorrichtung andere Ventilorgane oder Drosselorgane betätigen, z. Bsp. in einer Abgasanlage oder in einer Frischluftanlage oder in einer Abgasrückführanlage. Ebenso lassen sich mit derartigen Stellvorrichtungen auch Klappen oder Klappensysteme betätigen, z. Bsp. Drallklappen oder Tumbleklappen. Grundsätzlich sind jedoch noch beliebige weitere Anwendungsgebiete denkbar, bei denen ein Stellglied bidirektional betätigt werden muss. Diese bidirektionale Betätigung umfasst dabei Linearbewegungen ebenso wie Drehbewegungen, die jeweils das Stellglied zwischen zwei Endstellungen vor und zurück bzw. hin und her bewegen.
-
Für bestimmte Anwendungen ist es von großer Bedeutung, dass das Stellglied mit einer vergleichsweise großen Kraft angetrieben werden kann. Dies ist insbesondere bei solchen Stellgliedern der Fall, die einer Abgasströmung ausgesetzt sind, so dass Ruß die zum Betätigen des Stellglieds erforderliche Kraft signifikant erhöhen kann.
-
Üblicherweise umfasst eine derartige Stellvorrichtung einen Stellantrieb, der einen Motor und ein Getriebe aufweisen kann. Ferner kann ein mit dem Getriebe antriebsgekoppeltes Betätigungsglied vorhanden sein, das zur Kopplung mit dem jeweiligen Stellglied vorgesehen ist. Das Getriebe wandelt dabei eine eingangsseitige Rotationsbewegung des Motors in eine ausgangsseitige Linearbewegung des Betätigungsglieds um, was die bidirektionale Betätigung des Stellglieds über das Betätigungsglied ermöglicht. Zweckmäßig können Motor und Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse der Stellvorrichtung untergebracht sein.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Brennkraftmaschine, bzw. für eine zugehörige Verwendung eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen preiswerten Aufbau, hohe Stellkräfte und einen zuverlässigen Betrieb auszeichnet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Getriebe ausgangsseitig über einen Spindeltrieb mit einem als Stange ausgestalteten Betätigungsglied zu koppeln. Ein derartiger Spindeltrieb zeichnet sich einerseits durch besonders hohe Stellkräfte aus, so dass es auch mit einem vergleichsweise klein dimensionierten Motor möglich ist, das jeweilige Stellglied gegen einen großen Widerstand zu verstellen. Andererseits kann ein Spindeltrieb besonders einfach mit einer relativ großen Selbsthemmung ausgestattet werden, die es ermöglicht, am Stellglied wirkende Kräfte, insbesondere Strömungskräfte, weitgehend vom Getriebe und vom Motor zu entkoppeln, wodurch sich dort Belastung und Verschleiß reduzieren lassen.
-
Realisiert wird besagter Spindeltrieb dadurch, dass das Getriebe ein um eine Längsachse drehbares Abtriebsrad mit einem Innengewinde aufweist, während das stangenförmige Betätigungsglied ein zum Innengewinde komplementäres und in das Innengewinde eingreifendes Außengewinde aufweist, wobei das Betätigungsglied relativ zum Gehäuse drehfest und in der Längsachse verschiebbar angeordnet ist. Da der Spindeltrieb zusätzlich zu der genannten großen Momentübersetzung außerdem die Umwandlung der Drehbewegung des Abtriebsrads in die Linearbewegung der Stange transformiert, ergibt sich für das übrige Getriebe ein deutlich vereinfachter Aufbau, der zu einem Kostenvorteil führt. Durch die vorstehend angesprochene Selbsthemmung des Spindeltriebs kommt es zu der genannten signifikanten Entlastung des Getriebes und des Motors, was die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der Stellvorrichtung verbessert.
-
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Innengewinde so dimensioniert, dass es in der Längsachse eine Länge aufweist, die größer ist als der Innendurchmesser des Innengewindes. Hierdurch ergibt sich in der Längsachse ein besonders großer axialer Momentübertragungsbereich zwischen dem Innengewinde des Abtriebsrads und dem Außengewinde der Stange. Dies vereinfacht die Realisierung einer effektiven Selbsthemmung.
-
Zur Realisierung der Drehsicherung der Stange relativ zum Gehäuse kann die Stange entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform beabstandet zum Außengewinde einen unrunden Querschnitt aufweisen, der mit einer dazu komplementären Längsführung, z. Bsp. am Gehäuse, zusammenwirkt.
-
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher ein Getriebeträger vorgesehen ist, der in das Gehäuse eingebaut ist und der Zahnräder des Getriebes drehbar lagert. Ein derartiger Getriebeträger kann bspw. aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein als das Gehäuse. Beispielsweise kann der Getriebeträger aus Metall, insbesondere aus Blech hergestellt sein, während das Gehäuse aus Kunststoff hergestellt ist. Hierdurch besitzt das Getriebe eine erhöhte Stabilität. Insbesondere lassen sich entsprechende Aufnahmen bzw. Lagerstellen für die Zahnräder integral am Getriebeträger ausbilden, was letztlich die Montage vereinfacht.
-
Beispielsweise kann der Getriebeträger für das Abtriebsrad einen Käfig aufweisen, in dem das Abtriebsrad drehbar angeordnet ist und der in der Längsachse von der Stange durchsetzt ist. Ebenso kann der Getriebeträger eine feststehende Welle aufweisen, auf der ein das Abtriebsrad kämmendes Zwischenrad des Getriebes drehbar gelagert ist.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine perspektivische Ansicht einer Stellvorrichtung,
-
2 eine Seitenansicht der Stellvorrichtung entsprechend einer Blickrichtung II in 1,
-
3 ein Längsschnitt der Stellvorrichtung im Bereich eines Spindeltriebs,
-
4 eine perspektivische Einzelteildarstellung der Stellvorrichtung.
-
Entsprechend den 1 bis 4 umfasst eine Stellvorrichtung 1 einen Stellantrieb 2, ein Betätigungsglied 3 sowie ein Gehäuse 4. Die Stellvorrichtung 1 dient zur bidirektionalen Betätigung eines in 4 symbolisch angedeuteten Stellglieds 5, bei dem es sich bspw. um ein Ventilglied oder um ein Drosselglied in einem Fluidpfad handeln kann. Beispielsweise handelt es sich beim Stellglied 5 um ein Wastegate-Ventil zum Steuern eines Bypasses, der bei einer Turbine eines Abgasturboladers ein Turbinenrad der Turbine umgeht. Die Stellvorrichtung 1 kommt bevorzugt in einer Brennkraftmaschine zum Einsatz, die sich bevorzugt in einem Kraftfahrzeug befinden kann.
-
Der Stellantrieb 2 weist einen Motor 6 und ein Getriebe 7 auf. Eine Antriebswelle 8 des Motors 6 treibt dabei ein Antriebsrad 9 oder Antriebsritzel 9 des Getriebes 7 an. Beim Motor 6 handelt es sich bevorzugt um einen Elektromotor.
-
Das Betätigungsglied 3 umfasst eine Stange 10 oder ist aus dieser Stange 10 gebildet. Das Betätigungsglied 3 bzw. die Stange 10 ist mit dem Getriebe 7 antriebsgekoppelt und dient seinerseits direkt oder indirekt zum Antreiben bzw. zur Kopplung mit dem Stellglied 5.
-
Das Gehäuse 4, das hier nur teilweise dargestellt ist, dient zur Aufnahme des Stellantriebs 2, also des Motors 6 und des Getriebes 7. Zusätzlich können im Gehäuse 4 weitere Komponenten der Stellvorrichtung 1 angeordnet sein, wie z. Bsp. eine Leistungselektronik zum Betreiben des Motors 6 sowie Sensoren.
-
Das Getriebe 7 kann eine eingangsseitige Rotationsbewegung 20 des Motors 6 ausgangsseitig in eine Linearbewegung 11 des Betätigungsglied 3 bzw. der Stange 10 wandeln. Ausgangsseitig ist das Getriebe 7 über einen Spindeltrieb 12 mit der Stange 10 gekoppelt. Über diesen Spindeltrieb 12 erfolgt auch die Wandlung der eingehenden Drehbewegung 20 in die ausgehende Linearbewegung 11 zum bidirektionalen linearen Verstellen der Stange 10.
-
Zur Realisierung des Spindeltriebs 12 weist das Getriebe 7 ein Abtriebsrad 13 auf, das um eine Längsachse 14 drehbar angeordnet ist und das ein in 3 erkennbares Innengewinde 15 aufweist. Das Betätigungsglied 3 bzw. seine Stange 10 ist mit einem Außengewinde 16 ausgestattet, das komplementär zum Innengewinde 15 ausgestaltet ist und das im montierten Zustand in das Innengewinde 15 eingreift. Außerdem ist die Stange 10 bezüglich des Gehäuses 4 drehfest sowie in der Längsachse 14 verschiebbar angeordnet. Die Stange 10 ist hierzu koaxial zur Längsachse 14 im Gehäuse 4 angeordnet. Innengewinde 15 und Außengewinde 16 sind so aufeinander abgestimmt, dass über das Abtriebsrad 13 vergleichsweise große Stellkräfte in die Stange 10 eingeleitet werden können, während andererseits eine vergleichsweise große Selbsthemmung realisiert wird, die eine Rückwirkung von an der Stange 10 angreifenden Zug- und Druckkräften auf das Getriebe 7 signifikant reduziert.
-
Das Getriebe 7 besitzt hier einen vergleichsweise einfachen Aufbau. Zusätzlich zum Antriebsritzel 7 und zum Abtriebsrad 13 weist es nur noch ein Zwischenrad 17 auf, das zwei axial benachbarte Zahnradbereiche mit unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlicher Zähnezahl aufweist. Das Antriebsritzel 9 kämmt mit dem größeren Durchmesser des Zwischenrads 17, während der kleinere Durchmesser des Zwischenrads 17 mit dem Abtriebsrad 13 kämmt. Hierdurch wird eine zweistufige Untersetzung realisiert, was am Spindeltrieb 12 besonders hohe Drehmomente und in der Folge auch besonders hohe Axialkräfte ermöglicht, während gleichzeitig am Antriebsritzel 9 nur vergleichsweise kleine Drehmomente einzuleiten sind.
-
Entsprechend 3 besitzt das Innengewinde 15 einen Innendurchmesser 18 sowie bezüglich der Längsachse 14 eine Länge 19. Vorzugsweise ist nun das Innengewinde 15 so dimensioniert, dass seine Länge 19 größer ist als sein Innendurchmesser 18. Beispielsweise ist die Länge 19 etwa 1,5 mal so groß wie der Innendurchmesser 18. Die Länge 19 kann jedoch auch mehr als 50% größer sein als der Innendurchmesser 18. Diese Dimensionierung begünstigt einerseits eine große Kraftübertragung oder Momentübertragung vom Innengewinde 15 auf das Außengewinde 16 und andererseits eine besonders hohe Selbsthemmung in der Gegenrichtung.
-
Entsprechend den 1 und 2 besitzt die Stange 10 beabstandet zum Außengewinde 16 in einem Axialbereich 21 einen unrunden Querschnitt 22. Dieser unrunde Querschnitt 22 arbeitet mit einer dazu komplementären, hier nicht dargestellten Längsführung zusammen, die z. Bsp. in einem nicht gezeigten Teil des Gehäuses 4 ausgebildet sein kann, insbesondere darin integral ausgeformt sein kann. Der unrunde Querschnitt 22 kann bspw. mittels wenigstens einer seitlichen Abflachung 23 realisiert werden. Zweckmäßig sind zwei derartige Abflachungen 23 vorgesehen, die an der Stange 10 im Axialabschnitt 21 einander diametral gegenüber liegen. Der unrunde Querschnitt 22 bzw. der damit ausgestattete Axialabschnitt 21 ist im gezeigten Beispiel an einem vom Stellglied 5 entfernten Endabschnitt der Stange 10 ausgebildet. Bei einer anderen Ausführungsform kann besagter Axialabschnitt 21 auch innerhalb des Gehäuses 4 zwischen dem Spindeltrieb 12 und dem Stellglied 5 angeordnet sein.
-
Entsprechend den 1 bis 4 ist die Stellvorrichtung 1 bei der hier gezeigten Ausführungsform außerdem mit einem Getriebeträger 24 ausgestattet. Dieser ist in das Gehäuse 4 eingebaut. Beispielsweise besteht das Gehäuse 4 aus einem in den 1 bis 4 erkennbaren Unterteil 4u und einem in 2 nur teilweise angedeuteten Oberteil 4o, das quasi als Deckel auf das Unterteil 4u aufgesetzt werden kann. Zweckmäßig ist der Getriebeträger 24 in diesen Verbindungsbereich zwischen Unterteil 4u und Oberteil 4o des Gehäuses 4 eingebunden. Insbesondere können dann die gleichen Befestigungsmittel, insbesondere Schrauben, dazu verwendet werden, das Gehäuse 4 zu komplettieren und den Getriebeträger 24 zu fixieren. Unabhängig davon ist der Getriebeträger 24 dazu vorgesehen, zumindest eines der Zahnräder 13, 17 des Getriebes 7 drehbar zu lagern. Im gezeigten Beispiel sind am Getriebeträger 24 das Abtriebsrad 13 und das Zwischenrad 17 drehbar gelagert.
-
Für das Abtriebsrad 13 weist der Getriebeträger 24 einen Käfig 25 auf. Dieser wird hier mittels eines topfförmigen Anbauteils 26 realisiert, das an den Getriebeträger 24 angebaut ist. Beispielsweise kann das Anbauteil 26 durch den Getriebeträger 24 hindurch mit dem Gehäuse 4 verschraubt sein. Im Käfig 25 ist das Abtriebsrad 13 drehbar angeordnet. Ferner ist das Abtriebsrad 13 im Käfig 25 von der Stange 10 in der Längsachse 14 durchsetzt. Dementsprechend besitzt der Getriebeträger 24 zwei Durchgangsöffnungen, nämlich entsprechend 3 eine erste bzw. eine dem Stellglied 5 zugewandte innere Durchgangsöffnung 27 und eine zweite bzw. eine vom Stellglied 5 abgewandte äußere Durchgangsöffnung 28. Durch beide Durchgangsöffnungen 27, 28 ragt die Stange 10 koaxial hindurch. Die innere Durchgangsöffnung 27 ist dabei am Körper des Getriebeträgers 24 unmittelbar ausgebildet, während die äußere Durchgangsöffnung 28 am Körper des Anbauteils 26 ausgeformt ist, so dass die äußere Durchgangsöffnung 28 insoweit indirekt am Getriebeträger 24 ausgebildet ist.
-
Entsprechend 3 besitzt der Getriebeträger 24 innerhalb des Käfigs 25 eine Ringstufe 29. In dieser Ringstufe 29 ist ein (innerer) zylindrischer Axialabschnitt 30 des Abtriebsrads 13 drehbar gelagert. Insoweit wird im Bereich der inneren Durchgangsöffnung 27 am Getriebeträger 24 eine innere Drehlagerung für das Abtriebsrad 13 am Getriebeträger 24 realisiert. Zusätzlich oder alternativ zur Ringstufe 29 bzw. zur inneren Lagerung kann das Abtriebsrad 13 einen (äußeren) Axialabschnitt 31 aufweisen, der die äußere Durchgangsöffnung 28 durchsetzt, wobei die Querschnitte des äußeren Axialabschnitts 31 und der äußeren Durchgangsöffnung 28 so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Einfassung 32 der äußeren Durchgangsöffnung 28 den äußeren Axialabschnitt 31 des Abtriebsrads 13 drehbar lagert. Insoweit wird an dieser Stelle eine äußere Drehlagerung des Abtriebsrads 13 am Getriebeträger 24 realisiert.
-
Entsprechend den 1, 2 und 4 kann der Getriebeträger 24 mit einer feststehenden Welle 33 ausgestattet sein, die insbesondere an den Getriebeträger 24 angebaut ist, z. Bsp. in Form eines Schweißbolzens. Auf dieser Welle 33 ist das Zwischenrad 17 drehbar gelagert.
-
Der Getriebeträger 24 weist entsprechend den 1 und 4 außerdem eine Positionieröffnung 34 auf, die bezüglich des Antriebsritzels 9 koaxial angeordnet ist. Sie ist dementsprechend auch koaxial zur Antriebswelle 8 des Motors 6 angeordnet. Zweckmäßig besitzt der Antriebsmotor 6 einen axial abstehenden, zylindrischen Absatz 35, der in die Positionieröffnung 34 hineinragt. Dabei können die Durchmesser des Absatzes 35 und der Positionieröffnung 34 so aufeinander abgestimmt sein, dass eine Einfassung 36 der Positionieröffnung 34 den zylindrischen Absatz 35 zentriert bzw. positioniert. Hierdurch ergibt sich eine über den Getriebeträger 24 bestimmte Positionierung für den Motor 6 und somit für dessen Antriebswelle 8. Hierdurch kann das Antriebsritzel 9, das bezüglich des Motors 6 auf einer abgewandten Seite des Getriebeträgers 24 angeordnet ist, innerhalb vorbestimmter Toleranzen mit dem übrigen Getriebe 7 zusammenwirken. Außerdem kann durch eine entsprechende, hier nicht wiedergegebene Formgebung des Getriebeträgers 24 und des Motors 6 eine Drehmomentabstützung des Motors 6 am Getriebeträger 24 realisiert werden.
-
Im Beispiel besitzt der Getriebeträger 24 an zwei sich bezüglich der Positionieröffnung 34 diametral gegenüberliegenden Seiten je eine weitere Durchgangsöffnung 37, durch die je ein elektrischer Kontakt 38 des Elektromotors 6 hindurchragt und auf einer vom Motor 6 abgewandten Seite des Getriebeträgers 24 kontaktierbar ist.
-
Bei den hier gezeigten Beispielen ist das Außengewinde 16 an einem bezüglich der Stange 10 separat hergestellten Gewindekörper 39 ausgebildet, der drehfest und axialfest an der Stange 10 befestigt ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Außengewinde 16 auch integral an der Stange 10 ausgeformt sein. Bei der hier gezeigten gebauten Bauweise besteht die Möglichkeit, die Stange 10 und den Gewindekörper 39 aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Beispielsweise besteht der Gewindekörper 39 ebenso wie das Abtriebsrad 13, das Zwischenrad 17 und das Antriebsritzel 9 aus einem geeigneten Kunststoff, während die Stange 10 und der Getriebeträger 24 aus Metall hergestellt sind.
