-
Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, die ein linear bewegliches Stellglied zur Beaufschlagung eines beweglichen Bauteils aufweist.
-
Solche Stellvorrichtungen werden insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet und dienen beispielsweise der Betätigung von Lüfterklappen oder ähnlichen Bauteilen. In Kraftfahrzeugen kommen dabei überwiegend Unterdruckdosen als Stellvorrichtungen zur Anwendung. Eine Unterdruckdose weist ein Dosengehäuse auf, durch das ein Stößel durchgeführt ist, sowie eine mit dem Dosengehäuse und dem Stößel verbundene Membran. Die Membran, der Stößel und das Dosengehäuse schließen einen Druckraum ein, der zur Bewegung des Stößels zwischen zwei Endstellungen evakuierbar und mit Gas wieder befüllbar ist. Der Stößel ist mit dem zu betätigenden Bauteil verbunden, so dass dieses durch Evakuieren und Wiederbefüllen des Druckraums zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegbar ist. Unterdruckdosen sind einfach und kostengünstig zu fertigen und zudem im Betrieb sehr zuverlässig. Der für ihren Betrieb notwendige Unterdruck steht in Kraftfahrzeugen, die mittels eines Verbrennungsmotors betrieben werden, zudem stets zur Verfügung. In Fahrzeugen mit Elektromotor, die am Markt eine immer größere Bedeutung gewinnen, müsste der Unterdruck jedoch durch ein zusätzliches Aggregat erzeugt werden, was jedoch teuer ist.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass für ihren Betrieb kein Unterdruck benötigt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mit der Stellvorrichtung ein einer Unterdruckdose entsprechendes Bauteil zu schaffen, das elektrisch betrieben werden kann und zudem eine fail-safe-Funktion aufweist. Die fail-safe-Funktion wird dadurch erzielt, dass einerseits das Stellglied gegen eine erste Rückstellkraft beweglich ist und bei Fehlen äußerer Kräfte durch die erste Rückstellkraft stets in eine seiner Endpositionen zurück gestellt wird. Andererseits wird die fail-safe-Funktion dadurch erzielt, dass eine Kraftbeaufschlagung des Stellglieds über das Getriebe erfolgt, wobei dessen Antriebsglied mit dem Abtriebsglied entgegen einer zweiten Rückstellkraft kuppelbar ist. Die zweite Rückstellkraft führt bei Fehlen äußerer Kräfte, die von der Kupplungseinheit aufgebracht werden, zum Entkuppeln des Antriebsglieds und des Abtriebsglieds, so dass die erste Rückstellkraft das Stellglied selbsttätig zurück stellt. Bei einem Stromausfall kommen das Antriebsglied und das Abtriebsglied mangels Kraftbeaufschlagung durch die Kupplungseinheit außer Eingriff, so dass das Stellglied stets eine vorbestimmte Position einnimmt.
-
Zweckmäßig wird die erste Rückstellkraft durch eine erste Rückstellfeder aufgebracht, die durch das Stellglied beaufschlagbar ist und gegen ein Widerlager abgestützt ist. Durch die erste Rückstellfeder wird die erste Rückstellkraft auf einfache Weise und zuverlässig aufgebracht.
-
Der Sensor kann ein Drucksensor sein, der durch ein Ende der ersten Rückstellfeder mit Kraft beaufschlagbar ist. Der auf dem Drucksensor lastende und durch ihn gemessene Druck ist dabei proportional zur ersten Rückstellkraft, und der Sensor bildet das Widerlager für die erste Rückstellfeder. Es ist auch möglich, dass der Sensor ein induktiver Sensor ist, wobei das Stellglied einen Fortsatz aus ferromagnetischem Material aufweist. Der Fortsatz taucht bei einer entgegen der ersten Rückstellkraft erfolgenden Linearbewegung des Stellglieds in den Sensor ein, welcher ein die Eintauchtiefe und damit den Verfahrweg des Stellglieds charakterisierendes Signal erzeugt und an die Regeleinheit übermittelt. Schließlich ist es auch möglich, dass der Sensor ein Potentiometer aufweist. Das Stellglied beaufschlagt bei seiner Linearbewegung das Potentiometer und verändert dessen Widerstand. Der Widerstand wird gemessen und charakterisiert die Position des Stellglieds.
-
Vorteilhaft weist die Kupplungseinheit einen Hubmagneten zur Bewegung eines Stellorgans zwischen zwei Endstellungen auf. Der Hubmagnet bewegt das Stellorgan nur dann aus seiner Ausgangsstellung, in der es das Antriebsglied nicht kraftbeaufschlagt, wenn durch ihn ein Strom fließt. Ein Stromausfall führt somit selbsttätig zur Entkupplung des Antriebsglieds und des Abtriebsglieds.
-
Das Getriebe weist zweckmäßig ein auf der Antriebswelle verdrehfest und gegen die Kraft einer zweiten Rückstellfeder längsverschieblich angeordnetes Antriebszahnrad und ein mit dem Antriebszahnrad kuppelbares Abtriebszahnrad auf. Die zweite Rückstellfeder bringt dann die zweite Rückstellkraft auf und entkuppelt das Antriebszahnrad und das Abtriebszahnrad, wenn keine äußeren Kräfte einwirken. Die Antriebswelle ist vorzugsweise eine Keilwelle. Das Antriebszahnrad und das Abtriebszahnrad sind zweckmäßig kegelstumpfförmig und verjüngen sich in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch ist ein Kuppeln des Antriebszahnrads mit dem Abtriebszahnrad durch Linearverschiebung entlang der Antriebswelle gegen die zweite Rückstellkraft besonders einfach möglich.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Abtriebsglied auf einer Abtriebswelle angeordnet, auf der im Abstand zum Abtriebsglied mindestens ein Zahnrad angeordnet ist, das mit mindestens einer fest mit dem Stellglied verbundenen Zahnstange in Eingriff ist. Vorzugsweise weist das Stellglied zwei symmetrisch bezüglich einer Längsmittelebene angeordnete Zahnstangen auf, mit denen jeweils ein auf der Abtriebswelle angeordnetes Zahnrad in Eingriff ist. Die Kraftbeaufschlagung des Stellglieds durch die Abtriebswelle erfolgt somit annähernd symmetrisch unter weitgehender Vermeidung von Querkräften.
-
Die Führungseinrichtung kann ein verformbares Dämpfungselement aufweisen, gegen das das Stellglied in einer ersten Endstellung anliegt. Dadurch wird verhindert, dass bei einer plötzlichen Entspannung der ersten Rückstellfeder das Stellglied hart gegen die Führungseinrichtung anschlägt. Die Stellvorrichtung weist vorteilhaft einen durch das Stellglied in einer zweiten Endstellung beaufschlagbaren, mit der Regeleinheit gekoppelten Endschalter auf. Der Endschalter wird dann ausgelöst, wenn das Stellglied einen maximal zulässigen Verfahrweg entgegen der ersten Rückstellkraft zurückgelegt hat.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine Stellvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
-
2 eine Stellvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
Die in 1 gezeigte Stellvorrichtung 10 weist ein Stellglied 12 auf, das der Betätigung eines beweglichen Bauteils eines Kraftfahrzeugs dient. Das Stellglied 12 ist zu diesem Zweck zwischen zwei Endstellungen linear beweglich in einer Führungseinrichtung 14 geführt. Es weist einen Stößel 16 auf, der mit dem zu betätigenden Bauteil verbunden werden kann und der in der Führungseinrichtung 14 geführt ist. Mit dem Stößel 16 sind zwei Zahnstangen 18 über eine Verbindungspartie 20 verbunden, die symmetrisch bezüglich einer durch eine Längsachse des Stößels 16 verlaufenden Längsmittelebene angeordnet sind. Zwischen der Verbindungspartie 20 und einem Widerlager 22 ist eine als Schraubenfeder ausgebildete erste Rückstellfeder 24 angeordnet, gegen deren Rückstellkraft das Stellglied 12 aus der in 1 gezeigten Endstellung nach unten bewegbar ist. Beim Fehlen äußerer Kräfte drückt die erste Rückstellfeder 24 das Stellglied 12 in die in 1 gezeigte erste Endstellung, in der die Verbindungspartie 20 gegen ein verformbares Dämpfungselement 26 an der Führungseinrichtung 14 anliegt.
-
Die zur Bewegung des Stellglieds 12 entgegen der Kraft der ersten Rückstellfeder 24 erforderliche Kraft wird durch einen Elektromotor 28 aufgebracht. Dieser wirkt über eine Schnecke 30 auf ein auf einer Antriebswelle 32 fest angeordnetes Schneckenrad 34. Die Antriebswelle 32 ist als Keilwelle ausgebildet und trägt ein verdrehfest, aber längsverschieblich angeordnetes Antriebszahnrad 36. Das Antriebszahnrad 36 ist mit einem Abtriebszahnrad 38 kuppelbar, das auf einer Abtriebswelle 40 fest angeordnet ist. Im Abstand zum Abtriebszahnrad 38 trägt die Abtriebswelle 40 zudem zwei weitere Zahnräder 42, die mit den Zahnstangen 18 im Wirkeingriff stehen.
-
Das Antriebszahnrad 36 und das Abtriebszahnrad 38 sind jeweils kegelstumpfförmig, wobei sie sich in entgegengesetzte Richtungen verjüngen. Das Antriebszahnrad 36 ist gegen die Kraft einer zweiten Rückstellfeder 44 zwischen einer in 1 gezeigten ersten Endstellung, in der es außer Eingriff mit dem Abtriebszahnrad 38 ist, und einer zweiten Endstellung, in der es mit dem Abtriebszahnrad 38 in Eingriff ist, verschiebbar. Bei Fehlen äußerer Kräfte bringt die zweite Rückstellfeder 44 das Antriebszahnrad 36 außer Eingriff mit dem Abtriebszahnrad 38. Die zweite Rückstellfeder 44 ist ebenfalls als Schraubenfeder ausgebildet, durch die die Antriebswelle 32 verläuft. Die Kraft zum Kuppeln des Antriebszahnrads 36 mit dem Abtriebszahnrad 38, der die Rückstellkraft der zweiten Rückstellfeder 44 entgegen wirkt, wird durch einen Hubmagneten 46 aufgebracht, der über einen Kupplungshebel 48 das Antriebszahnrad 36 beaufschlagt. Sowohl der Elektromotor 28 als auch der Hubmagnet 46 werden über eine Regeleinheit 50 angesteuert, die wiederum über eine Datenleitung 52 Daten von einem Sensor 54 erhält.
-
Der Sensor 54, der zudem das Widerlager 22 bildet, ist im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als induktiver Sensor ausgebildet. Das Stellglied 12 weist zudem einen zwischen den Zahnstangen 18 durch die erste Rückstellfeder 24 hindurch verlaufenden Fortsatz 56 aus ferromagnetischem Material auf, der abhängig von einer Auslenkung des Stellglieds 12 aus der in 1 gezeigten Endstellung in den induktiven Sensor 54 eingreift und dort ein Signal erzeugt. Dieses den Verschiebeweg des Stößels 12 entgegen der Rückstellkraft der ersten Rückstellfeder 24 charakterisierende Signal wird über die Datenleitung 52 an die Regeleinheit 50 übermittelt, die in Abhängigkeit vom erhaltenen Signal den Elektromotor 28 und den Hubmagneten 46 ansteuert. Bei einem Stromausfall stoppt nicht nur der Elektromotor 28, sondern auch der Hubmagnet 46 wird nicht mehr mit Strom versorgt, so dass er keine Kraft mehr auf das Antriebszahnrad 36 aufbringen kann, welches durch die zweite Rückstellfeder 44 außer Eingriff mit dem Abtriebszahnrad 38 gebracht wird. Die erste Rückstellfeder 24 sorgt dann dafür, dass das Stellglied 12 wieder in die in 1 gezeigte Endstellung gelangt, in der die Verbindungspartie 20 am Dämpfungselement 26 anliegt.
-
Um einen zu großen Verfahrweg des Stellglieds 12 entgegen der Kraft der ersten Rückstellfeder 24 zu verhindern, ist am Ende einer der Zahnstangen 18 ein Stift 58 angeordnet, der bei Erreichen einer zweiten Endstellung einen Endschalter 60 beaufschlagt. Der Endschalter 60 wiederum ist mit der Regeleinheit 50 gekoppelt, und seine Betätigung schaltet den Elektromotor 28 ab.
-
Die Stellvorrichtung 110 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel (2) ist im wesentlichen identisch mit der Stellvorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Gleiche Bauteile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der einzige Unterschied der beiden Ausführungsbeispiele besteht in der Ausgestaltung des Sensors. Ist dieser im ersten Ausführungsbeispiel noch als induktiver Sensor 54 ausgebildet, so ist er im zweiten Ausführungsbeispiel ein Drucksensor 62, auf dem die erste Rückstellfeder 24 abgestützt ist. Der Drucksensor 62 mißt den durch die erste Rückstellfeder 28 auf ihn ausgeübten Druck, der proportional ist zur Rückstellkraft der ersten Rückstellfeder 24 und somit proportional zum Verfahrweg des Stellglieds 12.
-
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten:
Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung 10, 110 mit einem in einer Führungseinrichtung 14 gegen eine erste Rückstellkraft linear beweglichen Stellglied 12 zur Beaufschlagung eines beweglichen Bauteils, mit einem Antriebsmotor 28, mit einer Regeleinheit 50 zur Steuerung des Antriebsmotors 28, mit einer durch den Antriebsmotor 28 antreibbaren Antriebswelle 32, mit einem Getriebe 36, 68 zur Kraftübertragung von der Antriebswelle 32 auf das Stellglied 12 und zum Vorschub des Stellglieds 12 entgegen der ersten Rückstellkraft, wobei das Getriebe 36, 38 ein Antriebsglied 36 und ein Abtriebsglied 38 aufweist, welche entgegen einer zweiten Rückstellkraft miteinander kuppelbar sind, mit einer durch die Regeleinheit 50 steuerbaren Kupplungseinheit 46, 48 zum Kuppeln des Antriebsglieds 36 mit dem Abtriebsglied 38, mit einem durch das Stellglied 12 beaufschlagbaren Sensor 54; 62 zur Messung der Position des Stellglieds 12 und mit einer Datenübertragungseinheit 52 zur Übertragung der Messdaten des Sensors 54; 62 an die Regeleinheit 50.
