DE102014107103A1

DE102014107103A1 - Aktuator mit progressivem Getriebe

Info

Publication number: DE102014107103A1
Application number: DE102014107103.4A
Authority: DE
Inventors: c/o Johnson Electric Engineering Bourqui Yvan
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-11-27
Also published as: CN203996074U; JP3193643U; CN104175989B; JP6553846B2; JP2015017700A; GB2514377A; US9168828B2; GB201309166D0; KR102248740B1; KR20140136884A; US20140345400A1; CN104175989A

Abstract

Ein Aktuator für eine Lüftungsgitterklappen-Anordnung eines Fahrzeugs hat einen Motor 20, der über einen Getriebezug 30 mit einem Abtrieb verbunden ist. Der Abtrieb hat eine Verbindung 52 für die Verbindung der Lamellen mit der Lüftungsgitterklappen-Anordnung. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebezugs ist abhängig von dem Betätigungswinkel der Abtriebswelle 50 veränderlich. Optional ist eine Rückstellfeder 54 angeordnet, um die Abtriebswelle elastisch auf einen Anfangsbetätigungswinkel zurückzustellen, wenn der Motor nicht aktiv ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Aktuator und insbesondere einen Aktuator einer Lüftungsgitterklappen-Anordnung, der ein progressives Getriebe umfasst.
HINTERGRUND
Automatisierte Lüftungsgitterklappen zum Regulieren des Lamellenwinkels und damit des Luftstroms sind zunehmend wichtige Bestandteile des Temperatur-Managementsystems von Fahrzeugmotoren. Die Regulierung wird in zweckmäßiger Weise mit Hilfe von Aktuatoren bewerkstelligt. Die Aktuatoren drehen die Lamellen der Lüftungsgitterklappe, normalerweise über einen Getriebezug, um die Größe der Öffnung für den Luftstrom zum Kühlen des Kühlers zu variieren.
Die Steuerung von Schrittmotor-Aktuatoren ist eine zuverlässige Vorgehensweise im Stand der Technik. Für den Fall eines Stromausfalls oder einer anderen Situation einer Fehlpositionierung der Lamellen beim Beenden des Betriebs muss ein Ausfallsicherungsmechanismus in den Lüftungsgitterklappen-Aktuator integriert sein. Eine Rückstellfeder zum Beispiel kann die Lamellen in eine Ausgangsposition (die je nach Notwendigkeit die Öffnungs- oder die Schließposition sein kann) zurückstellen. In diesem Fall muss der Aktuator, wenn er in Betrieb ist, permanent gegen die Federkraft plus mögliche zusätzliche Kräfte arbeiten, die durch einen starken Luftstrom bei hoher Fahrgeschwindigkeit bedingt sind. Um bei einer ganz offenen (oder geschlossenen) Position das maximale Drehmoment aufzubringen, bedürfte es normalerweise eines elektromagnetischen Motors, der überdimensioniert oder zu leistungsstark ist, was gleichzeitig einen hohen Stromverbrauch bedeutet, der nicht in Einklang steht mit einem effizienten, umweltfreundlichen oder "grünen" System.
Es wird daher ein Aktuator für ein Lüftungsgitterklappen-System eines Fahrzeugs benötigt, bei dem die Leistung des Motors besser auf die benötigte Leistung des Aktuators abgestimmt ist. Vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch ein progressives Getriebe, das die veränderlichen Drehmomentanforderungen kompensiert.
Progressive oder veränderliche Getriebe sind seit langem bekannt. Eine umfassende Beschreibung eines progressiven Getriebes findet sich in dem Dokument US 2,061,322 oder US 8,196,487 . Bei Fahrzeuganwendungen sind progressive Getriebe häufig in Lenksystemen vorgesehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aktuator für eine Lüftungsgitterklappen-Anordnung angegeben, umfassend: einen Motor mit einer Motorwelle; einen Abtrieb mit einer Abtriebswelle und einer Verbindung für den Anschluss an Lamellen der Lüftungsgitterklappen-Anordnung; und einen Getriebezug, der die Motorwelle mit der Abtriebswelle verbindet, wobei das Übersetzungsverhältnis des Getriebezugs abhängig von dem Betätigungswinkel der Abtriebswelle veränderlich ist.
Vorzugsweise umfasst der Getriebezug mindestens ein progressives Getriebe.
Vorzugsweise umfasst das progressive Getriebe ein erstes spiralverzahntes Zahnrad und ein mit dem ersten spiralverzahnten Zahnrad kämmendes zweites spiralverzahntes Zahnrad.
Vorzugsweise ist das zweite spiralverzahnte Zahnrad an der Abtriebswelle befestigt.
Vorzugsweise ist das erste spiralverzahnte Zahnrad durch mindestens ein Stirnrad mit der Motorwelle verbunden.
Vorzugsweise haben das erste und das zweite spiralverzahnte Zahnrad jeweils einen logarithmischen Teilungsverlauf.
Vorzugsweise ist eine Rückstellfeder angeordnet, um die Abtriebswelle auf einen Anfangsbetätigungswinkel zurückzustellen, wenn der Motor nicht aktiv ist.
Vorzugsweise ist die Rückstellfeder einen Schraubenfeder, die um die Abtriebswelle angeordnet ist, wobei ein Ende an dem zweiten spiralverzahnten Zahnrad und ein zweites Ende an einem die Abtriebswelle stützenden Bereich festgelegt ist.
Vorzugsweise ist der Motor ein Schrittmotor und mit einem PCB verbunden, das eine Steuerschaltung zum Steuern des Motors in Reaktion auf Steuersignale trägt.
Vorzugsweise umfasst der Abtrieb zwei Abtriebswellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lüftungsgitterklappen-Anordnung für ein Fahrzeug angegeben: umfassend einen Rahmen; mindestens eine Gruppe von Lamellen, die mit dem Rahmen schwenkbar verbunden sind, und einen Aktuator gemäß einem der anliegenden Ansprüche, wobei der Aktuator angeordnet ist zum schwenkbaren Einstellen der Orientierung der Lamellen relativ zu dem Rahmen.
Vorzugsweise hat die oder hat jede Abtriebswelle in ihrem einen Ende eine sternförmige Buchse, und die Lamellen werden durch eine Betätigungswelle verschwenkt, von der ein Ende in der sternförmigen Buchse aufgenommen wird.
Vorliegende Erfindung ermöglicht die Konstruktion eines Aktuators für eine Lüftungsgitterklappe, dessen Leistung die Betriebsbedingungen der Last, d.h. der Lüftungsgitterklappe, stärker berücksichtigt, so dass für diese Anwendung ein kleinerer, effizienterer Aktuator möglich ist. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen die Konstruktion eines ausfallsicheren Aktuators, der in einem Steuerungsbetrieb verwendet werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Sensorsystems zum Detektieren der Ist-Position der Lüftungsgitterklappen-Lamellen, wie das bei Aktuatoren des Stands der Technik erforderlich ist, so dass Komplexität und Kosten reduziert werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Zeichnungsfigur erscheinen, sind in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, grundsätzlich identisch gekennzeichnet. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Die Figuren sind nachstehend aufgelistet.
1 und 2 zeigen typische Kurven des Drehmoments, das der Lüftungsgitterklappen-Aktuator aufbringen muss, im Vergleich zu dem Betätigungswinkel, wobei 1 einen linearen und 2 einen exponentiellen Anstieg darstellt;
3 zeigt den zusammengesetzten Aktuator gemäß der bevorzugten Ausführungsform, wobei die Abdeckung entfernt wurde;
4 zeigt die Anordnung eines Getriebezugs des Aktuators der bevorzugten Ausführungsform;
5 zeigt eine Lüftungsgitterklappen-Anordnung für ein Motorfahrzeug, die den Aktuator von 3 enthält, wobei die Lamellen in ihrer Orientierung in einer Schließposition gezeigt sind;
6 zeigt die Lüftungsgitterklappen-Anordnung von 5, wobei die Lamellen in ihrer Orientierung in einer vollständig geöffneten Position gezeigt sind; und
7 ist eine zum Teil auseinandergezogenen Darstellung einer Lüftungsgitterklappen-Anordnung für ein Motorfahrzeug, die zwei Lamellengruppen umfasst.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 und 2 zeigen Beispiele eines benötigten Ausgangsdrehmoments eines Lüftungsgitterklappen-Aktuators mit integrierter Rückstellfeder für einen ausfallsicheren Betrieb. 1 zeigt eine Kurve eines Drehmoments vs. Position für ein System, das ein lineares Verhältnis zwischen der Position der Lamellen oder des Abtriebs des Aktuators (Betätigungswinkel) und des benötigten Drehmoments aufweist. 2 zeigt einen ähnlichen Graph für ein System mit einem exponentiellen Verhältnis. Zusätzlich zu einer meist konstanten Verschiebung durch mechanische Reibung muss der Aktuator bedingt durch die Rückstellfeder mit einem zunehmenden Betätigungswinkel ein zunehmendes Drehmoment überwinden. Auch die Kraft, die durch den Luftdruck an den Lamellen auf den Aktuator ausgeübt wird, ändert sich mit dem Betätigungswinkel.
3 zeigt den bevorzugten Aktuator in seiner zusammengesetzten Form, wobei die Abdeckung zur Darstellung des Inneren abgenommen wurde. Der Aktuator 10 hat ein Gehäuse 12 mit einem Deckel (nicht gezeigt), das einen Schrittmotor 20, einen Abtrieb 18 und einen den Motor mit dem Abtrieb verbindenden Getriebezug 30 aufnimmt. Eine Strombuchse 14 sorgt für den Anschluss von Strom- und Signalleitungen für den Betrieb des Motors. Es ist auch ein PCB 16 (Leiterplatte) für Elektronik vorgesehen, zum Steuern des Motors auf der Basis von Befehlen über die Signalleitung. Das PCB kann eine LIN-Bus-Elektronik für die Kommunikation mit einem System Management Computer enthalten.
Der Getriebezug 30 ist deutlicher in 4 gezeigt. Er verbindet die Welle 22 des Motors mit dem Abtrieb 18 des Aktuators. Der Motor der bevorzugten Ausführungsform ist ein Schrittmotor 20 und ist in 4 in seinem mit dem PCB 16 verbunden Zustand dargestellt. Der Abtrieb 18 des Aktuators ist in der bevorzugten Ausführungsform eine Welle 50 mit einer sternförmigen Buchse 52 zur Aufnahme eines Endes eines Zapfens oder einer Betätigungswelle des Lüftungsgitterklappen-Mechanismus zum Ändern des Winkels der Lamellen.
Der Getriebezug 30 umfasst ein erstes Stirnrad 32, das mit einem Zahnrad 24 kämmt, das an der Motorwelle 22 befestigt ist, ein zweites Stirnrad 34, das mit dem ersten Stirnrad kämmt, ein erstes progressives Getriebe 36 und ein zweites progressives Getriebe 38. Das erste progressive Getriebe ist eine Kombination eines regelmäßigen Stirnrads 40 mit einem ersten spiralverzahnten Zahnrad 42. Das Stirnrad 40 kämmt mit dem zweiten Stirnrad 34, und das erste spiralverzahnte Zahnrad 42 kämmt mit dem zweiten progressiven Getriebe 38. Das zweite progressive Getriebe umfasst ein zweites spiralverzahntes Zahnrad 44, das an der Abtriebswelle des Aktuators befestigt ist. Das zweite spiralverzahnte Zahnrad 44 kämmt mit dem ersten spiralverzahnten Zahnrad 42.
Eine Rückstellfeder 54 ist vorzugsweise über das zweite spiralverzahnte Zahnrad 44 an der Abtriebswelle 50 befestigt, um die Abtriebswelle in eine Ausgangsposition oder auf einen Anfangsbetätigungswinkel zurückzustellen, wenn der Motor abgeschaltet wird, wobei über den Getriebezug eine Rückdrehung des Motors erfolgt. Die Rückstellfeder 54 ist als Spiral- oder Schraubenfeder dargestellt, die um die Abtriebswelle 50 angeordnet ist, wobei ein Ende mittels des zweiten spiralverzahnten Zahnrads 44 an der Welle und das andere Ende an dem Gehäuse 12 festgelegt ist. Dadurch wird die Feder im Betriebszustand aufgewickelt (oder abgewickelt), wenn die Abtriebswelle aus ihrer Ausgangsposition bewegt wird, wodurch eine elastische Rückstellkraft entsteht, die die Abtriebswelle zur Rückkehr in die Ausgangsposition zwingt. Der Motor 20 muss die Abtriebswelle gegen diese Rückstellkraft antreiben. Ebenso muss der Motor die Abtriebswelle gegen externe Kräfte halten, wie beispielsweise die Kraft, die durch den Luftdruck speziell bei hoher Fahrgeschwindigkeit wie bei Autobahnfahrten auf die Lamellen ausgeübt wird.
Die progressive Getriebeübersetzung wird durch die Interaktion der beiden spiralverzahnten Zahnräder hergestellt. Vorzugsweise sind die spiralverzahnten Zahnräder 42, 44 logarithmische Zahnräder, was bedeutet, dass ihre Teilungslinie dem Weg einer logarithmischen Spirale folgt. Die progressive Getriebeübersetzung ändert das maximale Ausgangsdrehmoment des Aktuators bei unterschiedlichen Betätigungswinkeln. Dadurch kann der Motor physisch kleiner sein, kann aber durch die größere Übersetzung in dem Bereich, in dem ein hohes Drehmoment benötigt wird, dennoch das benötigte maximale Drehmoment aufbringen, während der Motor durch die kleinere Übersetzung in dem Bereich, in dem ein niedrigeres Drehmoment benötigt wird, über eine schnelle Antwortzeit verfügt. Dadurch wird das Ausgangsdrehmoment des Aktuators besser auf die Lastanforderungen abgestimmt, und der Motor ist nicht zu leistungsstark, um bei den meisten Betätigungswinkeln lediglich die Drehmomentanforderungen unter einem bestimmten Betätigungswinkel zu erfüllen.
Ein progressives Getriebe kann mindestens ein Rad mit einem in Abhängigkeit von dem Winkel variierenden Radius umfassen, das ein variables Drehmoment und eine variable Tangentialgeschwindigkeit liefert. Um einen Getriebezug zu konstruieren, bei dem die Räder feststehende Achsen haben, umfasst eine vorteilhafte Konfiguration zwei Räder mit einer logarithmischen Spirale, die die folgenden Bedingungen erfüllen:
Einen konstanten Abstand zwischen zwei Radachsen;
einen kontinuierlichen Kontakt der Zahnräder während eines vollständigen Zyklus;
der Radius vergrößert sich exponentiell mit dem Radwinkel r(φ) = a·exp(k·φ); und
das Verhältnis des Ausgangs- und Eingangsradwinkels ist logarithmisch (wie das auch für das Drehmoment gilt).
Eine geeignete Dimensionierung der Parameter des spiralverzahnten Zahnrads ermöglicht eine Kompensation des veränderlichen Drehmoments. Durch die Verwendung des progressiven Getriebes lässt sich die Größe des Motors erheblich reduzieren (geringerer Preis und geringeres Gewicht), und der durchschnittliche Energieverbrauch kann gesenkt werden.
Die 5 und 6 sind schematische Darstellungen einer typischen Lüftungsgitterklappen-Anordnung 60 mit dem Aktuator 10 von 3. Die Lüftungsgitterklappen-Anordnung hat einen Rahmen 62 und eine Anzahl von Lamellen 64, die mit dem Rahmen schwenkbar verbunden sind. In 5 befinden sich die Lamellen in ihrer Orientierung in der geschlossenen Position, um einen Luftstrom durch den Rahmen zu blockieren, und in 6 befinden sich die Lamellen in ihrer Orientierung in der vollständig geöffneten Position, um einen maximalen Luftstrom zuzulassen. Wie in 6 zu erkennen ist, sind die Lamellen durch einen Querstab 66 verbunden, so dass die Orientierung der Lamellen einheitlich ist die Lamellen übereinstimmend bewegt werden können. Der Aktuator 10 ist durch einen Betätigungswelle mit der mittleren Lamelle verbunden, um die Orientierung der Lamellen zu steuern.
7 ist eine zum Teil auseinandergezogene schematische Darstellung einer Lüftungsgitterklappen-Anordnung mit zwei Lamellengruppen, die durch einen einzigen Aktuator angetrieben werden. Es sind zwei Rahmen 62 vorhanden, die die jeweiligen Lamellengruppen 64 schwenkbar stützen. Die Rahmen sind nebeneinander angeordnet, wobei der Aktuator zwischen diese geschaltet und entweder an einem der Rahmen direkt befestigt oder unabhängig montiert ist. Der Aktuator 10 ist durch eine Betätigungswelle 68 mit jeder Lamellengruppe verbunden. Jede Betätigungswelle 68 ist mit der Abtriebswelle 50 des Aktuators verbunden, durch eine Verbindung mit der Buchse 52, die in jedem Ende der Abtriebswelle gebildet ist. Vorzugsweise sind die Buchsen und die Enden der Betätigungswellen in ihrer Form komplementär, insbesondere sternförmig, so dass die Verbindung durch einfaches Einsetzen erreicht werden kann.
Im Verwendungsfall sind die Lamellen einem Luftströmungsweg angeordnet, der zu dem Motorraum und insbesondere zu einem oder mehreren Wärmeaustauschern wie beispielsweise dem Kühler für das Motorkühlwasser und den Verdunstern für die Klimaanlagen führt. Die Lamellen lassen Luft zu den Wärmeaustauschern strömen, wenn dies notwendig ist, und sie blockieren den Luftstrom, wenn keine Kühlluft benötigt wird. Normalerweise ist der Kühlluftbedarf bei Autobahnfahrten relativ gering, wobei genau in diesem Modus, in dem die Lufteinlässe durch das Schließen der Lamellen geschlossen werden, die Aerodynamik des Fahrzeugs verbessert wird, was zu einem deutlich besseren Kraftstoffverbrauch führt. Das Schließen der Lufteinlässe im kalten Zustand des Motors führt zu einer bedeutend kürzeren Aufwärmzeit bis Erreichen der Betriebstemperatur. Auch dadurch werden der Kraftstoffverbrauch und die durch das Fahrzeug verursachte Luftverschmutzung verringert, da der Motor bei der normalen Betriebstemperatur effizienter und sauberer läuft.
Verben wie “umfassen”, “aufweisen”, “enthalten” und “haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikation möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.
Während der vorstehend beschriebene Aktuator ein Gehäuse hat, ist es zum Beispiel auch möglich, den Motor, den Getriebezug und die Abtriebswelle direkt oder über ein Bauelement der Lüftungsgitterklappen-Anordnung, zum Beispiel einen Rahmen, an derselben zu befestigen.
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

US 2061322 [0005]
US 8196487 [0005]

Claims

Aktuator für eine Lüftungsgitterklappen-Anordnung eines Fahrzeugs, umfassend: einen Motor (20) mit einer Motorwelle (22); einen Abtrieb, der eine Abtriebswelle (50) und eine Verbindung (52) für den Anschluss an Lamellen der Lüftungsgitterklappen-Anordnung umfasst; und einen Getriebezug (30), der die Motorwelle mit der Abtriebswelle verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebezug (30) ein in Abhängigkeit von einem Betätigungswinkel der Abtriebswelle (50) veränderliches Übersetzungsverhältnis hat.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Getriebezug (30) mindestens ein progressives Getriebe (36, 38) umfasst.
Aktuator nach Anspruch 2, wobei das progressive Getriebe (36, 38) ein erstes spiralverzahntes Zahnrad (42) und ein mit dem ersten spiralverzahnten Zahnrad kämmendes zweites spiralverzahntes Zahnrad (44) umfasst.
Aktuator nach Anspruch 3, wobei das zweite spiralverzahnte Zahnrad (44) an der Abtriebswelle (50) befestigt ist.
Aktuator nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste spiralverzahnte Zahnrad (42) durch mindestens ein Stirnrad (32, 34) mit der Motorwelle (22) verbunden ist.
Aktuator nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei das erste und das zweite spiralverzahnte Zahnrad (42, 44) einen logarithmischen Teilungsverlauf aufweisen.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine Rückstellfeder (54), die angeordnet ist für die elastische Rückstellung der Abtriebswelle (50) auf einen Anfangsbetätigungswinkel, wenn der Motor (20) nicht aktiv ist.
Aktuator nach Anspruch 7, wobei die Rückstellfeder (54) eine Schraubenfeder ist, die um die Abtriebswelle (50) angeordnet ist, wobei ein Ende an dem zweiten spiralverzahnten Zahnrad (44) und ein zweites Ende an einem die Abtriebswelle stützenden Bereich festgelegt ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (20) ein Schrittmotor ist und mit einem PCB (16) verbunden ist, das eine Steuerschaltung zum Steuern des Motors in Reaktion auf Steuersignale trägt.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abtrieb zwei Abtriebswellen (50) umfasst.
Lüftungsgitterklappen-Anordnung für ein Fahrzeug, umfassend: einen Rahmen (62); mindestens eine Gruppe von Lamellen (64), die mit dem Rahmen schwenkbar verbunden sind, und einen Aktuator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator angeordnet ist für eine Einstellung der Orientierung der Lamellen durch deren Verschwenken relativ zu dem Rahmen.
Lüftungsgitterklappen-Anordnung nach Anspruch 11, wobei die oder jede Abtriebswelle (50) in einem ihrer Enden eine sternförmige Buchse (52) hat und wobei die Lamellen (64) durch eine Betätigungswelle (68) verschwenkt werden, von der ein Ende in der sternförmigen Buchse aufgenommen wird.