-
Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Solche Stellvorrichtungen werden insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie verwendet und dienen beispielsweise der Betätigung von Lüfterklappen, Ventilen oder ähnlichen Bauteilen. Bei solchen Bauteilen wird regelmäßig eine Fail-Safe-Funktion benötigt, die bewirkt, dass beim Auftreten einer Störung das Bauteil in eine Sicherheitsstellung bewegt wirkt, in der kein Schaden auftreten kann. So sollte beispielsweise ein Ventil in einem Kühlmittelkreislauf derart angesteuert werden, dass sein Schließelement bei einer Störung in eine Stellung bewegt wird, in der der Kühlkreislauf geöffnet ist und somit eine Überhitzung des gekühlten Aggregats vermieden wird. Bei bekannten Stellvorrichtungen wird die Fail-Safe-Funktion häufig dadurch erreicht, dass das zu bewegende Bauteil durch die Kraft eines Rückstellelements, beispielsweise einer Rückstellfeder, in die Sicherheitsstellung gedrängt wird und gegen die Rückstellkraft aus der Sicherheitsstellung bewegt werden muss. Nachteilig an solchen Stellvorrichtungen ist, dass der Antriebsmotor stets gegen die Federkraft arbeiten muss und dabei Energie verbraucht. Meist kommen als Antriebsmotoren Elektromotoren zum Einsatz, die dann ständig Strom verbrauchen, was insbesondere bei Elektrofahrzeugen die Reichweite reduziert und daher als nachteilig empfunden wird.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, dass sie weniger Energie verbraucht.
-
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 zu Grunde, den Antriebsmotor von der Rückstellfeder zu trennen, um ihn im Betrieb nicht unnötig zu belasten. Zu diesem Zweck wird die Rückstellfeder zunächst durch den Antriebsmotor gespannt, indem das Stellglied und mit ihm das zu bewegende Bauteil in eine Endstellung bewegt wird, die am weitesten von der Sicherheitsstellung entfernt ist. Ist das zu bewegende Bauteil beispielsweise das Schließelement eines 2/2-Wegeventils in einem Kühlkreislauf, so wird es zunächst in seine Geschlossen-Stellung bewegt, wohingegen die Sicherheitsstellung die Offen-Stellung ist. Die Entkopplung des Antriebsmotors von der Rückstellfeder erfolgt dadurch, dass die Rückstellfeder nicht mit dem vom Antriebsmotor angetriebenen Getriebeelement verbunden ist, sondern mit dem Mitnehmer, der unabhängig vom Getriebeelement um die Drehachse drehbar ist. Der Mitnehmer wird eingangs zusammen mit dem Getriebeelement um die Drehachse gedreht, indem sein Dorn an einer der Anschlagflächen anliegt und vom Getriebeelement mitgenommen wird. Bei Erreichen der Endstellung wird der Mitnehmer vom Halteelement festgehalten. Tritt eine Störung auf, so wird das Halteelement in die Freigabestellung bewegt, die Rückstellfeder dreht den Mitnehmer um die Drehachse zurück, bis dessen Dorn an der Anschlagfläche anliegt und das Getriebeelement mitnimmt, bis das zu bewegende Bauteil die Sicherheitsstellung erreicht.
-
Es ist möglich, dass das Getriebeelement fest mit dem Stellglied verbunden ist und/oder direkt vom Antriebsmotor angetrieben wird, beispielsweise indem es eine Verzahnung aufweist, in die ein Ritzel auf der Antriebswelle eingreift. Um den Antriebsmotor aber möglichst leistungsschwach ausführen zu können, wird in den meisten Anwendungsfällen bevorzugt, dass zwischen dem Antriebsmotor und dem Stellglied ein Getriebe angeordnet ist, das neben dem Getriebeelement weitere Bauteile aufweist. Zu diesem Zweck ist das Stellglied zweckmäßig fest mit einem Zahnradsegment verbunden und das Getriebeelement weist ein mit dem Zahnradsegment in Eingriff befindliches erstes Zahnrad auf. Desweiteren wird bevorzugt, dass das Getriebeelement ein mit dem ersten Zahnrad konzentrisches und drehfest verbundenes, durch den Antriebsmotor antreibbares zweites Zahnrad aufweist, dessen Zähne rings um die Nut angeordnet sind. Das zweite Zahnrad ist dann ein Stirnrad und das mit ihm fest verbundene erste Zahnrad ein Ritzel.
-
Um eine höhere Übersetzung zu ermöglichen, wird zudem bevorzugt, dass zwischen dem Antriebsmotor und dem Getriebeelement ein weiteres Getriebeelement um eine weitere Drehachse drehbar am Gestell angeordnet ist, das ein mit dem zweiten Zahnrad in Eingriff befindliches drittes Zahnrad und ein drehfest mit dem dritten Zahnrad verbundenes und mit ihm konzentrisches, mit einem auf der Antriebswelle angeordneten fünften Zahnrad in Eingriff befindliches viertes Zahnrad aufweist. Dabei ist wiederum das vierte Zahnrad als Stirnrad ausgebildet, während das dritte und das fünfte Zahnrad jeweils als Ritzel ausgebildet sind.
-
Als Rückstellfeder können verschiedene Federarten zum Einsatz kommen. Bevorzugt wird jedoch, dass die Rückstellfeder eine Bandfeder, insbesondere eine Spiralfeder oder eine Triebfeder, ist, die mit einem ersten Ende am Mitnehmer und mit einem zweiten Ende indirekt oder direkt an der Welle befestigt ist. Eine Spiralfeder oder eine Triebfeder kann in idealer Weise durch eine Drehbewegung gespannt werden und beim Entspannen ein Drehmoment ausüben.
-
Zweckmäßig weist das Halteelement einen Haken mit einer Anlagefläche für einen von einem Grundkörper des Mitnehmers im Wesentlichen parallel zur Drehachse abstehenden Fortsatz und einer der Anlagefläche abgewandten Auflaufschräge auf. Beim Spannen der Rückstellfeder kann der Fortsatz über die Auflaufschräge gleiten, bis er hinter der Anlagefläche angeordnet ist, so dass der Haken den Fortsatz an der Anlagefläche anliegend festhalten kann. Dabei weist das Halteelement zweckmäßig einen um eine gestellfeste Schwenkachse schwenkbaren zweiarmigen Hebel auf, an dessen erstem Arm der Haken angeordnet ist und dessen zweiter Arm gegen die Kraft einer weiteren Rückstellfeder mittels des Betätigungselements zur Bewegung des Halteelements in die Freigabestellung beweglich ist. Auch beim Bewegen des Fortsatzes über die Auflaufschräge wird der Hebel so bewegt, dass sein zweiter Arm gegen die Kraft der weiteren Rückstellfeder verschwenkt wird.
-
Zur Betätigung des Halteelements kommt vorteilhaft ein Hubmagnet als Betätigungselement zum Einsatz. Dabei wird weiter bevorzugt, dass die Betätigungseinrichtung einen Kondensator als Stromversorgung des Hubmagnets aufweist. Der Kondensator kann beim Betrieb des Antriebsmotors, der vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet ist, permanent geladen werden und stellt dann selbst bei einem völligen Stromausfall noch genügend Energie zum einmaligen Betätigen des Hubmagnets zur Verfügung.
-
Die Überwachungseinheit weist zweckmäßig in mindestens einer elektrischen Zuleitung des Antriebsmotors und/oder einer Zuleitung einer Steuereinrichtung des Antriebsmotors zwei antiparallel geschaltete Dioden und ein Spannungsmessgerät zur Messung der an den Dioden abfallenden Spannung auf. Bei einem Stromausfall ist diese Spannung Null und versursacht eine Fehlermeldung, die zum Auslösen des Betätigungselements führt. Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Überwachungseinheit ein Messgerät zur Messung des Ladungszustands des Kondensators aufweist, um sicherzustellen, dass dieser stets genügend geladen ist, um den Hubmagnet betätigen zu können. Unterschreitet die Ladung des Kondensators einen kritischen Wert, so kann dies zum Auslösen des Hubmagnets führen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
-
1a eine Stellvorrichtung mit dem Stellglied in einer ersten Endstellung;
-
1b, c Detaildarstellungen der Stellvorrichtung gemäß 1a;
-
1d einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1a;
-
2 die Stellvorrichtung gemäß 1a mit dem Stellglied in einer Zwischenstellung;
-
3a die Stellvorrichtung gemäß 1a, 2 mit dem Stellglied in einer zweiten Endstellung und
-
3b eine 1b entsprechende Detaildarstellung der Stellvorrichtung gemäß 3a.
-
Die in der Zeichnung dargestellte Stellvorrichtung 10 dient der Betätigung, also dem Öffnen und Schließen eines nicht näher dargestellten Ventils. Sie weist ein Gestell 12 auf, das Teil eines Gehäuses sein kann, an dem ein Stellglied 14 um eine erste Schwenkachse 16 verschwenkbar gelagert ist. Das Stellglied 14 ist mit einem Schließelement des Ventils verbunden, so dass eine Bewegung des Stellglieds 14 in einer Bewegung des Schließelements zwischen einer Offen-Stellung und einer Geschlossen-Stellung resultiert. Zur Bewegung des Stellglieds 14 ist ein als Elektromotor ausgebildeter Antriebsmotor 18 gestellfest angeordnet, der eine Antriebswelle 20 antreibt. Die Kraft des Antriebsmotors 18 wird mittels eines Getriebes 22 auf das Stellglied 14 übertragen.
-
Das Getriebe 22 weist ein fest mit dem Stellglied 14 verbundenes Zahnradsegment 24 auf, das mit einem ersten Zahnrad 26 in Eingriff ist. Das erste Zahnrad 26 ist Teil eines um eine durch eine gestellfeste Welle 28 verlaufende Drehachse 30 drehbaren radförmigen Getriebeelements 32, das zudem ein konzentrisch zum ersten Zahnrad 26 ausgebildetes zweites Zahnrad 34 aufweist, dessen Umfang deutlich größer ist als der des ersten Zahnrads 26. Durch die beiden Zahnräder 26, 34 verläuft mittig die Drehachse 30, um die sie aufgrund ihrer starren Verbindung miteinander gemeinsam drehbar sind. Das Getriebe 22 weist zudem ein weiteres radförmiges Getriebeelement 36 auf, das um eine weitere gestellfeste Drehachse 38 drehbar ist und ein drittes Zahnrad 40 aufweist, das mit dem zweiten Zahnrad 34 in Eingriff ist. Das weitere Getriebeelement 36 weist zudem ein viertes Zahnrad 42 auf, dessen Umfang deutlich größer ist als der des dritten Zahnrads 40, und das mit einem fünften Zahnrad 44 in Eingriff ist, welches fest auf der Antriebswelle 20 angeordnet ist. Das erste Zahnrad 26, das dritte Zahnrad 40 und das fünfte Zahnrad 44 haben damit jeweils die Funktion eines Ritzels.
-
Das Getriebeelement 32 weist an einer Stirnseite 46, um deren Umfang sich das zweite Zahnrad 34 erstreckt, eine zur Stirnseite 46 offene, sich in Umfangsrichtung zwischen zwei Anschlagflächen 48 erstreckende Nut 50 auf. Die Anschlagsflächen 48 sind dabei so angeordnet, dass sich die Nut 50 über nahezu den gesamten Umfang des Getriebeelements 32 erstreckt, bevorzugt über einen Winkel von mindestens 300°. Zudem ist auf der Welle 28 ein Mitnehmer 52 unabhängig vom Getriebeelement 32 um die Drehachse 30 drehbar gelagert, der einen Grundkörper 54, durch den sich die Welle 28 erstreckt, einen vom Grundkörper 54 abstehenden, sich parallel zur Drehachse 30 erstreckenden und in die Nut 50 eingreifenden Dorn 56 und einen auf der dem Dorn 56 abgewandten Seite des Grundkörpers 54 abstehenden, sich ebenfalls parallel zur Drehachse 30 erstreckenden Fortsatz 58 aufweist. Am Fortsatz 58 ist eine als Spiralfeder ausgebildete Rückstellfeder 60 mit einem ersten Ende befestigt, deren zweites Ende an einem drehfest auf der Welle 28 angeordneten Befestigungselement 62 befestigt ist. Zum Festhalten des Mitnehmers 52 bei gespannter Rückstellfeder 60 ist ein als zweiarmiger Hebel ausgebildetes Halteelement 64 um eine gestellfeste zweite Schwenkachse 66 verschwenkbar gelagert, an dessen erstem Arm 68 ein Haken 70 mit einer Anlagefläche 72 und einer der Anlagefläche 72 abgewandten Auflaufschräge 74 angeordnet ist. In einer Haltestellung des Halteelements 64 hintergreift der Haken 70 den Fortsatz 58, der an der Anlagefläche 72 anliegt (vgl. 1a, 1b, 2). Eine weitere, nicht dargestellte Rückstellfeder hält das Halteelement 64 in der Haltestellung, indem sie den zweiten Hebelarm 76 beaufschlagt. Am zweiten Hebelarm 76 greift auch ein in der Zeichnung nicht dargestellter Hubmagnet an, um das Halteelement 64 um die zweite Schwenkachse 66 in eine Freigabestellung zu verschwenken, in der der Haken 70 den Fortsatz 58 freigibt, so dass sich die Rückstellfeder 60 entspannen kann und dabei den Mitnehmer 52 um die Drehachse 30 dreht.
-
Die Funktionsweise der Stellvorrichtung 10 ist nun wie folgt: Vor der Inbetriebnahme bewegt der Antriebsmotor 18 mittels des Getriebes 22 das Stellglied 14 in eine erste, in 1a dargestellte Endstellung, in der das Stellglied 14 das Schließelement des Ventils in der Geschlossen-Stellung hält. Dabei wird das Getriebeelement 32 in der Darstellung gemäß 1a entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so dass der Dorn 56 an einer der Anschlagflächen 48 zur Anlage kommt und der Mitnehmer 52 mit dem Getriebeelement 32 mitgedreht wird und die Rückstellfeder 60 spannt. Der Fortsatz 58 stößt gegen Ende dieser Bewegung gegen die Auflaufschräge 74, hebt den Haken 70 durch Verschwenken des Halteelements 64 um die zweite Schwenkachse 66 an und gleitet auf der Auflaufschräge 74 entlang, bis er über den Haken 70 hinaus bewegt worden ist. Die weitere Rückstellfeder drückt den Haken 70 nach unten, so dass der Fortsatz 58 von ihm hintergriffen wird und an der Anlagefläche 72 zur Anlage kommt. Das Stellglied 14 befindet sich dann in seiner ersten Endposition und das Ventil ist geschlossen. Anschließend kann die Stellvorrichtung 10 das Ventil durch Bewegen des Stellglieds 14 öffnen und schließen, ohne gegen die Kraft der Rückstellfeder 60 arbeiten zu müssen, indem sich der gestellfest gehaltene Dorn 56 relativ zur mit dem Getriebeelement 32 gedrehten Nut 50 in dieser bewegt, wie in 2 gezeigt. Durch Betätigung des Hubmagnets wird das Halteelement 64 in die in 3a, 3b dargestellte Freigabestellung bewegt, in der der Haken 70 vom Fortsatz 58 entfernt ist, so dass sich die Rückstellfeder 60 entspannen kann. Die Rückstellfeder 60 nimmt den Mitnehmer 52 mit, bis dessen Dorn 56 an der Anschlagfläche 48 anschlägt und auch das Getriebeelement 32 mitdreht. Die Bewegung endet, wenn das Stellglied 14 an einen Anschlag stößt, wobei die Rückstellfeder 60 unter Beibehaltung einer Restspannung entspannt ist. Dabei sind die Bauteile der Stellvorrichtung 10 so aufeinander abgestimmt, dass in der in 3a, 3b gezeigten, durch den entspannten Zustand der Rückstellfeder 60 definierten zweiten Endstellung das Schließelement durch das Stellglied 14 in der Offen-Stellung gehalten wird.
-
Die Stellvorrichtung 10 hat somit eine Fail-Safe-Funktion, wenn der Hubmagnet dann betätigt wird, wenn eine Störung der Stellvorrichtung 10 erkannt wird. Eine Störung liegt insbesondere dann vor, wenn der Antriebsmotor 18 nicht mehr in der Lage ist, das Stellglied 14 zu bewegen und das Ventil zu öffnen. Zu diesem Zweck ist eine Überwachungseinheit vorgesehen, die in jeder elektrischen Zuleitung des Antriebsmotors 18 bzw. seiner Steuereinrichtung zwei antiparallel geschaltete Dioden sowie ein Spannungsmessgerät aufweist, mit dem die an den Dioden abfalgemessene Spannung Null. Die Überwachungseinheit erkennt dies und steuert den Hubmagnet an, um das Halteelement 64 in die Freigabestellung zu bewegen. Zur Betätigung des Hubmagnets ist ein Kondensator vorgesehen, der im Betrieb des Antriebsmotors 18 permanent geladen wird, und dessen Ladung ausreicht, den Hubmagnet einmal zu betätigen. Die Überwachungseinheit überwacht zudem den Ladungszustand des Kondensators und steuert den Hubmagnet an, bevor die Ladung des Kondensators unter einen vorgegebenen Wert fällt, der gerade noch ausreichend ist, um den Hubmagnet zu betätigen.
-
Zusammenfassend ist Folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung 10 mit einem Gestell 12, mit einem am Gestell 12 hin und her beweglich gelagerten Stellglied 14 zur Beaufschlagung eines beweglichen Bauteils, mit einem gestellfesten Antriebsmotor 18, mit einer durch den Antriebsmotor 18 antreibbaren Antriebswelle 20 und mit einem Getriebe 22 zur Kraftübertragung von der Antriebswelle 20 auf das Stellglied 14, welches ein mindestens ein Zahnrad oder ein Zahnradsegment aufweisendes Getriebeelement 32 aufweist, das um eine durch eine gestellfeste Welle 28 verlaufende Drehachse 30 drehbar gelagert ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Getriebeelement 32 eine zu einer quer zur Drehachse 30 verlaufenden Stirnseite 46 offene, über einen Teil seines Umfangs zwischen zwei Anschlagflächen 48 umlaufende Nut 50 aufweist, dass ein Mitnehmer 52 vorgesehen ist, der unabhängig vom Getriebeelement 32 um die Drehachse 30 drehbar ist und einen in die Nut 50 eingreifenden Dorn 56 aufweist, dass zwischen dem Mitnehmer 52 und dem Gestell 12 eine durch Drehung des Mitnehmers 52 um die Drehachse 30 spannbare Rückstellfeder 60 angeordnet ist, dass ein Halteelement 64 am Gestell 12 zwischen einer Haltestellung und einer Freigabestellung beweglich gelagert ist, das in der Haltestellung den Mitnehmer 52 gestellfest fixiert und ihn in der Freigabestellung freigibt, und dass eine Betätigungseinrichtung vorgesehen ist, die ein Betätigungselement zum Bewegen des Halteelements 64 in die Freigabestellung aufweist.
