DE102016012286A1

DE102016012286A1 - Stellantrieb, insbesondere für Kraftfahrzeug-Komfortsysteme

Info

Publication number: DE102016012286A1
Application number: DE102016012286.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Grumbrecht; Matthias Näpfel; Michael Oppermann; Winfried Schmidt; Alfred Kaschmer; Steffen Neumann; David Heidenfelder
Original assignee: Oechsler AG
Current assignee: Oechsler AG
Priority date: 2016-10-15
Filing date: 2016-10-15
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Um den für Komfortfunktionen im Kraftfahrzeug eingeführten Stellantrieb (12) ohne Funktionsbeeinträchtigung bei gesteigertem Wirkungsgrad kleiner und leichter sowie preisgünstiger erstellen zu können, wird die Schnecke (17) dadurch entlastet, dass sie relativ niedertourig angetrieben wird und zum Schneckenrad (19) hin nur eine geringe Drehzahluntersetzung liefert; woraufhin die reduzierte Abtriebsdrehzahl mit entsprechend gesteigertem Abtriebsdrehmoment erst anschließend, also ohne weitere Beanspruchung der Schnecke (17), etwa über parallel angetriebene Planetenräder (22) generiert und dann auf deren Träger (22) zusammengeführt werden. Im Interesse eines hohen Wirkungsgrades des Schneckengetriebes (17/19) sind dessen Flanken für nur geringe Selbsthemmung ausgelegt, im Übrigen wird Hemmung vom Rastmoment des Motors (13) beigestellt. Der arbeitet vorzugsweise als über seine Speisefrequenz drehzahlsteuerbarer mehrphasiger Polymer-Synchronmotor mit Außen-Rotor (15). Der Rotor (15) kann zusammen mit der Welle (16) und der Schnecke (17) im Mehrkomponenten-Kunststoffspritzguss erstellt sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches, wie er, etwa als Fensterheber-Antrieb eingebaut in Kraftfahrzeugtüren, vielfältig im Einsatz ist. Auch für andere Komfortfunktionen ist ein solcher Stellantrieb verwendbar, etwa für elektromotorische Sitzverstellung, Schiebedachbetätigung oder Gurtstraffung.
Die Standardausstattung eines derartigen Stellantriebes ist seit Jahrzehnten geprägt durch einen recht großen und schweren, zumeist mit um 7.000 U/min hochtourigen Gleichstrommotor. Solche Hochtourigkeit trägt wesentlich zu unerwünschter Geräuschentwicklung bei, die u.U. sogar den Zusatzaufwand einer Einbettung des Stellantriebes in geräuschabsorbierende Materialien bedingt.
Handelsübliche Stellantriebe dieser Art wiegen gut ein halbes Kilogramm. Eine Bestückung der vier Türen eines Kraftfahrzeuges schlägt deshalb schon mit wenigstens zwei Kilogramm Zusatzgewicht zu Buche.
Aus der elektromechanischen Kommutierung mittels stationärer Bürsten auf rotierenden Kommutatorlamellen resultieren beim Gleichstrommotor Bürstenfeuer und elektromagnetische Störungen. Die bedürfen aufwändiger konstruktiver beziehungsweise schaltungstechnischer Abschirm-Maßnahmen.
In die aus dem abtriebsseitigen Lagerschild hervorragende, metallische Motorwelle ist beim gängigen Stellantrieb eine selbsthemmende Schnecke eingedrückt - ein sehr aufwändiges Fertigungsverfahren. Eine derartige Schnecke mit Flankenneigung für getriebliche Selbsthemmung weist einen nur mäßigen Wirkungsgrad auf. Das kann im geschlossenen Gehäuse des Stellantriebes, auch schon bei wiederholtem Kurzzeitbetrieb, eine funktionskritische Verlustwärmeentwicklung hervorrufen. Die erfordert dann den zusätzlichen Aufwand des Einbaus von Wärmesenken zu gezielter Wärmeableitung.
Für eine kräftige Drehmomentensteigerung infolge Drehzahlherabsetzung kämmt die Schnecke mit einem Schneckenrad großen Durchmessers. Von dem Schneckenrad ragt ein, etwa mit einer Seiltrommel für eine Fensterbewegung zu bestückender, Wellenstumpf als Abtriebswelle koaxial hervor. Das große Schneckenrad für starke Untersetzung der hohen Motordrehzahl bedingt für den Stellantrieb ein großvolumiges Umgehäuse, aus dem die Abtriebswelle herausragt.
Vorliegender Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, einen Stellantrieb gattungsgemäßer Art unter Gewährleisten jedenfalls gleicher Funktionalität insbesondere leichter und kleiner, sowie auch für preisgünstigere Fertigung, auszulegen.
Diese Aufgabe ist durch das Zusammenwirken der im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst.
Bei solcher Auslegung des auch als Aktuator zu bezeichnenden Stellantriebes dient das Schneckenrad im Wesentlichen nur der Bewegungsumsetzung. Daraus resultiert ein Schneckenrad sehr viel kleineren Durchmessers und deshalb ein kleiner bauendes Umgehäuse. Die starke getriebliche Drehzahlverringerung erfolgt demzufolge noch nicht bei der Schnecke, sondern erst in einer auf das Schneckenrad folgenden Getriebestufe. Dort wird vor der Abtriebswelle das infolge getrieblich reduzierter Drehzahl gesteigerte Drehmoment auf mehrere parallele Lasteingriffe verteilt, die dann wieder auf die Abtriebswelle zusammengeführt werden. Daraus resultiert eine Leistungssteigerung bei reduzierter Geräuschentwicklung.
Die parallelen Lasteingriffe können etwa Stirnradgetriebe sein. Raumsparender ist es, das infolge getrieblicher Drehzahlverringerung gesteigerte Drehmoment am Träger der infolge Parallelbelastung lastteilenden Planetenräder eines Umlaufrädergetriebes auszukoppeln. Dann greift der verzahnte Wellenstumpf des, unter Entlastung der Schneckenflanken und Verringerung dessen Einbauraumbedarfes, nun nur noch kleinen Schneckenrades als antreibendes Sonnenrad konzentrisch zwischen die Planetenräder ein. Die rollen, unter Mitnahme ihres Trägers, längs der Innenverzahnung eines stationären Hohlrades ab. Die eigentliche Lastübergabe erfolgt dann mittels des Planeten-Trägers - also nicht mehr an der Schnecke.
Die mit dem Schneckenrad kämmende Schnecke ist nicht mehr in eine metallene Motorwellen-Verlängerung eingeprägt. Die Schnecke kann vielmehr als gesondertes Bauteil auf die verlängerte Motorwelle montiert werden. Vorteilhafter noch wird die Schnecke, mit der Welle als Einlegeteil, aus mechanisch und thermisch hoch beanspruchbarem, dauerfest formstabilem Kunststoff spritzgegossen; wie insbesondere, entsprechend dem Schneckenrad, aus PPA, oder besser noch aus POM; und je nach den Lastverhältnissen gegebenenfalls faserverstärkt.
Gemäß einer erfinderischen Weiterbildung dient dem Aktuator als Antrieb ein Außenläufermotor. Dessen topfförmiger Rotor kann im Mehrkomponenten-Kunststoffspritzgussverfahren erstellt werden, außerhalb seines Topf-Bodens mit drehstarr angeformter Welle samt Lageraufnahmen und Schnecke.
Eine vorzugsweise mehrgängige, insbesondere zweigängig ausgelegte Schnecke bewirkt eine Lastübergabe an das nun nur noch kleine Schneckenrad unter weitgehendem Vermeiden von Eingriffs-Lastspitzen. Um Fließerscheinungen des Kunststoffes beim Schneckeneingriff unter Last vorzubeugen, und im Interesse einer Steigerung des getrieblichen Wirkungsgrades, wird die Schnecke mechanisch nur vergleichsweise wenig beansprucht, wozu ihre Steigung jedenfalls nicht für vollständige Selbsthemmung des Schneckengetriebes ausgelegt ist.
Ein weiterer Beitrag zur Selbsthemmung dieses Stellantriebes insgesamt kann vom Rastmoment des Motors geliefert werden. Als Antriebsmotor im Stellantrieb wird vorzugsweise ein wenigstens dreiphasiger Außenläufer-Synchronmotor eingesetzt, der sich trotz kleiner Abmessungen durch einerseits hohes Drehmoment und andererseits hohes Rastmoment auszeichnet. Ausgestattet vorzugsweise mit einem Polymer-Stator, zumal bei ebenfalls spritzgegossenem Permanentmagnet-Rotor, stellt er einen besonders leichten, kleinbauenden Stellmotor dar. Seine reduzierte Motordrehzahl mindert die erforderliche Getriebeuntersetzung und eröffnet so den Einsatz eines Schneckenrades von zusätzlich verringertem Durchmesser, also mit weiter reduziertem Einbauraumbedarf.
Die mehrphasige, vorzugsweise nicht im Blockbetrieb sondern quasi-analog erfolgende dreiphasige Wechselspannungs-Ansteuerung des Motors mit jeweils 120° Phasenversatz eröffnet auch unter Last eine feinfühlige Drehzahlsteuerung. Die erlaubt es, mechanische Eigenresonanzerscheinungen des Stellantriebes selbst, ebenso wie solche aus seiner Einbauumgebung, durch Kompensation weitestgehend auszublenden.
Von wesentlichem zusätzlichem Vorteil gegenüber dem herkömmlichen, elektromechanisch kommutierenden Gleichstrommotor ist, dass bei solchem Drehstrommotor mit Entfallen des Bürstenfeuers auch alle bisher erforderlichen Abschirm- und Schaltungsmaßahmen zum Erfüllen von EMV-Anforderungen sich erübrigen.
Im Vergleich etwa zu eingeführten Fensterheber-Stellantrieben mit Gleichstrommotoren führt die vorstehend umrissene erfindungsgemäße Auslegung zu einer Gewichtsreduzierung um mindestens 25% bei wenigstens einer Verdoppelung des Wirkungsgrades auf Basis von bisher etwa 30%.
Zusätzliche Weiterbildungen und deren Abwandlungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung, nicht maßstabgetreu auf das Funktionswesentliche abstrahiert, skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt bei abgenommenem Gehäuse-Oberteil den Stellantrieb in Ansicht gegen sein bestücktes GehäuseUnterteil.
Ein im Kunststoff-Spritzguss erstelltes Gehäuse 11 des skizzierten Stellantriebes 12 nimmt den Motor 13 auf. Bei dem handelt es sich um einen schlankbauenden, mehrphasig gespeisten Wechselstrom-Synchronmotor mit bespultem Polymerstator 14 und mit, unter abwechselnder Polarität achsparallel permanentmagnet-bestücktem, glocken- oder topfförmigem Polymerrotor 15. Die mit abwechselnder Polaritätsausrichtung einander längs des Rotorumfanges achsparallel benachbarten, linearen Permanentmagnete S/N-N/S können Spritzguss-Einlegeteile sein; bevorzugt werden sie aber im Mehrkomponenten-Kunststoffspritzguss einteilig mit dem Rotor 15 im Übrigen ausgeformt.
Es kann eine drehfest an den Rotor 15 angeschlossene stählerne, außerhalb des Motors 13 im Gehäuse 11 gelagerte Motorwelle 16 vorgesehen sein, die im Form- oder Haftschluss mit einer gesondert erstellten Schnecke 17 bestückt ist. Vorteilhafter aber ist wie skizziert der topfförmige Rotor 15 samt Welle 16 und Schnecke 17 einteilig im Mehrkomponenten-Kunststoffspritzguss erstellt. Dann ist vorzugsweise zwischen Rotor 15 und Schnecke 17 auf der Welle 16 ein Lagersitz 27 von so großem Durchmesser vorgesehen, dass ein Wälzlager 28 über die Schnecke 17 hinweg hier axial aufgeschoben werden kann. Axial gegenüber können der Rotor 15 über ein Gleitlager 29 auf dem Stator 14 beziehungsweise die Welle 16 wie skizziert in der Teilungsfuge des Gehäuses 11 gelagert sein.
Die Schnecke 17 ist im Interesse hohen Wirkungsgrades bei ruhig laufendem Verzahnungseingriff eines Schneckenrades 19 mit allenfalls wenig selbsthemmender Wirkung ihrer Flankenneigungen ausgelegt. Schnecke 17 und Schneckenrad 19 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff.
Im Gehäuse 11 ist quer zur Welle 16 die Drehachse 18 eines Schneckenrades 19 orientiert. Das ist jedenfalls im Unterteil des Gehäuses 11 gelagert. Das Schneckenrad 19 weist einen relativ kleinen Durchmesser auf; es greift deshalb mit seiner Stirnprofilierung bei geringer Untersetzung in die Schnecke 17 ein. Konzentrisch zum Schneckenrad 19 ist, gegebenenfalls im Gehäuse-Oberteil, bei diesem Realisierungsbeispiel das Hohlrad 20 eines Planetengetriebes 21 drehfest angeordnet. Zwischen dessen Planetenräder 22 greift ein stirnverzahnter Zapfen 23 des Schneckenrades 19 konzentrisch als Sonne wirkend ein. Von dieser angetrieben, laufen die außenverzahnten Planetenräder 22 als parallele Lasteingriffe in die verzahnte Innenmantelfläche 24 des Hohlrades 20 längs dieser ab, bei Mitnahme ihres sich dadurch um die Achse 18 drehenden Planetenträgers 25. Ein von diesem axial vorstehender Wellenstumpf 26 dient als aus dem Gehäuse 11 herausragende Abtriebswelle des Stellantriebes 12.
Der im Vergleich zu den marktgängigen, bei gleicher Funktionalität nun wesentlich preisgünstiger und kleiner erstellbare Stellantrieb 12 ergibt sich nach vorliegender Erfindung, neben der Wahl und Auslegung des Motors 13 auch durch Einsatz einer Kunststoff-Schnecke 17 auf der Motorwelle 16; und diese Anordnung wiederum ist möglich, weil die Schnecke 17 infolge Antriebes durch den Synchronmotor 13 schon recht niedertourig rotiert, so dass keine große Drehzahluntersetzung und damit keine große mechanische Belastung mehr durch den Eingriff zum ebenfalls kunststoffgespritzten Schneckenrad 19 auftritt; zumal das Schneckengetriebe 17/19 mangels selbsthemmender Flankenneigung einen hohen Wirkungsgrad aufweist, also allenfalls wenig Verlustwärme generiert. Das Abtriebsdrehmoment wird gewissermaßen erst danach, ohne die Schnecke 17 zu belasten, erzeugt, nämlich in der dann zum Abtriebs-Wellenstumpf 26 wieder zusammengeführten parallelen Lastaufteilung hier über Planetenräder 22.
Um also erfindungsgemäß den für Komfortfunktionen im Kraftfahrzeug eingeführten Stellantrieb 12 jedenfalls ohne Funktionsbeeinträchtigung bei gesteigertem Wirkungsgrad kleiner und leichter sowie preisgünstiger erstellen zu können, stehen die von der Motorwelle 16 getragene Schnecke 17 und deren Schneckenrad 19 vorzugsweise als Kunststoff-Spritzgussteile miteinander in Eingriff. Um hier etwaigen Fließerscheinungen vorzubeugen, wird die Schnecke 17 dadurch entlastet, dass sie relativ niedertourig angetrieben wird und zum Schneckenrad 19 hin nur eine geringe Drehzahluntersetzung liefert, weshalb das Schneckenrad 19 einen nur kleinen Durchmesser aufweist; woraufhin die stark reduzierte Abtriebsdrehzahl mit entsprechend gesteigertem Abtriebsdrehmoment erst anschließend, also ohne weitere Beanspruchung der Schnecke 17, etwa über parallel angetriebene Planetenräder 22 generiert und dann auf deren gemeinsamen, rotierenden Träger 25 zusammengeführt wird. Im Interesse eines hohen Wirkungsgrades sind die Flanken für allenfalls geringe Selbsthemmung des Schneckengetriebes 17/19 ausgelegt, im Übrigen wird eine etwa erforderliche Hemmwirkung vom Rastmoment des Motors 13 beigestellt. Der arbeitet vorzugsweise als über seine Speisefrequenz drehzahlsteuerbarer mehrphasiger Polymer-Synchronmotor 13 mit permanentmagnetischem Außen-Rotor 15. Der Rotor 15 kann zusammen mit der Welle 16 und der Schnecke 17 im Mehrkomponenten-Kunststoffspritzguss erstellt sein. Daraus resultiert der leicht- und kleinbauende, überhitzungsfrei drehzahlsteuerbar leiselaufende Stellantrieb 12.
Bezugszeichenliste

11: Gehäuse(-Unterteil) von 11
12: Stellantrieb
13: Motor (von 12 für 17)
14: Stator (von 13)
15: Rotor (von 13, mit 16)
16: Welle (von 15 / 17)
17: Schnecke (auf 16)
18: Drehachse (von 19 ff)
19: Schneckenrad (in Eingriff mit 17)
20: Hohlrad (von 21 im Gehäuse-Oberteil)
21: Planetengetriebe (hinter 19)
22: Planetenräder (in 20/24)
23: Zapfen (auf 19, als Sonne von 21)
24: Innenmantelfläche (von 20)
25: Planetenträger (für 22)
26: Wellenstumpf (auf 25, als Abtriebswelle von 12)
27: Lagersitz (auf 16, für 28)
28: Wälzlager (auf 27)
29: Gleitlager (zwischen 14 und 15)

Claims

Stellantrieb (12) mit einem Motor (13) und auf dessen Motorwelle (16) vorgesehener Schnecke (17), mit der ein Schneckenrad (19) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass als Motor (13) ein Mehrphasen-Synchronmotor vorgesehen ist, dessen Drehzahl durch Eingriff des Schneckenrades (19) in die Schnecke (17) allenfalls erst geringfügig, dann aber durch ein nachgeschaltetes Getriebe reduziert ist, in dem das Drehmoment auf mehrere parallele Lasteingriffe verteilt ist, die zu einer Abtriebswelle wieder zusammengeführt sind.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein stirnverzahnter Zapfen (23) des Schneckenrades (19) zwischen Planetenräder (22) diese parallel antreibend eingreift, deren gemeinsamer Planetenträger (25) einen Abtriebs-Wellenstumpf (26) trägt.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (17) und das Schneckenrad (19) vorzugsweise einteilige, im Mehrkomponenten-Spritzguss erstellte Kunststoffspritzgussteile sind.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenneigung der Schnecke (17) für allenfalls schwache Selbsthemmung des Schneckengetriebes (17 / 19) ausgelegt ist.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (13) mit ausgeprägtem Rastmoment ausgelegt ist.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein permanentmagnetischer Außenläufer-Motor (13) vorgesehen ist.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere niedertouriger Polymer-Motor (13) vorgesehen ist.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Mehrkomponenten-Kunststoffspritzguss mit integrierten Permanentmagneten erstellter topfförmiger Außenläufer-Rotor (15) vorgesehen ist.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (15), dessen Welle (16) und darauf die Schnecke (17) im Mehrkomponenten-Kunststoffspritzguss erstellt sind.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Synchron-Motor (13) auf eine Eigenresonanzerscheinungen kompensierende Drehzahl ansteuerbar ist.