DE102016118555A1

DE102016118555A1 - Linearaktuator zur Erzeugung einer Verstellbewegung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016118555A1
Application number: DE102016118555.8A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wentz
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Beschrieben wird ein Linearaktuator (1) zur Erzeugung einer Verstellbewegung einer zu verstellenden Komponente eines Kraftfahrzeugs mit einem Basisbauteil (2) zum Befestigen des Linearaktuators (1) im Kraftfahrzeug; mit einem Betätigungsbauteil (6), welches relativ zum Basisbauteil (2) entlang einer Verschieberichtung (A) linear verschiebbar und mit der zu verstellenden Komponente des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist; mit einem Krafterzeuger, von welchem das Betätigungsbauteil (6) mit einer in Verschieberichtung (A) wirkenden Betätigungskraft beaufschlagbar ist; mit einer Rückstellfeder (5), von welcher das Betätigungsbauteil (6) mit einer der Betätigungskraft entgegengesetzten Rückstellkraft beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Krafterzeuger ein Elektromotor (8) ist, welcher mit dem Betätigungsbauteil (6) über einen Flaschenzug (10) gekoppelt ist, welcher zumindest eine an dem Basisbauteil (2) angebrachte Umlenkrolle (21), zumindest eine an dem Betätigungsbauteil (6) angebrachte Umlenkrolle (23) und ein über die Umlenkrollen (21, 23) laufendes Seil mit (14) zwei Enden (15, 16) enthält, von denen ein erstes Ende (15) an dem Basisbauteil (2) oder dem Betätigungsbauteil (6) angebracht ist und ein zweites Ende (16) von dem Elektromotor (8) bewegbar ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Linearaktuator zur Erzeugung einer Verstellbewegung einer zu verstellenden Komponente eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer fluidführenden Komponente einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
In Kraftfahrzeugen werden seit Jahrzehnten derartige Linearaktuatoren zur Erzeugung von Verstellbewegungen, beispielsweise an Klappen im Bereich der Abgasrückführung, insbesondere AGR-Bypass-Klappen, eingesetzt. Bekannte Linearaktuatoren enthalten ein Gehäuse zum Befestigen im Kraftfahrzeug und eine Betätigungsstange, welche relativ zum Gehäuse verschiebbar ist und mit der AGR-Bypass-Klappe gekoppelt ist. Das Gehäuse enthält einen von einer elastischen Membran abgedichteten Hohlraum als Krafterzeuger, welcher mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist. Die Membran ist mit der Betätigungsstange verbunden und kann diese dadurch mit einer in ihrer Verschieberichtung wirkenden Betätigungskraft beaufschlagen und eine Rückstellfeder zusammendrücken. In Kraftfahrzeugen werden traditionell verschiedene mit Unterdruck arbeitende Aktuatoren eingesetzt, da üblicherweise in einem Bremskraftverstärker des Kraftfahrzeugs Unterdruck eingesetzt wird, um die vom Fahrer über ein Bremspedal ausgeübte Bremskraft zu verstärken. Der benötigte Unterdruck wird durch eine Unterdruckpumpe erzeugt. Mit Unterdruck arbeitende Linearaktuatoren sind einfach aufgebaut und sehr robust und haben sich deshalb im Praxiseinsatz bewährt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Linearaktuator der eingangs genannten Art zu schaffen.
Die Erfindung wird durch einen Linearaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Linearaktuator enthält ein Basisbauteil zum Befestigen des Linearaktuators im Kraftfahrzeug und ein Betätigungsbauteil, welches relativ zum Basisbauteil entlang einer Verschieberichtung linear verschiebbar ist. Das Basisbauteil kann ein Gehäuse sein, welches auch mehrteilig ausgebildet sein kann. Das Betätigungsbauteil, insbesondere eine Betätigungsstange, ist mit der zu verstellenden Komponente des Kraftfahrzeugs gekoppelt und kann diese in der gewünschten Weise verstellen. Bei der zu verstellenden Komponente kann es sich um eine fluidführende, insbesondere gasführende, Komponente einer Brennkraftmaschine handeln. Die zu verstellende Komponente kann ein Ventil, beispielsweise ein frischgas-, abgas- oder kühlmittelführendes Ventil, an einer Brennkraftmaschine sein. Bei der zu verstellenden Komponente kann es sich insbesondere um eine AGR-Bypassklappe, eine Waste-Gate-Klappe am Turbolader oder eine andere Bypassklappe handeln. Ein erfindungsgemäßer Linearaktuator kann auch zur Verstellung von Luftleitklappen verwendet werden, welche beispielsweise die Strömung durch den Motorraum des Kraftfahrzeugs oder die Kühleranströmung beeinflussen. Für derartige Anwendungen ist insbesondere ein Linearaktuator geeignet, in welchem das Betätigungsbauteil um einen Verschiebeweg von 5 mm bis 50 mm, insbesondere von 15 mm bis 20 mm, verschiebbar ist. Ein geeigneter Linearaktuator hat eine Betätigungskraft von 10 N bis 100 N, insbesondere von 20 N bis 70 N.
Der Linearaktuator enthält einen Krafterzeuger, von welchem das Betätigungsbauteil mit einer in Verschieberichtung wirkenden Betätigungskraft beaufschlagbar ist. Der Krafterzeuger ist ein Elektromotor, welcher mit dem Betätigungsbauteil über einen Flaschenzug gekoppelt ist. Der Linearaktuator enthält ferner eine Rückstellfeder, von welcher das Betätigungsbauteil mit einer der Betätigungskraft entgegengesetzten Rückstellkraft beaufschlagbar ist. Der Flaschenzug enthält zumindest eine an dem Basisbauteil angebrachte Umlenkrolle, welche auch als „feste Rolle” bezeichnet werden kann. Der Flaschenzug enthält zumindest eine an dem Betätigungsbauteil angebrachte Umlenkrolle, welche auch als „lose Rolle” bezeichnet werden kann. Der Flaschenzug enthält ferner ein über die Umlenkrollen laufendes Seil mit zwei Enden. Ein erstes Ende des Seils ist an dem Basisbauteil oder dem Betätigungsbauteil angebracht, insbesondere unbeweglich an dem jeweiligen Bauteil fixiert. Ein zweites Ende des Seils ist von dem Elektromotor bewegbar und hierzu mit ihm gekoppelt. Der Elektromotor kann eine Motorwelle aufweisen, welche mit einer Seiltrommel zum Aufwickeln des Seils gekoppelt ist, an welcher das zweite Ende des Seils angebracht ist. Das Seil ist derart an der Seiltrommel befestigt, dass sich das Seil je nach Drehrichtung der Seiltrommel durch den Elektromotor auf die Seiltrommel aufwickelt oder von ihr abwickelt.
Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:

• Heutzutage werden in Kraftfahrzeugen teilweise elektrisch betätigte Bremsen verwendet, sodass kein unterdruckbetätigter Bremskraftverstärker mehr erforderlich ist. Werden nun weiterhin die bekannten pneumatischen Linearaktuatoren verwendet, ist zu deren Betätigung weiterhin eine Unterdruckpumpe erforderlich. Das Vorsehen einer Unterdruckpumpe zur Versorgung einiger weniger Linearaktuatoren ist jedoch aufwendig und oftmals nicht wirtschaftlich. Es gibt deshalb in Kraftfahrzeugen einen verstärkten Bedarf für alternativ betätigte Linearaktuatoren, welcher mit dem erfindungsgemäßen Linearaktuator sehr gut gedeckt werden kann.
• Der erfindungsgemäße Linearaktuator ist elektrisch betätigbar und benötigt somit lediglich eine ohnehin im Kraftfahrzeug vorhandene Energiequelle. Die Unterdruckpumpe kann somit entfallen.
• Der erfindungsgemäße Linearaktuator weist eine geringe Baugröße auf, welche nur wenig über derjenigen der bekannten Unterdruck-Aktuatoren liegt, sodass er in Bezug auf diese eine besonders gut geeignete Alternative darstellt.
• Der Flaschenzug bewirkt eine ausreichend hohe Übersetzung, beispielsweise im Bereich von 1:10 bis 1:20, sodass ein relativ kleiner Elektromotor mit einem relativ geringen Drehmoment verwendet werden kann, aber dennoch eine ausreichend hohe Betätigungskraft am Betätigungsbauteil zur Verfügung steht. Damit wird trotz hoher Übersetzung nur relativ wenig Bauraum benötigt.
• Eine von der Rückstellfeder auf das Betätigungsbauteil ohne Verschiebebewegung übertragene Haltekraft, welche beispielsweise eine Klappe in ihrer Schließstellung hält, wird von dem erfindungsgemäßen Flaschenzug, im Gegensatz zu einem Zahnradgetriebe mit entsprechender Übersetzung, praktisch nicht vermindert.

In Ausgestaltung der Erfindung können mehrere nebeneinander angeordnete Umlenkrollen zu einem Umlenkblock oder einer „Flasche” zusammengefasst sein. Der Umlenkblock enthält einen Rollensatz mit mehreren Umlenkrollen und kann an dem Basisbauteil oder dem Betätigungsbauteil angebracht sein. Eine Umlenkrolle kann scheibenförmig frei drehbar auf einer Achse angeordnet sein. Mehrere Umlenkrollen können koaxial zueinander in einem Umlenkblock gelagert sein, insbesondere auf einer gemeinsamen Achse. Geeignet sind beispielsweise Kunststoffrollen, welche insbesondere im Spritzgussverfahren hergestellt sein können. Das Seil kann ebenfalls aus Kunststoff bestehen. Der Kunststoff wird insbesondere so gewählt, dass er dauerhaft eine Temperatur von 160°C verträgt. Zur Erreichung eines entsprechenden Übersetzungsverhältnisses kann ein Umlenkblock mehr als 2, nämlich 3 bis 15, insbesondere 5 bis 10, Umlenkrollen enthalten. Die Anzahl der Umlenkrollen in dem am Basisbauteil angebrachten Umlenkblock und dem am Betätigungsbauteil angebrachten Umlenkblock kann übereinstimmen.
In weiterer Ausgestaltung kann die Rückstellfeder einen Abschnitt des Flaschenzuges, insbesondere zumindest einen der Umlenkblöcke, umgeben. Hierdurch kann eine besonders platzsparende Ausgestaltung gewährleistet werden. Als Elektromotor ist insbesondere ein Gleichstrommotor geeignet. Die Seiltrommel kann direkt auf der Motorwelle des Elektromotors angebracht sein. Bei der Rückstellfeder kann es sich um eine Druckfeder handeln, welche bei einer Verschiebung des Betätigungsbauteils unter der Wirkung der Betätigungskraft zusammendrückbar ist. Eine Druckfeder benötigt bei gleicher Rückstellkraft weniger Bauraum als eine Zugfeder. Das Basisbauteil kann einen Anschlag aufweisen, an welchem das Betätigungsbauteil bei unbetätigtem Elektromotor aufgrund der von der Rückstellfeder ausgeübten Rückstellkraft anliegt. Der Anschlag kann eine Ruhestellung des Betätigungsbauteils und damit auch der zu verstellenden Komponente definieren.
In weiterer Ausgestaltung kann der Linearaktuator eine Sensoreinrichtung enthalten, mit welcher die Position des Betätigungsbauteils detektierbar ist. Die Sensoreinrichtung kann zumindest eine Endlage des Betätigungsbauteils und/oder dessen Verschiebeweg detektieren. Ein Linearaktuator mit integrierter Messung des Verschiebewegs des Betätigungsbauteils ist in besonderer Weise geeignet, eine Rückmeldung an eine Steuereinheit zu geben, beispielsweise zu Diagnose- oder Regelungszwecken, insbesondere in Kombination mit einer Positionsregelung des Betätigungsbauteils. Dies kann insbesondere bei einer Verwendung des Linearaktuators zur Verstellung eines Kühlmittelventils erforderlich sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Figur. Es zeigt:
1 einen schematisch und teilweise im Schnitt dargestellten Linearaktuator gemäß der Erfindung.
Ein Linearaktuator 1 für eine nicht dargestellte aber an sich bekannte Bypassklappe im Abgasrückführstrang eines Kraftfahrzeuges enthält ein als Gehäuse gestaltetes Basisbauteil 2, welches an einer geeigneten Stelle im Kraftfahrzeug ortsfest befestigt wird. Das Gehäuse 2 ist mehrteilig ausgestaltet und enthält ein Federgehäuse 3 und ein Motorgehäuse 4. In dem Federgehäuse 3 ist eine Druckfeder 5 angeordnet, welche ein Betätigungsbauteil 6 mit einer Rückstellkraft beaufschlagt und in dessen Ruhestellung gegen einen Anschlag 7 am Federgehäuse 3 drückt. Im Motorgehäuse 4 ist als Krafterzeuger ein Elektromotor 8 angeordnet, welcher mit dem Betätigungsbauteil 6 über einen Flaschenzug 10 gekoppelt ist. Über den Flaschenzug 10 kann der Elektromotor 8 das Betätigungsbauteil 6 mit einer in Verschieberichtung A wirkenden Betätigungskraft beaufschlagen und es relativ zum Gehäuse linear in Richtung A verschieben. Ein dem Flaschenzug 10 abgewandtes Ende 12 des Betätigungsbauteils 6, welches beispielsweise als Betätigungsstange ausgebildet sein kann, ist mit der Bypassklappe derart gekoppelt, dass sich die Bypassklappe bei Verschiebung des Betätigungsbauteils 6 in Verschieberichtung A öffnet. Zum Halten des Betätigungsbauteils 6 bei geöffneter Bypassklappe bleibt der Elektromotor 8 bestromt. Beim Halten ist es möglich, die Versorgungsspannung des Elektromotors 8 zu reduzieren, um dessen Stromverbrauch und seine Erwärmung zu verringern. Von der Rückstellfeder 5 kann das Betätigungsbauteil 6 entgegen der Verschieberichtung A zurückgeschoben werden, sodass sich die Bypassklappe wieder schließt. Die Rückstellkraft der Rückstellfeder 5 ist so ausgelegt, dass sich das Betätigungsbauteil 6 bei einer Störung oder einem Ausfall des Elektromotors von selbst wieder in seine dargestellte Ruheposition, bei welcher das Betätigungsbauteil 6 an dem Anschlag 7 anliegt, zurückbewegt. Anstelle des Anschlags 7 kann auch ein nicht dargestellter Anschlag im Bereich der Bypassklappe vorgesehen sein, um eine Ruheposition des Betätigungsbauteils 6 zu definieren.
Der Flaschenzug 10 enthält ein Seil 14 mit zwei Enden 15 und 16. Ein erstes Ende 15 ist in nicht näher dargestellter Weise an dem Gehäuse 2 befestigt. Ein zweites Ende 16 ist an einer Seiltrommel 18 zum Aufwickeln des Seils 14 befestigt. Die Seiltrommel 18 ist direkt auf einer Motorwelle des Elektromotors 8 angeordnet und von diesem rotierbar. Ein Umlenkblock 20 ist am Gehäuse 2 angebracht und enthält mehrere nebeneinander angeordnete Umlenkrollen 21. Ein Umlenkblock 22 ist an dem Betätigungsbauteil 6 angebracht und enthält mehrere Umlenkrollen 23, die ebenfalls nebeneinander angeordnet sind. Das Seil 14 verläuft von seinem Ende 15 über zumindest eine Umlenkrolle 23 und zumindest eine Umlenkrolle 21 zur Seiltrommel 18. In diesem Fall hätte der Flaschenzug ein Übersetzungsverhältnis von 1:2. Je nach benötigtem Übersetzungsverhältnis wird eine entsprechende Anzahl von Umlenkrollen 21 und 23 vorgesehen und das Seil 14 mehrfach vom Umlenkblock 22 zum Umlenkblock 20 und zurück geführt. Der Umlenkblock 22 liegt in der Ruheposition innerhalb der Rückstellfeder 5 und ist somit platzsparend angeordnet.
Der Linearaktuator 1 kann einen schematisch angedeuteten Sensor 30 enthalten, um eine Position des Betätigungsbauteils 6 zu erkennen. Der Elektromotor 8 und gegebenenfalls der Sensor 30 kann über eine Steckeinrichtung 31, welche am Gehäuse 2 vorgesehen ist, mit einer nicht dargestellte Steuereinheit des Kraftfahrzeugs verbunden sein.
Bezugszeichenliste

1: Linearaktuator
2: Basisbauteil
3: Federgehäuse
4: Motorgehäuse
5: Rückstellfeder
6: Betätigungsbauteil
7: Anschlag
8: Elektromotor
10: Flaschenzug
12: Ende des Betätigungsbauteils
14: Seil
15: Ende des Seils
16: Ende des Seils
18: Seiltrommel
20: Umlenkblock
21: Umlenkrolle
22: Umlenkblock
23: Umlenkrolle
30: Sensor
31: Steckeinrichtung
A: Verschieberichtung

Claims

Linearaktuator (1) zur Erzeugung einer Verstellbewegung einer zu verstellenden Komponente eines Kraftfahrzeugs mit einem Basisbauteil (2) zum Befestigen des Linearaktuators (1) im Kraftfahrzeug; mit einem Betätigungsbauteil (6), welches relativ zum Basisbauteil (2) entlang einer Verschieberichtung (A) linear verschiebbar und mit der zu verstellenden Komponente des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist; mit einem Krafterzeuger, von welchem das Betätigungsbauteil (6) mit einer in Verschieberichtung (A) wirkenden Betätigungskraft beaufschlagbar ist; mit einer Rückstellfeder (5), von welcher das Betätigungsbauteil (6) mit einer der Betätigungskraft entgegengesetzten Rückstellkraft beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Krafterzeuger ein Elektromotor (8) ist, welcher mit dem Betätigungsbauteil (6) über einen Flaschenzug (10) gekoppelt ist, welcher zumindest eine an dem Basisbauteil (2) angebrachte Umlenkrolle (21), zumindest eine an dem Betätigungsbauteil (6) angebrachte Umlenkrolle (23) und ein über die Umlenkrollen (21, 23) laufendes Seil (14) mit zwei Enden (15, 16) enthält, von denen ein erstes Ende (15) an dem Basisbauteil (2) oder dem Betätigungsbauteil (6) angebracht ist und ein zweites Ende (16) von dem Elektromotor (8) bewegbar ist.
Linearaktuator nach Anspruch 1, in welchem der Elektromotor (8) eine Motorwelle aufweist, welche mit einer Seiltrommel (18) zum Aufwickeln des Seils (14) gekoppelt ist, an welcher das zweite (16) Ende des Seils (14) angebracht ist.
Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem das Basisbauteil (2) einen Anschlag (7) aufweist, an welchem das Betätigungsbauteil (6) bei unbetätigtem Elektromotor (8) aufgrund der von der Rückstellfeder (5) ausgeübten Rückstellkraft anliegt.
Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem mehrere nebeneinander, insbesondere koaxial, angeordnete Umlenkrollen (21; 23) zu einem Umlenkblock (20; 22) zusammengefasst sind, welcher an dem Basisbauteil (2) oder dem Betätigungsbauteil (6) angebracht ist.
Linearaktuator nach Anspruch 4, in welchem ein Umlenkblock (20; 22) mehr als zwei, insbesondere drei bis zehn, Umlenkrollen (21; 23) enthält.
Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Rückstellfeder (5) einen Abschnitt des Flaschenzuges (10), insbesondere einen an dem Betätigungsbauteil (6) angebrachten Umlenkblock (22) und/oder einen an dem Betätigungsbauteil (6) angebrachten Umlenkblock (20), umgibt.
Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem das Betätigungsbauteil (6) um einen Verschiebeweg von 5 mm bis 50 mm, insbesondere von 15 mm bis 20 mm, verschiebbar ist.
Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Betätigungskraft von 10 N bis 100 N, insbesondere von 20 N bis 70 N, beträgt.
Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Rückstellfeder (5) eine Druckfeder ist, welche bei einer Verschiebung des Betätigungsbauteils (6) unter der Wirkung der Betätigungskraft zusammendrückbar ist.
Linearaktuator nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher eine Sensoreinrichtung (30) enthält, mit welcher die Position des Betätigungsbauteils (6) detektierbar ist.