DE102016220780B4

DE102016220780B4 - Kombination eines Aktuators mit einem Ventilelement und Abgasrückführventil

Info

Publication number: DE102016220780B4
Application number: DE102016220780.6A
Authority: DE
Inventors: Roman Lehnert; Manuel Schieker; Christoph Thiery
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2036-10-22
Also published as: KR20180044217A; DE102016220780A1; US20180112593A1

Abstract

Kombination eines Aktuators, der aufweist:einen Antrieb,zumindest ein drehbares Gewindeelement mit einem ersten und zweiten Gewindeabschnitt und einem dazwischenliegenden dritten Gewindeabschnitt, undzumindest ein durch das Gewindeelement translatorisch angetriebenes Abtriebselement,wobei der Steigungswinkel im dritten Gewindeabschnitt größer als der Steigungswinkel im ersten und zweiten Gewindeabschnitt ist,mit einem Ventilelement, das mit dem Abtriebselement direkt oder indirekt verbunden ist,wobei die Kombination derart eingerichtet ist, dass der Eingriff des Abtriebselements im ersten Gewindeabschnitt des Gewindeelements erfolgt, wenn das Ventilelement gemäß einem Kühlmodus geöffnet ist, der Eingriff des Abtriebselements im zweiten Gewindeabschnitt des Gewindeelements erfolgt, wenn das Ventilelement gemäß einem Bypassmodus geschlossen ist, und der Eingriff des Abtriebselements im dritten Gewindeabschnitt des Gewindeelements erfolgt, wenn das Ventilelement in einer Zwischenstellung ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kombination eines Aktuators mit einem Ventilelement, sowie ein Abgasrückführventil.
Stand der Technik
Vorrichtungen der eingangs genannten Art kommen häufig bei Verbrennungsmotoren zum Einsatz, wo in Abhängigkeit vom Betriebszustand Abgas auf die Frischluftseite zugeführt werden soll, um den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu senken. Über ein entsprechendes Ventil kann ein translatorisch verschiebbares Ventilstößel mittels des Aktuators betätigt werden.
Aus der EP 2 418 373 A1 ist bekannt, dass das drehbare Gewindeelement, über den das Ventil translatorisch bewegt wird, zumindest zwei Abschnitte unterschiedlicher Steigung des Gewindes aufweist. Ähnliche Aktuatoren sind in der DE 922 095 B und DE 199 50 582 B9 beschrieben.
Derartige Aktuatoren haben sich bewährt. Allerdings werden immer höhere Anforderungen gestellt.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kombination eines Aktuators mit einem Ventilelement bei einfacher Konstruktion zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination von Anspruch 1 gelöst. Der Aktuator ist hierbei dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gewindeelement mit einem ersten und einem zweiten Gewindeabschnitt sowie einem dazwischenliegenden dritten Gewindeabschnitt aufweist, wobei der Steigungswinkel bzw. die Steigung im dritten Gewindeabschnitt größer als der Steigungswinkel bzw. die Steigung im ersten und zweiten Gewindeabschnitt ist. Mit anderen Worten ist also der Gewindegang in dem dritten Gewindeabschnitt steiler als in dem ersten und zweiten Gewindeabschnitt.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, einen Aktuator für ein Ventil vorzusehen, bei dem die translatorische Bewegung des Abtriebselements bei Eingriff in den dritten Gewindeabschnitt größer ist als bei Eingriff des Abtriebselements in den ersten oder zweiten Gewindeabschnitt.
Dadurch ist es möglich, die Übertragungskraft in Abhängigkeit von dem jeweiligen Gewindeabschnitt speziell anzupassen, und zwar dahingehend, dass die Übertragungskraft im ersten und zweiten Gewindeabschnitt größer ist, aber in dem dazwischenliegenden dritten Gewindeabschnitt geringer. Dadurch kann die Flexibilität bezüglich der Kraft und des Weges ausgenutzt werden. Auf diese Weise lässt sich die translatorische Bewegung des Abtriebselements für ein Ventil vorteilhaft ausführen.
Dadurch kann zumindest einer der folgenden Vorteile erreicht werden:
Durch die flachere Steigung im ersten und zweiten Gewindeabschnitt lässt sich eine größere Öffnungskraft übertragen, was mit einem größeren Verdrehweg einhergeht. Dadurch kann eine vergleichsweise größere Kraft bspw. zu Beginn der Öffnungs- bzw. Schließbewegung eines Ventils dazu benutzt werden, um die Bewegung auszuführen. Dadurch, dass der Steigungswinkel im ersten und zweiten Gewindeabschnitt geringer als die Steigung im dritten Gewindeabschnitt ausgebildet ist, kann also ein elektrischer Motor als Antrieb eingesetzt werden, der weniger stark ist, da über die flachere Steigung der höhere Krafteintrag erreicht werden kann. Dies führt dazu, dass bspw. ein kleinerer elektrischer Antrieb verbaut werden kann.
Ein weiterer Punkt ist der, dass, wenn eine geringere Antriebsleistung ausreichend ist, dieser Antrieb auch weniger energieaufwändig ist, was dazu führt, dass insgesamt weniger Strom verbraucht wird. Dies macht sich insbesondere deshalb bemerkbar, weil fortwährend, d.h. konstant, Kraft sowohl in einer Öffnungs- als auch einer Schließposition eines Ventils ausgeübt werden muss. Eine hohe Betätigungskraft kann also in beiden Endpositionen eines Ventils bei geringer Stromversorgung erreicht werden.
Hinzukommt, dass durch die höhere Steigung im dritten Gewindeabschnitt die Verstellung eines Ventils im Zwischenbereich schneller ablaufen kann. Dies erhöht die Reaktionszeit bzw. die Umschaltzeit, innerhalb der das Ventil umgeschaltet werden kann.
Als weiterer Punkt kommt hinzu, dass es bei Verwendung des Ventils in der Praxis wichtig ist, dass das Ventil durch andere Kräfte nicht unbeabsichtigt verstellt wird. Insbesondere übt ein vorbeiströmendes Gas Gaskräfte aus. Dadurch, dass die höhere Steigung im ersten und zweiten Gewindeabschnitt vorliegt, kann in diesen Bereichen auch eine entsprechend hohe Gegenkraft erzeugt werden, sodass Gaskräfte die Position des Ventils weniger leicht verändern können.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Abgasrückführventilmit der erfindungsgemäßen Kombination.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung noch näher ersichtlich werden.
Figurenliste

1 zeigt einen erfindungsgemäß eingesetzten Aktuator;
2 zeigt den Steigungswinkel eines Gewindeelements des erfindungsgemäßen Aktuators; und
3 zeigt einen erfindungsgemäß eingesetzten Aktuator.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
1 zeigt den Aktuator 1 mit einem Antrieb 2, der zwei Zahnräder aufweist. Der Antrieb des Aktuators ist als Drehantrieb in bevorzugter Weise ausgeführt. Bei dem drehbaren Gewindeelement 3 kann es sich um eine Schnecke mit einem Gewindegang oder einem Teil eines Gewindegangs handeln. Die Schnecke entspricht einem sogenannten „worm“. Mit dem Gewindeelement 3 steht das translatorisch angetriebene Abtriebselement 4 derart in Eingriff, dass eine Drehung des Gewindeelements 3 zu einer translatorischen Bewegung des Abtriebselements 4 führt. Das Abtriebselement 4 kann beispielsweise ein von dem Ventilstößel 5a vorstehender Abschnitt, ein Rad, eine Rolle oder ein anderes Element sein. Die Drehbewegung des Drehantriebs wird also in eine Hubbewegung des Ventilstößels 5a umgewandelt. Über den Ventilstößel 5a ist das Ventilelement 5 mit dem Aktuator 1 bzw. dem Abtriebselement 4 verbunden.
2 zeigt den Steigungswinkel der Gewindeabschnitte des Gewindeelements 3, wobei der Steigungswinkel (in Grad) als Funktion des Drehbereichs (in Grad) aufgetragen ist. 2 spiegelt also die Steigung des Gewindes wider.
Das Gewindeelement 3 weist den ersten und zweiten Gewindeabschnitt auf, der in 2 mit den Bereichen 1 und 2 bezeichnet ist. Dabei entspricht der Bereich 1 des Gewindeabschnitts dem Zustand des Ventils, in dem das Ventil an dem oberen Sitz 5b anliegt, und der Bereich 2 dem Zustand, in dem sich das Ventil im unteren Ventilsitz 5c befindet. Im Bereich 3 liegt eine Zwischenposition im Ventil vor.
Der erste und zweite Gewindeabschnitt können jeweils an einem Ende des Gewindeelements 3 liegen, also der erste Gewindeabschnitt am oberen Ende des Gewindeelements und der zweite Gewindeabschnitt am unteren Ende des Gewindeelements 3.
Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Gewindeabschnitt die geringste Steigung bzw. den geringsten Steigungswinkel des Gewindes auf. An diesen Bereichen erzeugt also eine Drehung des Gewindeelements eine relativ geringe translatorische Bewegung des Abtriebselements nach unten/unten, d.h. eine relativ langsame Bewegung des Ventilstößels 5a.
Der dritte Gewindeabschnitt, der den Bereich 3 von 2 kennzeichnet, weist die größte Steigung auf. Dies führt dazu, dass bei Drehen des Gewindeelements in der Zwischenstellung eine schnelle translatorische Bewegung des Abtriebselements 4 erfolgt. Mit anderen Worten kann ein Zwischenbereich relativ schnell durchlaufen werden.
In der bevorzugten Ausführungsform von 2 ist der dritte Gewindeabschnitt mit der größten Steigung im gleichen Abstand zu dem ersten und dem zweiten Gewindeabschnitt abgeordnet.
Wenn die ersten und zweiten Gewindeabschnitte jeweils an einem Ende des Gewindeelements 3 angeordnet sind, ist der dritte Gewindeabschnitt mittig im Gewinde angeordnet.
Wie aus 2 hervorgeht, nimmt die Steigung bzw. der Steigungswinkel bevorzugt monoton vom ersten zum dritten Gewindeabschnitt zu, und monoton vom dritten zum zweiten Gewindeabschnitt ab. Es soll also vermieden werden, dass ein Knick in dem Verlauf von 2 vorliegt, das heißt der Übergang von dem ersten zum dritten und vom dritten zum zweiten Gewindeabschnitt soll allmählich erfolgen.
Vorzugsweise verändert sich die Steigung bzw. der Steigungswinkel zwischen dem ersten und dem dritten Gewindeabschnitt und/oder dem zweiten und dem dritten Gewindeabschnitt kontinuierlich über einen Drehbereich von zumindest 30°, bevorzugt zumindest 50°.
Der gesamte Drehbereich des Gewindeelements beträgt vorzugsweise zwischen 400° und 700°, weiter vorzugsweise zwischen 500° und 600°. In der in 2 gezeigten Ausführungsform beträgt der gesamte Drehbereich 570° (bevorzugt bei einer Länge von ca. 65 mm).
Der Steigungswinkel im ersten und/oder zweiten Gewindeabschnitt sollte in einem Bereich von 2° bis 8°, bevorzugt einem Bereich von 3° bis 6°, weiter bevorzugt in einem Bereich von 4° bis 5° liegen. Der Steigungswinkel des dritten Gewindeabschnitts sollte in einem Bereich von 19° bis 25°, bevorzugt einem Bereich von 20° bis 24°, weiter bevorzugt in einem Bereich von 21° bis 22° liegen.
In dem ersten, zweiten und dritten Gewindeabschnitt ist die Steigung bzw. der Steigungswinkel vorteilhafterweise jeweils konstant. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steigung bzw. der Steigungswinkel im ersten und zweiten Gewindeabschnitt gleich groß.
Der Steigungswinkel im ersten und/oder zweiten Gewindeabschnitt liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 8°, weiter bevorzugt in einem Bereich von 3 bis 6°, weiter bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 5°. In der Ausführungsform von 2 liegt der Steigungswinkel bei 4,5°.
Der Steigungswinkel im dritten Gewindeabschnitt liegt in einem Bereich von 19 bis 25°, bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 24°, weiter bevorzugt in einem Bereich von 21 bis 22°. In der in 2 gezeigten Ausführungsform liegt der Steigungswinkel bei 21.9°.
Der dritte Gewindeabschnitt erstreckt sich bevorzugt über einen Drehbereich von mindestens 45°, bevorzugt zumindest 90°. Der Drehbereich des ersten und/oder zweiten Gewindeabschnitts erstreckt sich vorzugsweise über einen Drehbereich von zumindest 70° und/oder weniger als 120°, bevorzugt über einen Drehbereich von 80 bis 100°. In der in 2 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Drehbereich des ersten und zweiten Gewindeabschnitts jeweils über 90°.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform beträgt die Gewindelänge bzw. die Gewindesteigung insgesamt ca. 12,5 mm.
Der Aktuator kann ein Federelement 6 aufweisen, das in der in 1 gezeigten Ausführungsform unterhalb des Zahnrades angeordnet ist, wie durch den Pfeil 6 angedeutet. Das Federelement 6 ist in 3 deutlich sichtbar. Dieses Federelement 6 ist derart eingerichtet, dass es Vorspannung auf das Gewindeelement derart ausübt, dass das Gewindeelement im ersten Gewindeabschnitt mit dem Abtriebselement in Eingriff kommen kann, in dem Fall, dass der Antrieb ausfällt, beispielsweise in dem Fall, dass keine Stromversorgung vorliegt.
Das Federelement, das beispielsweise eine Spiralfeder sein kann, verhält sich dann als „fail safe“ auch bei einer Störung oder einer Unterbrechung des elektrischen Systems. Dadurch kann das Ventil im Kühlmodus auch ohne Stromversorgung gehalten werden.
Der Aktuator ist vorteilhafterweise mit einem Ventilelement kombiniert, wobei das Abtriebselement direkt oder indirekt mit dem Ventilelement verbunden ist. in der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Abtriebselement 4 mit dem Ventilstößel 5a verbunden.
Die Kombination des Aktuators 3 und des Ventilelements 5 ist insbesondere derart eingerichtet, dass der Eingriff des Abtriebslements 4 im ersten oder zweiten Gewindeabschnitt des Gewindeelements 3 erfolgt, wenn das Ventilelement 5 in einer Endposition ist, also im Zustand 1 oder 2 von 2 ist, und der Eingriff des Abtriebselements 4 im dritten Gewindeabschnitt des Gewindeelements erfolgt, wenn das Ventilelement 5 in einer Zwischenstellung ist, wie sie im Bereich 3 von 2 gezeigt ist.
Der Aktuator und die Kombination bestehend aus dem Aktuator und dem Ventilelement sind vorteilhafterweise in einem Abgasrückführventil angeordnet.
Der Zustand 1 in 2, in dem der Eingriff über den ersten Gewindeabschnitt erfolgt, entspricht dem Kühlmodus; der Zustand 2 von 2, in dem der Eingriff über den zweiten Gewindeabschnitt erfolgt, entspricht dem Bypassmodus; der Zustand 3 von 2, in dem der Eingriff über den dritten Gewindeabschnitt erfolgt, entspricht einer Zwischenstellung.
Bezugszeichenliste

Aktuator	1
Antrieb	2
Gewindeelement	3
Abtriebselement	4
Ventilelement	5
Ventilstößel	5a
Oberer Ventilsitz	5b
Unterer Ventilsitz	5c
Federelement	6

Claims

Kombination eines Aktuators, der aufweist: einen Antrieb, zumindest ein drehbares Gewindeelement mit einem ersten und zweiten Gewindeabschnitt und einem dazwischenliegenden dritten Gewindeabschnitt, und zumindest ein durch das Gewindeelement translatorisch angetriebenes Abtriebselement, wobei der Steigungswinkel im dritten Gewindeabschnitt größer als der Steigungswinkel im ersten und zweiten Gewindeabschnitt ist, mit einem Ventilelement, das mit dem Abtriebselement direkt oder indirekt verbunden ist, wobei die Kombination derart eingerichtet ist, dass der Eingriff des Abtriebselements im ersten Gewindeabschnitt des Gewindeelements erfolgt, wenn das Ventilelement gemäß einem Kühlmodus geöffnet ist, der Eingriff des Abtriebselements im zweiten Gewindeabschnitt des Gewindeelements erfolgt, wenn das Ventilelement gemäß einem Bypassmodus geschlossen ist, und der Eingriff des Abtriebselements im dritten Gewindeabschnitt des Gewindeelements erfolgt, wenn das Ventilelement in einer Zwischenstellung ist.
Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Gewindeabschnitt jeweils an einem Ende des Gewindeelements liegen.
Kombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Gewindeabschnitt den geringsten Steigungswinkel des Gewindes aufweist/en.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Gewindeabschnitt den größten Steigungswinkel des Gewindes aufweist.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel monoton vom ersten zum dritten Gewindeabschnitt zunimmt und/oder monoton vom dritten zum zweiten Gewindeabschnitt abnimmt.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel im ersten und/oder zweiten Gewindeabschnitt in einem Bereich von 2 bis 8 Grad, bevorzugt einem Bereich von 3 bis 6 Grad, weiter bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 5 Grad, liegt.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel im dritten Gewindeabschnitt in einem Bereich von 19 bis 25 Grad, bevorzugt einem Bereich von 20 bis 24 Grad, weiter bevorzugt in einem Bereich von 21 bis 22 Grad, liegt.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste und/oder der zweite Gewindeabschnitt zumindest über einen Drehbereich von 70 Grad und/oder von weniger als 120 Grad, bevorzugt über einen Drehbereich von 80 bis 100 Grad, erstreckt/en.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der dritte Gewindeabschnitt über einen Drehbereich von zumindest 45 Grad, bevorzugt zumindest 90 Grad, erstreckt.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Steigungswinkel zwischen dem ersten und dem dritten Gewindeabschnitt und/oder zwischen dem zweiten und dem dritten Gewindeabschnitt kontinuierlich über einen Drehbereich von zumindest 30 Grad, bevorzugt zumindest 50 Grad, verändert.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Drehbereich des Gewindeelements zwischen 400 und 700 Grad, bevorzugt zwischen 500 und 600 Grad, beträgt.
Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein Federelement aufweist und derart eingerichtet ist, dass das Federelement derart Vorspannung auf das Gewindeelement ausüben kann, dass das Gewindeelement im ersten Gewindeabschnitt mit dem Abtriebselement in Eingriff kommt.
Abgasrückführventil mit einer Kombination nach einem der vorhergehenden Ansprüche.