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Nachfolgend werden eine Kraftfahrzeugstellmotoranordnung mit einem Elektromotor und einer Steuerung, ein Kraftfahrzeugstellglied, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugstellmotoranordnung beschrieben.
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Kraftfahrzeugstellmotoranordnungen, Kraftfahrzeugstellglieder, Kraftfahrzeuge sowie Verfahren der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Stellmotoren werden in Kraftfahrzeugen in vielen Bereichen eingesetzt. Insbesondere bei modernen Kraftfahrzeugen werden viele Stellglieder, die früher mechanisch betätigt wurden, mittlerweile elektrisch bewegt. Eine herkömmliche Verbindung über Zugkabel oder Zug-Druck-Kabel wird dabei zunehmend durch eine Anordnung aus Sensorik auf der Geberseite und einem Stellmotor auf der Empfängerseite ersetzt. Beispiele hierfür sind Schaltgetriebe sowie Gaspedale. Klassische, seilzugbetätigte Handschaltgetriebe werden zunehmend zugunsten von selbstschaltenden Getrieben, beispielsweise Doppelkupplungsgetrieben, nicht mehr verbaut. Klassische Gaspedale werden durch Pedale mit Sensorik und einer elektronischen Motorsteuerung ersetzt, die auch die Leistungsausgabe eines Motors regelt. Auch in anderen Bereichen, in denen im Kraftfahrzeug Positionsvariabilität erforderlich ist, kommen Stellmotoren zum Einsatz, beispielsweise bei Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, Abgasklappen und dergleichen.
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Dabei ist es wichtig, dass die entsprechenden Stellmotoren über viele Jahre hinweg zuverlässig funktionieren und dabei jeglichen Witterungsbedingungen trotzen. Zusätzlich zu den Witterungsbedingungen besteht eine weitere Herausforderung in der Gestaltung entsprechender Stellmotoren darin, dass die Stellmotoren in aller Regel nur in einem sehr begrenzten Bereich betätigt werden und insbesondere Anfangs- und Endpositionen aufgrund der Anschläge der entsprechenden Stellglieder stets gleich sind. Da die betreffenden Motoren unter anderem aus Kostengründen meist als Bürstenmotoren ausgebildet sind, können insbesondere in den vorgenannten Endbereichen durch verstärkte Abnutzung sowie Aufbau von Residuen, wie beispielsweise Oxidationsprodukten, erhöhte Widerstände auftreten, die zu einem Versagen des Elektromotors führen können.
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Somit stellt sich die Aufgabe, Kraftfahrzeugstellmotoranordnungen, Kraftfahrzeugstellglieder, Kraftfahrzeuge sowie Verfahren zum Betrieb von Kraftfahrzeugstellmotoranordnungen der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Haltbarkeit entsprechender Stellmotoren erhöht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kraftfahrzeugstellmotoranordnung gemäß Anspruch 1, ein Kraftfahrzeugstellglied gemäß dem nebengeordneten Anspruch 6, ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugstellmotoranordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 8. Weiterführende Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nachfolgend wird eine Kraftfahrzeugstellmotoranordnung beschrieben mit einem Elektromotor, der einen Stator, einen Rotor und Bürsten aufweist, und einer Steuerung, die einen Signaleingang und einen mit dem Elektromotor verbundenen Signalausgang aufweist, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus einem über dem Signaleingang eingegebenen Eingangssignal über eine eindeutige Funktion ein Stellsignal an den Elektromotor zu übermitteln, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das Stellsignal derart zu modulieren, dass bei aufeinanderfolgenden gleichen Eingangssignalen in vorgegebenen Eingangssignalbereichen unterschiedliche und/oder zeitlich variierende Stellsignale ausgegeben werden.
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Die Steuerung kann eine an dem Elektromotor angeordnete Steuerung sein oder eine separat vom Elektromotor angeordnete Steuerung sein. Die Verbindung zwischen Steuerung und Elektromotor kann direkt oder indirekt bestehen. So kann in manchen Ausgestaltungen eine weitere Steuerung oder andere elektrische oder elektronische Bauteile zwischengeschaltet sein.
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Das Eingangssignal kann eine Stellgröße sein, die zweckmäßig gewählt ist. Zur Visualisierung und Konzeptionierung kann diese häufig in auf den Verstellbereich normierten Größen angegeben werden, zum Beispiel in Prozent eines Öffnungsbereichs (beispielsweise: 0 % entspricht vollständig geschlossen und 100 % entspricht vollständig geöffnet).
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Unter einer eindeutigen Funktion im hier genannten Sinne ist eine Funktion zu verstehen, die jedem Eingangswert einen bestimmten Stellwert zuordnet. Dabei können verschiedenen Eingangswerten die gleichen Stellwerte zugeordnet werden. Die Funktion selbst kann stetig sein und sie kann monoton sein. Die Funktion kann auch als Zuordnungstabelle oder Kennfeld ausgebildet sein. Die Funktion kann neben einer reinen Stellgröße auch eine weitere Größe bestimmen, beispielsweise eine Stellkraft. Hierdurch lässt sich eine Antriebskraft des gesteuerten Elektromotors bestimmen.
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Durch die Variation der Stellsignale bei aufeinanderfolgenden gleichen Eingangssignalen oder durch die zeitlich variierenden Stellsignale kann erreicht werden, dass der Elektromotor nicht in den stets gleichen Endpositionen gehalten wird, sondern dass diese variieren, entweder zwischen aufeinanderfolgenden gleichen Eingangssignalen oder bei einem über längere Zeit konstant bleibenden Eingangssignal, bei dem ein Ausgangssignal variiert wird, sodass der Motor oszillierende Bewegungen vor und zurück vollzieht.
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Die Positionsunterschiede und/oder Amplituden der Oszillation können dabei klein sein, insbesondere kleiner als 5 % eines Verstellbereichs.
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Die Steuerung kann dazu eingerichtet sein, das Stellsignal jedes Mal zu variieren, wenn gleiche Eingangssignale gegeben werden ,oder dies nur periodisch zu machen, beispielsweise nach Ablauf einer gewissen Zeit. Die entsprechende Variation kann dadurch erfolgen, dass eine entsprechende Variationsfunktion mit der eindeutigen Funktion überlagert wird.
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In einer ersten weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Eingangssignal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist. Hier lassen sich digitale Eingangssignale verwenden.
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In einer anderen weiterführenden Ausgestaltung kann die Steuerung eine H-Brücke aufweisen. Dies erlaubt eine präzise Ansteuerung des Elektromotors.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung kann der Elektromotor einen Positionssensor aufweisen. Der Positionssensor kann mit der Steuerung verbunden sein. Dies ermöglicht die Funktion einer Regelung des Elektromotors durch die Steuerung.
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In einer anderen weiterführenden Ausgestaltung kann der Elektromotor ein Gleichstrommotor sein. Gleichstrommotoren sind kostengünstig.
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Ein erster unabhängiger Gegenstand betrifft ein Kraftfahrzeugstellglied mit einer Kraftfahrzeugstellmotoranordnung der vorgenannten Art. Beispiele für entsprechende Kraftfahrzeugstellglieder sind Drosselklappenantriebe oder Bypassventilantriebe, zum Beispiel in einer Abgasklappe oder einem Kühlkreislauf.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugstellmotoranordnung der vorgenannten Art.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeugstellmotoranordnung mit einem Elektromotor, der einen Stator, einen Rotor und Bürsten aufweist, und einer Steuerung, die einen Signaleingang und einen mit dem Elektromotor verbundenen Signalausgang aufweist, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, aus einem über den Signaleingang eingegebenen Eingangssignal über eine eindeutige Funktion ein Stellsignal an den Elektromotor zu übermitteln, wobei das Stellsignal derart moduliert wird, dass bei aufeinanderfolgenden Eingangssignalen in wenigstens einem vorgegebenen Eingangssignalbereich unterschiedliche und/oder bei gleichen Eingangssignalen zeitlich variierende Stellsignale ausgegeben werden.
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Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der entsprechende Stellmotor nicht immer in den gleichen Positionen gehalten wird, sondern dass die entsprechenden Positionen, insbesondere Endpositionen, während des Betriebs variiert werden. Die Abnutzung des entsprechenden Bereichs sowie der Aufbau von Residuen kann dadurch wirksam verhindert werden.
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Eine erste weiterführende Ausgestaltung sieht vor, dass der wenigstens eine vorgegebene Eingangssignalbereich in einem Endbereich des Eingangssignalspektrums liegt. Der Endbereich kann insbesondere 5 %, 10 %, 15 % oder 20 % des Gesamtspektrums darstellen. Der Endbereich kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die zweite Ableitung der Funktion einen Vorzeichenwechsel hat.
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Eine weiterführende Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass der wenigstens eine vorgegebene Eingangssignalbereich in einem Bereich geringer Steigung eines Positions-Wirkungsdiagramms eines von der Kraftfahrzeugstellmotoranordnung angetriebenen Stellglieds liegt.
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Solche Bereiche sind dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung der entsprechenden Positions-Wirkungs-Kurve nahe 0 liegt, insbesondere Werte zwischen -0,1 und +0,1 oder-0,15 und +0,15 oder-0,2 und +0,2 (einheitenbereinigt) aufweist. Ist das Stellglied beispielsweise eine Drosselklappe, so wäre die Position die Position der Drosselklappe und die Wirkung der effektive offene Querschnitt im Bereich der Drosselklappe. Dieser folgt im Wesentlichen einer Sinuskurve zwischen 0 und π/2. Die Änderungen im Bereich einer vollständig geschlossenen oder vollständig geöffneten Klappe und der Einfluss auf die Wirkung sind geringer als in einem Bereich, in dem die Drosselklappe im Bereich der Winkelhalbierenden zwischen vollständig geöffneter und vollständig geschlossener Stellung einnimmt. In diesem Bereich bedingt eine Variation des Stellsignals eine nur sehr geringe Änderung des offenen Querschnitts.
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Ein weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb einer Kraftfahrzeugstellmotoranordnung mit einem Elektromotor, der einen Stator, einen Rotor und Bürsten aufweist, und einer Steuerung, die einen Signaleingang und einen mit dem Elektromotor verbundenen Signalausgang aufweist, wobei die Steuerung Mittel aufweist, um aus einem über den Signaleingang eingegebenen Eingangssignal über eine eindeutige Funktion ein Stellsignal an den Elektromotor zu übermitteln, wobei Mittel vorgesehen sind, um das Stellsignal derart zu modulieren, dass bei aufeinanderfolgenden Eingangssignalen in wenigstens einem vorgegebenen Eingangssignalbereich unterschiedliche und/oder bei gleichen Eingangssignalen zeitlich variierende Stellsignale ausgegeben werden.
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In einer ersten weiterführenden Ausgestaltung können die Mittel dazu ausgestaltet sein, als vorgegebenen Eingangssignalbereich einen Endbereich des Eingangssignalspektrums zu verwenden.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung können die Mittel dazu ausgestaltet sein, als Eingangssignalbereich einen Bereich geringer Steigung eines Positions-Wirkungsdiagramms eines von der Kraftfahrzeugstellmotoranordnung angetriebenen Stellglieds heranzuziehen.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen schematisch:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugstellmotoranordnung;
- 2 ein Kraftfahrzeugstellglied;
- 3 ein Zeit-Stellpositions-Diagramm;
- 4 ein Wirkdiagramm eines Drosselklappenaktuators;
- 5 ein Querschnitts-Flussraten-Diagramm sowie
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 2.
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Das Kraftfahrzeug 2 weist ein Kraftfahrzeugstellglied 4 auf.
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Das Kraftfahrzeugstellglied 4 (gestrichelt umrahmt) weist Drosselklappe 6 und eine Kraftfahrzeugstellmotoranordnung 7 auf. Die Kraftfahrzeugstellmotoranordnung 7 (gestrichelt umrahmt) weist einen Stellmotor 8 und eine Steuerung 10 auf. Der Stellmotor 8 ist als Gleichstrommotor ausgebildet.
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Der Stellmotor 8 weist einen Stator 8.1, einen Rotor 8.2 und Bürsten 8.3 auf. Die Bürsten 8.3 kontaktieren eine Welle 8.4.
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Die Steuerung 10 weist einen Signaleingang 11.1 und einen mit dem Stellmotor 8 verbundenen Signalausgang 11.2 auf.
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2 zeigt das Kraftfahrzeugstellglied 4.
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Das Kraftfahrzeugstellglied 4 ist an der Drosselklappe 6 angeordnet. Eine Abtriebswelle 12 des Stellmotors 8 wirkt auf eine Drosselklappenwelle 14.
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Ein an dem Stellmotor 8 angeordneter Positionssensor 15 ist mit der Steuerung 10 verbunden
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Die Steuerung 10 weist einen Mikroprozessor 16 sowie eine H-Brücke 18 auf. Der Mikroprozessor 16 dient zur Interpretation von Eingangssignalen 20 und zur Berechnung eines über die H-Brücke zu wandelnden Stellsignals 22.
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3 zeigt ein erstes Zeit-Positions-Diagramm.
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Das Eingangssignal 20 ist dabei durchgezogen, das Stellsignal 22 gestrichelt dargestellt. Das Eingangssignal 20 variiert zwischen einer unteren Extremposition 24 und einer oberen Extremposition 26, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Wechsel zwischen den Extrempositionen 24 und 26 im Wesentlichen sprunghaft erfolgen.
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Die gemäß dem Stellsignal 22 vom Stellmotor 8 anzufahrende obere Extremposition 26 unterscheidet sich in den beiden aufeinanderfolgenden dargestellten Zyklen um einen Positionsunterschied Δd1.
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Im Bereich der unteren Extremposition 24 besteht zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zyklen ein Positionsunterschied von Δd2. Die Positionsunterschiede Δd1 und Δd2 werden dadurch erreicht, dass einmal die jeweilige Extremposition 24, 26 angefahren wird und einmal eine davon abweichende Position.
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Δd1 und Δd2 können jeweils gleich oder unterschiedlich sein. Δd1 und Δd2 können selbst variieren.
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4 zeigt ein Positions-Öffnungsquerschnittsdiagramm der Drosselklappe 6.
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Das Positions-Öffnungs-Diagramm ist im Wesentlichen sinusförmig und verläuft in den Bereichen der Extrempositionen 24 und 26 relativ flach. Eine Variation der Position der Drosselklappe 6 hat daher nur einen sehr geringen Einfluss auf den offenen Querschnitt der Drosselklappe, sodass dieser Effekt im Fahrbetrieb vernachlässigbar ist.
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5 zeigt den Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Flussrate in Abhängigkeit von unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten A1 bis A3.
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Dargestellt sind drei unterschiedliche Öffnungsbereiche. Bei niedrigen Druckunterschieden spielt der Öffnungsquerschnitt keine große Rolle in Bezug auf die Flussrate.
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Obwohl der Gegenstand im Detail durch Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Kraftfahrzeugstellglied
- 6
- Drosselklappe
- 7
- Kraftfahrzeugstellmotoranordnung
- 8
- Stellmotor
- 8.1
- Stator
- 8.2
- Rotor
- 8.3
- Bürsten
- 8.4
- Welle
- 10
- Steuerung
- 11.1
- Signaleingang
- 11.2
- Signalausgang
- 12
- Abtriebswelle
- 14
- Drosselklappenwelle
- 15
- Positionssensor
- 16
- Mikroprozessor
- 18
- H-Brücke
- 20
- Eingangssignal
- 22
- Stellsignal
- 24
- untere Extremposition
- 26
- obere Extremposition
- Δd1
- Positionsunterschied
- Δd2
- Positionsunterschied
- A1, A2, A3
- Öffnungsquerschnitt
