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Die Erfindung betrifft eine elektrische Stelleinheit, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.
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Elektrische Stelleinheiten, auch als Aktuatoren bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt und finden an vielen Stellen in Kraftfahrzeugen Anwendung. Aktuatoren steuern mechanische Klappen, zu Auspuffendtöpfen mit Klappensteuerung (z.B. Porsche, Harley Davidson) oder zu Shut (Schließlamellen im Kühlergrill) zur Optimierung der Aerodynamik. Gewöhnlich erhält eine solche elektrische Stelleinheit ein Signal, woraufhin der Motor mit einer bestimmten Umdrehung gefahren wird, wodurch dieser eine Übersetzung antreibt. Diese Übersetzung treibt wiederum ein Verstellelement an, das die Funktionalität der elektrischen Stelleinheit ausmacht, beispielsweise eine mechanische Klappe, die einen Bypass öffnet oder schließt.
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Problematisch an den bekannten Aktuatoren ist, dass durch die Mehrzahl der zu einem Aktuator zusammenzufügenden Bauteile die Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei deren Massenproduktion steigt. Mit einem vertretbaren Aufwand eine hohe Qualität herzustellen, ist daher schwierig.
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Als eine Lösung beschreibt
DE 10 2014 116 510 A1 einen Aktuator, umfassend einen Motor mit einer Welle, ein Ausgangselement, das mit der Welle verbunden ist, und ein Gehäuse, das den Motor aufnimmt und einen ersten Gehäuseteil und einen zweiten Gehäuseteil hat, wobei der erste Gehäuseteil eine Basis und eine Befestigungskonstruktion für die Befestigung des Motors an dem Gehäuse umfasst. Dieser bekannte Aktuator zeichnet sich dadurch aus, dass die Befestigungskonstruktion durch eine Verbindungskonstruktion derart an einem ersten Kantenbereich der Basis festgelegt ist, dass die Befestigungskonstruktion über der Basis freitragend ist. Mit dieser technischen Lösung soll ein geräuscharmer Aktuator mit nur wenigen Komponenten, zuverlässiger Leistung und einem einfachen Herstellungsprozess geschaffen werden.
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Was im Stand der Technik bislang nicht berücksichtigt wurde, ist die Problematik der Fertigungstoleranzen der einzelnen Bestandteile von Aktuatoren, welche für ein optimales Bauteil sehr genau aufeinander abgestimmt sein müssen. Jeder einzelne Bestandteil muss daher mit geringst möglicher Fertigungstoleranz vorliegen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine neuartige elektrische Stelleinheit bereitzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile beseitigen kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ohne Mehraufwand produktionsseitig minimale Toleranzen fertigungstechnisch einzuhalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Stelleinheit (1) gelöst, umfassend
- - ein nach einer ersten Seite hin offenes Gehäuse (12),
- - einen die erste Seite des Gehäuses (12) abdeckenden Gehäusedeckel (13),
- - einen von dem Gehäuse (12) umgebenen Motor (2) und
- - eine mit dem Motor (2) verbundene Antriebswelle (9), welche in funktioneller Verbindung mit einem Verstellelement steht,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (12) ein Funktionsträger (8) an dem Motor (2) angeordnet ist, welcher zumindest eine mechanische Lagerung der Antriebswelle (9) übernimmt.
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Die vorliegende Erfindung hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass durch das Vorsehen des erfindungsgemäßen Funktionsträgers (8) mehrere Funktionen in einem einzigen Bauteil vereint werden. Alle toleranzsensiblen Aufnahmen für weitere Bestandteile wie Motor (2) und Antriebswelle (9) werden nur vom erfindungsgemäßen Funktionsträger (8) übernommen.
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Für das Einhalten minimaler Toleranzen ist damit im Wesentlichen nur noch eine präzise Fertigung des erfindungsgemäßen Funktionsträgers (8) notwendig. Da jedoch alle toleranzsensiblen Aufnahmen werkzeugtechnisch formgebunden hergestellt werden können, fallen im Wesentlichen Fertigungstoleranzen mehr an. Fertigungstoleranzen anderer Bestandteile der elektrischen Stelleinheit (1) dagegen, wie insbesondere des Gehäuses (12) und des Gehäusedeckels (13), haben keinen Einfluss mehr auf die funktionelle Qualität der erfindungsgenäßen elektrischen Stelleinheit (1).
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Insbesondere wenn die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit (1) im Motorraum eines Kraftfahrzeugs verbaut wird, bestehen sehr hohe Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit, die Vibrationsfestigkeit, die Dichtigkeit, die Robustheit und die chemische Beständigkeit. Wie aus den nachfolgenden Definition der Merkmale der Erfindung deutlich wird, kann die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit (1) diese Anforderungen erfüllen.
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Das Gehäuse (12) wird vorzugsweise als Spritzgussteil hergestellt. Die Formulierung „nach einer ersten Seite hin offen“ bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass das Gehäuse (12) zum Bestücken mit den funktionellen Bestandteilen insbesondere an der Oberseite offen ist.
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Diese erste offene Seite wird nach dem Bestücken mit den funktionellen Bestandteilen von dem Gehäusedeckel (13) abgedeckt und verschlossen. Für eine gute Dichtigkeit und mechanische Robustheit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Gehäuse (12) und Gehäusedeckel (13) miteinander verschweißt werden. Je nach Anwendungsbereich kann aber auch eine reversible Befestigung (Schrauben, Kleben, Rastelemente) vorgesehen werden.
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Der Motor (2) wird von dem Gehäuse (12) im Wesentlichen umgeben, in dem Gehäuse aber erfindungsgemäß nicht direkt gelagert, dies übernimmt vorzugsweise der erfindungsgemäße Funktionsträger (8). Der Motor (2) ist insbesondere ein Elektromotor (DC oder BLDC oder Schrittmotor).
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Die Antriebswelle (9) ist mit dem Motor (2) direkt verbunden, insbesondere mittels einer festen Verbindung. Die Antriebswelle (9) steht ihrerseits (direkt oder indirekt) in funktioneller Verbindung mit einem Verstellelement. Die Formulierung „in funktioneller Verbindung“ bedeutet hier, dass dieses Verstellelement die Funktionalität der elektrischen Stelleinheit (1) ausführt, beispielsweise das Verstellen einer Klappe.
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Der Funktionsträger (8) ist an dem Motor (2) angeordnet. In einer ersten Ausführungsform ist der Funktionsträger (8) dabei an dem Motor (2) befestigt, beispielsweise durch Schrauben oder eine Restverbindung. In einer alternativen Ausführungsform ist der Funktionsträger (8) fest mit dem Motor (2) verbunden, zum Beispiel integral mit dem Motorgehäuse.
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Der Funktionsträger (8) wird in dem Gehäuse (12) angeordnet und in diesem gelagert. Hierzu können geeignete Befestigungsmittel vorgesehen sein.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Stelleinheit (1) lagert der Funktionsträger (8) ferner ein Antriebsrad (4) mechanisch. Das Antriebsrad (4) kann dabei direkt oder indirekt als Verstellelement wirken. Da es ebenfalls von dem erfindungsgemäßen Funktionsträger (8) gelagert wird, ergeben sich nur minimale Toleranzen. Werkzeugtechnisch wird immer mit dem Koordinatenursprung X = 0, Y = 0 gearbeitet. Es addieren sich daher keine Lagetoleranzen.
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Für die sichere und präzise Anordnung des erfindungsgemäßen Funktionsträgers (8) in dem Gehäuse hat es sich als vorteilharft erwiesen, wenn dieser eine Öffnung aufweist, die konzentrisch an einem Aufnahmering (11) des Gehäuses (12) aufgesetzt und fixiert ist. Der Aufnahmering (11) kann in einfacher Weise in dem Gehäuse ausgebildet werden. Konkret nimmt der Aufnahmering (11) den erfindungsgemäßen Funktionsträger (8) mit seiner Außenkontur auf. Auf dieser Weise wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der axiale Abstand zwischen dem Antriebsrad (4) und der Antriebswelle (9) immer identisch und nur vom erfindungsgemäßen Funktionsträger (8) abhängig ist.
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Besonders bevorzugt weist die Antriebswelle (9) eine Getriebeübersetzung (3) zu dem Antriebsrad (4) auf. Die Präzision dieser Getriebeübersetzung (3) wird ferner durch den erfindungsgemäßen Funktionsträger (8) erhöht.
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In einer speziellen Weiterbildung kann in oder an dem Antriebsrad (4) ein Geber (10) angeordnet sein. Der Geber meldet auf Anforderung einem Sensor den Drehwinkel des Antriebsrades (4). Alternativ dazu kann das Antriebsrad (4) auch ohne einen Geber oder dergleichen mechanisch gefahren werden.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Stelleinheit (1) umfasst diese ferner eine Leiterplatte (7) mit einer Steckereinheit (6), die in dem Gehäuse (12) aufgenommen ist. Die Leiterplatte (7) ist dabei elektrisch mit dem Motor (2) verbunden. Die Elektronik auf der Leiterplatte (7) übernimmt die Steuerung des Motors (2).
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Die Steckereinheit (6), die vorzugsweise spritztechnisch integriert ist, realisiert die Kontaktierung elektrischen Stelleinheit (1) nach außen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit (1) ferner zumindest einen Verschraubdom (5), der an einer zweiten Seite des Gehäuses (12) angeordnet ist. Dieser Verschraubdom (5) kann insbesondere massiv zur Aufnahme einer selbstschneidenden Schraube ausgeführt sein.
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In einer zu der weiteren Ausführungsform alternativen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit (1) zumindest eine robuste Rastverbindung, die an einer zweiten Seite des Gehäuses (12) angeordnet ist.
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Mit der „zweiten Seite“ des Gehäuses (12) ist insbesondere die der ersten Seite gegenüberliegende Seite, konkret die Unterseite gemeint. Für eine sichere Befestigung der erfindungsgemäßen elektrischen Stelleinheit (1) haben sich zwei oder mehr Verschraubdome (5) bzw. zwei oder mehr Rastverbindungen als sinnvoll herausgestellt.
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Da das Gehäuse (12) (mit Gehäusedeckel (13)) bezüglich Motor und Getriebe lediglich eine umhüllende Funktion hat und den inneren Aufbau schützt (z.B. vor Wasser, Staub, Umgebungschemikalien), kann das Design sehr formumschmiegend gestaltet werden. Die Anwendung eines DAE kann dadurch vermieden werden.
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
- 1: eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Stelleinheit 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung,
- 2: eine schematische Schnittansicht der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen elektrischen Stelleinheit 1 entlang der Linie A - A und
- 3: eine schematische Schnittansicht der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen elektrischen Stelleinheit 1 entlang der Linie B - B.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In dem Gehäuse 12 wird der erfindungsgemäße Funktionsträger 8 mit daran fest angebrachtem Motor 2 aufgenommen. An dem Motor 2 ist die Antriebswelle 9 fest angebracht und wird von dem erfindungsgemäßen Funktionsträger 8 gelagert. Der Gehäusedeckel 13 ist in 1 nicht dargestellt.
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Eine Getriebeübersetzung 3 an der Antriebswelle 9 steht mit dem Antriebsrad 4 mechanisch in Eingriff. Das Antriebsrad 4 wird selbst auch durch den erfindungsgemäßen Funktionsträger 8 gelagert, was in der Darstellung der 1 jedoch nicht zu erkennen ist. Diese Lagerung ist aus der Schnittdarstellung der 3 entnehmbar, wo sich der angeschnittene erfindungsgemäße Funktionsträger 8 einerseits um den Aufnahmering 11 legt und andererseits oberhalb das Antriebsrad 4 lagernd aufnimmt.
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In der 1 ist dargestellt, dass Leiterplatte 7 und Steckereinheit 6 bilden eine Einheit bilden. Sie können vibrationsgeschützt ins Gehäuse 12 eingebettet werden. Eine mechanische Verbindung von Leiterplatte 7 und Steckereinheit 6 zum erfindungsgemäßen Funktionsträger 8 ist nicht notwendig, lediglich die elektrische Verbindung zum Motor 2 muss sichergestellt sein.
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In 2 wird die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit 1 aus 1 schematisch im Schnittentlang der Linie A-A dargestellt. In dieser Darstellung ist der Gehäusedeckel 13 auf das Gehäuse 12 aufgesetzt und mit diesem verbunden. Der Gehäusedeckel 13 ist dabei so ausgeformt, dass er durch eine Wölbung Platz für den Motor 2 lässt und durch Vertiefungen das Spiel der Antriebsrades 4 und des Gebers 10 minimiert. Der Gehäusedeckel 13 verschließt das Gehäuse 12 dicht.
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Vorstehend wurde schon kurz auf 3 eingegangen. Hier ist die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit 1 aus 1 schematisch im Schnittentlang der Linie B - B dargestellt, so dass neben dem schon erwähnten angeschnittenen erfindungsgemäßen Funktionsträger 8 auch die die Antriebswelle 9 und der Aufnahmering 11 des Gehäuses 12 mit darum herum fixierter Öffnung des erfindungsgemäßen Funktionsträgers 8 dargestellt wird.
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Der Aufnahmering 11 ist im Boden des Gehäuses 12 in Richtung des Antriebsrades 4 über eine geeignete Dichtungsmaßnahme abgedichtet, die das Gehäuse 12 gegen Eindringen von Flüssigkeiten abdichtet bzw. absperrt. In 3 sind zudem zwei Verschraubdome 5.1 und 5.2 an der Unterseite des Gehäuses 12 dargestellt und bezeichnet.
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Der Funktionsträger ist einteilig ausgestaltet. Alle toleranzkritischen Details werden über eine einzige Werkzeugform eingebracht und nicht (wie im Stand der Technik häufig üblich) über eine Werkzeugtrennung.
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Die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit 1 weist eine modulare Bauweise auf, bei der auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Funktionsträgers 8 dieser zusammen mit dem Motor 2 der Antriebswelle 9, der Getriebeübersetzung 3 dem Antriebsrad 4 und dem Geber 10 ein Modul bildet, das in sich stabil und unabhängig von äußeren Fertigungstoleranzen ist.
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Es ist daher erfindungsgemäß möglich, dieses auf dem erfindungsgemäßen Funktionsträger 8 aufgebaute Modul entsprechend praktischen Bedürfnissen in jeweils andere Gehäusekonzepte zu integrieren. Die Gehäusegeometrie ist somit nahezu völlig unabhängig von dem auf dem erfindungsgemäßen Funktionsträger 8 aufgebauten Modul.
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Dabei ist es ferner möglich, das weiteren Modul aus Leiterplatte 7 und Steckereinheit 6 variabel einzusetzen und eine geänderte Leiterplatte 7 in einfachster Weise auszutauschen.
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Das auf dem erfindungsgemäßen Funktionsträger 8 aufgebaute Modul hat eine äußerst kompakte Bauform. Daher lässt sich das Gehäuse 12 mit Gehäusedeckel 13 in seiner Kontur optimal auf die Geometrie der Einsatzumgebung anpassen, beispielsweise verkleinern („down-sizen“). Das spart Platz und Gewicht. Ferner erübrigt sich die Notwendigkeit, ein sog. Dicht-Ausgleich-Element (DAE) einzusetzen.
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Die kompakte und robuste Bauform der erfindungsgemäßen elektrischen Stelleinheit 1 Bauform wirkt sich darüber hinaus sehr positiv auf die Geräuschemission aus, die im Zuge der Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen eine immer größere Rolle spielt.
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Die erfindungsgemäße elektrische Stelleinheit 1 findet beispielsweise für Positionierungssensoren Anwendung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014116510 A1 [0004]
