DE102018103619B3 - Linear actuator for a valve of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor (10),
einem Planetengetriebe (12) mit
einem Hohlrad (20), und
einem Sonnenrad (22),
einem Spindelantrieb (14) mit
einer Spindelstange (36,36') mit einem Außengewinde (46), welche koaxial zu dem Hohlrad (20) und dem Sonnenrad (22) angeordnet ist, und
einer Spindelmutter (38) mit einem Innengewinde (42), welches mit dem Außengewinde (46) der Spindelstange (36,36') kämmt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Planetengetriebe (12) ein von dem Elektromotor (10) angetriebenes Planetenrad (24a) mit einer ortsfesten Drehachse (32a) aufweist,
die Spindelmutter (38) drehfest mit dem Sonnenrad (22) verbunden ist, und
die Spindelstange (36,36') einen axialen Lagerabschnitt (48,48') aufweist, über welchen die Spindelstange (36,36') axial verschiebbar und drehfest zu dem Hohlrad (20) in einer Koppeleinheit (50,50',50") gelagert ist.
Linear actuator for a valve of a motor vehicle, comprising an electric motor (10),
a planetary gear (12) with
a ring gear (20), and
a sun wheel (22),
a spindle drive (14) with
a spindle rod (36, 36 ') having an external thread (46), which is arranged coaxially with the ring gear (20) and the sun gear (22), and
a spindle nut (38) having an internal thread (42) which meshes with the external thread (46) of the spindle rod (36, 36 '), characterized in that
the planetary gear (12) has a planetary gear (24a) driven by the electric motor (10) with a stationary axis of rotation (32a),
the spindle nut (38) rotatably connected to the sun gear (22) is connected, and
the spindle rod (36, 36 ') has an axial bearing section (48, 48'), via which the spindle rod (36, 36 ') can be displaced axially and non-rotatably relative to the ring gear (20) in a coupling unit (50, 50', 50 "). ) is stored.
Description
Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor, einem Planetengetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad, und mindestens einem Planetenrad, einem Spindelantrieb mit einer Spindelstange mit einem Außengewinde, welche koaxial zu dem Hohlrad und dem Sonnenrad angeordnet ist, und einer Spindelmutter mit einem Innengewinde, welches mit dem Außengewinde der Spindelstange kämmt.The invention relates to a linear actuator for a valve of a motor vehicle, comprising an electric motor, a planetary gear with a ring gear, a sun gear, and at least one planetary gear, a spindle drive with a spindle rod with an external thread, which is arranged coaxially with the ring gear and the sun gear, and a spindle nut with an internal thread, which meshes with the external thread of the spindle rod.
Derartige Linearaktuatoren werden beispielsweise in Abgasrückführventilen von Kraftfahrzeugen verwendet, um einen Ventilkörper von einem Ventilsitz abzuheben. Hierdurch kann der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft eine definierte Menge Abgas beigemengt werden, um die Schadstoffemissionen zu reduzieren.Such linear actuators are used for example in exhaust gas recirculation valves of motor vehicles to lift a valve body from a valve seat. As a result, a defined amount of exhaust gas can be added to the fresh air supplied to the internal combustion engine in order to reduce the pollutant emissions.
Es sind verschiedene Ausführungen dieser Abgasrückführventile bekannt. In den letzten Jahren haben sich elektromotorisch angetriebene Hubventile im Bereich der Personenkraftwagen durchgesetzt, bei denen die rotatorische Bewegung der Antriebswelle des Elektromotors in eine translatorische Bewegung der Ventilstange umgewandelt wird. Hierfür kann beispielsweise ein Spindelantrieb verwendet werden, wobei die Ventilstange als rotatorisch feststehende Spindelstange ausgebildet ist, welche in einer drehbaren Spindelmutter geführt ist. Durch eine Rotation der Spindelmutter wird eine translatorische Bewegung der Ventilstange erzeugt.There are various versions of this exhaust gas recirculation valves known. In recent years, electric motor driven lift valves have prevailed in the field of passenger cars, in which the rotational movement of the drive shaft of the electric motor is converted into a translational movement of the valve rod. For this purpose, for example, a spindle drive can be used, wherein the valve rod is designed as a rotatably fixed spindle rod, which is guided in a rotatable spindle nut. By a rotation of the spindle nut a translational movement of the valve stem is generated.
Auf Grund der Druckverhältnisse kann zum Öffnen des Ventils eine große Kraft notwendig sein, sodass zwischen dem Elektromotor und der angetriebenen Spindelmutter in der Regel ein Getriebe angeordnet ist, welches die Rotation der Antriebswelle zum Antreiben der Spindelmutter untersetzt. Hierdurch kann eine größere Hubkraft erzeugt werden. Als Getriebe kann beispielsweise ein Planetengetriebe verwendet werden.Due to the pressure conditions, a large force may be necessary to open the valve, so that between the electric motor and the driven spindle nut usually a transmission is arranged, which underpins the rotation of the drive shaft for driving the spindle nut. As a result, a larger lifting force can be generated. As a transmission, for example, a planetary gear can be used.
Aus der
Zum Erzielen einer kurzen Ventilstellzeit ist eine Rotation der Spindelmutter bezüglich der Spindelstange mit einer hohen Drehzahl erforderlich. Bei dem aus der
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, welcher eine hohe Stellgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Stellkraft aufweist. Außerdem soll der Energiebedarf des Linearaktuators gering sein.It is therefore the object to provide a linear actuator for a valve of a motor vehicle, which has a high actuating speed with high actuating force. In addition, the energy requirement of the linear actuator should be low.
Diese Aufgabe wird durch einen Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
Dadurch, dass das Planetengetriebe ein von dem Elektromotor angetriebenes Planetenrad mit einer ortsfesten Drehachse aufweist, die Spindelmutter drehfest mit dem Sonnenrad verbunden ist, und die Spindelstange einen axialen Lagerabschnitt aufweist, über welchen die Spindelstange axial verschiebbar und drehfest zu dem Hohlrad in einer Koppeleinheit gelagert ist, wird durch den Elektromotor mittels des Planetengetriebes gleichzeitig sowohl eine Rotation der Spindelmutter, als auch eine Rotation der Spindelstange mit entgegengesetzter Drehrichtung erzeugt. Bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit der Spindelmutter wird hierdurch eine höhere relative Rotationsgeschwindigkeit der Spindelmutter bezüglich der Spindelstange erzeugt, und somit eine höhere translatorische Stellgeschwindigkeit des Linearaktuators. Der erfindungsgemäße Linearaktuator ermöglicht somit eine hohe Stellgeschwindigkeit bei Verwendung eines Getriebes mit einem hohen Übersetzungsverhältnis. Dies ermöglicht eine kurze Stellzeit des Linearaktuators bei gleichzeitig hoher Stellkraft und geringem Energiebedarf des Elektromotors.Characterized in that the planetary gear has a planetary gear driven by the electric motor with a stationary axis of rotation, the spindle nut rotatably connected to the sun gear, and the spindle rod has an axial bearing portion, via which the spindle rod is mounted axially displaceable and rotationally fixed to the ring gear in a coupling unit , is generated by the electric motor by means of the planetary gear simultaneously both a rotation of the spindle nut, as well as a rotation of the spindle rod with opposite direction of rotation. At the same rotational speed of the spindle nut thereby a higher relative rotational speed of the spindle nut is generated with respect to the spindle rod, and thus a higher translational actuating speed of the linear actuator. The linear actuator according to the invention thus enables a high actuating speed when using a transmission with a high transmission ratio. This allows a short positioning time of the linear actuator at the same time high power and low energy consumption of the electric motor.
Vorzugsweise ist die Spindelstange in Umfangsrichtung formschlüssig und somit drehfest in der Koppeleinheit geführt. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige drehfeste Kopplung der Spindelstange mit dem Hohlrad, welche gleichzeitig eine axial verschiebbare Lagerung der Spindelstange erlaubt.Preferably, the spindle rod is guided in the circumferential direction positively and thus rotationally fixed in the coupling unit. This allows a simple and reliable rotationally fixed coupling of the spindle rod with the ring gear, which simultaneously allows an axially displaceable mounting of the spindle rod.
Besonders bevorzugt weist die Koppeleinheit eine Aussparung auf, über welche die Koppeleinheit in Umfangsrichtung formschlüssig mit dem Lagerabschnitt der Spindelstange verbunden ist. Dies ermöglicht eine zuverlässige drehfeste Verbindung der Spindelstange mit der Koppeleinheit, für welche keine zusätzlichen Kopplungselemente benötigt werden. Particularly preferably, the coupling unit has a recess, via which the coupling unit is connected in the circumferential direction positively with the bearing portion of the spindle rod. This allows a reliable rotationally fixed connection of the spindle rod with the coupling unit, for which no additional coupling elements are needed.
In einer besonders bevorzugten Ausführung weist die Aussparung eine sich im Wesentlichen radial nach außen erstreckende Nut auf, in welche ein Momentübertragungsglied ragt, dessen innenliegendes radiales Ende drehfest an der Spindelstange befestigt ist. Das Momentübertragungsglied kann beispielsweise eine Feder sein, die mit einer radial innenliegenden Seite in eine an der Spindelstange vorgesehene Nut ragt. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige drehfeste Kopplung der Spindelstange mit dem Hohlrad. Hierbei wird der Formschluss in Umfangsrichtung durch das Momentübertragungsglied und die Nut gebildet, sodass für die drehfeste Kopplung der Spindelstange mit dem Hohlrad kein spezieller Spindelstangenquerschnitt erforderlich ist.In a particularly preferred embodiment, the recess has a substantially radially outwardly extending groove into which a torque-transmitting member protrudes, whose inner radial end is non-rotatably mounted on the spindle rod. The torque transmission member may for example be a spring which projects with a radially inner side into a groove provided on the spindle rod. This allows a simple and reliable rotationally fixed coupling of the spindle rod with the ring gear. Here, the form-fitting is formed in the circumferential direction by the torque-transmitting member and the groove, so that no special spindle rod cross-section is required for the rotationally fixed coupling of the spindle rod with the ring gear.
In einer alternativen bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Koppeleinheit eine Kupplungsaufnahme auf, in welcher eine Kupplung mit zwei Kupplungselementen angeordnet ist, wobei ein erstes Kupplungselement drehfest mit der Koppeleinheit verbunden ist, ein zweites Kupplungselement drehfest mit der Spindelstange verbunden ist, und die Kupplungselemente einen Formschluss in Umfangsrichtung bilden. Da der Formschluss durch die Kupplung gebildet wird, müssen die Querschnitte der Koppeleinheit und der Spindelstange nicht korrespondierend ausgebildet sein. Dies erlaubt beispielsweise die Verwendung einer universellen Koppeleinheit für verschiedene Spindelstangenausführungen. Die Kupplung kann beispielsweise eine einfache Nut-Feder-Verbindung aufweisen, welche einen stabilen Formschluss bildet.In an alternative preferred embodiment of the invention, the coupling unit has a coupling receptacle in which a coupling is arranged with two coupling elements, wherein a first coupling element is rotatably connected to the coupling unit, a second coupling member rotatably connected to the spindle rod, and the coupling elements a positive connection form in the circumferential direction. Since the positive connection is formed by the coupling, the cross sections of the coupling unit and the spindle rod need not be formed correspondingly. This allows, for example, the use of a universal coupling unit for different spindle rod designs. The coupling may for example have a simple tongue and groove connection, which forms a stable positive connection.
Vorteilhafterweise weist die Koppeleinheit mehrere Speichen auf, vorzugweise drei Speichen, über welche die Koppeleinheit drehfest mit dem Hohlrad verbunden ist, wobei die Speichen einen sich im Wesentlichen radial erstreckenden ersten Schenkel und einen sich an den ersten Schenkel anschließenden und sich im Wesentlichen axial erstreckenden zweiten Schenkel aufweisen. Mittels der Speichen wird die Koppeleinheit sowohl axial als auch radial zuverlässig bezüglich des Hohlrads positioniert. Der axiale Versatz zwischen dem Hohlrad und der Koppeleinheit ist hierbei über die Länge der axialen Schenkel definiert. Eine exakte und stabile Positionierung der Koppeleinheit ist essentiell für eine zuverlässige Lagerung der Spindelwelle in der Koppeleinheit und somit entscheidend für eine ordnungsgemäße Funktion über eine lange Lebensdauer des Linearaktuators.Advantageously, the coupling unit has a plurality of spokes, preferably three spokes, via which the coupling unit is non-rotatably connected to the ring gear, wherein the spokes have a substantially radially extending first leg and a subsequent to the first leg and substantially axially extending second leg exhibit. By means of the spokes the coupling unit is positioned both axially and radially reliable with respect to the ring gear. The axial offset between the ring gear and the coupling unit is defined over the length of the axial legs. An exact and stable positioning of the coupling unit is essential for a reliable storage of the spindle shaft in the coupling unit and thus crucial for a proper function over a long life of the linear actuator.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der axiale Lagerabschnitt der Spindelstange einen viereckigen Querschnitt auf, wodurch ein zuverlässiger Formschluss in Umfangsrichtung bei einfacher Herstellung ermöglicht wird.In an advantageous embodiment of the invention, the axial bearing portion of the spindle rod has a quadrangular cross-section, whereby a reliable positive engagement in the circumferential direction is made possible with simple production.
Vorzugsweise ist die Spindelmutter mit dem Sonnenrad einstückig ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige drehfeste Verbindung zwischen der Spindelmutter und dem Sonnenrad, für welche keine zusätzlichen Verbindungsmittel oder Herstellungsschritte erforderlich sind.Preferably, the spindle nut is formed integrally with the sun gear. This allows a particularly reliable rotationally fixed connection between the spindle nut and the sun gear, for which no additional connection means or manufacturing steps are required.
Vorteilhafterweise weist das Planetengetriebe insgesamt drei Planetenräder auf, welche vorzugsweise gleichmäßig entlang des Umfangs des Hohlrads verteilt angeordnet sind. Dies erlaubt eine exakte und stabile radiale Positionierung der Getriebezahnräder zueinander. Durch die Mehrzahl von Planetenrädern wird die Belastung der einzelnen Zahnräder des Getriebes reduziert und somit die Lebensdauer des Getriebes verbessert.Advantageously, the planetary gear has a total of three planet gears, which are preferably arranged distributed uniformly along the circumference of the ring gear. This allows a precise and stable radial positioning of the gear wheels to each other. By the plurality of planetary gears, the load of the individual gears of the transmission is reduced, thus improving the life of the transmission.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Planetengetriebe von dem angetriebenen Planetenrad zu dem drehfest mit der Spindel verbundenen Sonnenrad eine Untersetzung auf, wodurch eine hohe translatorische Stellkraft des Linearaktuators erzielt werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, the planetary gear from the driven planet gear to the rotatably connected to the spindle sun gear on a reduction, whereby a high translational force of the linear actuator can be achieved.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Planetengetriebe eine Untersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis von dem angetriebenen Planetenrad zu dem Sonnenrad in einem Bereich von acht bis zehn auf. Dies ermöglicht eine hohe Stellgeschwindigkeit des Linearaktuators bei gleichzeitig ausreichend hoher translatorischer Stellkraft.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the planetary gear has a reduction ratio with a gear ratio of the driven planet gear to the sun gear in a range of eight to ten. This allows a high positioning speed of the linear actuator at the same time sufficiently high translational force.
Vorzugsweise ist an einem axialen Ende der Spindelstange ein Axiallager angeordnet, welches die Spindelstange mit einer rotatorisch feststehenden und axial verschiebbaren Ventilstange verbindet. Hierdurch kann die rotatorische und translatorische Bewegung der Spindelstange in eine rein translatorische Bewegung der Ventilstange umgewandelt werden. Dies ermöglicht beispielsweise ein Abheben eines Ventilkörpers von einem Ventilsitz, ohne dass dabei der Ventilkörper bezüglich des Ventilsitzes verdreht wird.Preferably, an axial bearing is arranged at one axial end of the spindle rod, which connects the spindle rod with a rotatably fixed and axially displaceable valve rod. As a result, the rotational and translational movement of the spindle rod can be converted into a purely translatory movement of the valve rod. This allows, for example, a lifting of a valve body of a valve seat, without causing the valve body is rotated relative to the valve seat.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Elektromotor eine Antriebswelle auf, welche parallel zu der Spindelstange angeordnet ist und an welcher das angetriebene Planetenrad drehfest angebracht ist. Dies ermöglicht einen besonders kompakten und einfachen Aufbau des Linearaktuators.In a preferred embodiment of the invention, the electric motor has a drive shaft, which is arranged parallel to the spindle rod and to which the driven planet gear is mounted rotationally fixed. This allows for a special compact and simple construction of the linear actuator.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linearaktuators für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben, wobei
-
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearaktuators für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs zeigt, -
2 eine schematische Seitenansicht des Linearaktuators aus1 zeigt, wobei die Spindelstange über ein Axiallager mit einer Ventilstange gekoppelt ist, -
3 eine schematische Darstellung eines Planetengetriebes des Linearaktuators aus1 zeigt, -
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Koppeleinheit des Linearaktuators aus1 zeigt, wobei die Koppeleinheit eine Aussparung mit einer Nut aufweist, in welche ein drehfest mit der Spindelstange verbundenes Momentübertragungsglied ragt, und -
5 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Koppeleinheit des Linearaktuators aus1 zeigt, wobei in einer zentralen Aussparung der Koppeleinheit eine Kupplung angeordnet ist.
-
1 shows a perspective view of a linear actuator according to the invention for a valve of a motor vehicle, -
2 a schematic side view of the linear actuator1 shows, wherein the spindle rod is coupled via a thrust bearing with a valve rod, -
3 a schematic representation of a planetary gear of the linear actuator1 shows, -
4 a schematic representation of an alternative coupling unit of the linear actuator1 shows, wherein the coupling unit has a recess with a groove into which a non-rotatably connected to the spindle rod torque transmission member protrudes, and -
5 a schematic representation of another alternative coupling unit of the linear actuator1 shows, wherein in a central recess of the coupling unit, a clutch is arranged.
Der Linearaktuator umfasst einen Elektromotor
Das Planetengetriebe
Der Spindelantrieb
Im Betrieb wird das Planetenrad
Die Spindelstange
An einem axialen Ende
Die
Die
Der erfindungsgemäße simultane gegensinnige Antrieb der Spindelstange und der Spindelmutter über den Elektromotor ermöglicht dem Linearaktuator kurze Stellzeiten. Auf Grund der Untersetzung von dem angetriebenen Planetenrad sowohl zu dem Hohlrad als auch zu dem Sonnenrad können an der Spindelstange und an der Spindelmutter gleichzeitig hohe Drehmomente und somit eine hohe translatorische Stellkraft erzeugt werden, ohne dass hierfür ein besonders leistungsstarker Elektromotor erforderlich ist.The inventive simultaneous opposing drive of the spindle rod and the spindle nut via the electric motor allows the linear actuator short positioning times. Due to the reduction of the driven planet gear both to the ring gear and to the sun gear at the same time high torques and thus a high translational force can be generated on the spindle rod and the spindle nut without requiring a particularly powerful electric motor is required.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere kann das Planetengetriebe andere Übersetzungsverhältnisse aufweisen, um den Linearaktuator an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. Ferner sind weitere alternative Koppeleinheiten mit einer anderen Formschlussgeometrie oder einer anderen Kupplung denkbar. Auch eine andere drehfeste Verbindung zwischen der Koppeleinheit und dem Hohlrad ist möglich, beispielweise über eine verschiedene Anzahl von Speichen.It should be understood that the scope of the present application is not limited to the described embodiments. In particular, the planetary gear may have different gear ratios to adapt the linear actuator to different requirements. Furthermore, further alternative coupling units with a different positive locking geometry or another coupling are conceivable. Another non-rotatable connection between the coupling unit and the ring gear is possible, for example, over a different number of spokes.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Elektromotorelectric motor
- 1212
- Planetengetriebeplanetary gear
- 1414
- Spindelantriebspindle drive
- 1616
- Antriebswelledrive shaft
- 1818
- AntriebswellendrehachseDrive shaft axis of rotation
- 2020
- Hohlradring gear
- 2222
- Sonnenradsun
- 24a-c24a-c
- Planetenräderplanetary gears
- 2626
- GetriebedrehachseGear axis of rotation
- 2828
- Hohlradverzahnunginternal gear
- 3030
- Sonnenradverzahnungsun wheel
- 3131
- SpindelstangendurchführungSpindle rod bushing
- 32a-c32a-c
- PlanetenraddrehachsenPlanetenraddrehachsen
- 3434
- PlanetenradverzahnungPlanetenradverzahnung
- 3636
- Spindelstangespindle rod
- 3838
- Spindelmutterspindle nut
- 4040
- SpindelmutterbohrungSpindle nut bore
- 4242
- Innengewindeinner thread
- 4444
- Gewindeabschnittthreaded portion
- 4646
- Außengewindeexternal thread
- 4848
- Lagerabschnittbearing section
- 5050
- Koppeleinheitcoupling unit
- 5252
- Aussparungrecess
- 5454
- Formschlussform-fit
- 5656
- Speichenspoke
- 5858
- erster Schenkelfirst leg
- 6060
- zweiter Schenkelsecond leg
- 6262
- axiales Endeaxial end
- 6464
- Axiallagerthrust
- 6666
- Ventilstangevalve rod
- 6868
- Nutgroove
- 6969
- Nutgroove
- 7070
- Federfeather
- 7474
- KupplungsaufnahmeKupplungsaufnahme
- 7676
- Kupplungclutch
- 7878
- Kupplungsringcoupling ring
- 8080
- Kupplungsfederclutch spring
- 8282
- Kupplungsnutcoupling groove
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