DE10306680A1

DE10306680A1 - Verstellbare Ventileinrichtung mit einer Notbetriebseinrichtung

Info

Publication number: DE10306680A1
Application number: DE10306680A
Authority: DE
Inventors: Andreas Foerster
Original assignee: ZF Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2003-09-11
Also published as: FR2836707A1

Abstract

Verstellbares Ventil mit einem positionsveränderlichen Ventilkörper, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer, der von einem elektrischen Stellantrieb in Verbindung mit einer Energieversorgung in eine definierte Ventileinstellung bewegt und gehalten wird, wobei der elektrische Stellantrieb an eine Primär-Energieversorgung und eine Sekundär-Energieversorgung angeschlossen ist, wobei die Sekundär-Energieversorgung bei Ausfall der Primär-Energieversorgung genutzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein verstellbares Ventil entsprechend dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Die DE 199 60 502 A1 beschreibt ein stufenlos verstellbares Ventil für einen Schwingungsdämpfer, wobei als Aktuator für das Ventil ein elektrischer Stellantrieb verwendet wird. Bei einem verstellbaren Ventil für einen Schwingungsdämpfer wird die vorgesehene Dämpfkraft in der Regel nach einem Kompromiss bzgl. des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit bestimmt. Eine Geradeausfahrt ermöglicht eine Dämpfkrafteinstellung mit einer kleiner Dämpfkraft, so dass ein hoher Fahrkomfort erzielbar ist. Eine schnelle Kurvenfahrt verlangt insbesondere in Kombination mit einer schlechten Fahrbahn eine höhere Dämpfkrafteinstellung, um das Fahrzeug sicher beherrschbar zu halten. Gerade dieser Zielkonflikt wird mit einem verstellbaren Ventil besser gelöst als mit einem konventionellen Ventil in einem Schwingungsdämpfer.

In der DE 199 60 502 A1 werden keine Hinweise gegeben, wie der Aktuator reagiert, wenn die Spannungsversorgung ausfällt. Bei einem Schrittmotor bleibt die letzte Winkeleinstellung bestehen. Für ein Fahrzeug mit Schwingungsdämpfern, die ein derartiges Ventil aufweisen, kann der Fall eintreten, dass während einer Geradeausfahrt in Verbindung mit einer kleinen Dämpfkrafteinstellung diese auch nach einem Ausfall der Spannungsversorgung beibehalten wird. Der Fahrer wird diesen Ausfall in der Regel nicht feststellen. Erst bei sich ändernden Fahrverhältnissen macht sich die zu kleine Dämpfkrafteinstellung für den Fahrer bemerkbar und kann das Fahrzeug u. U. in einen kritischen Fahrzustand versetzen.

Die DE 36 06 306 A1 zeigt einen Schwingungsdämpfer, dessen verstellbare Ventileinrichtung von einem E-Motor angesteuert wird. Der E-Motor muss gegen eine Rückstellfeder wirken, die eine Bezugsstellung des E-Motors definiert. Mit der Ventileinrichtung nach der DE 36 06 306 A1 sind prinzipbedingt maximal vier Dämpfkrafteinstellungen möglich, so dass nicht die Anpassung der Dämpfkraft an ein Optimum erreicht wird, wie mit einer stufenlosen Dämpfkraftverstellung.

Es hat auch schon Überlegungen gegeben, einen Schrittmotor für das verstellbare Ventil zu verwenden. Moderne Schrittmotore sind aufgrund ihrer feinen Schrittweite praktisch als stufenlos einstellbar anzusehen, doch tritt bei einem Schrittmotor prinzipbedingt der Effekt auf, dass ein eingestellter Drehwinkel aufgrund der wirksamen Magnetkräfte im Schrittmotor von einer Feder nicht einfach überwunden werden kann, die den Schrittmotor in eine vorbestimmte Notbetriebseinstellung bewegen soll. Im übrigen würde man einen wesentlichen Vorteil, nämlich die stromlose Positionseinhaltung, bei einem Schrittmotor nicht ausnutzen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verstellbares Ventil, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer, mit einem elektrischen Antrieb auszurüsten, bei dem im Normalbetrieb mit einem minimalen Energieeinsatz eine Verstellung und eine Fixierung einer eingestellten Position erreicht werden kann, wobei ferner bei Ausfall der Energieversorgung eine definierte u. U. von der momentan eingestellten Position abweichende Notbetriebsstellen eingestellt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der elektrische Stellantrieb an eine Primär-Energieversorgung und eine Sekundär-Energieversorgung angeschlossen ist, wobei die Sekundär-Energieversorgung bei Ausfall der Primär- Energieversorgung genutzt wird.

Selbst bei Ausfall der Primär-Energieversorgung kann die Funktion des elektrischen Stellantriebs und damit des verstellbaren Ventils aufrechterhalten werden.

Vorteilhafterweise wird die Sekundär-Energieversorgung von einem elektrischen Speicher gebildet.

Aus Gründen der Masse, der Dauerhaltbarkeit und auch des Bauraums wird als elektrischer Speicher ein Kondensator eingesetzt.

Des weiteren ist vorgesehen, dass als elektrischer Stellantrieb ein Schrittmotor verwendet wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Sekundär-Energieversorgung räumlich unabhängig von der Primär-Energieversorgung der Baueinheit Elektrischer Stellantrieb-verstellbares Ventil zugeordnet. Je kürzer der Weg zwischen der Sekundär-Energieversorgung und dem elektrischen Stellantrieb ist, um so geringer ist das Risiko, dass auch diese Verbindung unterbrochen wird.

Um die Kapazität des elektrischen Speichers möglichst klein halten zu können, ist vorgesehen, dass die Sekundär-Energieversorgung zeitlich begrenzt bis zum Erreichen einer Notbetriebsstellung des Ventilkörpers genutzt wird.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Unteranspruch ist der Baueinheit Elektrischer Stellantrieb-verstellbares Ventil räumlich eine Steuerelektronik zugeordnet ist, die die Ventilansteuerung für die Notbetriebsstellung übernimmt. Damit ist die gesamte Baueinheit unabhängig von jeglicher Energie- und Signalversorgung.

Zur Betriebssicherheit ist funktional zwischen der Sekundär-Energieversorgung und der Primär-Energieversorgung eine elektrische Sperreinrichtung angeordnet, die einen Energieabfluss ausgehend von der Sekundär-Energieversorgung zur Primär-Energieversorgung verhindert.

Insbesondere durch die räumliche Nähe der Steuerelektronik zum elektrischen Stellantrieb kann die Steuerelektronik das Niveau der Primär-Energieversorgung unmittelbar am Eingang zum elektrischen Stellantrieb überwachen und ggf. einen Ausfall der Primär-Energieversorgung feststellen.

Ergänzend überwacht die Steuerelektronik für das verstellbare Ventil die Übertragung eines Stellsignals ausgehend von einer Zentral-Elektronik. Sinnvollerweise sind alle Steuerungsalgorithmen in der Steuerelektronik angeordnet. Damit ist es möglich, dass dort Parameter einer Notbetriebsstellung eines verstellbaren Ventils in elektronischer Form abgespeichert werden können.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher beschrieben werden.
Es zeigt:
Fig. 1 Blockschaltbild des verstellbaren Ventils mit seiner Energieversorgung;
Fig. 2 Anwendungsbeispiel des verstellbaren Ventils in einem Schwingungsdämpfer.
Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild für die Ansteuerung eines verstellbaren Ventils 1, wobei ein elektrischer Stellantrieb 3 einen Ventilkörper 5 (s. Fig. 2), innerhalb des verstellbaren Ventils 1 bewegt. Als elektrischer Steilantrieb soll bevorzugt ein Schrittmotor eingesetzt werden, der einerseits die Verstellbewegung ausführt und eine eingenommene Ventileinstellung für eine gewünschte Zeit einhält.
Dem elektrischen Stellantrieb 3 ist eine Steuerelektronik 9 zugeordnet, die Stellsignale für den Stellantrieb bereitstellt. Die Steuerelektronik und damit auch der elektrische Antrieb ist an eine Primär-Energieversorgung 11 angeschlossen. Des weiteren besteht eine Verbindung zu einer Zentral-Elektronik 13, die ggf. zur Koordination einer Mehrzahl von verstellbaren Ventilen eingesetzt wird.
Der Primär-Energieversorgung ist eine Sekundär-Energieversorgung 15 parallel geschaltet. Der Hintergrund dieser Maßnahme ist darin zu sehen, dass die Primär- Energieversorgung ausfallen kann und zumindest für eine bestimmte Zeit eine Energieversorgung der Steuerelektronik und des elektrischen Stellantriebs aufrechterhalten werden soll.
Das verstellbare Ventil, der elektrische Stellantrieb, die Steuerelektronik und die Sekundär-Energieversorgung sind räumlich von der Zentral-Elektronik 13 und der Primär-Energieversorgung getrennt und zu einer Baueinheit verbindbar. Dieser Zusammenhang soll durch den strickpunktiert dargestellten Rahmen symbolisiert werden.
Die Sekundär-Energieversorgung erfolgt über einen elektrischen Speicher, wobei u. a. aus Platzgründen ein Kondensator eingesetzt wird. Unabhängig von der konkreten Bauform wird der elektrische Speicher von der Primär- Energieversorgung in einem aufgeladenen Zustand gehalten. Funktional zwischen der Sekundär-Energieversorgung und der Primär-Energieversorgung ist eine elektronische Sperreinrichtung 17 angeordnet, die eine Energieversorgung ausgehend von der Sekundär-Energieversorgung zur Primär-Energieversorgung verhindert.
Zur Begrenzung der Kapazität der Sekundär-Energieversorgung ist diese zeitliche Nutzung begrenzt, wobei zumindest die einmalige Verstellbewegung des beweglichen Ventilkörpers aus einer momentanen Ventilposition in eine Notbetriebsstellung ausgeführt werden muss. Der Notbetriebszustand wird von der Steuerelektronik überwacht, wobei der Notbetriebszustand immer dann eingetreten ist, wenn die Primär-Energieversorgung und/oder ein Eingangssignal der Zentral- Elektronik am Eingang der Steuerelektronik ausgefallen ist.
Die Fig. 2 stellt eine mögliche konstruktive Ausführungsform des verstellbaren Ventils 1 als Dämpfventil innerhalb eines Schwingungsdämpfers dar. Der Aufbau und die Funktionsweise des verstellbaren Ventils sind in der DE 101 39 222 beschrieben, wobei die entsprechenden Beschreibungsteile als Teil dieser Figurenbeschreibung anzusehen sind.
Das verstellbare Ventil 1 ist in einer axial hohlen, beweglichen Kolbenstange 19 ausgeführt, die einen Zylinder 18 in zwei Arbeitsräume 20; 22 unterteilt. Strömungsverbindungen 24 zwischen den Arbeitsräumen werden von dem verstellbaren Ventilkörper 5 angesteuert, wodurch sich die Dämpfkraft beeinflussen läßt. Innerhalb der Kolbenstange sind zusätzlich der elektrische Stellantrieb 3 und die Steuerelektronik 9 angeordnet. Die Kolbenstange ist mit dem gestrichelt dargestellten Rahmen in der Fig. 1 gleichzusetzen. Als elektrischer Stellantrieb soll bevorzugt ein Schrittmotor eingesetzt werden, der über eine Spindel 21 den Ventilkörper 5 axial bewegen kann. In Abhängigkeit der Axialposition des Ventilkörpers wird eine größere und kleine Dämpfkraft erreicht. Der Schrittmotor benötigt keine Rückstellfeder und kann eine eingenommene Betriebsstellung aufgrund seines hohen Stillstandmomentes sicher einhalten.
Für eine Notbetriebsstellung kann eine beliebige Axialposition des Ventilkörpers vorbestimmt sein, die in der Steuerelektronik abgespeichert ist. Sinnvollerweise wird man nicht die weichste Dämpfkrafteinstellung als Notbetriebseinstellung wählen, da ansonsten der Aufwand für die Überwachung der Primär- Energieversorgung überflüssig wäre. Man muss aber auch nicht unbedingt eine mittlere oder eine extrem harte Dämpfkrafteinstellung vorsehen.
Die räumlich nahe Anbindung der Steuerelektronik an den elektrischen Stellantrieb bietet noch den Vorteil, dass auch die Funktionsgenauigkeit des Stellantriebs überwacht werden kann. Sollte an dieser Stelle ein Fehler auftreten, könnte dafür ebenfalls die Überführung des verstellbaren Ventils in die Notbetriebseinstellung vorgesehen sein.
Aufgrund der für die Verstellbewegung des Ventilkörpers in die Notbetriebsstellung nur sehr kurzen Betriebsdauer der Sekundär-Energieversorgung kann diese insbesondere in der konstruktiven Ausgestaltung eines Kondensators innerhalb des Gehäuses für die Steuerelektronik angeordnet sein, ebenso wie die elektronische Sperreinrichtung. Prinzipiell kann man anstelle eines Kondensators auch ein zweites Versorgungskabel zwischen der Primär-Energieversorgung und der Steuerelektronik vorsehen, doch bietet ein kleiner Speicher in der Bauform eines Kondensators einen erheblichen Bauraumvorteil.
Die Überwachung der Primär-Energieversorgung erfolgt praktisch ab dem Anschluss in das Gehäuse der Steuerelektronik. Etwaige Beschädigungen des nicht dargestellten Versorgungskabels, die zum Totalausfall oder auch zu einem Kurzschluss führen, werden unabhängig von der genauen Beschädigungsstelle zwischen der Primär-Versorgung und der Steuerelektronik erkannt, so dass die Sekundär-Energieversorgung eingreifen kann. Das gleiche gilt für die Versorgung der Steuerelektronik mit Steuersignalen von der Zentral-Elektronik, die bei einem Fahrzeug das Zusammenwirken aller Schwingungsdämpfer koordiniert.

Claims

1. Verstellbares Ventil mit einem positionsveränderlichen Ventilkörper, insbesondere für einen Schwingungsdämpfer, der von einem elektrischen Stellantrieb in Verbindung mit einer Energieversorgung in eine definierte Ventileinstellung bewegt und gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Stellantrieb (3) an eine Primär-Energieversorgung (11) und eine Sekundär-Energieversorgung (15) angeschlossen ist, wobei die Sekundär-Energieversorgung (15) bei Ausfall der Primär-Energieversorgung (11) genutzt wird.

2. Verstellbares Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Energieversorgung (15) von einem elektrischen Speicher gebildet wird.

3. Verstellbares Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Speicher ein Kondensator eingesetzt wird.

4. Verstellbares Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrischer Stellantrieb (3) ein Schrittmotor verwendet wird.

5. Verstellbares Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Energieversorgung (15) räumlich unabhängig von der Primär-Energieversorgung (11) der Baueinheit Elektrischer Stellantrieb- verstellbares Ventil (3; 7) zugeordnet ist.

6. Verstellbares Ventil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundär-Energieversorgung (15) zeitlich begrenzt bis zum Erreichen einer Notbetriebsstellung des Ventilkörpers (5) genutzt wird.

7. Verstellbares Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Baueinheit Elektrischer Stellantrieb-verstellbares Ventil (3; 7) räumlich eine Steuerelektronik (9) zugeordnet ist, die die Ventilansteuerung für die Notbetriebsstellung übernimmt.

8. Verstellbares Ventil nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass funktional zwischen der Sekundär-Energieversorgung (15) und der Primär-Energieversorgung (11) eine elektrische Sperreinrichtung (17) angeordnet ist, die eine Energieversorgung ausgehend von der Sekundär- Energieversorgung (15) zur Primär-Energieversorgung (11) verhindert.

9. Verstellbares Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (9) das Niveau der Primär-Energieversorgung (111) überwacht.

10. Verstellbares Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (9) für das verstellbare Ventil (7) die Übertragung eines Stellsignals ausgehend von einer Zentral-Elektronik (16) überwacht.