DE10327868A1

DE10327868A1 - Stellantrieb zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe eines Ventils

Info

Publication number: DE10327868A1
Application number: DE10327868A
Authority: DE
Inventors: Joachim Von Willich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-05
Also published as: US20050236597A1; EP1633966A1; EP1633966B1; WO2004111425A1; US7032877B2

Abstract

Der Stellantrieb besteht aus einer Antriebswelle (1), an der die Ventilklappe (8) befestigt ist. Dabei ist ein Zahnsegment (2) drehbar um die erste Drehachse D1 der Antriebswelle (1) gelagert. Parallel zum Zahnsegment (2) ist ein weiteres Segment (3) angeordnet und mit der Antriebswelle (1) fest verbunden. Zwischen dem Zahnsegment (2) und dem weiteren Segment (3) ist ein zweiseitiger Hebel (4) um eine zweite Drehachse D2 eines Bolzens (3a), der parallel zur ersten Drehachse D1 auf der dem Zahnsegment (2) zugewandten Seite des weiteren Segmentes (3) angeordnet ist, drehbar gelagert. Das Zahnsegment (2) weist ferner eine Aussparung (2a) auf, und am Ende des zweiten Hebelarmes b des zweitseitigen Hebels (4) ist am zweiseitigen Hebel (4) ein Vorsprung (4a) angeordnet, der in der Aussparung (2a) geführt wird. Das weitere Segment (3) weist einen dritten Anschlag (7) für das zweite Zahnsegment (2) auf. Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung des Stellantriebs zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe (8) eines Gasrückführventils eines Kraftfahrzeuges.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe eines Ventils sowie auf eine Verwendung des Stellantriebs. Stellantriebe zur reversiblen Bewegung von Ventilklappen sind bekannt. Die Ventilklappe ist dabei jeweils an einer Antriebswelle befestigt, die über ein konstantes Übersetzungsverhältnis mit einem Elektromotor in Verbindung steht. Bei diesen bekannten Stellantrieben ist es nachteilig, dass sich die Ventilklappen nach längeren Betriebszeiten infolge von Verunreinigungen im Ventil nur relativ schwer in Bewegung versetzt werden können. Bedingt durch die Verschmutzungen kleben bzw. backen die Ventilklappen im Ventil an und können nur durch ein relativ großes Drehmoment aus dem verklemmten Zustand gelöst werden, was über das konstante Übersetzungsverhältnis oftmals nicht oder nur verzögert gelingt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe eines Ventils zu schaffen, der ein relativ problemloses Lösen der Ventilklappe auch bei stärkeren Verschmutzungen im Inneren des Ventils ermöglicht. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung des Ventils zu schaffen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Stellantrieb zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe eines Ventils gelöst, der aus einer Antriebswelle besteht, an der die Ventilklappe befestigt ist, bei dem ein Zahnsegment drehbar um die erste Drehachse D1 der Antriebswelle gelagert ist, wobei das Zahnsegment nicht fest mit der Antriebswelle verbunden ist, und parallel zum Zahnsegment ein weiteres Segment, das größer als das Zahnsegment ausgebildet ist, angeordnet und mit der Antriebswelle fest verbunden ist, bei dem zwischen dem Zahnsegment und dem weiteren Segment ein zweiseitiger Hebel um eine zweite Drehachse D2 eines Bolzens, der parallel zur ersten Drehachse Dl auf der dem Zahnsegment zugewandten Seite des weiteren Segmentes angeordnet ist, drehbar gelagert ist und die Antriebswelle nicht berührt, wobei die erste Drehachse Dl einen größeren Abstand zum Zahnkranz des Zahnsegmentes aufweist als die zweite Drehachse D2 und der der ersten Drehachse D1 in der geschlossenen Position des Ventils zugewandte erste Hebelarm a des zweiseitigen Hebels größer ist als der Abstand c zwischen der zweiten Drehachse D2 und derjenigen Kante des weiteren Segmentes, die in der geschlossenen Position des Ventils bündig zusammen mit einer Kante des Zahnsegmentes an einem ersten Anschlag anliegt, bei dem das Zahnsegment eine Aussparung aufweist und am Ende des zweiten Hebelarmes b des zweiseitigen Hebels, das der zweiten Drehachse D2 abgewandt ist, am zweiseitigen Hebel ein Vorsprung angeordnet ist, der in der Aussparung geführt wird, bei dem das weitere Segment an seiner, einem zweiten Anschlag, der der offenen Position des Ventils zuzuordnen ist, zugewandten Kante einen dritten Anschlag für das zweite Zahnsegment aufweist. Die Ventilklappe ist in der Regel am Ende der Antriebswelle befestigt. Der Antrieb des Stellantriebs erfolgt über einen Elektromotor, der das Zahnsegment in eine Drehbewegung versetzt. Das weitere Segment ist ähnlich wie das Zahnsegment teilkreisförmig ausgebildet, wobei dessen Teilkreis größer ist als der Teilkreis des Zahnsegmentes. Das weitere Segment kann beispielsweise auch als Zahnsegment ausgebildet sein. Der zweiseitige Hebel ist in vorteilhafter Weise aus Flachmaterial gefertigt. Er ist drehbar am Bolzen, der parallel zur ersten Drehachse D1 auf der dem Zahnsegment zugewandten Seite des zweiten Segmentes angeordnet ist, gelagert, ist also nicht fest mit dem Bolzen verbunden. Der zweiseitige Hebel berührt die Antriebswelle nicht. Dies gilt für alle Positionen während des Betriebes des Stellantriebs. Die offene Position des Ventils ist dadurch definiert, dass sowohl das Zahnsegment als auch das weitere Segment am zweiten Anschlag anliegen, wobei der direkte Kontakt dabei über den dritten Anschlag erfolgen kann, der fest am weiteren Segment angeordnet ist. Der dritte Anschlag ist beispielsweise am weiteren Segment auf seiner, dem Zahnsegment zugewandten Seite angeordnet. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass durch die konstruktive Ausgestaltung des Stellantriebs eine wirkungsvolle Vergrößerung des Drehmoments im Anfahrzustand erreicht werden kann, was das Lösen der Ventilklappe im Ventil auch dann sicherstellt, sofern im Inneren des Ventils größere Mengen an Verschmutzungen vorhanden sind. Dies wird durch eine relativ niedrige Drehzahl der Antriebswelle im Anfahrzustand bei der Öffnung des Ventils erreicht. Sobald das Zahnsegment den dritten Anschlag, der am weiteren Segment angeordnet ist, erreicht, bewegen sich das Zahnsegment und das weitere Segment mit gleicher Winkelgeschwindigkeit. Davor befindet sich der Stellantrieb im so genannten Anfahrzustand, bei dem sich das Zahnsegment mit einer größeren Winkelgeschwindigkeit bewegt als das weitere Segment. Da jedoch das weitere Segment und nicht das Zahnsegment fest mit der Antriebswelle verbunden ist, dreht sich diese im Anfahrzustand ebenfalls langsamer, was bei gleicher Leistungszufuhr direkt zu einer Drehmomenterhöhung führt, die ein Loslösen der Ventilklappe innerhalb des verschmutzten Ventils auf relativ einfache Art und Weise ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die der ersten Drehachse D1 zugewandte Seite des zweiseitigen Hebels durch zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Teilarme gebildet wird. Dabei ist vorteilhaft, dass beispielsweise auf eine exzentrische Anordnung des Bolzens bezüglich des zweiseitigen Hebels verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung greift der Zahnkranz des Zahnsegmentes direkt in das Ritzel eines Elektromotors ein. Dabei ist vorteilhaft, dass auf die Anordnung von weiteren Getriebegliedern, wie Zwischenrädern, verzichtet werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das weitere Segment mit einem Federelement verbunden ist, dessen Federkraft auf das weitere Segment in Richtung auf den ersten Anschlag ausgerichtet ist. Bei dem Federelement kann es sich beispielsweise um eine Schenkelfeder handeln. Das weitere Segment kann dabei direkt oder indirekt über ein Verbindungsteil mit dem Federelement verbunden sein. Dabei ist vorteilhaft, dass auch bei Ausfall des Elektromotors allein durch die Kraft des Federelements der Stellantrieb derart betätigt werden kann, dass die Ventilklappe wieder in die geschlossene Position des Ventils überführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist schließlich die Verwendung des Stellantriebs zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe eines Gasrückführventils eines Kraftfahrzeuges. In Gasrückführventilen von Kraftfahrzeugen kommt es öfters zu nachteiligen Verschmutzungen, an denen die Ventilklappe festklebt. Durch den Stellantrieb kann die Ventilklappe eines Gasrückführventils auch bei relativ starken Verschmutzungen problemlos bewegt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung (1 bis 6) näher und beispielhaft erläutert.
1 zeigt die Draufsicht auf den Stellantrieb in der geschlossenen Position des Ventils.
2 zeigt die Draufsicht des Stellantriebs in einer Position zwischen der geschlossenen und der geöffneten Position des Ventils.
3 zeigt die Draufsicht auf den Stellantrieb in der geöffneten Position des Ventils.
4 zeigt die Draufsicht auf den Stellantrieb in der geschlossenen Position des Ventils mit einer alternativen Ausgestaltung des zweiseitigen Hebels ohne den zweiten Anschlag.
5 zeigt die Seitenansicht des Stellantriebs in der geschlossenen Position des Ventils.
6 zeigt einen Stellantrieb nach dem Stand der Technik.
In 1 ist der Stellantrieb in Form der Draufsicht in der geschlossenen Position des Ventils dargestellt. Der Stellantrieb besteht aus einer Antriebswelle 1, an der die Ventilklappe (nicht dargestellt) befestigt ist. Bei dem Stellantrieb ist ein Zahnsegment 2 drehbar um die erste Drehachse D1 der Antriebswelle 1 gelagert, wobei das Zahnsegment 2 nicht fest mit der Antriebswelle 1 verbunden ist. Parallel zum Zahnsegment 2 ist ein weiteres Segment 3, das größer als das Zahnsegment 2 ausgebildet ist, angeordnet. Dieses weitere Segment 3 ist im Gegensatz zum Zahnsegment 2 fest mit der Antriebswelle 1 verbunden. Zwischen dem Zahnsegment 2 und dem weiteren Segment 3 ist ein zweiseitiger Hebel 4 um eine zweite Drehachse D2 eines Bolzens 3a, der parallel zur ersten Drehachse D1 auf der dem Zahnsegment 2 zugewandten Seite des weiteren Segments 3 angeordnet ist, drehbar gelagert. Dieser zweiseitige Hebel 4 berührt die Antriebswelle 1 nicht. Die erste Drehachse Dl weist einen größeren Abstand zum Zahnkranz des Zahnsegmentes 2 auf als die zweite Drehachse D2. Das Zahnsegment 2 weist eine Aussparung 2a auf. Am einen Ende des zweiseitigen Hebels 4 ist am zweiseitigen Hebel 4 ein Vorsprung 4a angeordnet, der in einer Aussparung 2a geführt wird, die das Zahnsegment 2 aufweist. Das weitere Segment 3 weist an seiner, einem zweiten Anschlag 6, der der offenen Position des Ventils zuzuordnen ist, zugewandten Kante einen dritten Anschlag 7 für das zweite Zahnsegment auf. Zwischen der zweiten Drehachse D2 und derjenigen Kante des weiteren Segments 3, die in der geschlossenen Position des Ventils bündig zusammen mit einer Kante des Zahnsegmentes 2 an einem ersten Anschlag 5 anliegt, ist ein Abstand c vorhanden. Wird nun in der geschlossenen Position des Ventils der Stellantrieb in Bewegung gesetzt, so erfolgt über einen Elektromotor (nicht dargestellt) eine Drehbewegung des Zahnsegmentes 2 im Uhrzeigersinn. Ziel ist es dabei, den zweiten Anschlag 6 zu erreichen, der der geöffneten Position des Ventils zuzuordnen ist. Sobald das Zahnsegment 2 in eine Drehbewegung versetzt wird, wird der zweiseitige Hebel 4 um die Drehachse D2 verdreht, was dazu führt, dass das weitere Segment 3 ebenfalls im Uhrzeigersinn in eine Drehbewegung versetzt wird. Die Drehbewegung des weiteren Segmentes 3 ist dabei jedoch langsamer als die Drehbewegung des Zahnsegmentes 2.
In 2 ist die Draufsicht des Stellantriebs in einer Position zwischen dem geschlossenen Zustand und dem geöffneten Zustand des Ventils dargestellt. Der der ersten Drehachse D1 zugewandte erste Hebelarm a des zweiseitigen Hebels 4 ist größer als der in 1 dargestellte Abstand c zwischen der zweiten Drehachse D2 und derjenigen Kante des weiteren Segmentes 3, die in der geschlossenen Position des Ventils bündig zusammen mit einer Kante des Zahnsegmentes 2 an einem ersten Anschlag 5 anliegt. Am Ende des zweiten Hebelarmes b des zweiseitigen Hebels 4, das der zweiten Drehachse D2 abgewandt ist, ist am zweiseitigen Hebel 4 ein Vorsprung 4a angeordnet, der in der Aussparung 2a geführt wird. Während sich das Zahnsegment 2 im Uhrzeigersinn bewegt, drückt der zweiseitige Hebel aufgrund seines ersten Hebelarmes a gegen den ersten Anschlag 5. Dadurch wird das weitere Segment 3 ebenfalls in Richtung auf den zweiten Anschlag 6 im Uhrzeigersinn bewegt. Wird die Drehbewegung des Zahnsegmentes 2 fortgesetzt, so gelangt das Zahnsegment 2 an den dritten Anschlag 7. Bei weiterer Fortsetzung der Drehbewegung des Zahnsegmentes 2 im Uhrzeigersinn werden dann sowohl das Zahnsegment 2 als auch das weitere Segment 3 in Richtung auf den zweiten Anschlag 6 mit jeweils gleicher Geschwindigkeit bewegt. Sobald das Zahnsegment 2 den dritten Anschlag 7 kontaktiert ist der Anfahrzustand des Stellantriebs abgeschlossen und die Ventilklappe (nicht dargestellt) bereits von den Verschmutzungen gelöst worden.
In 3 ist die Draufsicht des Stellantriebs in der geöffneten Position des Ventils dargestellt. Sowohl das Zahnsegment 2 als auch das weitere Segment haben nunmehr den zweiten Anschlag 6 erreicht, der der offenen Position des Ventils zuzuordnen ist. Je nach Ausgestaltung des dritten Anschlags 7 können das Zahnsegment 2 und das weitere Segment 3 direkt oder indirekt am zweiten Anschlag 6 anliegen. Soll das Ventil wieder geschlossen werden, so erfolgt diese Bewegung reversibel, bis erneut der in 1 dargestellte Zustand erreicht ist.
In 4 ist der Stellantrieb in der Draufsicht im geschlossenen Zustand des Ventils dargestellt. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Ausführung wird die der ersten Drehachse D1 zugewandte Seite 4a' des zweiseitigen Hebels 4 durch zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Teilarme a' gebildet. Auf die Darstellung des zweiten Anschlags wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
In 5 ist die Seitenansicht des Stellantriebs in der geschlossenen Position des Ventils dargestellt. Das weitere Segment 3 ist dabei mit einem Federelement 3b verbunden, dessen Federkraft auf das weitere Segment 3 in Richtung auf den ersten Anschlag (nicht dargestellt) ausgerichtet ist. Die Verbindung zwischen dem weiteren Segment 3 und dem Federelement 3b erfolgt dabei indirekt über ein Verbindungsteil 1b, das fest mit der Antriebswelle 1 verbunden ist. Der dargestellte Stellantrieb eignet sich besonders vorteilhaft zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe eines Gasrückführventils eines Kraftfahrzeuges.
In 6 ist ein Stellantrieb nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei ist eine Ventilklappe 8' fest mit einer Antriebswelle 1' verbunden. An der Antriebswelle 1' ist ein Zahnsegment 2' angeordnet, das über ein Zwischenrad 10' mit dem Ritzel 9' eines Elektromotors 11' in Verbindung steht. Das Übersetzungsverhältnis ist hierbei konstant, so dass es bei konstanter Leistungszufuhr des Elektromotors 11' nicht möglich ist, das Drehmoment, das auf die Ventilklappe 8' einwirkt, im Anfahrzustand zu vergrößern. Bei einem solchen Stellantrieb ist ein Lösen der Ventilklappe 8' im Ventil problematisch, sofern im Ventil Verkrustungen und Verschmutzungen vorhanden sind.

Claims

Stellantrieb zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe (8) eines Ventils, der aus einer Antriebswelle (1) besteht, an der die Ventilklappe (8) befestigt ist, bei dem ein Zahnsegment (2) drehbar um die erste Drehachse D1 der Antriebswelle gelagert ist, wobei das Zahnsegment (2) nicht fest mit der Antriebswelle (1) verbunden ist, und parallel zum Zahnsegment (2) ein weiteres Segment (3), das größer als das Zahnsegment (2) ausgebildet ist, angeordnet und mit der Antriebswelle (1) fest verbunden ist, bei dem zwischen dem Zahnsegment (2) und dem weiteren Segment (3) ein zweiseitiger Hebel (4) um eine zweite Drehachse D2 eines Bolzens (3a), der parallel zur ersten Drehachse D1 auf der dem Zahnsegment (2) zugewandten Seite des weiteren Segmentes (3) angeordnet ist, drehbar gelagert ist und die Antriebswelle (1) nicht berührt, wobei die erste Drehachse Dl einen größeren Abstand zum Zahnkranz des Zahnsegmentes (2) aufweist als die zweite Drehachse D2 und der der ersten Drehachse D1 in der geschlossenen Position des Ventils zugewandte erste Hebelarm a des zweiseitigen Hebels (4) größer ist als der Abstand c zwischen der zweiten Drehachse D2 und derjenigen Kante des weiteren Segmentes (3), die in der geschlossenen Position des Ventils bündig zusammen mit einer Kante des Zahnsegmentes (2) an einem ersten Anschlag (5) anliegt, bei dem das Zahnsegment (2) eine Aussparung (2a) aufweist und am Ende des zweiten Hebelarmes b des zweiseitigen Hebels (4), das der zweiten Drehachse D2 abgewandt ist, am zweiseitigen Hebel (4) ein Vorsprung (4a) angeordnet ist, der in der Aussparung (2a) geführt wird, bei dem das weitere Segment (3) an seiner, einem zweiten Anschlag (6), der der offenen Position des Ventils zuzuordnen ist, zugewandten Kante einen dritten Anschlag (7) für das zweite Zahnsegment (2) aufweist.
Stellantrieb nach Anspruch 1, bei dem die der ersten Drehachse Dl zugewandte Seite (4a') des zweiseitigen Hebels (4) durch zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Teilarme a' gebildet wird.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Zahnkranz des Zahnsegmentes (2) direkt in das Ritzel eines Elektromotors eingreift.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das weitere Segment (3) mit einem Federelement (3b) verbunden ist, dessen Federkraft auf das weitere Segment (3) in Richtung auf den ersten Anschlag (5) ausgerichtet ist.
Verwendung des Stellantriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur reversiblen Bewegung einer Ventilklappe (8) eines Gasrückführventils eines Kraftfahrzeuges.