DE19955461A1 - Stellmotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellmotor sowie seine Verwendung für eine Stelleinrichtung. DOLLAR A Bekanntlich werden für eine motorische Anlenkung beispielsweise von Klappen, wie Belüftungsklappen eines Aggregates einer Heizungs-, Klima- und/oder Lüftungsanlage in einem Kraftfahrzeug, mehrere Stellmotoren verwendet, die jeweils eine Klappe anlenken. DOLLAR A Bei der Nutzung von Servomotoren ist eine Ansteuerelektronik zwar einfach, jedoch weisen diese einen begrenzten Verstellbereich auf. Diese besitzen ein Rückmeldepotentiometer, welches mindestens zwei Anschläge für eine minimale und eine maximale Verstellung und einen Verstellwinkel von ca. 320 DEG aufweist, wobei ein Winkelbereich von ca. 40 DEG nicht einstellbar ist. DOLLAR A Hiergegen sieht die vorgeschlagene Lösung vor, in einen kostengünstigen Servomotor (1) ein durchstellbares Rückmeldepotentiometer zu integrieren, wobei eine Schichtplatte (11) mit mehreren Widerstandsbahnen (13) gegenüber mehreren feststehenden Kontaktschleifern (14) direkt von einer Abtriebswelle (10) des Stellmotors (1) verstellt wird. DOLLAR A Dies hat den Vorteil, daß ein Motor (5) des Stellmotors (1) sowie das Rückmeldepotentiometer einen Drehbereich und damit einen Meßbereich von 360 DEG abdecken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie seine Verwendung für eine Stelleinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 bzw. 8.

Bekanntlich werden für eine motorische Anlenkung von Klappen, wie Belüftungsklappen ei­ nes Aggregates einer Heizungs-, Klima- und/oder Lüftungsanlage in einem Kraftfahrzeug, mehrere Stellmotoren verwendet, die jeweils eine Klappe anlenken. Die Betätigung der mo­ torischen Anlenkung erfolgt mit Hilfe eines Stellpotentiometers in der Bedieneinheit.

Bei der Nutzung von Servomotoren als Stellmotor ist deren Ansteuerelektronik zwar einfach, jedoch weisen diese einen begrenzten Verstellbereich auf. Dies liegt darin begründet, das für die Rückmeldung über die Verstellung der jeweiligen Klappen ein Rückmeldepotentiometer angesteuert wird, wobei ein Schleifer bewegt wird, der mit dem Motor in funktionalem Zu­ sammenhang steht. Dieses Rückmeldepotentiometer besitzt mindestens zwei Anschläge für eine minimale und eine maximale Verstellung und einen Verstellwinkel von ca. 320°, wobei ein Winkelbereich von ca. 40° nicht einstellbar ist. Durch Nutzung von 2 oder 3 Servomoto­ ren, die über eine Elektronik gemeinsam betrieben werden, wird diese begrenzte Einstellbar­ keit hilfsweise kompensiert.

Bekannt ist auch die Nutzung von Schrittmotoren, wobei hier die Ansteuerelektronik sehr kostenintensiv ist, so daß Schrittmotoren selten zum Einsatz kommen.

Aus der DE 11 77 238 C2 ist ein Drehwiderstand mit direkt auf seiner Stirnfläche aufge­ brachten Widerstandsbahnen bekannt. Dabei werden die Widerstandsbahnen gegenüber feststehenden Kontaktschleifern verstellt. Auch dieser Drehwiderstand besitzt zwei Anschlä­ ge.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen einfachen Stellmotor aufzuzeigen, der keinen eingeschränkten Verstellbereich aufweist, sowie eine Stelleinrichtung der gattungs­ gemäßen Art unter Verwendung dieses Stellmotors durch einen einfachen Aufbau anzuge­ ben.

Gelöst werden die Aufgaben durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 sowie der Patent­ ansprüche 7 bzw. 8.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, in einen Servomotor ein durchstellbares Rückmelde­ potentiometer zu integrieren, wobei eine Schichtplatte mit mehreren Widerstandsbahnen gegenüber mehreren feststehenden Kontaktschleifern direkt von einer Abtriebswelle verstellt wird. Dies hat den Vorteil, daß das Potentiometer einen Drehbereich und damit einen Meß­ bereich von 360° abdeckt und dadurch ein einfacher Servomotor verwendet werden kann.

Bei Einsatz des Servomotors in eine Stelleinrichtung steht die Abtriebswelle des Servomo­ tors mit mindestens einer Klappe eines Lüftungskanals einer Heizungs-, Klima- und/oder Lüftungsanlage in funktionalem Zusammenhang. Das Rückstellpotentiometer meldet dabei die aktuelle Winkelstellung der Klappen durch den aktuellen Stellwinkel der Abtriebswelle. Um die Durchstellbarkeit des Rückmeldepotentiometer und des Motors im Servomotor aus­ zunutzen, ist die Abtriebswelle mit der einzelnen Klappe über eine Kurvenscheibe mit einer in sich geschlossenen Kurve verbunden. Die Kurve beinhaltet bzw. definiert dabei eine Kennlinie der Verstellung der einzelnen Klappe.

In einer weiteren Ausführung der Stelleinrichtung können mehrere Klappen mit nur einem Servomotor gleichzeitig verstellt werden, wobei dann der Servomotor über eine entspre­ chende Kinematik mit einer Kurvenscheibe und mehreren in sich geschlossenen Kurven auf diese Klappen einwirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

So sind Versorgungs- und Widerstandsbahnen auf der Schichtplatte derart aufgebracht, daß die Schleiferangriffe zueinander vorzugsweise um 120° versetzt sind. Es können mehrere Versorgungsbahnen und mehrere Widerstandsbahnen auf der Schichtplatte untergebracht sein.

Die Schichtplatte selbst besitzt eine Codierung für eine einfache und sichere Montage in den Servomotor.

Das statische Schleifersystem ist vorzugsweise direkt am Steckermodul integriert.

Durch die rotierende Schichtplatte entfallen die sonst kritischen Nietverbindungen zwischen der Schichtplatte und den Anschlußbeinen.

Der Servomotor selbst weist einen soliden Aufbau und eine einfache Montage auf.

Durch Verwendung des durchstellbaren Servomotors ist eine feinere Klappenverstellung möglich, da ein größerer Drehbereich in Form eines Vollkreises zur Verfügung steht. Es ist keine separate Rückstellung der Klappen notwendig, da die Klappen durch die in sich ge­ schlossenen Kurven in ihre Ausgangsposition verfahren werden. Zudem kann ein Motor mit einer kleineren Leistung verwendet werden, da sich die Kraft zur Einstellung dieses größeren Drehbereiches halbiert.

Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert wer­ den.

Es zeigt

Fig. 1 einen Stellmotor in Draufsicht- und in Schnittdarstellung im Schnitt A-A,

Fig. 2 die Schichtplatte aus Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Teildarstellung des Stellmotors,

Fig. 4 eine schematische Darstellung für eine einfache Klappenverstellung,

Fig. 5 ein Bedienelement für die Klappenverstellung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Kurvenscheibe aus Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Darstellung für eine komplexe Klappenverstellung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Kinematik aus Fig. 7.

In Fig. 1 ist ein Servomotor 1 als einfacher Stellmotor dargestellt. In der oberen Ansicht der Fig. 1 ist der Servomotor 1 in einer Draufsicht schematisch abgebildet, in der unteren Dar­ stellung ist der Servomotor 1 im Schnitt A-A dargestellt. Der Servomotor 1 ist in einem Ge­ häuse 2, daß ein oberes Gehäuseteil 3 und ein unteres Gehäuseteil 4 aufweist, unterge­ bracht. Vorzugsweise im unteren Gehäuseteil 4 befinden sich ein DC-Motor 5, beispielswei­ se ein Johnson-Motor, eine Elektronik 6 zur Ansteuerung des Motors 5 sowie die zum Ab­ trieb von der hohen Motordrehzahl auf eine kleinere Drehzahl notwendigen Übersetzungen. Diese Übersetzung kann in Form von Zahnrädern 7, 8, 9 aufgebaut sein, wobei das Zahnrad 7 beispielsweise einen Durchmesser von 18 mm aufweist, das Zahnrad 8 einen Durchmes­ ser von 20 mm und das Zahnrad 9 einen Durchmesser von 32 mm besitzen. Zwischen dem Motor 5 und dem Zahnrad 7 wird dabei eine Übersetzung von 50 : 1, vom Zahnrad 7 auf das Zahnrad 8 eine Übersetzung von 3 : 1 und vom Zahnrad 8 auf das Zahnrad 9 eine Überset­ zung von 3 : 1 eingestellt. Das Zahnrad 9 ist mit einer Abtriebswelle 10 fest verbunden. Im Zahnrad 9 ist eine Schichtplatte 11 mit einer Codierung 12 eingesetzt, die vorzugsweise in Richtung Abtriebswelle 10 weist.

Auf dieser Schichtplatte 11 sind mehrere Bahnen 13, vorzugsweise zwei kreisrunde Versor­ gungsbahnen 13.1 und 13.2 sowie mindestens eine nicht ganz geschlossene, kreisrunde Widerstandsbahn 13.3, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, aufgebracht, auf die zugehörige, hier drei Kontaktschleifer 14 greifen. Die mittlere Widerstandsbahn 13.3 ist dabei mit der äu­ ßeren Versorgungsbahn 13.1 und der inneren Versorgungsbahn 13.2 verbunden, wobei ein Bereich α frei bleibt. Die äußere Versorgungsbahn 13.1 führt dabei die 5 V Versorgungs­ spannung, während die innere Versorgungsbahn 13.2 die 0 V (Masse) führt. Bekanntlich kann auch mit nur einer Versorgungsbahn 13.1 eine Potentiometerfunktion ausgeführt wer­ den. Auch ist es möglich, weitere Widerstandsbahnen 13.3 auf die Schichtplatte 11 aufzu­ bringen, wenn diese benötigt werden.

Die Elektronik 6 besitzt nicht näher dargestellte Kontaktflächen, auf die weitere Steckkon­ takte des Steckermoduls 15 greifen. In dieser Elektronik 6 erfolgt der Vergleich zwischen einem Sollwert für eine Sollposition, ausgelöst durch ein Bedienelement 23 und einem Ist­ wert für eine Istposition der Abtriebswelle 10 zur Ansteuerung des Motors 5, wobei der Ist­ wert vom Rückmeldepotentiometer abgegriffen wird. Zu berücksichtigen ist, daß bei dem durchstellbaren Rückmeldepotentiometer der auftretende, vernachlässigbar kleine Drehwin­ kel α von ca. 4°-8° als ein sogenannter toter Drehbereich durch eine spezielle Elektronik kompensiert wird. Der in diesem Bereich stattfindende Spannungssprung von 5 V auf 0 V wird durch diese Elektronik erkannt und im System berücksichtigt, so daß es nicht zu undefinier­ bare Zustände kommt.

In Fig. 2 ist die Schichtplatte 11 in einer Draufsicht dargestellt. Auf der Schichtplatte 11 be­ finden sich die Bahnen 13, die zusammen mit den drei Kontaktschleifern 14 das Rückmelde­ potentiometer des Servomotors 1 bilden. Durch die Anbringung der Schichtplatte 11 am Zahnrad 9 besitzt das Rückmeldepotentiometer einen Drehbereich von ca. 360° und deckt damit einen Meßbereich von 360° ab, wobei die Schichtplatte 11 mit dem Zahnrad 9 verstellt wird. Die Schleiferangriffe a, b, c der Bahnen 13 sind vorzugsweise zueinander um 120° ver­ setzt auf der Schichtplatte 10 angeordnet. Die Schichtplatte weist zudem vorzugsweise an ihrem äußeren Umfang verteilt die Codierung 12 für eine richtige Montage der Schichtplatte 11 in der Servomotor lauf.

Die drei Kontaktschleifer 14 greifen, wie in Fig. 3 dargestellt, von unten an die Schichtplatte 11 an. Dazu werden die Kontaktschleifer 14 von einer Schleiferhalterung 17 getragen. Vor­ zugsweise sind die Kontaktschleifer 14 in der Schleiferhalterung 17 eingebettet. Diese Schleiferhalterung 17 ist statisch gelagert und vorzugsweise direkt am Steckermodul 15 inte­ griert. Das Steckermodul 15 selbst ist leicht in das Gehäuse 2 des Servomotors 1 einsetzbar. Die Kontaktschleifer 14 besitzen eine federformähnliche Struktur.

Die Wirkungsweise soll anhand eines Anwendungsbeispieles beschrieben werden. Der Ser­ vomotor 1 wird dabei in eine Stelleinrichtung für eine Luftklappenanlenkung eingesetzt.

In Fig. 4 ist ein Luftkanal 22 eines Aggregates einer Heizungs-, Klima- und/oder Lüftungs­ anlage in einem Kraftfahrzeug mit darin befindlichen Belüftungsklappen, hier zwei Klappen 20, 21, dargestellt. Je Klappe 20, 21 wird dabei ein vorgenannter Servomotor 1 verwendet. Wenn von einer Bedienperson das Bedienelement 23, beispielsweise ein Luftverteil- Potentiometer zur Einstellung der Luftverteilung, betätigt wird, wird diese Information auf den Motor 5 des Servomotors 1 elektrisch übertragen. Über den Servomotor 1 erfolgt dann eine Einstellung der Klappe 20 bzw. 21.

Das Bedienelement 23 ist vorzugsweise als Drehsteller mit einem Potentiometer- Drehbereich von 360° ausgeführt (Fig. 5). Eine hierbei verwendete Schichtplatte 30 mit hier nicht näher dargestellten Widerstandsbahnen und zugehörigen Kontaktschleifern 31 können den selben Aufbau wie das Rückmeldepotentiometer im Servomotor 1 aufweisen, wobei die Kontaktschleifer 31 direkt auf einer Leiterplatte 32 des Bedienelementes 23 angebracht sind. Solange am Bedienelement gedreht wird, wird der Motor 5 nicht angesteuert. Die Ansteue­ rung an den Motor 5 kann softwaremäßig berechnet oder direkt mit der Drehbewegung des Bedienelementes 23 erfolgen.

Softwareseitig wird überprüft, ob sich der eingestellte Wert nicht mehr ändert. Ist der einge­ stellte Wert ca. 300 ms konstant, wird die Drehrichtung, mit der die Sollposition am schnell­ sten erreicht werden kann, berechnet. Unterscheiden sich Soll- und Istposition der Klappe 20 bzw. 21 um einen Mindestwert, wird der Motor 5 in der zuvor bestimmten Richtung gestartet. Während der Motor 5 angesteuert wird, wird dann vorzugsweise alle 5 ms überprüft, ob die Soll- und Istposition bereits übereinstimmen.

Soll die Drehrichtung der Klappen 20, 21 jedoch der Drehbewegung des Bedienelementes folgen, kann die Software entsprechend angepaßt werden.

Die Sollwerterfassung des Bedienelementes 23 erfolgt vorzugsweise derart, das der Wert mit Hilfe einer vorab ermittelten Kennlinie an das Aggregat angepaßt wird.

Mit Verstellung des Motors 5 wird diese Verstell-Information über die Zahnräder 7, 8, 9 auf die Klappe 20 bzw. 21 übertragen. Da die Klappen 20, 21 selbst nur einen kleinen Verstell­ bereich von 15°, 90° oder beispielsweise 270° ausführen (z. B. für eine Luftumlenkung), ist zwischen der Abtriebswelle 10 und der jeweiligen Klappe 20, 21 eine Kurvenscheibe 25 mit einer in sich geschlossen ausgeführten Kurve 26 oder 27 vorzusehen, wobei Zapfen der Klappe 20 oder 21 in der Kurve 26 oder 27 geführt werden und die Klappe 20 oder 21 ihrer Kennlinie entsprechend verstellt werden. Dadurch wird eine 360° Durchdrehbarkeit des Mo­ tors 5 und der Abtriebswelle 10 in eine beispielsweise 15° Anlenkung der Klappe 20 oder eine 90° Anlenkung der Klappe 21 umgewandelt.

Mit Drehung des Zahnrades 9 wird die Schichtplatte 11 des Rückmeldepotentiometers direkt mit verstellt. Dieser neue am Rückmeldepotentiometer abgegriffene Wert beinhaltet die In­ formation über die neu eingestellte Winkel- bzw. Stellungsposition der Kappe 21 bzw. 22.

In Fig. 7 ist eine komplexere Variante einer Klappenverstellung aufgezeigt. Über eine zusätz­ liche Kinematik 24 (Fig. 8) werden die Klappen 20 und 21 über einen Servomotor 1 gleich­ zeitig verstellt, wobei die Kinematik 24 eine Kurvenscheibe 25' mit den miteinander wirken­ den, jedoch voneinander unabhängigen Kurven 26, 27 aufweist. Diese Kurvenscheibe 25' wird von der Abtriebswelle 10 des einzigen Servomotors 1 bewegt, wodurch über in den Kur­ ven 26, 27 laufende Zapfen (nicht näher dargestellt) die Klappen 20, 21 direkt oder mit Hilfe von Bowdenzüge 28 verstellt werden.

Es versteht sich, daß der Einsatz des Servomotors mit durchdrehbarem Potentiometer nicht auf die Verstellung von Klappen im Luftkanal beschränkt ist.

Claims (8)

1. Stellmotor, aufweisend einen Motor, Übersetzungen zum Abtrieb, eine Abtriebswelle und ein Rückmeldepotentiometer, die in einem Gehäuse untergebracht sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Rückmeldepotentiometer aus einer rotierenden Schichtplatte (11) mit mindestens einer Versorgungsbahn (13.1, 13.2) und mindestens einer Widerstands­ bahn (13.3) sowie feststehenden Kontaktschleifern (13) besteht, wobei die Schichtplatte (11) im Zahnrad (9) als Teil der Übersetzung integriert ist, welches direkt mit der Ab­ triebswelle (10) fest verbunden ist.

2. Stellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtplatte (11) zur Ab­ triebswelle (10) ausgerichtet ist.

3. Stellmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtplatte (11) eine Codierung (12) für eine richtige Montage aufweist.

4. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schichtplatte (11) zwei Versorgungsbahnen (13.1, 13.2) sowie eine Widerstandsbahn (13.3) aufgebracht sind, deren Schleiferangriffe (a, b, c) zueinander um 120° versetzt an­ gebracht sind.

5. Stellmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt­ schleifer (13) von einer Schleiferhalterung (17) getragen wird, die direkt am Steckermodul (15) angebracht ist.

6. Stellmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steckermodul (15) in das Gehäuse (2) einsteckbar ist.

7. Stelleinrichtung für eine motorische Anlenkung von Klappen, wie Belüftungsklappen ei­ nes Aggregates einer Heizungs-, Klima- und/oder Lüftungsanlage in einem Kraftfahr­ zeug mit wenigsten einem Stellmotor nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über die Abtriebswelle (10) des Stellmotors (1) die Klappen (20, 21) des Luftkanals (22) verstellt werden, wobei jede Klappe (20, 21) mit einer Abtriebswelle (10) über eine Kurvenscheibe (25) mit je einer Kurve (26, 27) ver­ bunden ist.

8. Stelleinrichtung für eine motorische Anlenkung von Klappen, wie Belüftungsklappen ei­ nes Aggregates einer Heizungs-, Klima- und/oder Lüftungsanlage in einem Kraftfahr­ zeug mit wenigsten einem Stellmotor nach mindestens einem der vorstehenden Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über die Abtriebswelle (10) eines Stellmotors (1) eine Kinematik (24) mit einer Kurvenscheibe (25') und darin integrierten Kurven (26, 27) betrieben wird, durch die die Klappen (20, 21) gleichzeitig verstellt werden.