DE202012011018U1

DE202012011018U1 - Verstellantrieb

Info

Publication number: DE202012011018U1
Application number: DE202012011018U
Authority: DE
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2012-04-21
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2012-12-03
Anticipated expiration: 2022-11-17
Also published as: DE102012022449A1

Abstract

Verstellantrieb (8) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Fensterheber, mit einem über eine Motorwelle (34) eines Elektromotors (12) angetriebenen Getriebe (14), das einen Wirkungsgrad größer als 50% aufweist, und mit einer mittels eines Piezoaktors (60) betätigten, auf die Motorwelle (34) wirkenden Bremsvorrichtung (46) zur Herabsetzung des Wirkungsgrads auf unter 50% bei abgeschaltetem Motor (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen Verstellantrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem über eine Motorwelle eines Elektromotors angetriebenen Getriebe. Unter Verstellantrieb wird hierbei insbesondere ein Fensterheber oder eine Sitzverstellung verstanden.
Kraftfahrzeuge umfassen üblicherweise Verstellteile, beispielsweise Seitenfenster und/oder ein Schiebedach, welche mittels eines elektromotorischen Verstellantriebs geöffnet oder geschlossen werden können. Das jeweilige Verstellteil wird mittels eines von einem Elektromotor angetriebenen Getriebes in Form insbesondere eines Schneckengetriebes mit einer (antriebsseitigen) Schnecke auf der Motorwelle und mit einem (abtriebsseitigen) Schneckenrad betätigt. Herkömmlicherweise ist das Getriebe in einem Getriebegehäuse angeordnet, an welches der Elektromotor über dessen Motorgehäuse (Poltopf) angeflanscht ist. Üblicherweise wird der Elektromotor an dessen Stirnseite am Getriebegehäuse befestigt, wobei ein Achszapfen, d. h. das den antriebsseitigen Getriebeteil (wellenendseitige Schnecke) tragende Wellenende der Motorwelle des Elektromotors in das Getriebegehäuse hineinragt.
Ein Schneckengetriebe für Verstellantriebe in Kraftfahrzeugen ist beispielsweise aus der DE 195 41 118 A1 bekannt. Das Schneckengetriebe ist Bestandteil einer Antriebseinheit mit einem Elektromotor, dessen Ankerwelle in die Getriebe- oder Schneckenwelle übergeht, welche die mit dem Schneckenrad kämmende Schnecke trägt. Das Schneckenrad kann dabei mit einem Fensterhebermechanismus verbunden sein, wie dies beispielsweise auch aus der DE 198 54 038 A1 bekannt ist. Die Anwendung eines Schneckengetriebes für eine Sitzverstellung eines Kraftfahrzeugs ist in der DE 38 15 356 A1 erwähnt.
Der Einsatz von Schneckengetrieben für derartige Verstelleinrichtungen in Fahrzeugen ist einerseits in der in einem Schritt erzielbaren hohen Untersetzung und andererseits der Möglichkeit der Selbsthemmung des Schneckenbetriebes begründet. Die Selbsthemmung tritt bei geringen Gangzahlen infolge der Gleitreibung zwischen der eingängigen Schnecke und dem üblicherweise schräg verzahnten Schneckenrad auf. Der aufgrund der funktionsbedingten Relativbewegung der Bewegungsflächen der Schnecke und des Schneckenrades relativ niedrige Wirkungsgrad des Schneckengetriebes wird für die Selbsthemmung genutzt, um ein abtriebsseitig über das Schneckenrad auf das Schneckengetriebe wirkendes Drehmoment zu hemmen.
Dabei sind die Geometrie und die Abmessungen sowie die Gangzahl der Schnecke und die Zähnezahl des Schneckenrades derart konfiguriert und abgestimmt, dass zwar ein abtriebsseitiger Momentenrückfluss zuverlässig gehemmt und andererseits ein Lösen und Anlaufen des Schneckengetriebes infolge eines antriebsseitig wirksamen Drehmomentes sichergestellt ist. Eine entsprechende Fertigung eines solchen Schneckengetriebes ist jedoch aufgrund des temperaturabhängigen und alterungsbedingten sowie toleranzabhängigen Reibungsverhaltens auch bei hohem Fertigungsaufwand äußerst schwierig. Hinzu tritt, dass der für die Selbsthemmung einerseits und für das Lösen bzw. Anlaufen des Schneckengetriebes andererseits durch konstruktive und/oder fertigungstechnische Maßnahmen bereitzustellende Wirkungsgrad einerseits kleiner als 50% sein muss, jedoch möglichst nahe an 50% heranreichen sollte, was jedoch nur äußerst schwierig einzustellen und daher nur mit erheblichen Aufwand realisierbar ist.
Um das Verstellteil trotz des geringen Wirkungsgrades sicher entlang des Verstellwegs zu verbringen, wird ein vergleichsweise leistungsstarker Elektromotor benötigt. Zum Betrieb des Elektromotors wird relativ viel elektrische Energie benötigt. Da die Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs in der Regel 12 V beträgt, ist dies lediglich über eine Erhöhung des zugeführten elektrischen Stroms möglich, was die Verwendung von elektrischen Kabeln mit vergleichsweise großem Leiterquerschnitt und folglich relativ großem Gewicht bedingt. Somit ist einerseits der Energiebedarf des Verstellantriebs groß und andererseits das Gewicht des Kraftfahrzeugs hoch, was wiederum den Energiebedarf des Kraftfahrzeugs zum Betrieb desselben erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Verstellantrieb der eingangs genannten anzugeben, der insbesondere vergleichsweise günstig hergestellt und betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Verstellantrieb eines Kraftfahrzeugs ist Bestandteil einer Verstelleinrichtung. Im Folgenden wird unter Verstelleinrichtung insbesondere ein Fensterheber, ein Schiebedach, eine elektromotorisch betriebene Heckklappe oder dergleichen, verstanden, wobei ein Verstellteil entlang eines Verstellweges mittels des Verstellantriebs verbracht wird. Insbesondere ist das Verstellteil zwangsgeführt und hierzu beispielsweise an Mitnehmern gehalten, die in Führungsschienen geführt sind.
Der Verstellantrieb weist einen Elektromotor mit einer Motorwelle auf. Ein Getriebe ist indirekt oder direkt mit der Motorwelle, beispielsweise über eine Flanschverbindung zwischen Getriebe- und Motorgehäuse, gekoppelt. Insbesondere ist das Getriebe an dem Achszapfen der Motorwelle angebunden, also an demjenigen Bereich der Motorwelle, der aus dem Elektromotor herausragt. Beispielsweise ist das Getriebe ein Schneckengetriebe, wobei eine Schnecke auf dem Achszapfen angebracht ist, zum Beispiel angeformt oder form- und/oder kraftschlüssig mit diesem verbunden. Die Schnecke kämmt mit einem Schneckenrad, dessen Drehzahl einem festen Bruchteil der Drehzahl der Motorwelle entspricht, und dessen Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zur Motorwelle verläuft.
Das Getriebe weist einen Wirkungsgrad größer 50% auf. Mit anderen Worten ist das Getriebe nicht selbsthemmend. Folglich würde ein abtriebsseitiger Momentenrückfluss auf das Getriebe eine Drehung der Motorwelle bei abgeschaltetem Motor bewirken. Das Verstellteil würde folglich bei abgeschaltetem Motor aufgrund der auf dieses wirkenden Kräfte bewegt werden. Beispielsweise würde in diesem Fall eine Fensterscheibe von der Gewichtskraft stets in die tiefst mögliche Position bewegt werden und das Fenster somit geöffnet sein.
Zur Verhinderung einer derartigen Bewegung umfasst der Verstellantrieb eine Bremsvorrichtung, die auf die Motorwelle wirkt und diese beispielsweise reibschlüssig hemmt. Die Bremsvorrichtung wird mit Hilfe eines Piezoaktors betätigt und verringert den Wirkungsgrad des Verstellantriebs auf unter 50%. Folglich ist der Verstellantrieb selbsthemmend. Insbesondere ist die Bremsvorrichtung lediglich bei abgeschaltetem Motor betätigt.
Zusammenfassend weist das Getriebe einen Wirkungsgrad größer als 50% auf und bei abgeschaltetem Motor ist der Wirkungsgrad des Verstellantriebs kleiner als 50%. Der Wirkungsgrad des Verstellantriebs wird dabei mittels der von dem Piezoaktor betätigten Bremsvorrichtung zumindest bei abgeschaltetem Motor reduziert und auf einen Wert unterhalb von 50% abgesenkt. Geeigneterweise ist der Wirkungsgrad des Verstellantriebs bei angesteuertem Motor größer als 50%.
Auf diese Weise wird sowohl die Selbsthemmung des Getriebes bei abgeschaltetem Motor als auch ein Verbringen des Verstellteils mit einem vergleichsweise geringen Kraftaufwand realisiert. Es kann ein vergleichsweise leistungsschwacher Elektromotor für den Antrieb verwendet werden, wobei dennoch ein sicheres Verbringen des Verstellteils entlang des Verstellwegs gewährleistet ist. Darüber hinaus ist es ermöglicht, mittels der Bremsvorrichtung bei abgeschaltetem Elektromotor größere Bremskräfte auf die Motorwelle zu übertragen, als dies mit einem herkömmlichen selbsthemmenden Getriebes der Fall ist. Somit wird bei betätigter Bremsvorrichtung auch bei solchen widrigen Umständen und Umgebungsparametern das Verstellteil nicht bewegt, die bei der Verwendung eines herkömmlichen Verstellantriebs eine Bewegung des Verstellteils bewirken würden.
Aufgrund der Verwendung eines Piezoaktors ist die Bremsvorrichtung vergleichsweise wartungsarm und raumsparend. Da die Bremsvorrichtung auf die Motorwelle wirkt und in ein bereits bestehendes Getriebegehäuse integriert werden kann, ist der Bauraum des Verstellantriebs nicht erhöht.
In einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung ist der Piezoaktor als sogenannter Stack ausgebildet. Der Piezoaktor umfasst somit eine Anzahl von übereinander gestapelten Elektroden, zwischen denen ein piezoaktives Material elektrisch leitend angeordnet ist. Die Polarisationsrichtung des piezoaktiven Materials ist bei aufeinanderfolgenden Schichten entgegengesetzt. Insbesondere befinden sich jeweils die übernächsten der übereinander gestapelten Elektroden auf dem gleichen elektrischen Potential. Mittels geeigneter Ansteuerung der Elektroden ist es somit ermöglicht, die Ausdehnung des Piezoaktors in dessen Stapelrichtung zu verändern. Zwar ist hierbei die Längenänderung vergleichsweise gering, sie erfolgt jedoch mit einer vergleichsweise großen Kraft.
Zweckmäßigerweise ist ein derartiger Aktor mechanisch mit einem Bremsschenkel gekoppelt, der zur Ausbildung der Selbsthemmung des Verstellantriebs an der Motorwelle direkt oder indirekt anliegt. Mittels des Aktors wird der Bremsschenkel bei angesteuertem Elektromotor von der Motorwelle beabstandet. Die Bremsvorrichtung ist somit als eine Art Reibbremse ausgestaltet. Der Bremsschenkel ist geeigneterweise um eine, insbesondere zur Motorwelle parallele Achse schwenkbeweglich. Mittels des Aktors wird der Bremsschenkel zur Anlage an die Motorwelle verschwenkt. Beispielsweise liegt der Bremsschenkel hierbei an dessen Freiende, also an dem der Schwenkachse (Schwenkscharnier) oder Anlenkstelle abgewandten Schenkelende des Bremsschenkels in betätigtem Zustand der Bremsvorrichtung direkt oder indirekt an der Motorwelle an. Der Aktor ist hierbei zweckmäßigerweise von dem Freiende her in Richtung der Anlenkstelle versetzt, so dass die vergleichsweise geringe Längenausdehnung des Piezoaktors aufgrund der Hebelwirkung der Schwenkachse bzw. des Schwenkscharniers zu einer ausreichenden Beabstandung des Bremsschenkels von der Motorwelle in unbetätigtem Zustand der Bremsvorrichtung führt.
Vorteilhafterweise umfasst die Bremsvorrichtung zwei Bremsschenkel, zwischen denen die Motorwelle angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind die Bremsschenkel hierbei in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zu der Motorwelle verläuft. Auf diese Weise wird eine einseitige Belastung der Motorwelle und deren Aufhängung innerhalb des Elektromotors vermieden.
Zur Kostenreduzierung sind die beiden Bremsschenkel geeigneterweise über die Schwenkachse bzw. das Schwenkscharniers verbunden, so dass lediglich ein einziges Schwenkscharnier verwendet wird. Die Schwenkachse verläuft hierbei insbesondere parallel zur Motorwelle. Das Scharnier befindet sich vorzugsweise an einem Verbindungsschenkel, der die beiden Bremsschenkel verbindet. Auf diese Weise ist eine optimale Anlage der Bremsschenkel an der Motorwelle gewährleistet. Beispielsweise verlaufen die beiden Bremsschenkel im betätigten Zustand der Bremsvorrichtung im Wesentlichen parallel, und der Verbindungsschenkel senkrecht zur Welle. Die Schenkel sind somit im Wesentlichen U-förmig angeordnet.
Vorzugsweise befindet sich das Scharnier im Wesentlichen in der Mitte des Verbindungsschenkels. Folglich formen jeweils ein Bremsschenkel und der mit diesem verbundene Teil des Verbindungsschenkels bis zum Scharnier eine L-Form. Zum Lösen der Bremsvorrichtung von der Motorwelle wird hierbei jede L-Form um die Schwenkachse des Scharniers mittels des Aktors verschwenkt, so dass die aus den Bremsschenkeln und dem Verbindungsschenkel gebildete Form im Wesentlichen W-förmig ist. Auf diese Weise ist einerseits eine vergleichsweise einfache Funktionsweise der Bremsvorrichtung und somit eine kostengünstige Herstellung derselben gewährleistet. Andererseits führt die Bremswirkung der Bremsvorrichtung aufgrund der sich gegenseitig kompensierenden Momente der an der Motorwelle anliegenden Bremsschenkel zu keiner wesentlichen Belastung etwaiger Lager des Elektromotors.
Besonders bevorzugt ist das Scharnier als Biege- oder Filmscharnier ausgestaltet, mit insbesondere einer zu der Motorwelle parallel verlaufenden Schwenkachse. Auf diese Weise werden keine zusätzlichen Elemente zur Bereitstellung der Schwenkwirkung benötigt. Vielmehr wird eine elastische Verformung des Verbindungsteges zur Ausbildung des Scharniers herangezogen. Beispielsweise ist der Verbindungssteg über dessen gesamte Länge vergleichsweise elastisch. Zur Ausbildung einer definierten Biegestelle ist in den Verbindungssteg eine offene Aussparung zur Strukturschwächung eingebracht. Somit kann der Verbindungssteg vergleichsweise stabil sein, und lediglich im Bereich der Aussparung strukturell zur Ausbildung des Biege- oder Filmscharniers geschwächt sein.
Zweckmäßigerweise ist der Aktor innerhalb der Aussparung angeordnet. Bei einer Ansteuerung der Bremsvorrichtung wird folglich die Aussparung mittels des Piezoaktors aufgeweitet oder zumindest teilweise geschlossen. Auf diese Weise ist der Platzbedarf der Bremsvorrichtung vergleichsweise gering. Sofern der Piezoaktor als Stack ausgeführt ist, wird hierbei die vergleichsweise geringe Längenänderung des Piezoaktors in einen vergleichsweise großen Schwenkweg des Bremsschenkels an der Motorwelle überführt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bremsvorrichtung in mindestens drei Einstellungen angesteuert. Hierzu werden während des Betriebs des Verstellantriebs an den Piezoaktor unterschiedliche Spannungen angelegt, beispielsweise mindestens drei unterschiedliche Spannungen. Insbesondere liegt bei einer der Einstellungen der Bremsschenkel derart an der Motorwelle an, dass der Verstellantrieb selbst gehemmt ist. In einer weiteren der Einstellungen ist der Bremsschenkel vollständig von der Motorwelle beanstandet. Ferner liegt bei einer der Einstellungen der Bremsschenkel an der Motorwelle an, jedoch ist die Kraft, die den Bremsschenkel an die Motorwelle presst, zur Ausbildung einer Selbsthemmung zu gering.
Zweckmäßigerweise umfasst die Bremsvorrichtung eine vergleichsweise große Anzahl derartiger Einstellungen und ist insbesondere analog ansteuerbar. Mit anderen Worten kann die Bremsvorrichtung derart angesteuert werden, dass der Bremsschenkel jede Position zwischen der Selbsthemmung und der vollständigen Beabstandung von der Motorwelle einnimmt. Auf diese Weise ist es ermöglicht, die Drehzahl des Elektromotors mittels der Bremsvorrichtung zu steuern.
Zweckmäßigerweise liegt der Bremsschenkel im betätigten Zustand der Bremsvorrichtung über einen Reibbelag an der Motorwelle an. Der Reibbelag weist einen vergleichsweise großen Reibkoeffizienten auf und ist beispielsweise aus eifern anderen Material als der Bremsschenkel gefertigt. Bei der Betätigung der Bremsvorrichtung wird somit hauptsächlich der Reibbelag belastet, der beispielsweise aus einem elastisch oder plastisch verformbaren Kunststoff gefertigt ist. Auf diese Weise kann einerseits ein vergleichsweise stabiler Bremsschenkel aus einem starren Material gefertigt werden und andererseits eine Selbsthemmung aufgrund einer hohen Reibung zwischen dem Reibbelag und der Motorwelle realisiert werden. Ferner muss nach einer übermäßigen Beanspruchung des Reibbelags und der daraus resultierenden Beschädigung lediglich der Reibbelag und nicht der vollständige Bremsschenkel ausgetauscht werden, was zu einer Material- und Kostenersparnis führt.
Bevorzugt wird die Drehzahl des Elektromotors zumindest teilweise mittels der Bremsvorrichtung gesteuert oder geregelt. Insbesondere bei vergleichsweise geringen Drehzahländerungen wird die Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie unverändert belassen und lediglich der Wirkungsgrad des Verstellantriebs mittels der Bremsvorrichtung reduziert oder erhöht. Mit anderen Worten wird während des Betriebs des Elektromotors die Motorwelle mit Hilfe der Bremsvorrichtung variabel gebremst, um eine gewünschte Drehzahl des Elektromotors zu erhalten. Auf diese Weise ist es ermöglicht, eine Steuerschaltung des Elektromotors vergleichsweise einfach zu gestalten, was einerseits zu einer Kostenersparnis bei der Herstellung führt und andererseits die Fehleranfälligkeit der Steuerschaltung während des Einsatzes des Verstellantriebs minimiert.
Besonders bevorzugt wird die Drehzahl des Elektromotors bei einer Laständerung mittels der Bremsvorrichtung im Wesentlichen konstant gehalten. Beispielsweise wird die Motorwelle im Normalbetrieb mittels der Bremsvorrichtung teilweise gebremst. Bei einer auftretenden Schwergängigkeit, die beispielsweise von Umwelteinflüssen auf den Verstellantrieb oder mechanisch daran gekoppelten Elementen hervorgerufen wird, wird die Bremsung der Motorwelle reduziert. Auf diese Weise wirkt zwar die Schwergängigkeit drehzahlvermindernd auf den Elektromotor, aber dieser Einfluss auf den Verstellantrieb wird mittels der reduzierten Bremswirkung kompensiert. Dabei wird der Elektromotor kontinuierlich mit der gleichen Menge an elektrischer Energie versorgt. Ebenso kann bei einem auf den Verstellantrieb wirkenden Einfluss, der eine Erhöhung der Drehzahl des Elektromotors bedingen würde, die Motorwelle mittels der Bremsvorrichtung gebremst werden. Somit bleibt die Drehzahl des Elektromotors im Wesentlichen konstant, was zu einem angenehmen akustischen Eindruck eines Benutzers des Verstellantriebs führt.
Vorteilhafterweise wird mittels der Bremsvorrichtung die Drehzahl des Elektromotors gesteuert, wenn dieser gestartet wird. Hierbei wird der Elektromotor insbesondere mit der maximalen elektrischen Energie versorgt und die Bremsvorrichtung vergleichsweise langsam gelöst. Auf dies Weise nähert sich die Drehzahl des Elektromotors vergleichsweise langsam einer gewünschten Nenndrehzahl an. Dies führt zu einem angenehmen akustischen Eindruck auf den Benutzer des Verstellantriebs. Beispielsweise wird die Drehzahl mittels der Bremsvorrichtung gemäß einer Funktion angepasst. Insbesondere wird bei Beginn der Bestromung die Drehzahl vergleichsweise langsam erhöht und danach die Beschleunigung der Motorwelle konstant gehalten. Sobald die Drehzahl vergleichsweise groß ist, zum Beispiel 90% der Nenndrehzahl beträgt, wird die Beschleunigung kontinuierlich reduziert.
Zweckmäßigerweise wird bei bestromtem Elektromotor dessen Energieversorgung, also die an dem Elektromotor anliegende elektrische Spannung und/oder der elektrische Strom reduziert, wenn die Bremsvorrichtung maximal betätigt ist. Demnach wird die Ansteuerung des Elektromotors verändert, wenn mittels der Bremsvorrichtung der Wirkungsgrad des Verstellantriebs auf den kleinsten möglichen Wert eingestellt ist. Auf diese Weise werden einerseits eine Überbelastung des Verstellantriebs und eine etwaige mit einhergehende Überhitzung des Elektromotors vermieden als auch andererseits der Energieverbrauch des Verstellantriebs reduziert.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch einen Fensterheber als Verstellantrieb,
2 den Verstellantrieb mit einer Bremsvorrichtung in einer Schnittdarstellung von oben,
3 schematisch die Bremsvorrichtung in betätigtem Zustand, und
4 die unbetätigte Bremsvorrichtung gemäß 3.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mir den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch ein elektrischer Fensterheber 2 mit einer Fensterscheibe 4 dargestellt, wobei der Fensterheber 2 in einer Tür 6 eines Kraftfahrzeugs integriert ist. Die Fensterscheibe 4 wird mittels eines Verstellantriebs 8 entlang eines Verstellweges 10 verbracht. Der Verstellantrieb 8 umfasst einen Elektromotor 12, dem wellenseitig ein Schneckengetriebe 14 zugeordnet ist, mittels dessen die Rotationsbewegung des Elektromotors 12 in eine Translationsbewegung der Fensterscheibe 4 umwandelt wird. Der Elektromotor 12 wird von einer Steuerelektronik 16 mit elektrischer Energie versorgt, sobald ein Insasse des Kraftfahrzeugs eine Verstellbewegung der Fensterscheibe 4 entlang des Verstellwegs 10 mittels Betätigung eines Tasters 18 startet. Innerhalb der Steuerelektronik 16 ist ein Einklemmschutz integriert, der ein Einklemmen eines Objekts von der Fensterscheibe 4 verhindert, das sich innerhalb des Verstellwegs 10 befindet.
2 zeigt in einer Schnittdarstellung den Verstellantrieb 8, wobei die Steuerelektronik 16 innerhalb eines aus einem Kunststoff gefertigten Elektronik- und Getriebegehäuses 20 angeordnet ist. Über einen Versorgungsstecker 22 kann die Steuerelektronik 16 mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und einer Stromversorgung gekoppelt werden. Über elektrische Kontakte 24 ist der Elektromotor 12 mit der Steuerelektronik 16 elektrisch kontaktiert und mittels Schrauben 26 an dem Elektronikgehäuse 20 fixiert.
Der Elektromotor 12 umfasst einen Rotor 28, der über einen wellenseitigen Kommutator 30 und ein diesen bestreichendes Bürstensystem 32 mit den Kontakten 24 elektrisch verbunden ist und über diese bestromt wird. Der Rotor 28 weist eine Welle 34 auf, die mittels Lagern 36 drehbar gelagert und durch das Bürstensystem 32 geführt ist. Der Achszapfen 38 des Elektromotors 12, also derjenige Teil der Welle 34, der aus dem Elektromotor 12 herausragt, liegt in einer Aussparung 40 des Elektronikgehäuses 20 ein. Freiendseitig, also auf der dem Elektromotor 12 abgewandten Seite, ist an den Achszapfen 38 eine Schnecke 42 des Schneckengetriebes 14 angeformt. Diese kämmt mit einem Schneckenrad 44, dessen Rotationsachse senkrecht zur Motorwelle 34 verläuft. Mit dem Schneckenrad 44 steht die Fensterscheibe 4 über eine nicht gezeigte Seiltrommel in mechanischer Verbindung.
Der Wirkungsgrad des Schneckengetriebes 8 ist größer als 50%. Mit anderen Worten würde bei unbestromtem Elektromotor 12 ein infolge der Gewichtskraft der Fensterscheibe 4 hervorgerufenes Drehmoment auf das Schneckenrad 44 zu einer Rotation der Motorwelle 34 und somit zu einem Absenken der Fensterschiebe 4 führen.
Zwischen der Schnecke 42 und dem Bürstensystem 32 ist in der Aussparung 40 eine auf die Motorwelle 34 wirkende Bremsvorrichtung 46 angeordnet, die ebenfalls von der Steuerelektronik 16 angesteuert wird. Wenn der Elektromotor 12 nicht bestromt ist, wirkt die Bremsvorrichtung 46 maximal auf die Motorwelle 34 und hemmt diese derart, dass der Wirkungsgrad des Verstellantriebs 8 unterhalb von 50% liegt. Mit anderen Worten wird mittels der Bremsvorrichtung 46 die von der auf die Fensterscheibe 4 wirkenden Gewichtskraft hervorgerufene Drehung der Motorwelle 34 unterbunden. Sobald der Elektromotor 12 von der Steuerelektronik 16 bestromt wird, wird die Bremswirkung der Bremsvorrichtung 46 auf die Motorwelle 34 mittels der Steuerelektronik 16 reduziert und der Wirkungsgrad des Verstellantriebs 8 erhöht. Somit wird vergleichsweise wenig elektrische Energie zur Verbringung der Fensterscheibe 4 entlang des Verstellwegs 10 benötigt.
Die Bremsvorrichtung 46 wird bei einem Einsetzen der Bestromung des Elektromotors 12 nicht vollständig gelöst. Vielmehr erfolgt dies graduell, und die Drehzahl des Elektromotors 12 wird mittels Funktion an eine gewünschte Nenndrehzahl angepasst. Die Funktion ist insbesondere eine Gerade. Mit anderen Worten wird die Bremsvorrichtung 46 derart sukzessive gelöst, dass die Drehzahl des Elektromotors 12 kontinuierlich bis zum Erreichen der Nenndrehzahl steigt. Die dem Elektromotor 12 zugeführte elektrische Energie ist hierbei konstant.
Während des Normalbetriebs des Verstellantriebs 8 ist die Bremsvorrichtung 46 nicht vollständig gelöst. Vielmehr wird mittels der Bremsvorrichtung 46 – aufgrund einer Bremswirkung – der Wirkungsgrad des Verstellantriebs 8 reduziert. Sobald eine Schwergängigkeit auftritt, etwa eine temperaturbedingte geringfügige Verformung eines mechanischen Bauteils entlang des Kraftweges des Fensterhebers 24, wird die Bremsvorrichtung 46 gelöst und folglich der Wirkungsgrad des Verstellantriebs 8 erhöht. Daher bleiben in diesem Fall die Drehzahl des Elektromotors 12 und somit auch die Geschwindigkeit der Verstellbewegung der Fensterscheibe 4 im Wesentlichen konstant. Wenn die Schwergängigkeit überwunden wurde, wird die Motorwelle 34 erneut mittels der Bremsvorrichtung 46 abgebremst. Falls jedoch die Drehzahl des Elektromotors 12 trotz maximal betätigter Bremsvorrichtung 46 größer als die Nenndrehzahl sein sollte, so wird die Energiezufuhr zu dem Elektromotor 12 und daher auch dessen Drehzahl mittels der Steuerelektronik 16 reduziert.
In 3 und 4 ist schematisch in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Motorwelle 34 die Bremsvorrichtung 46 in betätigtem bzw. vollständig unbetätigtem Zustand dargestellt. Die Bremsvorrichtung 46 umfasst zwei im Wesentlichen quaderförmige Bremsschenkel 48 aus einem Metall, die sich senkrecht zu der Motorwelle 34 erstrecken und über einen ebenfalls senkrecht zu der Motorwelle 34 verlaufenden Verbindungsschenkel 50 miteinander verbunden sind. Der Verbindungsschenkel 50 ist hierbei an jeweils einem der Frei- oder Schenkelenden der Bremsschenkel 48 angeformt, sodass der Verbund aus dem Verbindungsschenkel 50 und den Bremsschenkel 48 im betätigten Zustand der Bremsvorrichtung 46 U-förmig ist. Die Motorwelle 34 ist dabei zumindest teilweise innerhalb des Verbundes angeordnet, und der Verbindungsschenkel 50 weist einen Abstand zur Motorwelle 34 auf. Dahingegen liegen die Bremsschenkel 48 an deren verbleibenden Freienden jeweils über einen Reibbelag 52 tangential an der Motorwelle 34 an. Der Reibungskoeffizient zwischen dem aus einem gummiartigen Kunststoff gefertigten Reibbelag 52 und der Motorwelle 34 ist vergleichsweise hoch, sodass im betätigten Zustand der Bremsvorrichtung 46 eine vergleichsweise große Haft- und/oder Gleitreibung zwischen diesen auftritt.
Der Verbindungsschenkel 50 weist mittig zwischen dessen beiden mit den Bremsschenkeln 48 verbundenen Enden ein Biege- oder Filmscharnier 54 auf, das durch eine erste Aussparung 56 und eine zweite Aussparung 58 gebildet wird. Die Aussparungen 56, 58 sind halbkreisförmig und in die der Motorwelle 34 ab- bzw. zugewandte Oberfläche des Verbindungsschenkels 50 eingebracht. Hierbei liegen die Mittelpunkte der Aussparungen 56, 58 auf einer Geraden, die sich durch den Mittelpunkt des Schnitts der Motorwelle 34 erstreckt und senkrecht zu dieser und dem Verbindungsschenkel 50 verläuft. Die Aussparungen 56, 68 sind offen. Die Breite der Aussparung ist somit im äußeren Bereich größer und verjüngt sich mit abnehmendem Abstand von der Mitte des Verbindungsschenkels 50.
Innerhalb der der Motorwelle 34 zugewandten zweiten Aussparung 58 ist ein Piezoaktor 60 angeordnet. Die Erstreckungsrichtung des als Stack ausgebildeten Piezoaktors 60 ist im unbetätigten Zustand der Bremsvorrichtung 46 parallel zu dem Verbindungsschenkel 50, wobei die jeweiligen Enden des Piezoaktors 60 fest mit dem Verbindungsschenkel 50 verbunden sind. Der Piezoaktor 60 weist eine Anzahl von abwechselnd übereinandergeschichteten Elektroden 62 und Schichten aus piezoaktivem Material 64 auf, wobei die Erstreckungsrichtung der Elektroden 62 und der Schichten aus piezoaktivem Material 64 senkrecht zu dem Verbindungsschenkel 50 angeordnet sind. Die jeweils übernächste Elektrode 62 befindet sich auf dem gleichen elektrischen Potential der ursprünglichen Elektrode 62. Mittels Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen den auf diese Weise gebildeten beiden Gruppen von Elektroden 62 wird eine Änderung der Längenausdehnung des Piezoaktors 60 herbeigeführt.
Wenn die Länge des Piezoaktors 60 mittels Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 62 vergrößert wird, wird die zweite Aussparung 58 aufgeweitet. Dabei wird die erste Aussparung 56 verkleinert und der Verbindungssteg 50 um eine Achse verbogen, die durch diesen zwischen den beiden Aussparungen 56, 58 und parallel zur Motorwelle 34 verläuft. Aufgrund der starren Verbindung zwischen den Bremsschenkeln 48 und dem Verbindungsschenkel 50 werden somit die Bremsschenkel 48 von der Motorwelle 34 weggeschwenkt und die Motorwelle 34 freigegeben.
Bei einer bestimmten elektrischen Spannung weist jeder Reibbelag 52 einen Abstand zu der Motorwelle 34 auf, wie in 4 gezeigt. Die Bremsvorrichtung 46 befindet sich somit im unbetätigten Zustand. Mit einer geeigneten Wahl der an den Elektroden 62 des Piezoaktors 60 angelegten elektrischen Spannung ist es möglich, die Bremsschenkel 48 in jede Position zwischen dem unbetätigten Zustand der Bremsvorrichtung 46 und dem maximalen Anpressdruck der Bremsschenkel 48 an der Motorwelle 34 zu erreichen, der bei einer minimalen Längenausdehnung des Piezoaktors 60 vorliegt.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Allgemein kann die piezo-betätigte Bremsvorrichtung entlang des Kraftweges zwischen dem Elektromotor 12 und dem Verstellelement 4 oder an diesem selbst angeordnet sein. So kann eine solche piezo-betätigte Bremsvorrichtung beispielsweise auch im Beriech des Schneckenrades 44 des Schneckengetriebes 14 vorgesehen sein. Bevorzugt ist bei einer solchen Variante der Piezoaktor zur radialen Spreizung des Achszapfens oder der Drehwelle des Schneckenrades 44 senkrecht zur Rotationsachse angeordnet. Auch kann eine insbesondere federbelastete, scherenartige Spreizvorrichtung innerhalb der Achsen- oder Zapfenausnehmung vorgesehen sein, die mittels des Piezoaktors betätigt wird. Hierbei befindet sich der Piezoaktor vorzugsweise auf der den Reibanlagen gegenüberliegenden Seite des Scherenscharniers zwischen dem zugeordneten Schenkelpaar.
Gemäß einer weiteren Variante kann eine üblicherweise auf der Welle bzw. Achse des Schneckenrades 44 angeordnete Seiltrommel mittels der piezo-betätigten Bremsvorrichtung gebremst oder gehemmt werden.
Bezugszeichenliste

2: Fensterheber
4: Fensterscheibe
6: Tür
8: Verstellantrieb
10: Verstellweg
12: Elektromotor
14: Getriebe
16: Steuerelektronik
18: Taster
20: Elektronikgehäuse
22: Steckverbinder
24: Kontakt
26: Schraube
28: Rotor
30: Kommutator
32: Bürstensystem
34: Welle
36: Lager
38: Achszapfen
40: Aussparung
42: Schnecke
44: Schneckenrad
46: Bremsvorrichtung
48: Bremsschenkel
50: Verbindungsschenkel
52: Reibbelag
54: Scharnier
56: erste Aussparung
58: zweite Aussparung
60: Piezoaktor
62: Elektrode
64: piezoaktives Material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19541118 A1 [0003]
DE 19854038 A1 [0003]
DE 3815356 A1 [0003]

Claims

Verstellantrieb (8) eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Fensterheber, mit einem über eine Motorwelle (34) eines Elektromotors (12) angetriebenen Getriebe (14), das einen Wirkungsgrad größer als 50% aufweist, und mit einer mittels eines Piezoaktors (60) betätigten, auf die Motorwelle (34) wirkenden Bremsvorrichtung (46) zur Herabsetzung des Wirkungsgrads auf unter 50% bei abgeschaltetem Motor (12).
Verstellantrieb (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (60) als Stack ausgebildet ist, der auf mindestens einen schwenkbeweglichen Bremsschenkel (48) zu dessen freiendseitiger Anlage an der Motorwelle (34) einwirkt.
Verstellantrieb (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (46) zwei derartige Bremsschenkel (48) umfasst, zwischen denen die Motorwelle (34) angeordnet ist.
Verstellantrieb (8) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bremsschenkel (48) mittels eines ein Scharnier (54) umfassenden Verbindungsstegs (50) verbunden sind, wobei das Scharnier (54) mittels des Piezoaktors (60) betätigt ist.
Verstellantrieb (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Scharnier (54) ein Biegescharnier ist, das von einer offenen Aussparung (56, 58) innerhalb des Verbindungsstegs (50) gebildet ist.
Verstellantrieb (8) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (60) innerhalb der Aussparung (58) angeordnet ist.
Verstellantrieb (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (46) mittels des Piezoaktors (60) in mindestens drei Einstellungen ansteuerbar ist.
Verstellantrieb (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Bremsschenkel (48) freiendseitig einen im betätigten Zustand der Bremsvorrichtung (46) an der Motorwelle (34) anliegenden Reibbelag (52) aufweist.
Verstellantrieb (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Elektromotors (12) mittels der Bremsvorrichtung (46) gesteuert ist.
Verstellantrieb (8) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Elektromotors (12) bei einer Laständerung mittels der Bremsvorrichtung (46) im Wesentlichen konstant gehalten ist.
Verstellantrieb (8) nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Anpassung der Drehzahl auf eine Nenndrehzahl mittels der Bremsvorrichtung (46) bei einem Start des Elektromotors (12).
Verstellantrieb (8) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch eine Reduzierung der Versorgung des Elektromotors (12) mit elektrischer Energie bei einer maximalen Bremswirkung der Bremsvorrichtung (46).