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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator zur Verstellung zumindest einer Stellkomponente in einem Kraftfahrzeug, umfassend zumindest ein mit der Stellkomponente zumindest indirekt in Wirkverbindung bringbares Stellelement, wobei das Stellelement mittels eines hydraulischen Antriebs aktuierbar ist.
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In Kraftfahrzeugen werden verschiedenartige Aktuatoren zur Verstellung verschiedenster Stellkomponenten eingesetzt. So offenbart die
DE 201 13 687 U1 einen Aktuator in Form eines elektrischen Stellantriebs für ein Kraftfahrzeug. Der Stellantrieb wird insbesondere dazu eingesetzt, eine an einem Turbolader angeordnete Stellkomponente zu verstellen. Es wird vorgeschlagen, dass in einem Kunststoffgehäuse ein Gleichstrommotor angeordnet wird. Eine Bewegung des Gleichstrommotors wird über ein Getriebe auf ein Stellelement übertragen.
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Derartige Aktuatoren setzen jedoch Systeme ein, bei denen zur Übertragung der Kräfte, die von einem elektrisch angetriebenen Motor bereitgestellt werden, verschiedene mechanische Getriebe basierend auf Zahnräder, Kurvenscheiben, Gewindespindeln und/oder Hebeln, eingesetzt werden. Diese Systeme weisen jedoch den Nachteil auf, dass mit ihnen vergleichsweise geringe Kräfte aufgebaut werden können und aufgrund der mit den Getriebeeinrichtungen einhergehenden Trägheiten schnelle Stellbewegungen verhindert werden. Auch führen diese Getriebesysteme zu einem komplizierten und damit fehleranfälligen Aufbau und einem hohen Verschleiß sowie Gewicht. Insbesondere die gewünschte Gewichtsreduzierung im Kraftfahrzeugbau hat zu einer immer geringeren Akzeptanz solcher mechanischer Aktuatoren geführt.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Aktuatoren bekannt, die auf einem hydraulischen Funktionsprinzip basieren. So offenbart beispielsweise die
DE 10 2004 047 103 A1 einen Turbolader, bei dem vorgeschlagen wird, dass zur axialen Verstellung von lageveränderbaren Elementen innerhalb des Turboladers gattungsgemäße, hydraulisch betriebene Stellelemente eingesetzt werden.
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Auch das in der
DE 10 2011 052 132 A1 offenbarte Schubumluftventil schlägt als Vorsteuerung ein gattungsgemäßes, hydraulisch angetriebenes Stellglied vor.
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Die in diesen Dokumenten vorgeschlagenen hydraulischen Aktuatoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass durch diese ebenfalls nicht die Anforderungen an hohe Kräfte bei gleichzeitig schnellen Stellwegen erreicht werden können.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäßen Aktuatoren derartig weiterzuentwickeln, dass die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere ein Aktuator bereitgestellt wird, der gleichzeitig hohe Kräfte bei schnellen Verstellwegen über einen großen Verstellwegebereich bereitstellt und gleichzeitig einen unkomplizierten, kompakten Aufbau aufweist, wodurch ein geringeres Gewicht und eine geringe Fehleranfälligkeit erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der hydraulische Antrieb als geschlossenes System ausgebildet ist.
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Dabei ist besonderes bevorzugt, dass der hydraulische Antrieb zumindest einen Zylinder umfasst, wobei der Innenraum des Zylinders mittels zumindest eines, vorzugsweise mit dem Stellelement in Wirkverbindung stehenden, insbesondere mit dem Stellelement verbundenen, ersten Kolbens in zumindest einen ersten Kammerbereich und zumindest einen zweiten Kammerbereich unterteilbar ist.
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Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass mittels zumindest einer Pumpeinrichtung, vorzugweise umfassend zumindest eine Zahnradpumpe, ein hydraulisches Medium von dem ersten Kammerbereich in den zweiten Kammerbereich und/oder von dem zweiten Kammerbereich in den ersten Kammerbereich beförderbar ist, wobei vorzugsweise die Pumpeinrichtung mit zumindest einem Motor, wie einem Gleichstrommotor, einem Schrittmotor, einem EC-Motor, und/oder einem elektrisch kommutierten Gleichstrommotor, wie einem BLCD- oder BL-Motor, vorzugsweise mittels zumindest einer Kupplungseinrichtung, in Wirkverbindung steht, insbesondere mit dem Motor verbunden ist und/oder den Motor umfasst.
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Ein erfindungsgemäßer Aktuator kann auch gekennzeichnet sein durch zumindest ein mit dem Innenraum des Zylinders, insbesondere dem ersten Kammerbereich und/oder dem zweiten Kammerbereich, in fluidaler Verbindung stehenden Speicherelement, wobei vorzugweise innerhalb der Speicherelements zumindest ein zweiter Kolben angeordnet ist, insbesondere ein Innenraum des Speicherelements in zumindest einen ersten Pufferbereich und zumindest einen zweiten Pufferbereich unterteilbar ist, wobei vorzugsweise der erste Pufferbereich fluidal mit dem ersten Kammerbereich und/oder der zweite Pufferbereich fluidal mit dem zweiten Kammerbereich verbindbar ist.
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Weiterhin kann ein erfindungsgemäßer Aktuator auch gekennzeichnet sein durch zumindest eine mit dem Stellelement, der Stellkomponente, dem ersten Kolben, dem zweiten Kolben, der Pumpeinrichtung, dem Motor und/oder der Kupplungseinrichtung in Wirkverbindung stehende Sensoreinrichtung.
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Bei der vorgenannten Ausführungsform ist besonders bevorzugt, dass der Aktuator aufweist zumindest eine mit der Pumpeinrichtung, dem Motor, und/oder der Kupplungseinrichtung in Wirkverbindung stehende Steuer- und/oder Regeleinrichtung, wobei mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Abhängigkeit von zumindest einem von der Sensoreinrichtung ausgegebenen Messwert, einem Steuersignal und/oder einem Parameter des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Brennkraftmachine und/oder der Stellkomponente des Kraftfahrzeugs, eine Position des Stellelements gesteuert und/oder geregelt einstellbar ist.
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Insbesondere ist ferner bevorzugt, dass die Stellkomponente zumindest eine Klappe, insbesondere Wastegateklappe eines Turboladers, und/oder zumindest ein Ventil, insbesondere ein Schubumluftventil, Drosselklappenventil und/oder Abgasrückführungsventil, umfasst.
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Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass das Stellelement zumindest eine Stellstange, zumindest einen Hebel, insbesondere zur Erzeugung einer Drehbewegung, und/oder zumindest einen Zug, wie einen Bowdenzug, umfasst.
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Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass in dem hydraulischen Aktuator als hydraulisches Medium zumindest eine Flüssigkeit umfassend zumindest ein Öl, Wasser, Alkohol, Ester, Glykol und/oder eine ionische Flüssigkeit verwendbar ist.
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Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Erfinder erkannt haben, dass die Kompaktheit eines hydraulischen Antriebs in einem Aktuator innerhalb eines Kraftfahrzeugs benutzt werden kann, um hohe Kräfte für die Verstellung einer Stellkomponente zu erreichen, wenn ein hydraulischer Antrieb als geschlossenes System ausgebildet ist. Dabei können nämlich diese hohen Kräfte auch gleichzeitig bei schnellen Verstellwegen über einen großen Verstellwegebereich erreicht werden. Die Verwendung des hydraulischen Antriebs haben ferner den Effekt, dass ein vergleichsweise kompakter und unkomplizierter Aufbau erreicht werden kann, der zu einer großen Ausfallsicherheit und einem geringen Gewicht des Aktuators führt. Die Geschlossenheit des Systems kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass ein Stellelement mit einem ersten Kolben verbunden wird. Durch einen elektrischen Motor kann dann eine Pumpe angetrieben werden, wobei mittels der Pumpe ein hydraulisches Medium, insbesondere eine Flüssigkeit, von einem ersten Kammerbereich in einen zweiten Kammerbereich des Zylinders und umgekehrt gepumpt werden kann, um eine Bewegung des Kolbens und damit des Stellelements zu erreichen. Dadurch wird erreicht, dass das Stellelement mit der gewünschten Verstellkraft über einen großen Verstellweg bewegt werden kann und damit eine gewünschte Verstellung einer Stellkomponente erreicht werden kann.
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Die Erfindung ist insbesondere geeignet, um in Kraftfahrzeugen mit einer Brennkraftmaschine, wie ein Ottomotor, als Stellkomponente eine Wastegate Klappe eines Abgasturboladers zu verstellen. Der erfindungsgemäße Aktuator ermöglicht es, die Verstellung der Wastegate Klappe in Abhängigkeit von einem bereitgestellten Steuersignal stufenlos mit einer hohen Geschwindigkeit in einem Verstellbereich zwischen zwei Anschlägen zu regeln bzw. zu steuern.
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Aufgrund des hydraulischen Prinzips wird die durch den Motor bzw. die Pumpe aufgebaute Energie an das hydraulische Medium übertragen, welches dann im Wesentlichen verlustfrei diese Energie bzw. Kraft auf das Stellelement überträgt. Im Vergleich zu mechanischen Aktuatoren wird somit also ein energetischer Vorteil erzielt. Dadurch, dass die mechanische Energie des Motors bzw. der Pumpe in eine Strömung umgewandelt wird, werden kleinere Baugrößen des Aktuators und damit wesentliche Gewichteinsparungen ermöglicht, ohne Einbußen im Hinblick auf die möglichen Stellkräfte bei hohen Stellgeschwindigkeiten. Dadurch, dass der hydraulische Antrieb als geschlossenes System ausgebildet ist, können im Wesentlichen beliebig hohe Kräfte bzw. Drücke in dem hydraulischen Medium aufgebaut werden, ohne dass zu befürchten ist, dass es zu einem Austritt von hydraulischen Medium, wie es bei ansonsten in Kraftfahrzeugen eingesetzten hydraulischen, offenen Antriebssysteme der Fall ist, kommt.
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Die Geschlossenheit des Systems wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass der erste Zylinder fluidal mit einem Speicherelement verbunden ist. So unterscheiden sich die Volumina der ersten und zweiten Kammerbereiche des Zylinders für die unterschiedlichen Positionen des Kolbens aufgrund der Verbindung des Kolbens mit dem Stellelement.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.
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Dabei zeigt:
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1 eine schematische Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Aktuators; und
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2 eine schematische Querschnittansicht des Aktuators der 1 aus Richtung A in 1.
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In 1 ist eine schematische Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Aktuators 1 dargestellt. Mittels des Aktuators 1 kann eine in der Figur nicht dargestellte Stellkomponente, wie eine Wastegate Klappe eines Turboladers, verstellt werden. Dazu weist der Aktuator 1 ein Stellelement in Form einer Stellstange 3 auf. Die Stellstange 3 ist mittels eines hydraulischen Antriebs 5 bewegbar.
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Wie nachfolgend erläutert wird, ist der hydraulische Antrieb 5 als geschlossenes System ausgebildet. Dies bedeutet, dass keine Verbindung des Inneren des hydraulischen Antriebs, in dem sich ein hydraulisches Medium befindet, zur äußeren Atmosphäre besteht, und darüber hinaus alle Innenräume des hydraulischen Antriebs mit dem hydraulischen Medium gefüllt sind, insbesondere keine (kompressiblen) Gas/-Luftfreiräume bestehen. Der hydraulische Antrieb 5 umfasst einen mit der Stellstange 3 verbundenen ersten Kolben 7. Der erste Kolben 7 ist in einem Zylinder 9 angeordnet.
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Der Innenraum des Zylinders 9 wird durch den Kolben 7 in einen ersten Kammerbereich 11 und einen zweiten Kammerbereich 13 unterteilt. Der erste Kammerbereich 11 weist eine erste Öffnung 15 auf, während eine zweite Öffnung 17 in den zweiten Kammerbereich 13 mündet. In einer Verbindungsleitung zwischen den Öffnungen 15, 17 ist eine Pumpeinrichtung in Form einer Zahnradpumpe 19 angeordnet. Die Zahnradpumpe 19 ist über eine Kupplungseinrichtung 21 mit einem Motor in Form eines Gleichstrommotors 23 verbunden. Die Kupplungseinrichtung 21 erfüllt insbesondere die Funktion eines Getriebes für eine Unter- bzw. Übersetzung. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Über- bzw. Untersetzungsverhältnis der Kupplungseinrichtung 21 veränderbar ist.
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Wie insbesondere 1 zu entnehmen ist, wird ein Teil des Volumens des ersten Kammerbereichs 11 durch den Teil der Stellstange 3 eingenommen, die in den Kammerbereich 11 hineinragt. Damit unterscheidet sich das Volumen des ersten Kammerbereichs 11 vom Volumen des zweiten Kammerbereichs 13. Um diese Volumenunterschiede auszugleichen, weist der Aktuator 1 ferner ein Speicherelement 25 auf. Das Speicherelement 25 kann in Form eines Zylinders ausgebildet sein, in dem ein zweiter Kolben 27 angeordnet ist.
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Mittels des Kolbens 27 wird ein Innenraum des Speicherelements 27 in einen ersten Pufferbereich 29 und einen zweiten Pufferbereich 31 unterteilt.
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In 2 ist eine Querschnittsansicht des Aktuators 1 aus Richtung A in 1 dargestellt. Die 2 ist insbesondere die Zahnradpumpe 19, der erste Zylinder 9 mit den darin angeordneten ersten Kolben 7, sowie das Speicherelement 25 in darin angeordneten Kolben 27 zu erkennen.
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Im folgenden wird nun die Funktionsweise des Aktuators 1 erläutert.
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Der Aktuator 1 ist insbesondere für Fahrzeuge mit aufgeladenem Ottomotor geeignet. Mittels des Aktuators 1 wird die Menge des Abgases, die zum Antreiben des Abgasturboladers notwendig ist, gesteuert bzw. geregelt. Dazu wird mittels des Aktuators 1 eine stufenlose Regelung der Abgasmenge mittels einer stufenlosen Verstellung einer Klappe erreicht. Um die genau Position der Stellstange 3 zu steuern bzw. zu regeln, weist der Aktuator 1 eine nicht dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung auf. Anhand der von einer Sensoreinrichtung gelieferten Messwerten wird die Drehzahl der Zahnradpumpe 19 entsprechend geregelt bzw. gesteuert. Die Sensoreinrichtung umfasst insbesondere einen in der Stellstange 3 angeordneten Magneten 33 und einen in einem Gehäuse 34 des Aktuators angeordneten Magnetfeldsensor 35. Mittels der Regel- und/oder Steuereinrichtung wird der Motor 23 bzw. ein Über- bzw. Untersetzungsverhältnis der Kupplungseinrichtung 21 verändert. Zur genauen Positionierung der Stellstange 3 ist also an der Stellstange 3 ein Magnet 33 angeordnet, wobei im Zylinderkopf des Aktuators 1 ein Magnetsensor 35 plaziert ist. Der Magnetsensor 35 liefert die Position der Stellstange 3 an die Regel- und/oder Steuereinrichtung die unter Berücksichtigung weiterer Informationen, insbesondere Betriebszustände der nicht dargestellten Brennkraftmaschine, den Gleichstrommotor 23 ansteuert.
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Wird an dem Gleichstrommotor 23 eine Spannung angelegt, beginnt der Motor 23 in Abhängigkeit der Polung zu rotieren. Diese Rotation wird über die Kupplungseinrichtung 21 auf die Zahnradpumpe 19 übertragen. Dadurch rotieren die Zahnräder in der Zahnradpumpe 19 und fördern das in dem ersten Kammerbereich 11 vorhandene hydraulische Medium in den zweiten Kammerbereich 13. Dadurch wird der Kolben 7 und damit die Stellstange 3 in eine Richtung nach oben bewegt. Diese Bewegung endet, sobald der Kolben 7 einen Anschlag im oberen Bereich des Aktuators 1 erreicht.
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Soll die Stellstange in die entgegengesetzte Richtung verfahren werden, wird die Polung am Gleichstrommotor 23 umgekehrt, so dass der Gleichstrommotor 23 nun in eine entgegengesetzte Richtung rotiert. Die Zahnräder der Zahnradpumpe 19 rotieren damit ebenfalls in entgegengesetzter Richtung, so dass das hydraulische Medium nun von dem zweiten Kammerbereich 13 in den ersten Kammerbereich 11 befördert wird. Dies bewirkt wiederrum, dass der Kolben 7 sich in der 1 nach unten bewegt, solange, bis ein unterer Anschlag innerhalb des Zylinders 9 erreicht ist.
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Durch den Teil der Stellstange 3, der in den ersten Kammerbereich 11 hineinragt sind die Volumina des ersten Kammerbereichs 11 des zweiten Kammerbereichs 13 ungleich. Die Differenz der Volumina wird jedoch durch das Speicherelement 25 ausgeglichen. Erreicht der erste Kolben 7 einen oberen Anschlag, so ist das Volumen des hydraulischen Mediums in der Kammer 11 ebenfalls minimal während es bei einer unteren Position des Kolbens 7 maximal ist. Das Volumen des zweiten Pufferbereichs 31 verhält sich entgegengesetzt.
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Darüber hinaus ermöglicht es das Speicherelement 25, dass Volumenänderungen des hydraulischen Mediums, beispielsweise aufgrund von Temperaturveränderungen ausgeglichen werden können. Darüber hinaus können auch hydraulische Medien eingesetzt werden, die eine geringere Temperaturabhängigkeit aufweisen, wie ionische Flüssigkeiten.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 3
- Stellstange
- 5
- hydraulischer Antrieb
- 7
- erster Kolben
- 9
- Zylinder
- 11
- erster Kammerbereich
- 13
- zweiter Kammerbereich
- 15
- erste Öffnung
- 17
- erste Öffnung
- 19
- Zahnradpumpe
- 21
- Kupplungseinrichtung
- 23
- Gleichstrommotor
- 25
- Speicherelement
- 27
- zweiter Kolben
- 29
- erster Pufferbereich
- 31
- zweiter Pufferbereich
- 33
- Magnet
- 34
- Gehäuse
- 35
- Sensor
- A
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20113687 U1 [0002]
- DE 102004047103 A1 [0004]
- DE 102011052132 A1 [0005]
