DE3516383C2 - Druckfluidbeaufschlagter Drehantrieb für Stellorgane - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen druckfluidbeaufschlagten Drehan­ trieb für Stellorgane der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Stellantriebe werden in großer Stückzahl im Kraftfahrzeugbau verwendet. Hier dienen sie vor allem zum Stellen von Verriege­ lungen wie beispielsweise Türverriegelungen, Verriegelungen von Tankstutzendeckeln und Kofferraumhauben und zur Aggregat­ steuerung, wie beispielsweise zur Auf-Zu-Steuerung des Ab­ sperrventils für die Fahrgastraumbeheizung.

Es sind Stellantriebe bekannt, bei welchen die Stellmembran durch Federkraft in ihrer Ruhestellung gehalten und entweder durch Überdruck oder durch Unterdruck in ihre Arbeitsstellung überführt wird. So beschreibt die DE-OS 17 03 843 eine Steu­ ervorrichtung zur gleichzeitigen Verriegelung von mehreren Klappen oder Türen von Fahrzeugen. Dabei wird über einen Re­ gler mit Entnahme am Getriebe des Fahrzeuges ein Kolben be­ tätigt, welcher sich auf eine verformbare Membran abstützt, die ihrerseits über einen Hydraulikkreislauf auf die Membranen von federvorgespannten Riegelkolben einzelner Verriegelungs­ einheiten wirkt. Diese Verriegelungsvorrichtung ist ebenfalls vom Fahrzeuginneren her über ein Handsteuerorgan, dessen Stellstange als Zahnstange ausgebildet ist und einen Kolben beaufschlagt betätigbar. Der Kolben stützt sich wiederum auf eine verformbare Membran, die bei Betätigung des Kolbens über den gleichen hydraulischen Kreislauf auf die federvorgespann­ ten Riegelkolben wirkt. An der als Zahnstange ausgebildeten Stellstange ist ein Zahnrad angeordnet welches der Ver­ riegelung der Stellstange dient, um ein unbeabsichtigtes Entriegeln der einzelnen ansteuerbaren Riegeleinheiten zu verhindern.

Des weiteren sind Stellantriebe bekannt, bei denen an die Stellstange abtriebseitig ein Kipphebel angelenkt ist, der seinerseits an das Stellorgan angeschlossen wird. Dieser Kipp­ hebel dient dazu, die translatorische Hubbewegung der Stell­ stange in eine Drehbewegung zum Steuern des Stellorgans umzu­ wandeln. Bei Verwendung eines derartigen Kipphebelmechanismus wird die Kippbewegung auch auf die Stellstange und damit auf die Membran übertragen, was sich zumindest bei einer hohen Steuerfrequenz nachteilig auf die Lebensdauer der Membran aus­ wirkt.

So beschreibt die DE 33 29 171 A1 einen Drehantrieb für Arma­ turen, insbesondere für Drosselklappen. Dieser Drehantrieb besteht aus mindestens einem fluidisch, linear arbeitenden Druck-/Kraft-Wandler, der über eine Koppel eine Kurbel bewegt. Das der Kurbel abgewandte Ende der Koppel ist dabei starr mit dem Membranteller einer als Druck-/Kraft-Wandler verwendeten federgefesselten Membran verbunden. Nachteilig an diesem Dreh­ antrieb ist zum einen das relativ große Gehäuse des Drehan­ triebes, das neben Membran und Koppel die Rückstellfeder des federgefesselten Membranantriebes in sich aufnimmt. Ein wei­ terer Nachteil dieses bekannten Drehantriebes ist die lineare Kraftübertragung durch eine starr mit dem Membranteller ver­ bundene Koppel. Bei Druckbeaufschlagung der Membran wirkt die Koppel auf die Kurbel, wodurch die Koppel aus ihrer Längsmit­ telachse ausgelenkt wird und einen vom rechten Winkel abwei­ chenden Winkel zum Membranteller bildet. Durch dieses auf die elastische Membran ausgeübte Kippmoment verkürzt sich die Le­ bensdauer der Membran erheblich und macht sie für den Einsatz in Drehantrieben mit großen Schalthäufigkeit ungeeignet.

Aus der US 2 945 475 ist ein Stellantrieb bekannt, bei welchem über ein Druckfluid eine Arbeitsscheibe oder eine Membran li­ near verstellbar ist, die mit einem Stellorgan in Form einer Zahnstange oder einem Kipphebel ausgerüstet ist, um diese li­ neare Kraft zu übertragen.

Es ist auch bekannt, die Stellstange in einer am Arbeitsge­ häuse ausgebildeten Hülse axial zu führen. In diesem Fall wird zwar die Membran weitgehend von der Kippbewegung des Kipphe­ bels isoliert, dafür wird aber die Führungshülse durch die Kippkomponente in der Hubbewegung der Stellstange stark bela­ stet, und es besteht die Gefahr, daß die Führungshülse aus­ schlägt. Dies ist vor allem deshalb problematisch, da dann die Stellstange in der ausgeschlagenen Hülse zum Verkanten neigt, wodurch die einwandfreie Funktionsweise des Stellantriebs ge­ fährdet ist.

Ein weiterer Nachteil der bekannten, mittels eines Kipphebels an das Stellorgan anzuschließenden Stellantriebes betrifft die Montage bei der Fließbandfertigung. Hierbei sind immer zwei Arbeitsschritte oder Handgriffe erforderlich, um den Stellan­ trieb am Stellorgan anzuschließen. In einem ersten Schritt muß das Gehäuse des druckfluidbeaufschlagten Stellantriebs orts­ fest gegenüber dem Stellorgan befestigt werden und es ist ein zweiter Arbeitsschritt erforderlich, um den Kipphebel des Stellantriebs am Stellorgan kraftschlüssig anzukoppeln. Insbe­ sondere mit Hinblick auf die Serienfertigung im Kraftfahrzeug­ bau erweist sich diese Art des Anschlusses als aufwendig, nicht zuletzt deshalb, weil hier auf den Einsatz von Montage­ robotern verzichtet werden muß.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten druckfluidbeauf­ schlagten Drehantrieb zu schaffen, der bei reduziertem Platz­ bedarf einfach am Stellorgan angeschlossen werden kann und eine verbesserte Standzeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Drehantrieb nach der Lehre des Patentanspruches 1 gelöst.

Dieser erfindungsgemäß vorzugsweise im Kraftfahrzeugbau einge­ setzte Drehantrieb benötigt relativ wenig Platz beim Einbau. Der Platzbedarf gegenüber bekannten Stellantrieben ist um etwa 40% reduziert. Die kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Antriebs folgt aus der Verwendung eines Zahnstangengetriebes, das äußerst platzsparend in einem gemeinsamen Gehäuse für den gesamten Antrieb mit der vom Druckfluid beaufschlagten Membran untergebracht ist. Gerade mit Hinblick auf hohe Schaltfrequen­ zen weist dieser Stellantrieb eine große Funktionssicherheit auf, da das als Zahnstange ausgeführte Stellorgan seine mem­ brangesteuerte Hubbewegung frei von Kippkomponenten ausführt.

Durch Verwendung des Zahnstangengetriebes läßt sich die axiale Führung der Zahnstange in einfachster Weise realisieren. So genügt es beispielsweise, die mit einem Zahnrad des Getriebes in Kämmeingriff stehende Zahnstange diesem Kämmeingriff gegen­ überliegend durch einen Nocken zu führen, der von der Innen­ wandung des Zahnstangengetriebegehäuses vorstehend an diesem Gehäuse ausgebildet ist.

Die einfachste Ausführung des Zahnstangengetriebes sieht neben der Zahnstange lediglich ein einziges von der Zahnstange ge­ kämmtes Zahnrad vor, das mit einem geeigneten Anschlußelement zur kraftschlüssigen Ankopplung an das Stellorgan versehen ist. Üblicherweise ist am Stellorgan eine Stellachse in Form einer Vierkantachse vorgesehen. In diesem Fall ist es ausrei­ chend, am Abtriebszahnrad eine zur Zahnradachse koaxiale kom­ plementäre Ausnehmung vorzusehen, in welche die Vierkantachse über eine Ausnehmung im Zahnstangengetriebegehäuse eingesetzt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht Koppelorgane vor, die am Getriebegehäuse, vor allem am Ar­ beitsgehäuse ausgebildet sind und auf komplementäre, ortsfeste Koppelorgane unter gleichzeitiger Ausbildung einer zumindest kraftschlüssigen Ankopplung des abtreibenden Ausgangs des Zahnstangengetriebes an das Stellorgan aufsteckbar oder auf­ schiebbar sind. Ein dergestalt von Seiten des Gehäuses und des Zahnstangengetriebes zum Anschluß an das Stellorgan vorberei­ teter Drehantrieb erlaubt eine einfache Fließbandmontage unter Einsatz einer prozeßrechnergesteuerten Maschine, da lediglich ein einziger, simpler Arbeitsschritt, nämlich eine Aufsteck- oder Aufschiebbewegung erforderlich ist, um die Halterung mit dem funktionsgemäßen Anschluß des Drehantriebs herzustellen.

Zur Realisation der Koppelorgane stehen dem Fachmann ohne wei­ teres unzählige Möglichkeiten zur Verfügung. So können bei­ spielsweise im Bereich des Stellorgans Schienen vorgesehen sein, wobei die dazu komplementär ausgebildeten Koppelorgane am Antriebsgehäuse die Form von Schienenaufnehmern aufweisen, die zumindest im wesentlichen parallel zur Anschlußachse des Stellorgans und zur Achse des Antriebszahnrad des Zahnstangen­ getriebes verlaufen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, sämtliche Teile des Drehantriebs ein­ schließlich des Antriebsgehäuses aus Kunststoff herzustellen. Vorzugsweise besteht das vom Arbeitsgehäuse und vom Zahnstan­ gengetriebegehäuse gebildete Antriebsgehäuse aus zwei Kunst­ stoffschalen, welche über ein elastisches Kunststoffscharnier oder Schwächungsscharnier miteinander verbunden sind. Die bei­ den Gehäuseschalen sind randseitig mit Rastorganen versehen, so daß das Zahnstangengetriebe zusammen mit der Membran durch Verrasten der beiden Kunststoffschalen verkapselbar sind. Be­ sonders vorteilhaft ist dabei, daß diese beiden über eine ela­ stische Verbindung zusammenhängenden Gehäusekunststoffschalen bei der Spritzgußherstellung in einem Takt spritzbar sind.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher er­ läutert werden; die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung in Seitenansicht, teilweise im Axialschnitt.

Die Membran 10 ist in einem Arbeitsgehäuse 30 angeordnet, an welchem ein Getriebegehäuse 21 einstückig angeformt ist. Der nicht dargestellte untere Teil des Arbeitsgehäuses 30 bildet einen Druckraum, der in bekannter Weise über einen Anschluß­ stutzen mit einem unter Überdruck oder Unterdruck stehenden Druckmittel beaufschlagbar ist. Eine Arbeitsscheibe 11 ist in die Membran 10 einvulkanisiert oder an die Membran anvulkani­ siert. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Drehantrieb Teil einer Auf-Zu-Steuerung für das Heizungsabsperrventil eines Kraftfahrzeugs, wobei das unter Unterdruck oder Überdruck in den Druckraum des Arbeits­ gehäuses 30 zugeführte Druckfluid Luft ist. Bei Unterdruckbe­ aufschlagung werden die Membran 10 und die Arbeitsscheibe 11 in Richtung auf den nicht dargestellten Boden des Arbeitsge­ häuses gezogen. Bei Druckbeaufschlagung werden die Membran 10 und die Arbeitsscheibe 11 in Richtung auf den Deckel 33 des Arbeitsgehäuses 30 gezwungen. In der Figur ist die Arbeits­ scheibe 11 in ihrer unter Überdruckbeaufschlagung höchstmögli­ chen Arbeitsstellung gezeigt, in welcher sie an den Deckel 33 des Arbeitsgehäuses 30 anschlägt.

Die Arbeitsscheibe 11 ist starr mit einer Stellstange in Form einer Zahnstange 22 verbunden. Aus Dichtigkeitsgründen weist die Membran 10 im Bereich des Fußes der Zahnstange 22 einen Kragen 12 auf, der dicht am Zahnstangenfuß anliegt.

Die Zahnstange 22 bildet den Antriebsteil eines Zahnstangenge­ triebes 20, das im in der Figur dargestellten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung lediglich noch ein Abtriebszahnrad 23 auf­ weist, das über die Hälfte seines Umfangs mit einer Verzahnung 26 versehen ist. Die Verzahnung 26 wird von der Verzahnung 25 der Zahnstange 22 gekämmt und im Zentrum des Antriebsrades bzw. des Antriebszahnrades ist eine quadratische Aussparung für einen abtreibenden Ausgang 29 vorgesehen, die mit einer nicht dargestellten Aussparung im Getriebegehäuse 21 fluchtet und dem Anschluß einer Vierkantachse dient, welche mit einem Stellorgan verbunden ist.

Die Kontur des Getriebegehäuses 21 ist platzsparend an die Form des Zahnstangengetriebes 20 angepaßt und weist demnach im Bereich der Zahnstange 22 einen zylindrischen Hülsenbereich 28 auf. An der Innenwandung des zylindrischen Hülsenbereichs 28 ist ein von der Innenwandung vorstehendes Führungselement 24 in Form eines Nocken vorgesehen, welches zur axialen Führung der Zahnstange 22 beiträgt. Zu diesem Zweck ist das Führungs­ element 24 dem Zahnradkämmeingriff des Zahnstangengetriebes 20 gegenüberliegend an der Innenwandung des zylindrischen Hülsen­ bereiches 28 angeordnet und weist eine verrundete Führungsflä­ che auf. Durch die getroffenen Führungsmaßnahmen führt die Zahnstange 22 bei Druckfluidbeaufschlagung der Membran 10 eine axiale Hubbewegung aus, die frei von Kippkomponenten ist.

Auf dem Deckel 33 des Arbeitsgehäuses 30 sind Koppelorgane 31, 32 ausgebildet. Diese Koppelorgane 31, 32 oder Kulissenführun­ gen erstrecken sich in Form von Schienenaufnehmern zu beiden Seiten des Getriebegehäuses 21 und verlaufen parallel zur Achse des Abtriebszahnrads 23. Diese Koppelorgane 31, 32 in Form von Schienenaufnehmern dienen der ortsfesten Ankopplung des Getriebegehäuses 21 und des Arbeitsgehäuses 30 im Bereich des Kraftfahrzeugstellorgans. Die Koppelorgane sind kraftfahr­ zeugseitig komplementär zu den Koppelorganen 31, 32 in Form von Schienenaufnehmern als Schienen ausgebildet. Durch die axiale Ausrichtung der Koppelorgane 31, 32 mit dem Antriebs­ zahnrad 23 wird gleichzeitig mit dem Aufsteckvorgang des Ge­ triebegehäuses 21 und des Arbeitsgehäuses eine kraftschlüssige Ankopplung des abtreibenden Ausgangs 29 des Zahnstangengetrie­ bes 20 erreicht, das heißt, der mit dem Stellorgan verbundene Vierkantzapfen greift in die Vierkantausnehmung des abtreib­ enden Ausganges 29 des Abtriebszahnrads 23 ein, sobald das Ge­ triebegehäuse 21 und das Arbeitsgehäuse 30 mit seinen Koppel­ organen 31, 32 in Form von Schienenaufnehmern in die kraft­ fahrzeugseitig vorgesehenen Schienen eingeführt ist. Auf diese Weise erfordert die funktionsgerechte Montage des Drehantriebs lediglich einen einzigen Handgriff und es muß lediglich noch der Druckschlauch auf den Anschlußstutzen im Unterteil des Arbeitsgehäuses 30 aufgesteckt werden.

Claims (6)

1. Druckfluidbeaufschlagter Drehantrieb für Stellorgane, insbesondere für Ventile, Klappen, Sperren und Verriege­ lungen, mit einer axial verschiebbaren Stellstange, die von einer in einem Arbeitsgehäuse einen druckdichten Ar­ beitsraum abschließenden und vom Druckfluid beaufschlag­ baren Membran stellbar ist, wobei über die Stellstange ein abtriebseitiges Stellorgan rotatorisch beaufschlagbar ist und wobei an dem Arbeitsgehäuse ein Getriebegehäuse angeformt ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgen­ der Merkmale:

• a) die Stellstange ist als axial geführte Zahnstange (22) ausgebildet;
• b) die Umsetzung der translatorischen Bewegung der Stellstange in eine rotatorische Bewegung erfolgt über ein in dem Getriebegehäuse (21) drehbar gelagertes Zahn­ rad (23), das mit der Zahnstange (22) in kämmendem Ein­ griff steht; und
• c) der im Arbeitsgehäuse (30) durch die Membran (10) abgeteilte Arbeitsraum ist sowohl mit Unterdruck als auch mit Überdruck beaufschlagbar und zwar so, daß die Membran (10) bei Unterdruckbeaufschlagung in Richtung auf einen Boden des Arbeitsgehäuses (30) gezogen und bei Überdruck­ beaufschlagung in Richtung auf einen Deckel (33) des Ar­ beitsgehäuses (30), durch den hindurch die Stellstange aus dem Arbeitsgehäuse (30) herausgeführt ist, gezwungen wird.

2. Drehantrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein von der Zahnstange (22) angetriebenes Abtriebszahnrad (23) und mindestens ein von der Innenwandung des Getrie­ begehäuses (21) vorstehendes Führungselement (24), das zur axialen Führung der Zahnstange (22) dem Zahnradkämm­ eingriff gegenüberliegend im Zahnstangenbereich angeord­ net ist.

3. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch am Arbeitsgehäuse (30) ausgebildete Koppelorgane (31, 32), die auf komplementäre, ortsfeste Koppelorgane unter gleichzeitiger Ausbildung einer zumindest kraftschlüssi­ gen Ankopplung des abtreibenden Ausgangs (29) des Zahn­ stangengetriebes (20) an das Stellorgan aufsteckbar oder aufschiebbar sind.

4. Drehantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelorgane Schienen und dazu komplementäre Kop­ pelorgane (31, 32) in Form von Schienenaufnehmern sind, die zumindest im wesentlichen parallel zur Achse eines Abtriebszahnrades (23) des Zahnstangengetriebes (20) ver­ laufen.

5. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Arbeitsgehäuse (30) und vom Getriebegehäuse (21) gebildete Antriebsgehäuse (30, 21) aus zwei über ein elastisches Kunststoffscharnier miteinander verbundenen Kunststoffschalen besteht, die unter Verkapselung des Zahnstangengetriebes (20) und der Membran (10) miteinan­ der verrastbar sind.

6. Verwendung des Antriebs nach einem der Ansprüche 1 bis 5 im Kraftfahrzeugbau, vor allem im Rahmen der Heizungs­ steuerung.