DE3931824A1

DE3931824A1 - Electric adjustment element for vehicular automatic speed regulation - has electromagnetic clutch driven directly from shaft of self-restraining ultrasonic motor for throttle flap setting

Info

Publication number: DE3931824A1
Application number: DE19893931824
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Ring
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1989-09-23
Filing date: 1989-09-23
Publication date: 1991-04-04

Abstract

The ultrasonic motor (1) is excited by AC voltages from an electronic generator (2) at 39 to 41 kHz. Its shaft (3) is coupled by the electromagnetic clutch (4) to a drum (5) which drives a traction band (6) for positioning of the throttle lever or flap. The drum (5) carries also the wiper (7) of a position feedback potentiometer (8) linked to the electronic speed regulator. When the engine is idling, the clutch (4) is de-energised leaving the driven element free to rotate. The motor (1) is self-restraining in the event of control failure. ADVANTAGE - Noise emission and wear are reduced.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Stellglied zur Ge schwindigkeitsregelung eines Kraftfahrzeugs nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrical actuator for Ge speed control of a motor vehicle according to the upper Concept of claim 1.

Derartige elektrische Stellglieder sind dazu vorgesehen, auf Befehl eines elektronischen Reglers ein Gasgestänge eines Kraftfahrzeugs in einer der gewünschten Fahrgeschwindigkeit entsprechenden Stellung zu halten und bei Geschwindigkeits abweichungen durch Verstellung einen Ausgleich herbeizufüh ren. Die Stellglieder werden konstruktiv als eine geschlos sene und kompakte Baugruppe ausgelegt.Such electrical actuators are provided on Command of an electronic regulator on a throttle linkage Motor vehicle in one of the desired driving speed keep appropriate position and at speed to compensate for deviations by adjustment Ren. The actuators are constructively closed as one designed and compact assembly.

Bei einem bekannten elektrischen Stellglied der eingangs genannten Gattung ist als Stellkrafterzeuger ein Gleichstrom motor mit Kohlebürsten, ein mit diesem gekuppeltes mehrstu figes Stirnradgetriebe sowie eine Kupplung mit einer Klapp ankermechanik vorgesehen, welche das Getriebe mit einem Ab triebselement mit Stellungsrückmeldung - Getriebepotentio meter - verbindet. Das Getriebe untersetzt die relativ hohe Drehzahl des Gleichstrommotors, um die erforderliche Stellkraft zu erzeugen. Das Getriebe ist mit Stirnrädern, deren schnell laufende Räder zur Geräuschdämpfung schrägverzahnt ausgelegt sind, verhältnismäßig aufwendig. Trotzdem arbeitet das elektri sche Stellglied nicht so geräuscharm, daß es in dem Fahrgast raum angeordnet werden kann. Die elektromagnetische Kupplung, die nach dem Stand der Technik für derartige elektrische Stell glieder in der Regel als Klappankermechanik ausgebildet sein kann, bringt ein Getrieberitzel des Getriebes mit einem der übrigen Getrieberäder in Eingriff, um die kraftschlüssige Ver bindung zwischen der Motorwelle und dem Abtriebselement herzu stellen. Als Abtriebselement kann eine Bandtrommmel oder ein Ritzel oder aber ein Hebel zur Drosselklappenverstellung vor gesehen sein. Die elektromagnetische Kupplung soll als Schnell trennkupplung das Gasgestänge bzw. die Drosselklappe von der An triebseinheit trennen, damit die Drosselklappe beispielsweise bei Bremsvorgängen schnell in die Leerlaufstellung durch eine Rückstellfeder an der Drosselklappe zurückgestellt werden kann.In a known electrical actuator of the beginning the type mentioned is a direct current generator motor with carbon brushes, a multi-stage coupled with this figes spur gear and a clutch with a folding Anchor mechanism provided, which the gearbox with an Ab actuator with position feedback - gearbox potentio meter - connects. The transmission reduces the relatively high Speed of the DC motor to the required actuating force to create. The gear is with spur gears, their fast Running wheels with helical teeth for noise reduction are relatively expensive. Nevertheless, the electri works cal actuator not so quiet that it is in the passenger space can be arranged. The electromagnetic clutch, according to the prior art for such electrical actuators links usually be designed as a hinged anchor mechanism can bring a gear pinion of the gearbox with one of the other gears engaged to the positive Ver bond between the motor shaft and the output element put. A belt drum or a can be used as the output element Pinion or a lever for throttle valve adjustment be seen. The electromagnetic clutch is said to be fast disconnect the throttle linkage or the throttle valve from the on Disconnect the drive unit so that the throttle valve, for example when braking quickly into the neutral position by a Return spring on the throttle valve can be reset.

Dieses zum Stand der Technik gehörende Stellglied hat die Nach teile der nicht zu vernachlässigenden Geräuschentwicklung und des Verschleißes einzelner seiner Komponenten.This actuator belonging to the prior art has the after parts of the not insignificant noise development and the wear of individual components.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Stellglied der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß dieses geräusch- und verschleißarm ist.The present invention is therefore based on the object an electrical actuator of the type mentioned above to further develop that this is low in noise and wear.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung des Stellgliedes mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.This task is accomplished by training the actuator the features mentioned in the characterizing part of claim 1 solved.

Der als elektromotorisches Antriebselement vorgesehene selbst hemmende Ultraschallmotor weist bei vergleichbarer Baugröße wie ein herkömmlicher Gleichstrommotor eine wesentlich geringere Drehzahl und höheres Drehmoment auf, so daß auf ein Getriebe verzichtet werden kann.Vielmehr ist in unkomplizierter Weise die Motorwelle direkt mit der elektromotorischen Kupplung verbunden. Es werden also Bauaufwand und Bauvolumen für das Getriebe einge spart. Da der Ultraschallmotor selbsthemmend ist, braucht er im Haltefall nicht bestromt zu werden. Daraus ergibt sich eine Energieeinsparung im Vergleich zu dem Gleichstrommotor. Auch im Betriebsfall zeichnet sich der Ultraschallmotor durch einen guten Wirkungsgrad und damit eine verhältnismäßig geringe elek trische Leistungsaufnahme aus.That provided as an electromotive drive element itself inhibiting ultrasonic motor has a comparable size as a conventional DC motor a much smaller one Speed and higher torque, so that on a gear Rather, it can be done in an uncomplicated manner Motor shaft directly connected to the electromotive coupling. So there are construction costs and volume for the gearbox saves. Since the ultrasonic motor is self-locking, it needs not to be energized when stopped. This results in one Energy saving compared to the DC motor. Also in Operating case, the ultrasonic motor is characterized by a good efficiency and thus a relatively low elec power consumption.

Der eingesetzte Ultraschallmotor (ultrasonic wave motor), zum Beispiel Modell USR-60 der Firma Shinsei, Japan, hat ein typi sches Drehmoment von ca. 40 Ncm bei 100 U/min. Sein Kraftniveau liegt damit in der gleichen Höhe wie ein bisher üblicher Gleich strommotor mit mehrstufigem Getriebe als elektromotorische An triebseinheit. Die Funktion des Ultraschallmotors beruht auf dem Piezo-Effekt von Quarzen, die bei einer angelegten elektri schen Spannung ihre geometrische Länge ändern. Diese Längenän derung wird in dem Ultraschallmotor als Durchbiegung in einen ringförmigen geschlitzten Messingkörper eingeleitet. Durch zwei überlagerte Schwingfrequenzen, bei denen die Quarze bei etwa 40 kHz angeregt werden, kann in dem geschlitzten Messingring eine langsam fortlaufende Welle erzeugt werden, die auf den Rotor übertragen wird und damit dessen Drehbewegung verursacht.The ultrasonic wave motor used to Example model USR-60 from Shinsei, Japan, has a typi cal torque of approx. 40 Ncm at 100 rpm. His level of strength is therefore at the same level as a previous equal electric motor with multi-stage gear as electromotive drive drive unit. The function of the ultrasonic motor is based on the piezo effect of quartz crystals, which are applied to an electri tension change their geometric length. These lengths Change is in the ultrasonic motor as a deflection in one ring-shaped slotted brass body initiated. Divided by two superimposed oscillation frequencies, at which the quartz at approx 40 kHz can be excited in the slotted brass ring a slowly progressing wave is generated, which on the Rotor is transmitted and thus causes its rotation.

Nach Fortfall des Getriebes wird die Antriebseinheit des elek trischen Stellgliedes nach Anspruch 2 vorzugsweise zusätzlich vereinfachend mit einer kompakten elektromagnetischen Kupplung aufgebaut, die einen Stator, einen Rotor, eine zu diesem kon zentrisch gelagerte Abtriebswelle, die mit einer axial weichen und torsionssteifen Federscheibe in Verbindung steht, sowie ein axial bewegliches Rückschlußelement zwischen dem Rotor und der Federscheibe in einem annähernd zylindrischen Gehäuse umfaßt. Mit dem Rotor der elektromagnetischen Kupplung ist die Motor welle direkt verbunden. - Hierdurch sind die Verluste bei der Übertragung des Motormoments auf die Kupplung minimiert.After the transmission has ceased, the drive unit of the elek tric actuator according to claim 2 preferably additionally simplifying with a compact electromagnetic clutch built up, a stator, a rotor, one to this con Centrally mounted output shaft with an axially soft and torsionally stiff spring washer, as well as a axially movable yoke element between the rotor and the Includes spring washer in an approximately cylindrical housing. With the rotor of the electromagnetic clutch is the motor shaft connected directly. - As a result, the losses at Transmission of the engine torque to the clutch minimized.

Ein besonders günstiger Dimensionierungsbereich des erfindungs gemäß eingesetzten Ultraschallmotors ist in Anspruch 3 angege ben.A particularly favorable dimensioning range of the invention according to the ultrasonic motor used is specified in claim 3 ben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is described below a drawing with two figures explained. Show it:

Fig. 1 eine Gesamtansicht auf das Stellglied als Seitenan sicht, teilweise geschnitten, und Fig. 1 is an overall view of the actuator as Seitenan view, partially sectioned, and

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Bestandteil des Stell gliedes, nämlich die elektromagnetische Kupplung. Fig. 2 shows a longitudinal section through a component of the actuator, namely the electromagnetic clutch.

In Fig. 1 ist das elektrische Stellglied mit einem Ultraschall motor 1 dargestellt, der aus einer Motorelektronik 2 gespeist wird. Die Motorelektronik erzeugt die den Ultraschallmotor er regenden Spannungen von 40 kHz +/- 1 kHz und wird durch einen nicht dargestellten elektronischen Geschwindigkeitsregler an gesteuert. Eine Motorwelle 3 des Ultraschallmotors ist mit einer elektromagnetischen Kupplung 4, und zwar mit deren Rotor verbunden wie weiter unten in Verbindung mit Fig. 2 besprochen wird. Als Abtriebselement dient eine Bandtrommel 5, die über ein Zugband 6 mit einem nicht dargestellten Gasge stänge bzw. einer Drosselklappe in Verbindung steht. Die Band trommel wird von der elektromagnetischen Kupplung angetrieben, ebenso wie ein Schleifer 7 eines Rückmeldepotentiometers 8, der wiederum mit dem elektronischen Geschwindigkeitsregler elektrisch verbunden ist. Die elektromagnetische Kupplung, die Bandtrommel, ein Teil des Zugbandes sowie das Rückmeldepotentiometer mit Schleifer sind in einem teilweise aufgebrochen dargestellten Gehäuse 9 untergebracht. Die Motorelektronik, der Ultraschall motor und die in dem Gehäuse 9 untergebrachten Komponenten des Stellgliedes bilden eine sehr kompakte Einheit. In Fig. 1, the electrical actuator with an ultrasonic motor 1 is shown, which is fed from a motor electronics 2 . The motor electronics generates the voltages of 40 kHz +/- 1 kHz that excite the ultrasonic motor and is controlled by an electronic speed controller (not shown). A motor shaft 3 of the ultrasound motor is connected to an electromagnetic clutch 4 , specifically to its rotor, as will be discussed below in connection with FIG. 2. A belt drum 5 is used as the output element, which is connected via a drawstring 6 to a gas rod (not shown) or a throttle valve. The tape drum is driven by the electromagnetic clutch, as is a grinder 7 of a feedback potentiometer 8 , which in turn is electrically connected to the electronic speed controller. The electromagnetic clutch, the belt drum, part of the drawstring and the feedback potentiometer with grinder are housed in a housing 9 shown partially broken away. The motor electronics, the ultrasonic motor and the components of the actuator housed in the housing 9 form a very compact unit.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich wie die Motorwelle 3 mit dem Rotor 10 der elektromagnetischen Kupplung direkt verbunden ist. Der Rotor ist gegenüber einem gehäusefesten Stator 11 mit Spule 11a axial unverschiebbar angeordnet. Eine zentrale Bohrung in dem Rotor zur Aufnahme der Motorwelle ist mit 12 bezeichnet. Dem scheibenförmigen Teil des Rotors steht ein scheibenförmiges Rückschlußelement 13 gegenüber, welches auf der dem Rotor zu gewandten Seite einen Reibbelag 14 aufweist. Auf der entgegen gesetzten Seite des axial beweglichen Rückschlußelements befin det sich eine Federscheibe 15, die mit einem scheibenförmigen Abtriebselement 16 in Verbindung steht. Die Federscheibe ist axial weich, aber torsionssteif. Das Abtriebselement 16, wel ches axial unverschiebbar ist, geht in eine Abtriebswelle 17 über. - Die Abtriebswelle 17 steht in Fig. 1 mit der Bandtrom mel 5 und dem Rückmeldepotentiometer 8 in Verbindung.From Fig. 2 it can be seen how the motor shaft 3 is directly connected to the rotor 10 of the electromagnetic clutch. The rotor is arranged axially immovably relative to a stator 11 with coil 11 a fixed to the housing. A central bore in the rotor for receiving the motor shaft is designated by 12 . The disk-shaped part of the rotor is opposed by a disk-shaped yoke element 13 which has a friction lining 14 on the side facing the rotor. On the opposite side of the axially movable yoke element is a spring washer 15 , which is connected to a disk-shaped output element 16 . The spring washer is axially soft, but torsionally rigid. The output element 16 , which is axially immovable, merges into an output shaft 17 . - The output shaft 17 is in Fig. 1 with the Bandtrom mel 5 and the feedback potentiometer 8 in connection.

Zur Verstellung des Gasgestänges bzw. der Drosselklappe über das Zugband 6 wird der Ultraschallmotor 1 mit ultraschallfre quenten Spannungen betrieben, wobei sich die Motorwelle 3 in beiden Drehrichtungen wahlweise drehen kann. Die elektromag netische Kupplung 4 ist hierbei geschlossen und überträgt die Drehbewegung der Motorwelle 3 auf die Bandtrommel und den Schleifer des Rückmeldepotentiometers. Hierzu ist die Spule 11a bestromt, so daß das Rückschlußelement 13 eine kraftschlüs sige Verbindung zu dem Rotor herstellt. Die Rotordrehung wird über den Reibbelag 14 und die Federscheibe 15 auf das Abtriebs element 16 mit der Abtriebswelle 17 übertragen. - Wenn das Gas gestänge bzw. die Drosselklappe in die Leerlaufstellung unter der Einwirkung einer nicht dargestellten Rückstellfeder an der Drosselklappe zurückgefahren werden soll, wird die elektro magnetische Kupplung entregt, so daß das Abtriebselement frei, d. h. ohne Reibschlußverbindung zu dem Rotor gedreht werden kann. Der Rotor kann dabei durch den Ultraschallmotor, der bei fehlen der Steuerung selbsthemmend ist, festgehalten bleiben, ohne die Rückstellbewegung der Drosselklappe zu stören. Die Selbsthem mung des Ultraschallmotors 1 bei fehlender Ansteuerung hält im übrigen die Drosselklappe in einer einmal eingestellten Posi tion, so lange nicht wegen gewünschter Geschwindigkeitsänderungen oder Belastungsänderungen des Kraftfahrzeuges eine ausgleichende Verstellung der Drosselklappe durch den Geschwindigkeitsregler befohlen wird.To adjust the throttle linkage or the throttle valve via the drawstring 6 , the ultrasonic motor 1 is operated with ultrasonic frequencies, the motor shaft 3 being able to rotate in either direction of rotation. The electromagnetic clutch 4 is closed and transmits the rotary movement of the motor shaft 3 to the belt drum and the grinder of the feedback potentiometer. For this purpose, the coil 11 a is energized so that the yoke element 13 creates a positive connection to the rotor. The rotor rotation is transmitted via the friction lining 14 and the spring washer 15 to the output element 16 with the output shaft 17 . - If the gas rod or the throttle valve is to be retracted into the idle position under the action of a return spring, not shown, on the throttle valve, the electromagnetic clutch is de-energized so that the output element can be rotated freely, ie without a frictional connection to the rotor. The rotor can be held by the ultrasound motor, which is self-locking if the control system is missing, without disturbing the return movement of the throttle valve. The self-inhibition of the ultrasonic motor 1 in the absence of control also keeps the throttle valve in a position once set, as long as a compensating adjustment of the throttle valve is not commanded by the speed controller because of desired changes in speed or changes in load on the motor vehicle.

Claims

1. Electrical actuator for speed control of a motor vehicle, with an actuating force generator, which comprises an electromotive drive unit, and with an electromagnetic clutch ( 4 ) between the actuating force generator and an output element ( 16 ), which can be connected to a gas linkage, characterized in that as electromotive drive element a self-locking ultrasonic motor ( 1 ) is provided, the motor shaft ( 3 ) is connected directly, ie without a gear, to the electromotive clutch.

2. Electrical actuator according to claim 1, characterized in that the electromagnetic clutch ( 4 ) has a stator ( 11 ), a rotor ( 10 ), an output shaft ( 17 ) which is mounted concentrically therewith and which has an axially soft and torsionally rigid spring washer ( 15 ) is connected, and includes an axially movable yoke element ( 13 ) between the rotor and the spring washer and that the motor shaft ( 3 ) is connected directly to the rotor ( 10 ) of the electromagnetic clutch ( 4 ).

3. Electrical actuator according to claim 1 or claim 2, characterized by an ultrasonic motor ( 1 ), the torque-dependent speed is in the range of 0 to about 200 rpm.