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Technischer
Hintergrund der Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Servoaktuatoren (Betätigungsgeräte), die
eine mechanische Ausgangsgröße, etwa
die Verdrehung einer Welle in Abhängigkeit von der Erregung eines
elektrischen Antriebsmotors liefern. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf Dreh-Aktuatoren,
die von einem Niederspannungsmotor, wie einem kleinen, verhältnismäßig schnell
laufenden Motor kleiner Leistung von der Bordenergieversorgung eines
Kraftfahrzeugs aus, typischerweise in dem Bereich von 12 V bis 24 V,
angetrieben wird. Elektrisch betätigte
Servoaktuatoren haben sich für
verschiedene Anwendungen an Bord eines Kraftfahrzeugs als zweckmäßig erwiesen.
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Bei einer Anwendung bestand der Wunsch, das
Luft-Drosselventil
eines Kraftfahrzeugmotors, typischerweise in Form eines Klappenventils
durch einen elektrisch betätigten
Servoaktuator anstelle eines mechanischen Gestänges zu betätigen, das mit einem unmittelbar
von dem Fahrer des Kraftfahrzeuges betätigten Drosselklappenpedal
verbunden ist. Diese Art von Einrichtung ist als „drive
by wire"-System bekannt, weil
das Drosselklappenpedal des Kraftfahrzeugs einen elektrischen Wandler
verwendet, der ein elektrisches Signal an eine elektrische Steuereinheit
liefert, die ein elektrisches Ausgangtreibersignal an einen motorbetätigten Aktuator
abgibt, um die Drosselklappe zu bewegen. Solche Einrichtungen haben
den Vorteil, dass das elektronische Steuergerät, das von dem Fahrer des Kraftfahrzeug kommende
Drosselklappenpedalsignal in dem Fall übersteuern kann, dass der Betrieb
des Kraftfahrzeugs gefährdet
würde oder
der Fahrer eine Motorbetriebsweise anfordert, die zu unlässig großen Abgasemissionen
oder zu einem Verlust von Radantriebsleistung führen würde. Darüber hinaus lässt die elektrische
Betätigung
der Drosselklappe unmittelbar durch einen motorisierten Aktuator
das Bedürfnis nach
einem eigenen Drosselklappenaktuator für den automatisch gesteuerten
Fahrbetrieb (Cruise Control) des Kraftfahrzeugs entfallen.
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Wenn ein elektrisch betätigter Drosselklappen-Servoaktuator für Kraftfahrzeugsanwendungen vorgesehen
wird, ist es notwendig für
ein automatisches Drosselklappenrückstellen oder -schließen Vorsorge
zu treffen. Insbesondere ist es zweckmäßig, Vorkehrungen für eine automatische
oder Selbstrückstellung
des Servoaktuators in eine Ausgangsdrosselklappenstellung verringerter Öffnung oder
geschlossenen Zustands für
den Fall des Versagens des Servoaktuatormotors zu treffen.
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Typischerweise ist der Drosselklappen-Servoaktuator
für den
Fall des Versagens des Elektromotors mittels einer Feder in eine
Rückstell-
oder geschlossene Drosselklappenstellung hin vorgespannt. Um aber
genügend
Drehmoment zu haben, um den ganzen Aktuatormechanismus, bspw. einen
Getriebeuntersetzungsstrang, im Rückstellsinn anzutreiben, ist
eine beträchtliche
Kraft der Rückstellfeder
erforderlich, um die Reibung des Aktuatorantriebsmechanismus zu überwinden.
Dies führt
zu zusätzlichen Ausgangsleistungsanforderungen
an den Servoaktuator, um zusätzlich
zur Bewegung der Drosselklappe die Rückstellfeder abzubiegen oder
aufzuziehen.
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Bei anderen Anwendungen ist es zweckmäßig, ein
Ventil zur Regelung des Zustroms von erwärmtem Motorkühlmittel
zu dem Heizkörper
zum Aufheizen der Luft in der Fahrgastkabine eines Kraftfahrzeugs
zu steuern. Bei einer solchen Anwendung wird angestrebt, ein numerisch
hohes Drehzahluntersetzungsverhältnis
zur feinfühligen
Steuerung der Ventilklappenstellung zu verwenden. Um eine solche Steuerung
zu erreichen, wird von einem verhältnismäßig kleinen Motor, der einen
niedrigen Strom von etwa 10 A oder weniger bei Betrieb an einer
12 V bis 24 V Quelle aufnimmt, ein beträchtliches Ausgangsdrehmoment
gefordert. Diese Drehmomentanforderungen machen einen Schneckengetriebeantrieb
zur bevorzugten Einrichtung, um eine hohe Untersetzung bei einer
minimalen Zahl von Zahnrädern
bei minimalem Kostenaufwand zu erzielen. Bei einem Motorausfall
während
des Betriebes ist es aber erforderlich, dass das Ventil zu der voll
geöffneten
Stellung hin vorgespannt ist, so dass sich eine maximale Beheizung
der Fahrgastkabine ergibt, um so die Fahrgäste des Kraftfahrzeugs vor
extremer Kälteeinwirkung
zu schützen.
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Wenn ein von einer Schnecke angetriebener Räderzug für einen
Einsatzzweck zur Erzeugung einer Drehbetätigung verwendet wird, ist
es praktisch unmöglich,
den Antrieb des Räderzugs
mit einer Feder umzukehren, weil das auf das mit der Schnecke in
Eingriff stehende, angetriebene Zahnrad ausgeübte Drehmoment den Antrieb
der Schnecke bei allen zur Erzielung der gewünschten Zahnradübersetzung praktisch
brauchbaren Steigungswinkeln der Schnecke nicht umkehren kann.
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Demgemäß besteht ein Wunsch danach,
einen Weg oder Mittel zur Verwendung einer motorisch angetriebenen
Schnecke zum Antrieb eines Räderzugs
in einem Servoaktuator zur Erzeugung einer Drehbewegungsausgangsgröße, wie
etwa zur Steuerung des Öffnens
und Schließens
der Kraftfahrzeugdrosselklappe oder des Heizkörperventils in Abhängigkeit
von elektrischen Steuersignalen zu schaffen und für eine Rückstellung
und eine Selbstrückkehr
in eine jeweils gewünschte
Stellung im Falle des Ausfalls des Antriebsmotors Vorkehrungen zu
treffen. Die US-A 4,237,742 beschreibt eine elektrisch steuerbare
Stellvorrichtung zur Steuerung der Stellung eines Gashebels in einem
Kraftfahrzeug, wobei diese Vorrichtung in Gestalt eines motorisch
angetriebenen, mit einem Schneckentrieb versehenen Aktuators vorliegt,
der selbst in eine Ausgangsstellung zurückkehren kann und einen Motor
aufweist, welcher mit einer Ausgangswelle mit einer darauf angeordneten
Antriebsschnecke ausgestattet ist. Ein Schneckenrad steht mit der
Antriebsschnecke in Eingriff und wird von dieser angetrieben, während eine
elektromagnetische Kupplung zwischen dem Schneckenrad und einem
Zahnradsegment eines Schwenkarmes liegt, der auf einem Stellhebel
schwenkbar gelagert und mit diesem fest verbunden ist. Wenn die
Erregerspannung der Magnetspule der elektormagnetischen Kupplung
unterbrochen wird, wird die elektromagnetische Kupplung ausgekuppelt,
womit eine Rückstellfeder
den Stellhebel in seine Nullstellung zurückbewegt. Eine elektromagnetische
Kupplung ist aber ein verhältnismäßig teueres
Element und benötigt
zu ihrer Erregung elektrische Steuermittel.
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Demgemäß besteht der Wunsch billige Wege
oder Mittel zu schaffen, um eine motorisch angetriebene Schnecke
zum Antrieb eines Räderzuges in
einem Servoaktuator zur Erzeugung einer Dreh-Ausgangsgröße wie etwa
zur Steuerung des Öffnens
und Schließens
der Kraftfahrzeugdrosselklappe oder des Heizkörperventils in Abhängigkeit von
elektrischen Steuersignalen zu schaffen und für den Fall des Ausfalls des
Antriebsmotors Vorkehrungen für
eine Rückstellung
und selbsttätige
Rückkehr in
eine jeweils gewünschte
Stellung zu treffen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen motorgetriebenen Servoaktuator, der einen schneckengetriebenen
Zahnradzug dazu verwendet, die Verdrehung einer Ausgangswelle zu
erzeugen und der eine automatische Selbstrückkehr des Ausgangselementes
in eine gewünschte
oder Ausgangstellung im Falle eines Motorausfalls während des
Betriebes gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung schafft einen motorbetätigten schneckengetriebenen
Aktuator zur Verdrehung einer Ausgangswelle, der von einem verhältnismäßig schnell
laufenden Kleinmotor betätigt wird,
welcher an einer Quelle verhältnismäßig niederer
Spannung betrieben wird, wie sie an Bord eines Kraftfahrzeuges vorhanden
ist. Die vorliegende Erfindung schafft einen schnell laufenden Kleinmotor,
der an einer bordeigenen Kraftfahrzeugenergiequelle niedriger Spannung
betrieben werden kann und der ein federvorgespanntes Ausgangszahnrad
aufweist, das ein Sektorzahnrad trägt, welches durch ein Ritzel auf
der gleichen Welle wie die Schnecke angetrieben wird. Das Ausgangszahnrad
steht in Eingriff mit einem Eingangs-Sektorzahnrad, das an einem
Untersetzungszahnrad einer ersten Stufe befestigt ist, welches von
der Motorschnecke kontinuierlich angetrieben ist. Von einer Ausgangsstellung
aus verdreht das Zahnrad der ersten Stufe das Eingangs-Sektorzahnrad
so weit bis das Sektorzahnrad außer Eingriff mit dem Ausgangszahnrad
kommt, worauf das Ritzel mit dem Ausgangssektorzahnrad in Eingriff
kommt, um die Drehbewegung des Aktuators durch das Ritzel anstelle der
Schnecke fortzusetzen.
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Die Wahl des Eingangs-Sektorzahnrads
und des Ausgangs-Sektorzahnrads
erlaubt die Verwendung einer Untersetzung der Schnecke für eine Anfangsbewegung
des Ausgangszahnrads worauf anschließend der Antrieb auf den Eingriff
des Ritzels in das Ausgangs-Sektorzahnrad übergeht. Das von dem Ritzel
angetriebene Ausgangszahnrad kann durch eine geeignete Torsionsfeder
leicht rückgestellt werden,
wodurch eine selbstrückstellende
Betriebsweise im Falle eines Motorversagens erreicht wird.
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Bei der gegenwärtig bevorzugten praktischen
Ausführungsform
sind das Ritzelrad und das Ausgangszahnrad schräg verzahnt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Servoaktuator, wobei das
Gehäuse
zur Veranschaulichung des Innenraums teilweise weggebrochen ist
und
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2 ist
ein Schnittbild, längs
der den Schnitt anzeigenden Linien 2-2- der 1
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Bezugnehmend auf 1 ist die erfindungsgemäße Aktuatoreinrichtung
allgemein mit 10 bezeichnet und weist einen Kasten oder
Gehäuse 12 auf,
in dem ein Antriebsmotor 14 angeordnet ist, der vorzugsweise
einer verhältnismäßig schnell
laufenden Kleinmotorbauart niedriger Spannung ist und der an einer
Niederspannungsquelle in der Größenordnung
von 12 V bis 24 V arbeiten kann. Der Motor weist zwei an ihm befestigte
elektrische Anschlussleitungen 15 auf, die von der Außenseite
des Gehäuses 12 her
zum Anschluss an ein (nicht dargestelltes) Steuergerät zugänglich sind.
Auf der Ausgangswelle 16 des Motors 14 sind eine
Antriebsschnecke 18 und koaxial dazu ein kegelig verzahntes
Antriebsritzel 20 angeordnet, wobei beide Teile drehfest
auf der Welle 16 befestigt sind.
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Ein Untersetzungszahnrad 22 der
ersten Stufe weist eine Anzahl Zähne 24 auf,
die rings um den ganzen Umfang angeordnet sind, aber von denen lediglich
einige Zähne
in der Zeichnung veranschaulicht sind. Das Zahnrad 22 der
ersten Stufe ist an dem Gehäuse 12 um
einen Zapfen oder um eine Welle 25 drehbar gelagert, wobei
die Zähne 24 in Dauereingriff
mit der Antriebsschnecke 18 stehen.
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Dem Zahnrad 22 der ersten
Stufe ist ein in koaxialer Anordnung mit umlaufendes Eingangs-Sektorzahnrad 26 zugeordnet
auf dem Zähne 28 längs eines
zweckentsprechenden Bogensegmentes des Umfanges angeordnet sind.
Das Sektorzahnrad 26 kann, falls gewünscht, einstückig mit
dem Zahnrad 22 ausgebildet sein.
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An dem Gehäuse ist um einen Zapfen oder um
eine Achse 32 drehbar ein Ausgangszahnrad 30 gelagert,
wobei das Ausgangszahnrad 30 eine Anzahl Zähne 34 trägt, die
um dessen ganzen Umfang herum ausgebildet sind.
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Dem Ausgangszahnrad 30 ist
koaxial dazu ein Bogensektor kegelig verzahnter Zähne zugeordnet,
der mit gestrichteltem Umriss durch das Bezugszeichen 36 angegeben
ist. Das kegelig verzahnte Ausgangs-Sektorzahnrad 36 kann
mit dem Ritzel 20 in Eingriff kommen, wenn das Zahnrad 30 entweder im
Uhrzeiger- oder im Gegenuhrzeigersinn von der 1 dargestellten Stellung bis zu dem gestrichelten Umriß verdreht
wird, der das Ende der Verzahnung des Ausgangs-Sektorzahnrads 32 angibt.
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Bezugnehmend auf 2 ist dort der Eingriff der Ritzelverzahnung 20 mit
dem kegelig verzahnten Sektorzahnrad 36 mit ausgezogenen
Linien und in größerem Detail
dargestellt.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine Torsionsfeder 40 mit
einem Ende 42 gegen einen einen in dem Gehäuse vorgesehenen
Stift 44 aufweisenden Anschlag abgestützt, während das andere Ende der Feder 44 um
einen Stift 46 gebogen ist, der auf der Oberseite des Zahnrades 30 angeordnet
ist und sich von diesem aus axial erstreckt. Die Torsionsfeder 40 ist
bei der Ausführungsform
nach 1 so angeordnet,
dass bei einer Verdrehung des Zahnrads 30 im Gegenuhrzeigersinn
die Feder aufgewickelt wird, um auf das Zahnrad 30 ein
größeres Drehmoment
im Uhrzeigersinn auszuüben.
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Im Betrieb verdreht zu Beginn der
Erregung bei in der in 1 gezeigten
Stellung stehendem Ausgangszahnrad die Schnecke 18 das
Zahnrad 22 der ersten Stufe und das Eingangs-Sektorzahnrad 28,
das mit den Zähnen 34 in
Eingriff steht und bewirkt, dass das Ausgangszahnrad 30 in
eine Stellung verdreht wird, in der das Ritzel 20 mit den
Zähnen 36 des
kegelig verzahnten Sektorzahnrads in Eingriff kommt; die Zähne 28 des
Eingangs-Sektorzahnrads kommen nunmehr außer Eingriff mit den Zähnen 34 des
Ausgangszahnrads. Bei fortgesetzter Weiterdrehung der Motorwelle
treibt das Ritzel 20 das Ausgangs-Sektorzahnrad 36 direkt
an, während
das Eingangs-Sektorzahnrad 28 mit den Zähnen 34 nicht in Eingriff
steht und das Zahnrad 30 nicht antreibt.
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Bei der Anwendung auf eine Kraftfahrzeugdrosselklappe wäre das (nicht
dargestellte) Drosselklappenventil mit dem Ausgangszahnrad 30 verbunden,
wobei die Verdrehung des Ausgangs-Sektorzahnrads 30 nicht
ausreichen würde, um
die Kraftfahrzeugdrosselklappe wesentlich zu öffnen; und daran anschließend würde im Falle
eines Motorversagens die Rückstellfeder 40 das
Zahnrad in die Ausgangseingriffstellung des kegelig verzahnten Sektorzahnrads 36 zurückdrehen,
womit die Drosselklappe in die Ausgangs- oder geschlossene Drosselklappenstellung
zurückkehren
würde,
weil die Zähne 34 mit
dem Eingangs-Sektorzahnrad 28 außer Eingriff kommen. Es versteht
sich, dass, wenn die Zähne 28 des
Eingangs-Sektorzahnrades mit den Ausgangszahnradzähnen 34 nicht
in Eingriff stehen, die Feder ein ausreichend großes Drehmoment
hat, um das Zahnrad 30 und das Motorritzel und die Motorwelle 16 zu
verdrehen.
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Die vorliegende Erfindung schafft
somit einen kostengünstigen,
zuverlässigen
und einfachen motorbetätigten
Servoaktuator, der einen Schneckenantrieb verwendet und in einer
kleinen, kompakten, leichtgewichtigen und verhältnismäßig preiswerten Anordnung eine
hohe Gesamtgetriebeuntersetzung liefert.
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Die vorliegende Erfindung schafft
hiermit einen eigenartigen und neuen elektrisch betätigten, zweistufigen
Servoaktuator mit Schneckenantrieb, bei dem der Schneckenantrieb
nach einer teilweisen Verdrehung außer Eingriff kommt und daran
anschließend
das Ausgangselement unmittelbar durch ein Ritzel angetrieben wird,
das es einer Rückstell-Torsionsfeder
erlaubt den Aktuator im Falle eines Motorversagens frei in seine
Ausgangsstellung zurückzudrehen.
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Die Erfindung wurde in der vorhergehenden Beschreibung
sehr ausführlich
beschrieben, und es wird angenommen, dass verschiedene Änderungen und
Abwandlungen der Erfindung dem Fachmann beim Lesen und aus dem Verständnis der
Beschreibung offenkundig werden. Alle solchen Änderungen und Abwandlungen
sollen in der Erfindung eingeschlossen sein, so weit sie in dem
Schutzbereich der beigefügten
Patentansprüche
liegen.