EP2265807A2 - Actuator for a switch element of an internal combustion engine - Google Patents

Actuator for a switch element of an internal combustion engine

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Publication number
EP2265807A2
EP2265807A2 EP09723276A EP09723276A EP2265807A2 EP 2265807 A2 EP2265807 A2 EP 2265807A2 EP 09723276 A EP09723276 A EP 09723276A EP 09723276 A EP09723276 A EP 09723276A EP 2265807 A2 EP2265807 A2 EP 2265807A2
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EP
European Patent Office
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actuator
actuator according
transmission
switching element
shaft
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09723276A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Hannewald
Vinzent Kremina
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16H35/10—Arrangements or devices for absorbing overload or preventing damage by overload
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    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F01L2001/34423—Details relating to the hydraulic feeding circuit
    • F01L2001/34426—Oil control valves
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention is concerned with an actuator for actuating a switching element of an internal combustion engine with an electric motor actuator, which acts via a gear on the switching element.
  • the electric motor usually does not act directly on the switching element itself, but it is a gear interposed, which reduces, for example, the high speed of the motor for the actuating movement of the switching element.
  • This can lead to peak loads especially on the switching element when the engine is running at high speed against the self-defined by the switching element end stop and the high mass moments of inertia of the engine and the downstream gearbox must be taken, for example, from a valve seat.
  • This can lead to rapid wear of the switching element, this problem is exacerbated when the switching element is arranged in a high temperature-stressed area, for example, as an exhaust gas recirculation valve in the exhaust system or as Wastegateven- valve in a turbocharger.
  • the object of the present invention is to provide an actuator which allows the actuation of a switching element with defined forces.
  • the object is achieved by an actuator of the type mentioned, in which the transmission has at least one elastic element which limits the maximum forces or moments at least on the switching element itself in at least one direction of adjustment.
  • the elastic element which in principle can be arranged at any point of the transmission between the electric motor Stellan drive and the switching element, ensures, for example, that when starting the switching element to an end stop, for example, the achievement of a valve seat by a valve element, the inertia of the still rapidly rotating parts do not lead to a rapid increase in forces and moments in the drive train and in particular in the region of the valve seat, since the movement of the actuator can initially reduce taking advantage of the elastic deformation of the elastic element without the force on the switching element thereby increases significantly.
  • the electromotive drive needs no power in static operation and the parts can be made smaller because of the lack of peak loads.
  • the elastic element is deformed in a first end position of the switching element and / or in a second end position of the switching element, ie, act on the switching element itself only by the deformed elastic element acting elastic restoring forces.
  • a resilient element preferably a prestressed spring element is used, wherein the bias ensures that an elastic deformation does not already occur at very low forces and moments, which would lead to a quasi-game-related behavior of the actuator.
  • the spring element between two relatively movable elements of the transmission can be arranged, wherein it is clamped in a prestressed center position between two abutments on the first element and between two abutments of the second element, so that the two elements in both directions of rotation relative to each other under further bias of the elastic
  • Elements are movable. If the limitation of the forces is desired only in a direction of adjustment, the spring element can be clamped between an abutment on the first element and an abutment on the second element, wherein a rotation stop limits the relative rotation between the two elements in the relaxation direction of the elastic element and forms the rigid drive.
  • abutment of the second element can bear directly on the rotation stop of the first element.
  • the spring element can, for. B. between abutments of a shaft and a gear which is coaxially rotatably mounted on the shaft.
  • gear is part of a single or multi-stage Zahnradge- transmission, which is arranged between the electric motor drive and the shaft.
  • This gear transmission already ensures a significant speed reduction between the drive and the shaft.
  • At least one end stop is provided between the electromotive actuator and the elastic element on a moving gear component, which limits the deformation path of the elastic element in a direction of adjustment by resting on a stationary stop. If the deformation path is to be limited in both positions, a second end stop in the opposite direction of adjustment must accordingly be provided on a moving gear component which cooperates with a further stationary stop.
  • the stop ensures that, for example, after reaching an end position of the switching element, the elastic element can only be deformed by a certain distance until the electromotive actuator drives the upstream part of the transmission against the stop.
  • This allows a precisely defined closing force (and / or a defined force at the opposite end stop) to be set in particular in the case of a preloaded spring element via the differential path between reaching the end position of the switching element and reaching the stop in front of the elastic element.
  • the increased torque peak in the area of the transmission between the electric motor actuator and, for example, the elastic element immediately upstream gear is usually unproblematic, since there a compact housing structure can absorb the forces occurring in the transmission well. But these force peaks are also limited by the fact that after reaching the end position of the switching element, the further biasing elastic element, the movement of the actuator and the upstream transmission part already substantially slows down, so that the approach to the stop only takes place at a greatly reduced speed.
  • the switching element is a wastegate valve on the exhaust side of an exhaust gas turbocharger
  • the actuator is arranged on the fresh air side of the exhaust gas turbocharger and is connected via the transmission with the wastegate valve on the exhaust side.
  • the shaft is arranged with the elastic element on the fresh air side and acts via a lever mechanism on a second shaft which is rotationally rigidly coupled to the wastegate valve on the exhaust side.
  • FIG. 1 shows an oblique view of an exhaust gas turbocharger with an actuator for actuating a wastegate valve.
  • FIG. 2 shows the turbocharger of FIG. 1 in another perspective view
  • FIG. 3 is an oblique view of the fresh air side components of the actuator with the housing open in an open state of the wastegate valve. 4 shows an oblique view according to FIG. 3 with the wastegate valve closed and the actuator still in motion;
  • FIG. 5 shows an oblique view corresponding to FIG. 3 with the wastegate valve closed and with the actuator in an end position;
  • Fig. 1 shows an oblique view of an exhaust gas turbocharger on the exhaust side of a wastegate valve 12 is provided, which serves under operating conditions in the open state as a bypass for an exhaust gas turbine 14 so that the exhaust gases can pass directly from an inlet of the turbocharger 10 to an outlet 18.
  • the wastegate valve 12 consists essentially of a valve element 20 and a valve seat 22, which is formed directly on the housing of the exhaust gas turbocharger.
  • the valve element 20 is rotationally rigidly connected to a rotatably mounted in the housing of the exhaust gas turbocharger 10 output shaft to which a torsionally rigid coupled with its output lever 26, a thrust lever 28 is articulated.
  • the push lever 28 is in turn via a drive lever 30 with a
  • Drive shaft 32 is coupled, which is like all other components of an actuator 34 disposed in a housing 36 which is disposed on the fresh air side (see FIG. 2) of the exhaust gas turbocharger 10. Only the output shaft 24 and the Abtriebshebel 26 are arranged as components of the actuator 34 on the exhaust side of the turbocharger 10 and exposed according to the high temperatures there, the thrust lever 28 is provided for connecting the drive parts on the fresh air side with the drive parts on the exhaust side , The spatial separation of the housing 36 of the actuator 34 from the exhaust side of the turbocharger 10 is particularly clear the rotated with respect to FIG. 1 perspective view of FIG. 2.
  • FIG. 3 shows a view of the open actuator housing 36 with a lid 38 (see FIG. 1) removed to expose the view of the transmission parts disposed within the housing 36.
  • the actuator 34 has an electromotive actuator 40 which acts on a pinion 42 which engages a first gear 44 on an intermediate shaft 46.
  • a further gear (hidden, not visible) is rotationally rigidly arranged, which in turn is in engagement with a driven gear 48 which is pivotally mounted on the drive shaft 32 (see also Fig. 1).
  • the toothing of the driven gear 48 extends only over a portion of the circumference, wherein on the outer edge of the output gear 48, a first end stop 50 and a second end stop 52 are provided, the drive angle of the drive gear 48 limit. There is no direct, torsionally rigid connection between the output gear 48 and the drive shaft 32 (see also FIG. 6).
  • the coupling takes place via an intermediate driver element 54 with a lever arm 56 which is rotationally rigidly coupled to the drive shaft 32.
  • a prestressed spring element 58 is provided, which is supported between the first abutment 60 on the output gear 48 and acting as a second abutment lever arm 56 of the driver 54.
  • the lever arm 56 is supported on a rotation stop 62, whereby it forms a rigid drive in this relative direction of rotation.
  • FIG. 3 shows the position of the output gear 48 in a rotational angle position in which the wastegate valve 12 is just reaching its closed position. This means that the electric motor 40 is still with ma- ximaler speed runs while the adjustment of the valve element 20 ends with the reaching of the valve seat 22.
  • the first end stop 50 reaches a fixed stop 64 on the housing 36 of the actuator 34 which also receives a possible shock load due to remaining existing kinetic energy of the actuator, with a continuous current of the motor 40 is readily possible because the fixed stop 64 and the moment can support the electric drive motor.
  • the lever arm 56 and the first abutment 60 are in a position which can be pivoted maximally toward one another, ie. H. the spring element 58 has reached its maximum prestressed state.
  • This preload state also defines a certain closing force of the wastegate valve 12, ie, the load on the valve seat 22 in the housing of the thermally high-loading turbo loader 10 can be set exactly. Tolerances in the region of the actuator 34, which may for example also result from temperature fluctuations in this area, then play only a negligible role due to the barely changing under the changing temperature conditions clamping force of the spring element 58.
  • the exact structure of the movable mounting of the output gear 48 on the drive shaft 42 with the interposition of the prestressed spring element 58 is also apparent from the exploded view of FIG. 6.
  • the legs of the spring element 58 can rest against the two abutments of the driven gear 48 as well as on the two lever arms of the driver element in constructive maintenance, so that pivoting under further bias of the already biased in the middle position spring element in both relative directions of rotation is possible ,

Abstract

The invention relates to an actuator used to actuate a switch element (12) of an internal combustion engine by means of an electric actuating drive (40) that acts upon the switch element (12) via a gear mechanism. According to the invention, in order to avoid overloading, in particular of the switch element (12), said gear mechanism comprises at least one elastic element (58) that defines, in at least one direction of actuation, the maximum forces or torques at least on the switch element (12).

Description

Beschreibungdescription
Aktuator für Schaltelement einer VerbrennungskraftmaschineActuator for switching element of an internal combustion engine
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Aktuator zum Betätigen eines Schaltelements einer Verbrennungskraftmaschine mit einem elektromotorischen Stellantrieb, der über ein Getriebe auf das Schaltelement wirkt.The present invention is concerned with an actuator for actuating a switching element of an internal combustion engine with an electric motor actuator, which acts via a gear on the switching element.
Derartige Schaltelemente werden heutzutage vielfach beiSuch switching elements are nowadays many times
Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, beispielsweise zur Nockenwellenverstellung, zum Schalten von Abgasrückführventi- len, zum Verstellen der Leiterschaufeln eines Turboladers oder zum Betätigen eines Wastegateventils in einem Turbola- der, nur um einige Anwendungsbeispiele in diesem Bereich zu nennen. Neben elektromotorischen Stellantrieben sind auch pneumatisch wirkende Vorrichtungen bekannt, die aber auch im statischen Betrieb eine permanente Leistungsaufnahme aufweisen .Internal combustion engines used, for example, for camshaft adjustment, for switching exhaust gas recirculation valves, for adjusting the guide vanes of a turbocharger or for operating a wastegate valve in a turbocharger, just to name a few examples of applications in this area. In addition to electric motor actuators and pneumatically acting devices are known, but also have a permanent power consumption in static operation.
Im Falle elektromotorischer Stellantriebe wirkt der Elektromotor in der Regel nicht unmittelbar auf das Schaltelement selbst, sondern es ist ein Getriebe zwischengeschaltet, das beispielsweise die hohe Drehzahl des Motors für die Stellbe- wegung des Schaltelements reduziert. Dabei kann es zu Spitzenbelastungen insbesondere auch auf das Schaltelement kommen, wenn der Motor mit hoher Drehzahl gegen den durch das Schaltelement selbst definierten Endanschlag läuft und die hohen Massenträgheitsmomente des Motors und des nachgeschal- teten Getriebes beispielsweise von einem Ventilsitz aufgenommen werden müssen. Dies kann zu einem schnellen Verschleiß des Schaltelements führen, wobei diese Problematik sich noch verstärkt, wenn das Schaltelement in einem mit hoher Temperatur beanspruchten Bereich angeordnet ist, beispielsweise als Abgasrückführungsventil im Abgasstrang oder als Wastegateven- til in einem Turbolader. Dort kann es unter ungünstigen Be- triebszuständen vorkommen, dass der unmittelbar im Turbola- dergehäuse ausgebildete Sitz des Wastegateventils derart hoch belastet wird, dass das Gehäuse des Turboladers selbst beschädigt werden kann. Hoch beanspruchte Teile müssen aber vorsorglich so groß dimensioniert werden, dass sie auch uner- wünschten Kraftspitzen standhalten, wodurch der Raumbedarf und das Gewicht der Aktuatoren ansteigen.In the case of electric motor actuators, the electric motor usually does not act directly on the switching element itself, but it is a gear interposed, which reduces, for example, the high speed of the motor for the actuating movement of the switching element. This can lead to peak loads especially on the switching element when the engine is running at high speed against the self-defined by the switching element end stop and the high mass moments of inertia of the engine and the downstream gearbox must be taken, for example, from a valve seat. This can lead to rapid wear of the switching element, this problem is exacerbated when the switching element is arranged in a high temperature-stressed area, for example, as an exhaust gas recirculation valve in the exhaust system or as Wastegateven- valve in a turbocharger. There, under unfavorable operating conditions, it may happen that the The housing formed seat of the wastegate valve is loaded so high that the housing of the turbocharger itself can be damaged. However, as a precautionary measure, parts subject to heavy loads must be dimensioned so that they can withstand undesired force peaks, which increases the space requirement and the weight of the actuators.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Aktuator zu schaffen, der das Betätigen eines Schaltelements mit definierten Kräften ermöglicht.The object of the present invention is to provide an actuator which allows the actuation of a switching element with defined forces.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Aktuator der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem das Getriebe wenigstens ein elastisches Element aufweist, das die maximalen Kräfte oder Momente wenigstens auf das Schaltelement selbst in wenigstens einer Stellrichtung begrenzt.According to the invention the object is achieved by an actuator of the type mentioned, in which the transmission has at least one elastic element which limits the maximum forces or moments at least on the switching element itself in at least one direction of adjustment.
Das elastische Element, das grundsätzlich an einer beliebigen Stelle des Getriebes zwischen dem elektromotorischen Stellan- trieb und dem Schaltelement angeordnet sein kann, sorgt beispielsweise dafür, dass beim Anfahren des Schaltelements an einen Endanschlag, beispielsweise dem Erreichen eines Ventilsitzes durch ein Ventilelement, die Massenträgheit der noch schnell rotierenden Teile nicht zu einem rapiden Anstieg der Kräfte und Momente in dem Antriebsstrang und insbesondere im Bereich des Ventilsitzes führt, da sich die Bewegung des Stellantriebes zunächst unter Ausnutzung der elastischen Verformung des elastischen Elements reduzieren kann, ohne dass die Kraft auf das Schaltelement dabei wesentlich ansteigt. Der elektromotorische Antrieb braucht im statischen Betrieb keine Energie und die Teile können wegen der fehlenden Spitzenbelastungen kleiner dimensioniert werden.The elastic element, which in principle can be arranged at any point of the transmission between the electric motor Stellan drive and the switching element, ensures, for example, that when starting the switching element to an end stop, for example, the achievement of a valve seat by a valve element, the inertia of the still rapidly rotating parts do not lead to a rapid increase in forces and moments in the drive train and in particular in the region of the valve seat, since the movement of the actuator can initially reduce taking advantage of the elastic deformation of the elastic element without the force on the switching element thereby increases significantly. The electromotive drive needs no power in static operation and the parts can be made smaller because of the lack of peak loads.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das elastische Element in einer ersten Endstellung des Schaltelements und/oder in einer zweiten Endstellung des Schaltelements deformiert ist, d. h., auf das Schaltelement selbst wirken lediglich die durch das deformierte elastische Element wirkenden elastischen Rückstellkräfte .It is preferably provided that the elastic element is deformed in a first end position of the switching element and / or in a second end position of the switching element, ie, act on the switching element itself only by the deformed elastic element acting elastic restoring forces.
Sofern die Begrenzung die Kräfte lediglich in einer Schalt- richtung erforderlich ist, beispielsweise, um einen Ventilsitz eines Wastegateventils in einem Turbolader vor zu hoher Beanspruchung zu schützen, ist es ausreichend, wenn in einer Bewegungsrichtung des Stellantriebes das Getriebe einen starren Durchtrieb aufweist. Im Falle eines Wastegateventils wäre diese Bewegungsrichtung die Bewegung in der Öffnungsrichtung. In der Schließrichtung hingegen wird beim Erreichen des geschlossenen Zustand des Wastegateventiles dann ein unkontrolliertes Anfahren dieses Zustandes mit hoher Geschwindigkeit durch das elastische Element abgefedert, so dass Kraftimpulse infolge der Massenträgheit nicht zu erwarten sind.If the limitation of the forces is required only in a switching direction, for example, to protect a valve seat of a wastegate valve in a turbocharger from excessive stress, it is sufficient if the transmission has a rigid drive in a direction of movement of the actuator. In the case of a wastegate valve, this direction of movement would be the movement in the opening direction. In contrast, in the closing direction, when the closed state of the wastegate valve is reached, uncontrolled starting of this state is then cushioned at high speed by the elastic element, so that force pulses due to inertia are not to be expected.
Als elastisches Element wird vorzugsweise ein vorgespanntes Federelement eingesetzt, wobei die Vorspannung sicherstellt, dass eine elastische Deformation nicht bereits bei sehr nied- rigen Kräften und Momenten auftritt, was zu einem quasi spielbehafteten Verhalten des Aktuators führen würde.As a resilient element preferably a prestressed spring element is used, wherein the bias ensures that an elastic deformation does not already occur at very low forces and moments, which would lead to a quasi-game-related behavior of the actuator.
Sofern eine Elastizität in beiden Bewegungsrichtungen des Antriebes gewünscht ist, kann das Federelement zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen des Getriebes angeordnet sein, wobei es in einer vorgespannten Mittellage jeweils zwischen zwei Widerlagern an dem ersten Element und zwischen zwei Widerlagern des zweiten Elements eingespannt ist, so dass die beiden Elemente in beiden Drehrichtungen re- lativ zueinander unter weiterer Vorspannung des elastischenIf an elasticity in both directions of movement of the drive is desired, the spring element between two relatively movable elements of the transmission can be arranged, wherein it is clamped in a prestressed center position between two abutments on the first element and between two abutments of the second element, so that the two elements in both directions of rotation relative to each other under further bias of the elastic
Elements beweglich sind. Sofern die Begrenzung der Kräfte nur in einer Stellrichtung gewünscht ist, kann das Federelement zwischen einem Widerlager an dem ersten Element und einem Widerlager an dem zweiten Element eingespannt sein, wobei ein Drehanschlag die relative Verdrehung zwischen den beiden Elementen in der Entspannungsrichtung des elastischen Elements begrenzt und den starren Durchtrieb bildet. Beispielsweise kann sich das Widerlager des zweiten Elements unmittelbar an den Drehanschlag des ersten Elements anlegen.Elements are movable. If the limitation of the forces is desired only in a direction of adjustment, the spring element can be clamped between an abutment on the first element and an abutment on the second element, wherein a rotation stop limits the relative rotation between the two elements in the relaxation direction of the elastic element and forms the rigid drive. For example For example, the abutment of the second element can bear directly on the rotation stop of the first element.
Das Federelement kann z. B. zwischen Widerlagern einer Welle und eines Zahnrades eingespannt sein, das koaxial drehbar auf der Welle sitzt.The spring element can, for. B. between abutments of a shaft and a gear which is coaxially rotatably mounted on the shaft.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher das Zahnrad Bestandteil eines ein- oder mehrstufigen Zahnradge- triebes ist, das zwischen dem elektromotorischen Antrieb und der Welle angeordnet ist. Dieses Zahnradgetriebe sorgt bereits für eine wesentliche Drehzahlreduktion zwischen dem Antrieb und der Welle.Particularly preferred is an embodiment in which the gear is part of a single or multi-stage Zahnradge- transmission, which is arranged between the electric motor drive and the shaft. This gear transmission already ensures a significant speed reduction between the drive and the shaft.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem elektromotorischen Stellantrieb und dem elastischen Element an einem bewegten Getriebebauteil wenigstens ein Endanschlag vorgesehen ist, der den Deformationsweg des elastischen Elements in einer Stellrich- tung durch Auflage an einem ortsfesten Anschlag begrenzt. Sofern der Deformationsweg in beiden Stellungsrichtungen begrenzt werden soll, ist entsprechend ein zweiter Endanschlag in der entgegengesetzten Stellrichtung an einem bewegten Getriebebauteil vorzusehen, der mit einem weiteren ortsfesten Anschlag zusammenwirkt.In a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that at least one end stop is provided between the electromotive actuator and the elastic element on a moving gear component, which limits the deformation path of the elastic element in a direction of adjustment by resting on a stationary stop. If the deformation path is to be limited in both positions, a second end stop in the opposite direction of adjustment must accordingly be provided on a moving gear component which cooperates with a further stationary stop.
Der Anschlag sorgt dafür, dass beispielsweise nach dem Erreichen einer Endstellung des Schaltelements das elastische Element nur um einen bestimmten Weg deformiert werden kann, bis der elektromotorische Stellantrieb den vorgeschalteten Teil des Getriebes gegen den Anschlag fährt. Damit lässt sich insbesondere bei einem vorgespannten Federelement über den Differenzweg zwischen Erreichen der Endstellung des Schaltelements und dem Erreichen des Anschlages vor dem elastischen Element eine exakt definierte Schließkraft (und/oder eine definierte Kraft am entgegengesetzten Endanschlag) einstellen. Die erhöhte Drehmomentspitze in dem Bereich des Getriebes zwischen dem elektromotorischen Stellantrieb und beispielsweise dem dem elastischen Element unmittelbar vorgeschalteten Zahnrad ist in der Regel unproblematisch, da dort eine kompakte Gehäusestruktur die in dem Getriebe auftretenden Kräfte gut aufnehmen kann. Begrenzt werden diese Kraftspitzen aber auch dadurch, dass nach dem Erreichen der Endstellung des Schaltelements das sich dann weiter vorspannende elastische Element die Bewegung des Stellantriebes und des vorgeschalteten Getriebeteils bereits wesentlich abbremst, so dass das Anfahren an den Anschlag nur noch mit stark verminderter Geschwindigkeit erfolgt.The stop ensures that, for example, after reaching an end position of the switching element, the elastic element can only be deformed by a certain distance until the electromotive actuator drives the upstream part of the transmission against the stop. This allows a precisely defined closing force (and / or a defined force at the opposite end stop) to be set in particular in the case of a preloaded spring element via the differential path between reaching the end position of the switching element and reaching the stop in front of the elastic element. The increased torque peak in the area of the transmission between the electric motor actuator and, for example, the elastic element immediately upstream gear is usually unproblematic, since there a compact housing structure can absorb the forces occurring in the transmission well. But these force peaks are also limited by the fact that after reaching the end position of the switching element, the further biasing elastic element, the movement of the actuator and the upstream transmission part already substantially slows down, so that the approach to the stop only takes place at a greatly reduced speed.
In dem Fall, dass das Schaltelement ein Wastegateventil auf der Abgasseite eines Abgasturboladers darstellt, ist es be- sonders bevorzugt, wenn der Stellantrieb auf der Frischluftseite des Abgasturboladers angeordnet ist und über das Getriebe mit dem Wastegateventil auf der Abgasseite verbunden ist. Zweckmäßig ist dabei, wenn die Welle mit dem elastischen Element auf der Frischluftseite angeordnet ist und über ein Hebelgetriebe auf eine zweite Welle wirkt, die drehstarr mit dem Wastegateventil auf der Abgasseite gekoppelt ist. Dadurch lassen sich alle Temperaturempfindlichen Bauteile des Aktua- tors auf der Frischluftseite anordnen, wo ihre Temperaturbeanspruchung entsprechend niedriger ist.In the event that the switching element is a wastegate valve on the exhaust side of an exhaust gas turbocharger, it is particularly preferred if the actuator is arranged on the fresh air side of the exhaust gas turbocharger and is connected via the transmission with the wastegate valve on the exhaust side. It is expedient if the shaft is arranged with the elastic element on the fresh air side and acts via a lever mechanism on a second shaft which is rotationally rigidly coupled to the wastegate valve on the exhaust side. As a result, all temperature-sensitive components of the actuator on the fresh air side can be arranged, where their temperature stress is correspondingly lower.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:Hereinafter, an embodiment of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Schrägansicht eines Abgasturboladers mit einem Aktuator zur Betätigung eines Wastegateventils;1 shows an oblique view of an exhaust gas turbocharger with an actuator for actuating a wastegate valve.
Fig. 2 den Turbolader aus Fig. 1 in anderer Perspektivansicht;FIG. 2 shows the turbocharger of FIG. 1 in another perspective view; FIG.
Fig. 3 eine Schrägansicht auf die frischluftseitigen Bauteile des Aktuators bei geöffnetem Gehäuse in einem geöffneten Zustand des Wastegateventils; Fig. 4 eine Schrägansicht gemäß Fig. 3 bei geschlossenem Wastegateventil und noch in Bewegung befindlichem Stellantrieb;3 is an oblique view of the fresh air side components of the actuator with the housing open in an open state of the wastegate valve. 4 shows an oblique view according to FIG. 3 with the wastegate valve closed and the actuator still in motion;
Fig. 5 eine Schrägansicht entsprechend Fig. 3 bei geschlossenem Wastegateventil und mit dem Stellantrieb in einer Endlage;5 shows an oblique view corresponding to FIG. 3 with the wastegate valve closed and with the actuator in an end position;
Fig. 6 ein Explosionsschaubild der drehelastischen Lagerung des letzten Abtriebszahnrades des Aktuators aus Fig.6 is an exploded diagram of the torsionally elastic mounting of the last output gear of the actuator of FIG.
3.Third
Fig. 1 zeigt eine Schrägansicht auf einen Abgasturbolader auf dessen Abgasseite ein Wastegateventil 12 vorgesehen ist, das unter Betriebszuständen im geöffneten Zustand als Bypass für eine Abgasturbine 14 dient, so dass die Abgase unmittelbar von einem Einlass des Turboladers 10 zu einem Auslass 18 gelangen können. Das Wastegateventil 12 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilelement 20 und einem Ventilsitz 22, der un- mittelbar an dem Gehäuse des Abgasturboladers ausgebildet ist. Das Ventilelement 20 ist drehstarr mit einer im Gehäuse des Abgasturboladers 10 drehbar gelagerten Abtriebswelle verbunden, an welcher über einen drehstarr mit ihr gekoppelten Abtriebshebel 26 ein Schubhebel 28 angelenkt ist. Der Schub- hebel 28 ist über einen Antriebshebel 30 wiederum mit einerFig. 1 shows an oblique view of an exhaust gas turbocharger on the exhaust side of a wastegate valve 12 is provided, which serves under operating conditions in the open state as a bypass for an exhaust gas turbine 14 so that the exhaust gases can pass directly from an inlet of the turbocharger 10 to an outlet 18. The wastegate valve 12 consists essentially of a valve element 20 and a valve seat 22, which is formed directly on the housing of the exhaust gas turbocharger. The valve element 20 is rotationally rigidly connected to a rotatably mounted in the housing of the exhaust gas turbocharger 10 output shaft to which a torsionally rigid coupled with its output lever 26, a thrust lever 28 is articulated. The push lever 28 is in turn via a drive lever 30 with a
Antriebswelle 32 gekoppelt, die wie alle übrigen Bestandteile eines Aktuators 34 in einem Gehäuse 36 angeordnet ist, das auf der Frischluftseite (siehe Fig. 2) des Abgasturboladers 10 angeordnet ist. Lediglich die Abtriebswelle 24 und der Ab- triebshebel 26 sind als Bestandteile des Aktuators 34 auf der Abgasseite des Turboladers 10 angeordnet und entsprechend den dort hohen Temperaturen ausgesetzt, wobei der Schubhebel 28 zur Verbindung der Antriebsteile auf der Frischluftseite mit den Antriebsteilen auf der Abgasseite vorgesehen ist. Beson- ders gut deutlich wird die räumliche Trennung des Gehäuses 36 des Aktuators 34 von der Abgasseite des Turboladers 10 aus der gegenüber Fig. 1 gedrehten Perspektivansicht gemäß Fig. 2.Drive shaft 32 is coupled, which is like all other components of an actuator 34 disposed in a housing 36 which is disposed on the fresh air side (see FIG. 2) of the exhaust gas turbocharger 10. Only the output shaft 24 and the Abtriebshebel 26 are arranged as components of the actuator 34 on the exhaust side of the turbocharger 10 and exposed according to the high temperatures there, the thrust lever 28 is provided for connecting the drive parts on the fresh air side with the drive parts on the exhaust side , The spatial separation of the housing 36 of the actuator 34 from the exhaust side of the turbocharger 10 is particularly clear the rotated with respect to FIG. 1 perspective view of FIG. 2.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht des geöffneten Aktuatorgehäuses 36, wobei ein Deckel 38 (siehe Fig. 1) entfernt worden ist, um den Blick auf die in dem Gehäuse 36 angeordneten Getriebeteile freizugeben.3 shows a view of the open actuator housing 36 with a lid 38 (see FIG. 1) removed to expose the view of the transmission parts disposed within the housing 36.
Der Aktuator 34 besitzt einen elektromotorischen Stellantrieb 40, der auf ein Ritzel 42 wirkt, das mit einem ersten Zahnrad 44 auf einer Zwischenwelle 46 in Eingriff steht. Auf der Zwischenwelle 46 ist drehstarr ein weiteres Zahnrad (verdeckt, nicht sichtbar) angeordnet, das wiederum mit einem Abtriebszahnrad 48 in Eingriff steht, das auf der Antriebswelle 32 (siehe hierzu auch Fig. 1) schwenkbar gelagert ist. Die Verzahnung des Abtriebszahnrades 48 erstreckt sich nur über einen Teilbereich des Umfangs, wobei an der Außenflanke des Abtriebszahnrades 48 ein erster Endanschlag 50 und ein zweiter Endanschlag 52 vorgesehen sind, die den Verdrehwinkel des Ab- triebszahnrades 48 begrenzen. Zwischen dem Abtriebszahnrad 48 und der Antriebswelle 32 besteht keine unmittelbar, drehstarre Verbindung (sieh auch Fig. 6) . Die Kopplung erfolgt über ein zwischenliegendes Mitnehmerelement 54 mit einem Hebelarm 56, das drehstarr mit der Antriebswelle 32 gekoppelt ist. Zwischen dem Abtriebszahnrad 48 und dem Mitnehmerelement 54 ist ein vorgespanntes Federelement 58 vorgesehen, das zwischen ersten Widerlager 60 an dem Abtriebszahnrad 48 und einem als zweites Widerlager fungierenden Hebelarm 56 des Mitnehmerelements 54 abgestützt ist. In der in Fig. 3 gezeigten Stellung stützt sich der Hebelarm 56 an einem Drehanschlag 62 ab, womit er in dieser relativen Verdrehrichtung einen starren Durchtrieb bildet.The actuator 34 has an electromotive actuator 40 which acts on a pinion 42 which engages a first gear 44 on an intermediate shaft 46. On the intermediate shaft 46 a further gear (hidden, not visible) is rotationally rigidly arranged, which in turn is in engagement with a driven gear 48 which is pivotally mounted on the drive shaft 32 (see also Fig. 1). The toothing of the driven gear 48 extends only over a portion of the circumference, wherein on the outer edge of the output gear 48, a first end stop 50 and a second end stop 52 are provided, the drive angle of the drive gear 48 limit. There is no direct, torsionally rigid connection between the output gear 48 and the drive shaft 32 (see also FIG. 6). The coupling takes place via an intermediate driver element 54 with a lever arm 56 which is rotationally rigidly coupled to the drive shaft 32. Between the driven gear 48 and the driver element 54, a prestressed spring element 58 is provided, which is supported between the first abutment 60 on the output gear 48 and acting as a second abutment lever arm 56 of the driver 54. In the position shown in Fig. 3, the lever arm 56 is supported on a rotation stop 62, whereby it forms a rigid drive in this relative direction of rotation.
Die Abbildung gemäß Fig. 3 zeigt die Stellung des Abtriebs- zahnrades 48 in einer Drehwinkelstellung, in welcher das Wastegateventil 12 gerade seine geschlossene Stellung erreicht. Dies bedeutet, dass der Elektromotor 40 noch mit ma- ximaler Drehzahl läuft, während der Verstellweg des Ventilelements 20 mit dem Erreichen des Ventilsitzes 22 endet.The illustration according to FIG. 3 shows the position of the output gear 48 in a rotational angle position in which the wastegate valve 12 is just reaching its closed position. This means that the electric motor 40 is still with ma- ximaler speed runs while the adjustment of the valve element 20 ends with the reaching of the valve seat 22.
Durch die kinetische Energie der bewegten Teile und ggf. auch durch die noch nicht abgeschaltete oder gar nicht abzuschaltende Antriebsleistung des Elektromotors 40 wird nunmehr das Abtriebszahnrad 48 weiter in der Richtung bewegt, die einer Bewegung in Schließrichtung des Wastegateventils 12 entspricht. Da dieses aber bereits geschlossen ist und somit über die Abtriebswelle 24, den Abtriebshebel 26, das Schubelement 28, den Antriebshebel 30 und die Antriebswelle 32 das Mitnehmerelement 54 blockiert, hebt der Drehanschlag 62 von dem Hebelarm 56 unter der Wirkung des sich infolge des weiterbewegenden ersten Widerlagers 60 weiter vorspannenden Fe- derelements 58 ab. Die nunmehr zwischen dem Hebelarm 56 und dem ersten Widerlager 60 sich schnell erhöhende Federkraft bremst dabei den Elektromotor 40 und die nachfolgenden Zahnräder 44, 48 rapide ab, ohne dass das Drehmoment in der Antriebswelle 32 und damit die Kräfte auf das Wastegateventil 12 über die durch Rückstellkraft des Federelements 58 bewirkten Kräfte ansteigen könnte.By the kinetic energy of the moving parts and possibly also by the drive power of the electric motor 40, which has not yet been switched off or can not be switched off, the output gear 48 is now moved further in the direction which corresponds to a movement in the closing direction of the wastegate valve 12. Since this is already closed and thus blocked via the output shaft 24, the output lever 26, the thrust element 28, the drive lever 30 and the drive shaft 32, the driver 54, the rotation stop 62 lifts from the lever arm 56 under the action of the first moving as a result Abutment 60 further biasing spring element 58 from. The now between the lever arm 56 and the first abutment 60 quickly increasing spring force brakes the electric motor 40 and the following gears 44, 48 rapidly, without the torque in the drive shaft 32 and thus the forces on the wastegate valve 12 on the by restoring force could cause increased forces of the spring element 58.
Schließlich erreicht der erste Endanschlag 50 einen feststehenden Anschlag 64 am Gehäuse 36 des Aktuators 34 der auch eine mögliche Stoßbelastung infolge restlicher vorhandener kinetischer Energie des Stellantriebs aufnimmt, wobei auch eine Dauerbestromung des Motors 40 ohne weiteres möglich ist, da der feststehende Anschlag 64 auch das Moment des elektrischen Antriebsmotors abstützen kann. In dieser in Fig. 5 ge- zeigten Stellung befinden sich der Hebelarm 56 und das erste Widerlager 60 in einer maximal aufeinander zu verschwenkten Stellung, d. h. das Federelement 58 hat seinen maximal vorgespannten Zustand erreicht.Finally, the first end stop 50 reaches a fixed stop 64 on the housing 36 of the actuator 34 which also receives a possible shock load due to remaining existing kinetic energy of the actuator, with a continuous current of the motor 40 is readily possible because the fixed stop 64 and the moment can support the electric drive motor. In this position, shown in FIG. 5, the lever arm 56 and the first abutment 60 are in a position which can be pivoted maximally toward one another, ie. H. the spring element 58 has reached its maximum prestressed state.
Dieser Vorspannzustand definiert auch eine bestimmte Schließkraft des Wastegateventils 12, d. h., die Belastung des Ventilsitzes 22 im Gehäuse des thermisch hoch belastenden Turbo- laders 10 kann exakt eingestellt werden. Toleranzen im Bereich des Aktuators 34, die beispielsweise auch von Temperaturschwankungen in diesem Bereich herrühren können, spielen aufgrund der sich unter den ändernden Temperaturbedingungen kaum ändernden Spannkraft des Federelementes 58 dann nur noch eine zu vernachlässigende Rolle. Der genaue Aufbau der beweglichen Lagerung des Abtriebszahnrades 48 auf der Antriebswelle 42 unter Zwischenschaltung des vorgespannten Federelementes 58 ergibt sich auch aus der Explosionsansicht gemäß Fig. 6.This preload state also defines a certain closing force of the wastegate valve 12, ie, the load on the valve seat 22 in the housing of the thermally high-loading turbo loader 10 can be set exactly. Tolerances in the region of the actuator 34, which may for example also result from temperature fluctuations in this area, then play only a negligible role due to the barely changing under the changing temperature conditions clamping force of the spring element 58. The exact structure of the movable mounting of the output gear 48 on the drive shaft 42 with the interposition of the prestressed spring element 58 is also apparent from the exploded view of FIG. 6.
Sofern eine Begrenzung der maximalen Momente bzw. Kräfte zwischen dem elektromotorischen Antrieb 40 und dem Wastegateven- til 12 in beiden Verstellrichtungen gewünscht ist, beispiels- weise auch bei einem Anfahren des Ventilelements 20 an einen Endanschlag in der geöffneten Stellung, kann das Mitnehmerelement 54 durch geringfügige Veränderung der in Fig. 3 bis 6 gezeigten Elemente in der Art einer Drehmomentwaage an das Abtriebszahnrad 48 gekoppelt werden. Bei einer solchen Aus- führungsform verfügt das Mitnehmerelement dann über zwei Hebelarme, die jeweils fluchtend zu zwei in exaktem Abstand wie die Hebelarme zueinander angeordneten Widerlagern an dem Abtriebszahnrad 48 angeordnet sind. Die Schenkel des Federelements 58 können bei konstruktiver Beibehaltung desselben so- wohl an den beiden Widerlagern des Abtriebszahnrades 48 als auch an den beiden Hebelarmen des Mitnehmerelements anliegen, so dass ein Verschwenken unter weiterer Vorspannung des bereits in der Mittellage vorgespannten Federelements in beiden relativen Verdrehrichtungen möglich ist. If it is desired to limit the maximum moments or forces between the electric motor drive 40 and the wastegate valve 12 in both adjustment directions, for example even when the valve element 20 approaches an end stop in the open position, the driver element 54 may be limited Modification of the elements shown in Fig. 3 to 6 are coupled in the manner of a torque balance to the output gear 48. In such an embodiment, the driver element then has two lever arms, which are each arranged in alignment with two abutments arranged at the exact distance as the lever arms are arranged on the output gearwheel 48. The legs of the spring element 58 can rest against the two abutments of the driven gear 48 as well as on the two lever arms of the driver element in constructive maintenance, so that pivoting under further bias of the already biased in the middle position spring element in both relative directions of rotation is possible ,

Claims

Patentansprüche claims
1. Aktuator zum Betätigen eines Schaltelements (12) einer Verbrennungskraftmaschine mit einem elektromotorischen Stellantrieb (40) der über ein Getriebe auf das Schaltelement (12) wirkt, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Getriebe wenigstens ein elastisches Element (58) aufweist, das die maximalen Kräfte oder Momente wenigstens auf das Schaltelement (12) selbst in we- nigstens einer Stellrichtung begrenzt.1. Actuator for actuating a switching element (12) of an internal combustion engine with an electromotive actuator (40) via a transmission to the switching element (12) acts, since you rchgekennzeichnet that the transmission has at least one elastic element (58), the maximum Forces or moments limited at least to the switching element (12) even in at least one direction of adjustment.
2. Aktuator nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das elastische Element (58) in einer ersten Endstellung des Schaltelements (12) und/oder in einer zweiten Endstellung des Schaltelements (12) gegenüber einer Normallage deformiert ist.2. Actuator according to claim 1, characterized in that the elastic element (58) in a first end position of the switching element (12) and / or in a second end position of the switching element (12) is deformed relative to a normal position.
3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einer Bewegungsrichtung des Stellantriebes (40) das Getriebe einen starren Durchtrieb aufweist.3. Actuator according to claim 1 or 2, characterized in that in a direction of movement of the actuator (40), the transmission has a rigid drive through.
4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das elasti- sehe Element (58) ein vorgespanntes Federelement ist.4. The actuator according to claim 1, wherein the elastic element is a pretensioned spring element.
5. Aktuator nach Anspruch 4, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Federelement (58) zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Elementen des Getrie- bes angeordnet ist, wobei es in einer vorspannten Mittellage jeweils zwischen zwei Widerlagern an dem ersten Element und zwischen zwei Widerlagern des zweiten Elements eingespannt ist, so dass die beiden Elemente in beiden Drehrichtungen relativ zueinander unter weiterer Vorspan- nung des elastischen Elements beweglich sind. 5. Actuator according to claim 4, characterized in that the spring element (58) is arranged between two relatively movable elements of the transmission, wherein in a prestressed middle position between two abutments on the first element and between two abutments of the second Element is clamped so that the two elements are movable in both directions of rotation relative to each other with further bias of the elastic element.
6. Aktuator nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Federelement (58) zwischen einem Widerlager (60) an dem ersten Element (48) und einem Widerlager (56) an dem zweiten Element eingespannt ist, wobei ein Drehanschlag (62) die relative Verdrehung zwischen den beiden Elementen in der Entspannungsrichtung des elastischen Elements (58) begrenzt und den starren Durchtrieb in einer Stellrichtung bildet.6. Actuator according to claim 4, characterized in that the spring element (58) between an abutment (60) on the first element (48) and an abutment (56) is clamped to the second element, wherein a rotation stop (62), the relative rotation limited between the two elements in the relaxation direction of the elastic element (58) and forms the rigid drive in a direction of adjustment.
7. Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Federelement (58) zwischen Widerlagern (56, 60) einer Welle (32) und eines Zahnrades (48) eingespannt ist, das koaxial drehbar auf der Welle sitzt.7. The actuator according to claim 5 or 6, characterized in that the spring element (58) between abutments (56, 60) of a shaft (32) and a gear (48) is clamped, which is coaxially rotatably mounted on the shaft.
8. Aktuator nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zahnrad (48) Bestandteil eines ein- oder mehrstufigen Zahnradgetriebes ist, das zwischen dem elektromotorischen Antrieb (40) und der Welle (32) angeordnet ist.8. The actuator according to claim 7, characterized in that the toothed wheel (48) is part of a single-stage or multistage gear transmission which is arranged between the electromotive drive (40) and the shaft (32).
9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen dem elektromotorischen Stellantrieb (40) und dem elastischen Element (38) an einem bewegten Getriebebauteil wenigstens ein Endanschlag (50) vorgesehen ist, der den Deformationsweg des elastischen Elements (58) in einer Stellrichtung durch Anlage an einem ortsfesten Anschlag (64) begrenzt .9. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that between the electromotive actuator (40) and the elastic element (38) on a moving transmission component at least one end stop (50) is provided, the deformation of the elastic element (58) in one Adjustment direction limited by contact with a stationary stop (64).
10. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Schaltelement (12) ein Wastegateventil auf der Abgasseite eines Abgasturboladers (10) ist.10. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the switching element (12) is a wastegate valve on the exhaust gas side of an exhaust gas turbocharger (10).
11. Aktuator nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Stellantrieb (40) auf der Frischluftseite des Abgasturboladers (10) angeordnet ist und über das Getriebe mit dem Wastegateventil (12) auf der Abgasseite verbunden ist.11. Actuator according to claim 10, characterized in that the actuator (40) on the Fresh air side of the exhaust gas turbocharger (10) is arranged and is connected via the transmission with the wastegate valve (12) on the exhaust side.
12. Aktuator nach Anspruch 11, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Welle (32) mit dem elastischen Element (58) auf der Frischluftseite angeordnet ist und über ein Hebelgetriebe (30, 28, 26) auf eine zweite Welle (24) wirkt, die drehstarr mit dem Wastegateventil (12) auf der Abgasseite gekoppelt ist. 12. Actuator according to claim 11, since you rchgekennzeichnet that the shaft (32) with the elastic member (58) is arranged on the fresh air side and via a lever mechanism (30, 28, 26) acts on a second shaft (24) torsionally rigid with the wastegate valve (12) is coupled to the exhaust side.
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