EP3755931A1 - Linearaktuator für ein ventil eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Linearaktuator für ein ventil eines kraftfahrzeugs

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EP3755931A1
EP3755931A1 EP19701630.6A EP19701630A EP3755931A1 EP 3755931 A1 EP3755931 A1 EP 3755931A1 EP 19701630 A EP19701630 A EP 19701630A EP 3755931 A1 EP3755931 A1 EP 3755931A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
spindle
gear
linear actuator
motor vehicle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19701630.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
André Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP3755931A1 publication Critical patent/EP3755931A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20—Screw mechanisms
    • F16H25/2018—Screw mechanisms with both screw and nut being driven, i.e. screw and nut are both rotating
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M26/52—Systems for actuating EGR valves
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    • F16K31/508—Mechanical actuating means with screw-spindle or internally threaded actuating means the actuating element being rotatable, non-rising, and driving a non-rotatable axially-sliding element
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    • F16H2025/2062—Arrangements for driving the actuator
    • F16H2025/2087—Arrangements for driving the actuator using planetary gears

Definitions

  • the invention relates to a linear actuator for a valve of a motor vehicle, comprising an electric motor, a planetary gear with a ring gear, a sun gear, and at least one planetary gear, a spindle drive with a spindle rod with an external thread, which is arranged coaxially with the ring gear and the sun gear, and a spindle nut with an internal thread, which meshes with the external thread of the spindle rod.
  • Such linear actuators are used, for example, in exhaust gas recirculation valves of motor vehicles in order to lift a valve body from a valve seat. As a result, a defined amount of exhaust gas can be added to the fresh air supplied to the internal combustion engine in order to reduce the pollutant emissions.
  • a large force may be necessary to open the valve, so that between the electric motor and the driven spindle nut usually a transmission is arranged, which underpins the rotation of the drive shaft for driving the spindle nut. As a result, a larger lifting force can be generated.
  • a transmission for example, a planetary gear can be used.
  • the planetary gear has a rotatable ring gear, a fixed sun gear and a revolving planet gear.
  • the ring gear is driven by the electric motor and the planet gear is coupled to the spindle nut of the spindle drive such that rotation of the spindle nut is generated at the peripheral speed of the planetary gear.
  • the planetary gear has a high gear ratio between the rotational speed of the ring gear and the rotational speed of the planetary gear to produce a high torque on the spindle nut.
  • the rotationally fixed valve rod is formed in sections as a spindle, which meshes with the rotating spindle nut. As a result, the rotation of the spindle nut is converted into an axial movement of the valve stem.
  • the planetary gear has a planetary gear driven by the electric motor with a stationary axis of rotation, the spindle nut rotatably connected to the sun gear, and the spindle rod has an axial bearing portion, via which the spindle rod is mounted axially displaceable and rotationally fixed to the ring gear in a coupling unit , is generated by the electric motor by means of the planetary gear simultaneously both a rotation of the spindle nut, as well as a rotation of the spindle rod with opposite direction of rotation.
  • the linear actuator according to the invention thus enables a high actuating speed when using a transmission with a high transmission ratio. This allows a short positioning time of the linear actuator at the same time high power and low energy consumption of the electric motor.
  • the spindle rod is guided in the circumferential direction positively and thus rotationally fixed in the coupling unit.
  • This allows a simple and reliable rotationally fixed coupling of the spindle rod with the ring gear, which at the same time allows an axially displaceable mounting of the locking bar.
  • the coupling unit has a recess, via which the coupling unit is connected in the circumferential direction positively with the bearing portion of the spindle rod.
  • the recess has a substantially radially outwardly extending groove into which a torque-transmitting member protrudes, the inner radial end is non-rotatably mounted on the spindle rod.
  • the torque transmission member may for example be a spring which projects with a radially inner side into a groove provided on the spindle rod. This allows a simple and reliable rotationally fixed coupling of the spindle rod with the ring gear.
  • the form-fitting is formed in the circumferential direction by the torque-transmitting member and the groove, so that no special spindle rod cross-section is required for the rotationally fixed coupling of the spindle rod with the ring gear.
  • the coupling unit has a coupling receptacle in which a coupling is arranged with two coupling elements, wherein a first coupling element is rotatably connected to the coupling unit, a second coupling element rotatably connected to the Spindestandange, and the coupling elements a positive connection Form in the circumferential direction. Since the positive connection is formed by the coupling, the cross sections of the coupling unit and the spindle rod need not be formed correspondingly. This allows, for example, the use of a universal coupling unit for various Spindle rod-guides.
  • the coupling may for example have a simple tongue and groove connection, which forms a stable positive connection.
  • the coupling unit has a plurality of spokes, preferably three spokes, via which the coupling unit is non-rotatably connected to the ring gear, wherein the spokes have a substantially radially extending first leg and a subsequent to the first leg and substantially axially extending second leg respectively.
  • the coupling unit is positioned both axially and radially reliable with respect to the ring gear.
  • the axial offset between the ring gear and the coupling unit is defined over the length of the axial legs.
  • the axial bearing portion of the spindle rod has a quadrangular cross-section, whereby a reliable positive engagement in the circumferential direction is made possible with simple production.
  • the spindle nut is formed integrally with the sun gear.
  • the planetary gear has a total of three planet gears, which are preferably arranged distributed uniformly along the circumference of the ring gear. This allows a precise and stable radial positioning of the gear wheels to each other. By the plurality of planetary gears, the load of the individual gears of the transmission is reduced, thus improving the life of the transmission.
  • the planetary gear has a reduction ratio with a gear ratio of the driven planetary gear to the sun gear in a range of eight to ten. This allows a high positioning speed of the linear actuator at the same time sufficiently high translational force.
  • a thrust bearing is arranged at one axial end of the spindle rod, which connects the spindle rod with a rotationally fixed and axially displaceable Ventifstange.
  • the rotational and translational movement of the spindle rod can be converted into a purely translatory movement of the valve rod.
  • the electric motor has a drive shaft, which is arranged parallel to the spindle rod and to which the driven planet gear is mounted rotationally fixed. This allows a particularly compact and simple construction of the linear actuator,
  • FIG. 1 shows a perspective view of a linear actuator according to the invention for a valve of a motor vehicle
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the linear actuator from FIG. 1, the spindle rod being coupled to a valve rod via a thrust bearing,
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a planetary gear of the linear actuator of FIG. 1,
  • Figure 4 shows a schematic representation of an alternative coupling unit of the linear actuator of Figure 1, wherein the coupling unit has a recess with a groove into which a rotatably connected to the spindle rod torque transmission member protrudes, and
  • FIG 5 shows a schematic representation of another alternative coupling unit of the linear actuator of Figure 1, wherein in a central recess of the coupling unit, a clutch is arranged.
  • the linear actuator comprises an electric motor 10, a planetary gear 12 and a spindle drive 14.
  • the electric motor 10 has a drive shaft 16 which is driven by the electric motor 10, so that the drive shaft 16 rotates about a drive shaft rotation axis 18.
  • the planetary gear 12 includes a ring gear 20, a sun gear 22 and three planet gears 24a-c.
  • the Hohirad 20 and the sun gear 22 are rotatably disposed about a common transmission rotational axis 26, wherein the ring gear 20 radially surrounds the sun gear 22.
  • the transmission rotational axis 26 extends parallel to the drive shaft rotational axis 18.
  • the ring gear 20 has on the radial inner side a ring gear 28 on.
  • the sun gear 22 has on the radial outer side of a sun gear 30 and has a central Spindelstangen shed evaluation 31.
  • the three planet gears 24a-c are disposed radially between the sun gear 22 and the ring gear 20, with the planet gears 24a-c being distributed uniformly along the circumference of the sun gear 22.
  • the planet gears 24a-c are each rotatably disposed about a fixed planetary rotation axis 32a-c which is parallel to the drive shaft rotation axis 18 and the transmission rotation axis 26.
  • the planetary gears 24a-c have on the radially outer side each a Planetenradverzahnung 34 which both with the Hohlradverzahnung 28 as well as with the
  • Sun gear 30 is engaged.
  • the planetary gear 24 a is rotatably mounted on the drive shaft 16, so that the Planetenradwindachse 32 a of the drive shaft rotation axis 18 corresponds.
  • the spindle drive 14 comprises a spindle rod 36 and a spindle nut 38.
  • the spindle nut 38 is integrally formed with the sun gear 22 and has a central spindle nut bore 40 with an internal thread 42 which extends along the transmission rotational axis 26.
  • the spindle rod 36 extends along the transmission rotational axis 26 through the Spindle passage 31 of the sun gear 22 therethrough.
  • the spindle rod 36 has a threaded portion 44 and a bearing portion 48 in the axial direction.
  • the threaded portion 44 is provided with a circular cross section and an external thread 46.
  • the bearing portion 48 has a quadrangular cross section.
  • the spindle rod 36 is arranged with the threaded portion 44 in the spindle nut 38, so that the external thread 46 of the spindle rod 36 meshes with the internal thread 42 of the spindle nut 38.
  • the spindle rod 36 is mounted on the bearing portion 48 axially displaceable in a coupling unit 50.
  • the coupling unit 50 has a central recess 52 with a quadrangular cross-section, which forms a forming foot 54 in the circumferential direction with the bearing portion 48 of the spindle rod 36.
  • the coupling unit 50 has three spokes 56, via which the coupling unit 50 is connected in a rotationally fixed manner to the ring gear 20.
  • the spokes 56 each have a first radially extending first leg 58 and a substantially axially extending second leg 60 so that the coupling unit 50 axially spaced and radially centered to the sun gear 22 is positioned.
  • the planet gear 24a is driven by the electric motor 10, for example, as shown in FIG. 3, at a rotational speed U1 in a clockwise direction.
  • a rotation of the ring gear 20 in a clockwise direction with a rotational speed U 2 and a rotation of the sun gear in the counterclockwise direction with a rotational speed U 3 are thereby produced.
  • the spindle rod 36 is rotatably connected with the coupling unit 50 above the form-locking connection 54, and thus connected in a rotationally fixed manner to the ring gear 20. This results in operation in a rotation of the planetary gear 24a in a clockwise direction, a rotation of the spindle rod 36 in the clockwise direction with a rotational speed U2.
  • the spindle nut 38 is integrally formed with the sun gear 22, so that the spindle nut 38 rotates counterclockwise at a rotational speed U3.
  • the intermeshing threads 42,46 of the spindle rod 36 and the spindle nut 38 this results in an axial movement of the spindle rod 36 with respect to the axially fixed spindle nut 38.
  • the spindle rod 36 can thus by driving the planet gear 24a via the electric motor 10 axially along the transmission axis of rotation 26 are moved.
  • By driving the planetary gear 24a in a clockwise or counterclockwise direction a movement of the spindle rod 36 can be generated in both axial directions.
  • a thrust bearing 64 may be arranged, which the spindle rod 36 with a rotationally fixed and axially displaceable Valve rod 66 connects. In this way, the rotational and translational movement of the spindle rod 36 can be converted into a purely translational movement of the valve rod 66.
  • FIG. 4 shows an alternative coupling unit 50 'with a central recess 52', which has a first groove 68 extending substantially radially outwards.
  • the spindle rod 36 'on the radial outer side has a substantially radially inward direction extending second groove 69, which faces the first groove 68.
  • a spring 70 is arranged, which forms a positive fit 54 'with the grooves 68,69, so that the spindle rod 36' rotatably connected to the coupling unit 50 'is connected,
  • FIG. 5 shows a further alternative coupling unit 50 ".
  • the coupling unit 50" has a central coupling receptacle 74 with a circular cross section.
  • a coupling 76 with a coupling ring 78 and a clutch spring 80 is arranged in the coupling receptacle 74.
  • the coupling ring 78 is non-rotatably connected on the radial outer side to the coupling unit 50 "and has on the radially inner side a substantially radially outwardly extending coupling groove 82.
  • the coupling spring 80 protrudes with the radially outer side into the coupling groove 82 of the coupling ring 78 and protrudes with the radially inner side into the groove 69 of the spindle rod 36 '.
  • the clutch spring 80 forms in the circumferential direction a positive connection 54 "with the coupling groove 82 and with the groove 69, via which the spindle rod 36' rotatably connected to the ring gear 20 is. Due to the reduction of the driven planetary gear both to the ring gear and to the sun gear on the spindle rod and the spindle nut simultaneously high torques and thus a high translational force can be generated without the need for a particularly powerful electric motor is required.
  • Coupler pocket 76 Coupling

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Abstract

Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor (10), einem Planetengetriebe (12) mit einem Hohlrad (20), und einem Sonnenrad (22), einem Spindelantrieb (14) mit einer Spindelstange (36,36') mit einem Außengewinde (46), welche koaxial zu dem Hohlrad (20) und dem Sonnenrad (22) angeordnet ist, und einer Spindelmutter (38) mit einem Innengewinde (42), welches mit dem Außengewinde (46) der Spindelstange (36, 36') kämmt, wobei das Planetengetriebe (12) ein von dem Elektromotor (10) angetriebenes Planetenrad (24a) mit einer ortsfesten Drehachse (32a) aufweist, die Spindelmutter (38) dreh fest mit dem Sonnenrad (22) verbunden ist, und die Spindeistange (36, 36") einen axialen Lagerabschnitt (48, 48") aufweist, über weichen die Spindelstange (36, 36') axial verschiebbar und drehfest zu dem Hohlrad (20) in einer Koppeleinheit (50, 50', 50") gelagert ist.

Description

B E S C H R E I B U N G Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor, einem Planetengetriebe mit einem Hohlrad, einem Sonnenrad, und mindestens einem Planetenrad, einem Spindelantrieb mit einer Spindelstange mit einem Außengewinde, welche koaxial zu dem Hohlrad und dem Sonnenrad angeordnet ist, und einer Spindelmutter mit einem Innengewinde, welches mit dem Außengewinde der Spindelstange kämmt. Derartige Linearaktuatoren werden beispielsweise In Abgasrückführventilen von Kraftfahrzeugen verwendet, um einen Ventilkörper von einem Ventilsitz abzuheben. Hierdurch kann der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft eine definierte Menge Abgas beigemengt werden, um die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
Es sind verschiedene Ausführungen dieser Abgasrückführventile bekannt. In den letzten Jahren haben sich elektromotorisch angetriebene Hubventile im Bereich der Personenkraftwagen durchgesetzt, bei denen die rotatorische Bewegung der Antriebswelle des Elektromotors in eine translatorische Bewegung der Ventilstange umgewandelt wird. Hierfür kann beispielsweise ein Spindelantrieb verwendet werden, wobei die Ventilstange als rotatorisch feststehende Spindelstange ausgebildet ist, welche in einer drehbaren Spindelmutter geführt ist. Durch eine Rotation der Spindelmutter wird eine translatorische Bewegung der Ventilstange erzeugt. Auf Grund der Druckverhältnisse kann zum Öffnen des Ventils eine große Kraft notwendig sein, sodass zwischen dem Elektromotor und der angetriebenen Spindelmutter in der Regel ein Getriebe angeordnet ist, welches die Rotation der Antriebswelle zum Antreiben der Spindelmutter untersetzt. Hierdurch kann eine größere Hubkraft erzeugt werden. Als Getriebe kann beispielsweise ein Planetengetriebe verwendet werden.
Aus der WO 02/23032 Al ist ein Abgasrückführventil mit einem Elektromotor, einem Planetengetriebe und einem Spindelantrieb bekannt. Das Planetengetriebe weist ein drehbares Hohlrad, ein feststehendes Sonnenrad und ein umlaufendes Planetenrad auf. Das Hohlrad wird von dem Elektromotor angetrieben und das Planetenrad ist derart mit der Spindelmutter des Spindelantriebs gekoppelt, dass eine Rotation der Spindelmutter mit der Umlaufgeschwindigkeit des Planetenrads erzeugt wird. Das Planetengetriebe weist ein hohes Übersetzungsverhältnis zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrads und der Umlaufgeschwindigkeit des Planetenrads auf, um ein hohes Drehmoment an der Spindelmutter zu erzeugen. Die rotatorisch feststehende Ventilstange ist abschnittsweise als Spindel ausgebildet, welche mit der rotierenden Spindelmutter kämmt. Hierdurch wird die Rotation der Spindelmutter in eine axiale Bewegung der Ventilstange umgewandelt.
Zum Erzielen einer kurzen Ventilstellzeit ist eine Rotation der Spindelmutter bezüglich der Spindelstange mit einer hohen Drehzahl erforderlich. Bei dem aus der WO 02/23032 Al bekannten Ventil mit dem hohen Übersetzungsverhältnis ist hierfür ein sehr leistungsstarker Elektromotor mit einem hohen elektrischen Energiebedarf erforderlich. Alternativ kann das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes verringert werden, um eine höhere Rotationsgeschwindigkeit der Spindelmutter zu erzielen. Hierdurch wird jedoch das an der Spindelmutter generierte Drehmoment und somit die Hubkraft: des Ventils verringert.
Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, welcher eine hohe Stellgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Stellkraft aufweist. Außerdem soll der Energiebedarf des Linearaktuators gering sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass das Planetengetriebe ein von dem Elektromotor angetriebenes Planetenrad mit einer ortsfesten Drehachse aufweist, die Spindelmutter drehfest mit dem Sonnenrad verbunden ist, und die Spindelstange einen axialen Lagerabschnitt aufweist, über welchen die Spindelstange axial verschiebbar und drehfest zu dem Hohlrad in einer Koppeleinheit gelagert ist, wird durch den Elektromotor mittels des Planetengetriebes gleichzeitig sowohl eine Rotation der Spindelmutter, als auch eine Rotation der Spindelstange mit entgegengesetzter Drehrichtung erzeugt. Bei gleicher Rotationsgeschwindigkeit der Spindelmutter wird hierdurch eine höhere relative Rotationsgeschwindigkeit der Spindelmutter bezüglich der Spindelstange erzeugt, und somit eine höhere translatorische Stellgeschwindigkeit des Linearaktuators. Der erfindungsgemäße Linearaktuator ermöglicht somit eine hohe Stellgeschwindigkeit bei Verwendung eines Getriebes mit einem hohen Übersetzungsverhältnis. Dies ermöglicht eine kurze Stellzeit des Linearaktuators bei gleichzeitig hoher Stellkraft und geringem Energiebedarf des Elektromotors.
Vorzugsweise ist die Spindelstange in Umfangsrichtung formschlüssig und somit drehfest in der Koppeleinheit geführt. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige dreh feste Kopplung der Spindelstange mit dem Hohlrad, welche gleichzeitig eine axial verschiebbare Lagerung der Spindeistange erlaubt.
Besonders bevorzugt weist die Koppeleinheit eine Aussparung auf, über welche die Koppeleinheit in Umfangsrichtung formschlüssig mit dem Lagerabschnitt der Spindelstange verbunden ist. Dies ermöglicht eine zuverlässige drehfeste Verbindung der Spindelstange mit der Koppeleinheit, für welche keine zusätzlichen Kopplungselemente benötigt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung weist die Aussparung eine sich Im Wesentlichen radial nach außen erstreckende Nut auf, in welche ein Momentübertragungsglied ragt, dessen innenliegendes radiales Ende drehfest an der Spindelstange befestigt ist. Das Momentübertragungsglied kann beispielsweise eine Feder sein, die mit einer radial innenliegenden Seite in eine an der Spindelstange vorgesehene Nut ragt. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige drehfeste Kopplung der Spindelstange mit dem Hohlrad. Hierbei wird der Formschluss in Umfangsrichtung durch das Momentübertragungsglied und die Nut gebildet, sodass für die drehfeste Kopplung der Spindelstange mit dem Hohlrad kein spezieller Spindelstangenquerschnitt erforderlich ist.
In einer alternativen bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Koppeleinheit eine Kupplungsaufnahme auf, in welcher eine Kupplung mit zwei Kupplungselementen angeordnet ist, wobei ein erstes Kupplungselement drehfest mit der Koppeleinheit verbunden ist, ein zweites Kupplungselement drehfest mit der Spindeistange verbunden ist, und die Kupplungselemente einen Formschluss In Umfangsrichtung bilden. Da der Formschluss durch die Kupplung gebildet wird, müssen die Querschnitte der Koppeleinheit und der Spindelstange nicht korrespondierend ausgebildet sein. Dies erlaubt beispielsweise die Verwendung einer universellen Koppeleinheit für verschiedene Spindelstangenausführungen. Die Kupplung kann beispielsweise eine einfache Nut-Feder-Verbindung aufweisen, welche einen stabilen Formschluss bildet. Vorteilhafterweise weist die Koppeleinheit mehrere Speichen auf, vorzugweise drei Speichen, über welche die Koppeleinheit drehfest mit dem Hohlrad verbunden ist, wobei die Speichen einen sich im Wesentlichen radial erstreckenden ersten Schenkel und einen sich an den ersten Schenkel anschließenden und sich im Wesentlichen axial erstreckenden zweiten Schenkel aufweisen. Mittels der Speichen wird die Koppeleinheit sowohl axial als auch radial zuverlässig bezüglich des Hohlrads positioniert. Der axiale Versatz zwischen dem Hohlrad und der Koppeleinheit ist hierbei über die Länge der axialen Schenkel definiert. Eine exakte und stabile Positionierung der Koppeleinheit ist essentiell für eine zuverlässige Lagerung der Spindelwelle in der Koppeleinheit und somit entscheidend für eine ordnungsgemäße Funktion über eine lange Lebensdauer des Linearaktuators.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der axiale Lagerabschnitt der Spindelstange einen viereckigen Querschnitt auf, wodurch ein zuverlässiger Formschluss in Umfangsrichtung bei einfacher Herstellung ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist die Spindelmutter mit dem Sonnenrad einstückig ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige drehfeste Verbindung zwischen der Spindelmutter und dem Sonnenrad, für welche keine zusätzlichen Verbindungsmittel oder Herstellungsschritte erforderlich sind. Vorteilhafterweise weist das Planetengetriebe insgesamt drei Planetenräder auf, welche vorzugsweise gleichmäßig entlang des Umfangs des Hohlrads verteilt angeordnet sind. Dies erlaubt eine exakte und stabile radiale Positionierung der Getriebezahnräder zueinander. Durch die Mehrzahl von Planetenrädern wird die Belastung der einzelnen Zahnräder des Getriebes reduziert und somit die Lebensdauer des Getriebes verbessert.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Planetengetriebe von dem angetriebenen Planetenrad zu dem drehfest mit der Spindel verbundenen Sonnenrad eine Untersetzung auf, wodurch eine hohe translatorische Stellkraft des Linearaktuators erzielt werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Planetengetriebe eine Untersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis von dem angetriebenen Planetenrad zu dem Sonnenrad In einem Bereich von acht bis zehn auf. Dies ermöglicht eine hohe Stellgeschwindigkeit des Linearaktuators bei gleichzeitig ausreichend hoher translatorischer Stellkraft.
Vorzugsweise ist an einem axialen Ende der Spindelstange ein Axiallager angeordnet, welches die Spindelstange mit einer rotatorisch feststehenden und axial verschiebbaren Ventifstange verbindet. Hierdurch kann die rotatorische und translatorische Bewegung der Spindelstange in eine rein translatorische Bewegung der Ventilstange umgewandelt werden. Dies ermöglicht beispielsweise ein Abheben eines Ventil körpers von einem Ventilsitz, ohne dass dabei der Ventilkörper bezüglich des Ventilsitzes verdreht wird. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Elektromotor eine Antriebswelle auf, welche parallel zu der Spindelstange angeordnet ist und an welcher das angetriebene Planetenrad drehfest angebracht ist. Dies ermöglicht einen besonders kompakten und einfachen Aufbau des Linearaktuators,
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linearaktuators für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben, wobei
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearaktuators für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs zeigt, Figur 2 eine schematische Seitenansicht des Linearaktuators aus Figur 1 zeigt, wobei die Spindelstange über ein Axiallager mit einer Ventilstange gekoppelt ist,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Planetengetriebes des Linearaktuators aus Figur 1 zeigt,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer alternativen Koppeleinheit des Linearaktuators aus Figur 1 zeigt, wobei die Koppeleinheit eine Aussparung mit einer Nut aufweist, In welche ein drehfest mit der Spindelstange verbundenes Momentübertragungsglied ragt, und
Figur 5 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Koppeleinheit des Linearaktuators aus Figur 1 zeigt, wobei in einer zentralen Aussparung der Koppeleinheit eine Kupplung angeordnet ist. Der Linearaktuator umfasst einen Elektromotor 10, ein Planetengetriebe 12 und einen Spindelantrieb 14. Der Elektromotor 10 weist eine Antriebswelle 16 auf, welche durch den Elektromotor 10 angetrieben wird, sodass sich die Antriebswelle 16 um eine Antriebswellendrehachse 18 dreht.
Das Planetengetriebe 12 umfasst ein Hohlrad 20, ein Sonnenrad 22 und drei Planetenräder 24a-c. Das Hohirad 20 und das Sonnenrad 22 sind drehbar um eine gemeinsame Getriebedrehachse 26 angeordnet, wobei das Hohlrad 20 das Sonnenrad 22 radial umgibt. Die Getriebedrehachse 26 verläuft parallel zu der Antriebswellendrehachse 18. Das Hohlrad 20 weist auf der radialen Innenseite eine Hohlradverzahnung 28 auf. Das Sonnenrad 22 weist auf der radialen Außenseite eine Sonnenradverzahnung 30 auf und weist eine zentrale Spindelstangendurchführung 31 auf. Die drei Planetenräder 24a-c sind radial zwischen dem Sonnenrad 22 und dem Hohlrad 20 angeordnet, wobei die Planetenräder 24a-c gleichmäßig entlang des Umfangs des Sonnenrads 22 verteilt sind. Die Planetenräder 24a-c sind jeweils drehbar um eine ortsfeste Planetenraddrehachse 32a-c angeordnet, weiche parallel zu der Antriebswellendrehachse 18 und zu der Getriebedrehachse 26 verläuft Die Planetenräder 24a-c weisen auf der radialen Außenseite jeweils eine Planetenradverzahnung 34 auf, welche sowohl mit der Hohlradverzahnung 28 als auch mit der
Sonnenradverzahnung 30 im Eingriff steht. Das Planetenrad 24a ist drehfest an der Antriebswelle 16 angebracht, sodass die Planetenraddrehachse 32a der Antriebswellendrehachse 18 entspricht.
Der Spindelantrieb 14 umfasst eine Spindelstange 36 und eine Spindelmutter 38. Die Spindelmutter 38 ist einstückig mit dem Sonnenrad 22 ausgebildet und weist eine zentrale Spindelmutterbohrung 40 mit einem Innengewinde 42 auf, welche sich entlang der Getriebedrehachse 26 erstreckt. Die Spindelstange 36 erstreckt sich entlang der Getriebedrehachse 26 durch die Spindelstangendurchführung 31 des Sonnenrads 22 hindurch. Die Spindelstange 36 weist in Axialrichtung einen Gewindeabschnitt 44 und einen Lagerabschnitt 48 auf. Der Gewindeabschnitt 44 ist mit einem kreisförmigen Querschnitt sowie einem Außengewinde 46 versehen. Der Lagerabschnitt 48 weist einen viereckigen Querschnitt auf. Die Spindeistange 36 ist mit dem Gewindeabschnitt 44 in der Spindelmutter 38 angeordnet, sodass das Außengewinde 46 der Spindelstange 36 mit dem Innengewinde 42 der Spindelmutter 38 kämmt. Die Spindelstange 36 ist über den Lagerabschnitt 48 axial verschiebbar in einer Koppeleinheit 50 gelagert. Die Koppeleinheit 50 weist eine zentrale Aussparung 52 mit einem viereckigen Querschnitt auf, welche in Umfangsrichtung einen Formschfuss 54 mit dem Lagerabschnitt 48 der Spindelstange 36 bildet. Die Koppefeinheit 50 weist drei Speichen 56 auf, über welche die Koppeleinheit 50 drehfest mit dem Hohlrad 20 verbunden ist. Die Speichen 56 weisen jeweils einen sich Im Wesentlichen radial erstreckenden ersten Schenkel 58 und einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden zweiten Schenkel 60 auf, sodass die Koppeleinheit 50 axial beabstandet und radial zentriert zu dem Sonnenrad 22 positioniert ist. Im Betrieb wird das Planetenrad 24a von dem Elektromotor 10, beispielsweise wie in Figur 3 dargestellt mit einer Rotationsgeschwindigkeit Ul im Uhrzeigersinn, angetrieben. Über die im Eingriff stehenden Verzahnungen 28,30,34 des Planetengetriebes 12 wird hierdurch eine Rotation des Hohlrads 20 im Uhrzeigersinn mit einer Rotationsgeschwindigkeit U2 sowie eine Rotation des Sonnenrads gegen den Uhrzeigersinn mit einer Rotationsgeschwindigkeit U3 erzeugt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Planetengetriebe 12 von dem angetriebenen Planetenrad 24a zu dem Sonnenrad 22 ein Übersetzungsverhältnis I im Bereich von acht bis zehn auf, sodass im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ul > U3 > U2 Ist. Die Spindelstange 36 ist Ober den Formschluss 54 drehfest mit der Koppeleinheit 50 verbunden, und somit drehfest mit dem Hohlrad 20 verbunden. Hieraus ergibt sich im Betrieb bei einer Rotation des Planetenrads 24a im Uhrzeigersinn eine Rotation der Spindelstange 36 Im Uhrzeigersinn mit einer Rotationsgeschwindigkeit U2. Die Spindelmutter 38 ist einstückig mit dem Sonnenrad 22 ausgebildet, sodass sich die Spindelmutter 38 mit einer Rotationsgeschwindigkeit U3 gegen den Uhrzeigersinn dreht. Die Spindelstange 36 dreht sich somit bezogen auf die Spindelmutter mit einer relativen Rotationsgeschwindigkeit U4 = U2 + U3. Durch die Ineinander kämmenden Gewinde 42,46 der Spindelstange 36 und der Spindelmutter 38 ergibt sich hieraus eine axiale Bewegung der Spindelstange 36 bezüglich der in Axialrichtung ortsfesten Spindelmutter 38. Die Spindelstange 36 kann somit durch Antreiben des Planetenrads 24a über den Elektromotor 10 axial entlang der Getriebedrehachse 26 bewegt werden. Durch Antrieb des Planetenrads 24a im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn kann hierbei eine Bewegung der Spindelstange 36 in beide Axialrichtungen erzeugt werden.
An einem axialen Ende 62 der Spindelstange 36, welches auf der dem Planetengetriebe 12 abgewandten Seite aus der Koppeleinheit 50 herausragt, kann, wie in Figur 2 schematisch dargestellt ist, ein Axiallager 64 angeordnet sein, welches die Spindelstange 36 mit einer rotatorisch feststehenden und axial verschiebbaren Ventilstange 66 verbindet. Hierdurch kann die rotatorische und translatorische Bewegung der Spindelstange 36 in eine rein translatorische Bewegung der Ventilstange 66 umgewandelt werden.
Die Figur 4 zeigt eine alternative Koppeleinheit 50' mit einer zentralen Aussparung 52', welche eine sich im Wesentlichen radial nach außen erstreckende erste Nut 68 aufweist. Die Spindelstange 36' weißt an der radialen Außenseite eine sich im Wesentlichen radial nach innen erstreckende zweite Nut 69 auf, welche der ersten Nut 68 gegenübersteht. In den Nuten 68,69 ist eine Feder 70 angeordnet, die einen Formschluss 54' mit den Nuten 68,69 bildet, sodass die Spindelstange 36' drehfest mit der Koppeleinheit 50' verbunden ist,
Die Figur 5 zeigt eine weitere alternative Koppeleinheit 50", Die Koppeleinheit 50" weist eine zentrale Kupplungsaufnahme 74 mit einem kreisförmigen Querschnitt auf. In der Kupplungsaufnahme 74 Ist eine Kupplung 76 mit einem Kupplungsring 78 und einer Kupplungsfeder 80 angeordnet. Der Kupplungsring 78 ist auf der radialen Außenseite drehfest mit der Koppeleinheit 50" verbunden und weist auf der radialen Innenseite eine sich im Wesentlichen radial nach außen erstreckende Kupplungsnut 82 auf. Die Kupplungsfeder 80 ragt mit der radial außenliegenden Seite in die Kupplungsnut 82 des Kupplungsrings 78 und ragt mit der radial innenliegenden Seite in die Nut 69 der Spindelstange 36'. Die Kupplungsfeder 80 bildet in Umfangsrichtung einen Formschluss 54" mit der Kupplungsnut 82 und mit der Nut 69, über welchen die Spindelstange 36’ drehfest mit dem Hohlrad 20 verbunden Ist. Der erfindungsgemäße simultane gegensinnige Antrieb der Spindelstange und der Spindelmutter über den Elektromotor ermöglicht dem Linearaktuator kurze Stellzeiten, Auf Grund der Untersetzung von dem angetriebenen Planetenrad sowohl zu dem Hohlrad als auch zu dem Sonnenrad können an der Spindelstange und an der Spindelmutter gleichzeitig hohe Drehmomente und somit eine hohe translatorische Stellkraft erzeugt werden, ohne dass hierfür ein besonders leistungsstarker Elektromotor erforderlich ist.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere kann das Planetengetriebe andere Übersetzungsverhältnisse aufweisen, um den Linearaktuator an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. Ferner sind weitere alternative Koppeleinheiten mit einer anderen Formschlussgeometrie oder einer anderen Kupplung denkbar. Auch eine andere drehfeste Verbindung zwischen der Koppeleinheit und dem Hohlrad ist möglich, beispielweise Ober eine verschiedene Anzahl von Speichen.
Bezugszeichenliste
10 Elektromotor
12 Planetengetriebe
14 Spindelantrieb
16 Antriebswelle
18 Antriebswellendrehachse 20 Hohlrad
22 Sonnenrad
24a-c Planetenräder
26 Getriebedrehachse
28 Hohlradverzahnung
30 Sonnenradverzahnung
31 Spindelstangendurchführung 32a-c Planetenraddrehachsen 34 Planetenradverzahnung 36 Spindelstange
38 Spindelmutter
40 Spindelmutterbohrung 42 Innengewinde
44 Gewindeabschnitt
46 Außengewinde
48 Lagerabschnitt
50 Koppefeinheit
52 Aussparung
54 Formschluss
56 Speichen
58 erster Schenkel
60 zweiter Schenkel
62 axiales Ende
64 Axiallager 66 Ventilstange
68 Nut
69 Nut
70 Feder
74 Kupplungsaufnahme 76 Kupplung
78 Kupplungsring
80 Kupplungsfeder
82 Kupplungsnut

Claims

Pierburg GmbH, 41460 Neuss
P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs, mit
einem Elektromotor (10),
einem Planetengetriebe (12) mit
einem Hohlrad (20), und
einem Sonnenrad (22),
einem Spindelantrieb (14) mit
einer Spindelstange (36,36') mit einem Außengewinde (46), welche koaxial zu dem Hohlrad (20) und dem Sonnenrad (22) angeordnet ist, und
einer Spindelmutter (38) mit einem Innengewinde (42), welches mit dem Außengewinde (46) der Spindelstange (36,36') kämmt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Planetengetriebe (12) ein von dem Elektromotor (10) angetriebenes Planetenrad (24a) mit einer ortsfesten Drehachse (32a) aufweist,
die Spindelmuter (38) drehfest mit dem Sonnenrad (22) verbunden ist, und
die Spindelstange (36,36') einen axialen Lagerabschnitt (48,48') aufweist, über welchen die Spindelstange (36,36') axial verschiebbar und drehfest zu dem Hohlrad (20) in einer Koppeleinheit (50, 50', 50") gelagert Ist, Linea raktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass
die Spindelstange (36,36') in Umfangsrichtung formschlüssig und somit drehfest in der Koppeleinheit (50,50') geführt ist.
3. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Koppeieinheit (50,50') eine Aussparung {52,52') aufweist, über welche die Koppeleinheit (50,50') In Umfangsrichtung formschlüssig mit der Spindelstange (36,36') verbunden ist,
4. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Aussparung (52') eine sich im Wesentlichen radial nach außen erstreckende Nut (68) aufweist, in welche ein Momentübertragungsglied (70) ragt, dessen innenliegendes radiales Ende drehfest an der Spindelstange (36') befestigt ist.
5. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Koppeleinheit (50") eine Kupplungsaufnahme (74) aufweist, ln welcher eine Kupplung (76) mit zwei Kupplungselementen (78,80) angeordnet ist, wobei ein erstes Kupplungselement (78) drehfest mit der Koppeleinheit (50") verbunden ist, ein zweites Kupplungselement (80) dreh fest mit der Spindelstange (36') verbunden ist, und die
Kupplungselemente (78,80) einen Formschluss (54") in Umfangsrichtung bilden.
6. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Koppeleinheit (50,50', 50") mehrere Speichen (56) aufweist, über welche die Koppeleinheit (50, 50', 50") dre fest mit dem Hohirad (20) verbunden ist, wobei die Speichen (56) einen sich im Wesentlichen radial erstreckenden ersten Schenkel (58) und einen sich an den ersten Schenkel (58) anschließenden und sich im Wesentlichen axial erstreckenden zweiten Schenkel (60) aufweisen.
7. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der axiale Lagerabschnitt (48) der Spindeistange (36) einen viereckigen Querschnitt aufweist. 8. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spindelmutter (38) mit dem Sonnenrad (22) einstückig ausgebildet ist.
9. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Planetengetriebe (12) insgesamt drei Planetenräder (24a-c) aufweist.
10. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Planetengetriebe (12) von dem angetriebenen Planetenrad (24a) zu dem Sonnenrad (22) eine Untersetzung aufweist.
11. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (12) eine Untersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis (I) von dem angetriebenen Planetenrad (24a) zu dem Sonnenrad (22) in einem Bereich von acht bis zehn aufweist. 12. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an einem axialen Ende (62) der Spindelstange (36,36') ein Axiallager (64) angeordnet ist, welches die Spindelstange (36,36') mit einer rotatorisch feststehenden und axial verschiebbaren Ventilstange (66) verbindet.
13. Linearaktuator für ein Ventil eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (10) eine Antriebswelle (16) aufweist, welche parallel zu der Spindelstange (36,36') angeordnet ist und an welcher das angetriebene Planetenrad (24a) dreh fest angebracht ist.
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