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Dokumentenidentifikation DE102004002549A1 18.08.2005
Titel Elektromechanischer Aktuator und Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung
Anmelder Dr.Ing.h.c. F. Porsche AG, 70435 Stuttgart, DE
Erfinder Esser, Joachim, Dr.-Ing., 71277 Rutesheim, DE;
Funk, Michael, Dipl.-Ing., 71254 Ditzingen, DE
DE-Anmeldedatum 17.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002549
Offenlegungstag 18.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.08.2005
IPC-Hauptklasse H02K 7/116
IPC-Nebenklasse F16H 48/20   H02K 7/02   F16F 15/12   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung stellt einen elektromechanischen Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung (18) bereit mit: einer elektrischen Antriebseinrichtung (10) zum rotatorischen Antreiben einer ersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment; einer Getriebeeinrichtung (12) zur Wandlung einer ersten Drehzahl der ersten Welle (11) in eine zweite Drehzahl einer zweiten Welle (17) gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis (165); und einer mechanischen Resonanzeinrichtung (13), welche an die erste Welle (11) gekoppelt ist, zum Verstärken des ersten Drehmoments der ersten Welle (11). Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung (18) bereit.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator und ein Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung, und insbesondere einen elektromechanischen Aktuator und ein Verfahren zur Ansteuerung von einer Lamellenkupplung in einer Differentialsperre eines Kraftfahrzeuges.

Elektromechanische Aktuatoren finden eine stetig wachsende Verbreitung zur Betätigung diverser, in aller Regel mechanischer Einrichtungen. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau ist der Einsatz präzise ansteuerbarer Betätigungseinrichtungen mittlerweile unerläßlich. Um beispielsweise die Sperrwirkung einer Differentialsperre in einem Kraftfahrzeug über eine Lamellenkupplung zu variieren, ist eine hohe Stellkraft zur Betätigung der Lamellenkupplung erforderlich.

Im allgemeinen werden Elektromotoren zur Betätigung solcher Lamellenkupplungen eingesetzt. Da Elektromotoren bei erforderlichen geringen Baugrößen bzw. Abmessungen lediglich verhältnismäßig kleine Drehmomente und somit Kräfte erzeugen können, ist ein Untersetzungsgetriebe zur Vergrößerung von Drehmoment bzw. Kraft vonnöten. Ein Untersetzungsgetriebe, welches ein hohes Übersetzungsverhältnis aufweist, ist jedoch durch hohe Reibungswerte gekennzeichnet. Diese Reibung im Untersetzungsgetriebe wirkt sich dabei ungünstig auf die Steuer- und/oder Regelbarkeit des Systems aus.

Die Reibung in dem Getriebe äußert sich durch einen Hysterese-Verlauf gemäß 6, wenn man das Kupplungsmoment M über dem Eingangsstrom I des Elektromotors, vorzugsweise einer Gleichstrom-Maschine, aufträgt. In 6 wird die Hysterese-Schleife 30 im Uhrzeigersinn durchlaufen. Wird ausgehend vom Ursprung (Origo) bzw. Nullpunkt 0 ein negativer Strom I angelegt, so wird am Ausgang des Getriebes aufgrund der Getriebereibung das von der Gleichstrom-Maschine generierte Drehmoment zunächst nicht übertragen. Erst bei einem weiteren Anstieg der Strom-Amplitude I erfolgt ein Anstieg des Drehmoments M am Ausgang des Getriebes.

Reduziert man nach Erreichen einer vorbestimmten Strom-Amplitude den Strombetrag I, so nimmt das Drehmoment M am Ausgang des Getriebes zunächst gemäß dem Hysterese-Verlauf 30 nur langsam ab, bevor es bei weiter abnehmender Strom-Amplitude I stärker abnimmt und schließlich wieder im Ursprung bzw. Nullpunkt verläuft. Der in 6 negativ eingezeichnete Strom ist auch als positive Größe auftragbar, woraus sich eine Hysterese-Schleife gemäß 6 gespiegelt an der Momenten-Achse durch den Ursprung 0 ergibt, wobei die Hysterese-Schleife 30 dann im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen würde.

Ein bekanntes Verfahren zur Reduzierung des Reibungseinflusses einer Getriebeuntersetzung auf den Verlauf des Drehmoments am Ausgang des Getriebes über dem Eingangsstrom des Elektromotors ist der Einsatz eines gepulsten Eingangssignals am Elektromotor anstelle einer Gleichgröße. Durch das gepulste Signal wird die Reibung, welche gemäß 6 als Haftreibung zum Hysterese-Verlauf 30 führt, auf das geringere Reibungsniveau der Gleitreibung reduziert. Dieser Effekt, welcher als Dither bezeichnet wird, wird ausgenutzt, wenn der Elektromotor mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal angesteuert wird.

Die Dither-Wirkung hängt von der Frequenz des PWM-Signals sowie von der Pulsweite ab. Ist die Frequenz beispielsweise zu hoch, so kann der Elektromotor aufgrund seiner Trägheit keine Bewegung auf die Getriebeeinrichtung übertragen bzw. ins System einbringen. Die sogenannte Dither-Wirkung läßt folglich mit zunehmender Frequenz nach. Die Pulsweite fließt über das Tastverhältnis direkt in die Dither-Wirkung ein, wobei bei mittleren Tastverhältnissen zwischen 20% und 80% die Dither-Wirkung am größten ist. Bei sehr kleinen Tastverhältnissen zwischen 0% und 20% sowie bei sehr großen Tastverhältnissen zwischen 80% und 100% läßt die Dither-Wirkung stark nach.

In 7 ist exemplarisch ein pulsweitenmoduliertes Signal 31 über der Zeit t dargestellt. Das PWM-Signal 31 ist derart moduliert, daß es zunächst ein niedriges Tastverhältnis vorsieht, welches stetig ansteigt bis zu einem hohen Tastverhältnis. Steuert man den Elektromotor mit einem PWM-Signal 31 gemäß 7 mit Tastverhältnissen aus den mittleren sechs Segmenten gemäß 7, so ist die Dither-Wirkung am größten.

Der elektromechanische Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und das Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung gemäß Anspruch 11 weisen gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, daß die sogenannte Dither-Wirkung gesteigert und somit der Einfluß der Haftreibung der Getriebeeinrichtung herabgesetzt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung sowie die erfindungsgemäße elektromechanische Aktuatorik wird ein präzise dosierbares Drehmoment an einem Getriebeausgang bereitgestellt, welches insbesondere bei kleinen Momentenwerten, d.h. kleinen Ansteuerströmen des Elektromotors, einen nahezu linearen Verlauf zwischen Eingangsstrom des Antriebsmotors und Ausgangsdrehmoment der Getriebeeinrichtung ermöglicht.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im wesentlichen darin, eine zumindest kurzzeitige Drehmomenterhöhung auf mechanische oder elektrische Weise am Eingang der Getriebeeinrichtung zu generieren.

Mit anderen Worten wird beispielsweise ein elektromechanischer Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung bereitgestellt mit einer elektrischen Antriebseinrichtung zum rotatorischen Antreiben einer ersten Welle mit einem ersten Drehmoment; einer Getriebeeinrichtung zur Wandlung einer ersten Drehzahl der ersten Welle in eine zweite Drehzahl einer zweiten Welle gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis; und einer mechanischen Resonanzeinrichtung, welche an die erste Welle gekoppelt ist, zum Verstärken des ersten Drehmoments der ersten Welle. Darüber hinaus wird gegebenenfalls alternativ das Verstärken des ersten Drehmoments der ersten Welle durch Ansteuern der elektrischen Antriebseinrichtung mit einem gepulsten Signal bereitgestellt, welches pro Puls sowohl auf einen vorbestimmten negativen, als auch einen vorbestimmten positiven Signalpegel mit einem Flankenwechsel der doppelten vorbestimmten Signalpegelamplitude dazwischen springt, wenn das Ansteuersignal unterhalb einer vorbestimmten Signalpegelschwelle liegt. Außerdem wird die erste Welle vorzugsweise alternativ als Drehstabfeder vorgesehen, welche eine vorbestimmte Elastizität aufweist, drehfest mit einem rotierenden Läufer vorbestimmter Trägheit der elektrischen Antriebseinrichtung gekoppelt ist und mit diesem eine mechanische Resonanzeinrichtung zum Verstärken des ersten Drehmoments der ersten Welle bildet.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des im Anspruch 1 und Anspruch 6 angegebenen elektromechanischen Aktuators sowie des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Resonanzeinrichtung zumindest eine an die erste Welle gekoppelte Federeinrichtung vorbestimmter Federkonstante auf, welche mit einer Schwungeinrichtung vorbestimmter Trägheit gekoppelt ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zumindest eine Federeinrichtung der Resonanzeinrichtung eine Spiralfeder oder ein Gummiband oder einen elastisch deformierbaren Kunststoffbalg auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Schwungeinrichtung in einem vorbestimmten Abschnitt, vorzugsweise reibungsarm, ringförmig um die erste Welle gelagert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Schwungeinrichtung über zumindest einen, vorzugsweise zwei, Vorsprünge auf der ersten Welle und einen, vorzugsweise zwei, Vorsprünge auf der Schwungeinrichtung elastisch miteinander gekoppelt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist an der Getriebeeinrichtung und/oder an dem Läufer der elektrischen Antriebseinrichtung eine zusätzliche Trägheitsmasse zur Steigerung des jeweiligen Trägheitsmomentes zur Vergrößerung des ersten Drehmoments der ersten Welle vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist an der Getriebeeinrichtung eine Einrichtung zur Wandlung einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist als mechanische Einrichtung eine Lamellenkupplung, vorzugsweise zum adaptiven Sperren eines Differentialgetriebes in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist als elektrische Antriebseinrichtung eine Gleichstrom-Maschine vorgesehen ist, welche über einen Stromrichter mit einem gepulsten Signal ansteuerbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das gepulste Signal ein PWM-Signal mit einem Abtastverhältnis zwischen 0,1 und 1, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ergeben positive und negative Spannungszeitflächen in Addition, d.h. der entsprechende Strommittelwert des Ansteuersignals, ein Standard-PWM-Signal eines vorbestimmten niedrigeren Abtastverhältnisses.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines elektromechanischen Aktuators zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 eine schematische Querschnittsansicht einer mechanischen Resonanzeinrichtung entlang der Linie A-A gemäß 1 zur Erläuterung eines Details einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

3 ein schematisches schwingungstechnisches Ersatzmodell zur Erläuterung der Ausführungsform gemäß 1;

4 ein schematisches schwingungstechnisches Ersatzmodell zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5A,B jeweils ein schematisches Modulationsdiagramm über der Zeit, wobei 5A eine Modulationsart zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 5B eine Standard-Modulationsform gleichen Strommittelwertes wie in 5A zeigt;

6 einen schematischen Hysterese-Verlauf zur Erläuterung der Problemstellung bei bekannten elektromechanischen Aktuatoren; und

7 ein schematisches Diagramm eines PWM-Signals zur Erläuterung einer bekannten Lösung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.

In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines elektromechanischen Aktuators dargestellt, in welchem eine elektrische Antriebseinrichtung 10 vorgesehen ist. Die elektrische Antriebseinrichtung 10 ist beispielsweise als Gleichstrom-Maschine ausgebildet und weist einen Läufer auf (in 1 nicht dargestellt), welcher mit einer Welle 11 drehfest verbunden ist. In einem vorbestimmten Abschnitt der Welle 11, vorzugsweise mittig zwischen einem mit einer Getriebeeinrichtung 12 verbundenen Ende und dem über die elektrische Antriebseinrichtung 10 herausragenden Ende, ist eine Resonanzeinrichtung 13 vorgesehen. Die mechanische Resonanzeinrichtung 13 ist elastisch an die vorzugsweise steif ausgeführte Welle 11 gekoppelt und weist ein vorbestimmtes Trägheitsmoment auf. Mit Bezug auf 2 wird die mechanische Resonanzeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.

Die Getriebeeinrichtung 12 ist vorzugsweise aus zwei Zahnrädern 14, 15 unterschiedlichen Umfangs zusammengesetzt. Durch die Umfangsdifferenz des ersten kleineren Zahnrads 14 und des zweiten größeren Stirntriebzahnrads 15 wird ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis 16 bereitgestellt. Anstelle von ineinandergreifenden Zahnrädern 14, 15 sind ebenso andere friktionsbehaftete Oberflächenmaterialien bzw. ineinandergreifende -strukturen des zylinderförmigen Abtriebs 14 und des ebenfalls zylinderförmigen Stirntriebs 15 einsetzbar, um ein vorbestimmtes Drehmoment übertragen zu können. Der zylindrische Stirnabtrieb 15, vorzugsweise ein Zahnrad, ist über eine zweite Welle 17 mit einer weiteren mechanischen Einrichtung 18, beispielsweise einem Kupplungselement, verbunden.

Aufgrund des Übersetzungsverhältnisses 16 weist die erste Welle 11 eine um einen vorbestimmten Faktor höhere Drehzahl als die zweite Welle 17 auf, wobei durch die Untersetzung von z.B. 50:1 ein höheres Drehmoment an der Welle 17 anliegt. An die weitere mechanische Einrichtung 18 schließt sich vorzugsweise eine Einrichtung zur Umwandlung einer rotatorischen in eine lineare Bewegung an (nicht dargestellt), vermittels welcher beispielsweise auf ein Lamellenpaket einer Lamellenkupplung zur kontinuierlichen Verstellung der Sperrwirkung insbesondere eines Differentialgetriebes für ein Kraftfahrzeug Druck ausgeübt werden kann.

Wird die elektrische Antriebseinrichtung 10 auf bekannte Weise mit einem gepulsten Eingangssignal vorbestimmter Amplitude, Frequenz und Tastverhältnis angesteuert, so wird die erste Welle 11 ruckartig durch die elektrische Antriebseinrichtung 10 beschleunigt. Die mechanische Resonanzeinrichtung 13 verzögert dabei zunächst die Beschleunigung der Welle 11 aufgrund der über elastische Mittel angebundenen Schwungmasse mit einem vorbestimmten Trägheitsmoment. Dabei weist die elastische Anbindung eine vorbestimmte Steifigkeit auf. Ist die Schwungmasse der Resonanzeinrichtung 13 dann auf die Umfangsgeschwindigkeit der Welle 11 beschleunigt, so folgt aufgrund der beschleunigten trägen Masse der Resonanzeinrichtung 13, welche von der Federeinrichtung zur Federruhelage und darüber hinaus beschleunigt wird, eine vorübergehende Drehmomentüberhöhung, welche die Haftreibung der Getriebeeinrichtung 12 gegebenenfalls übersteigt, so daß auch bei Ansteuerung der elektrischen Antriebseinrichtung 10 mit einer geringeren Signal-Amplitude ein Drehmoment auf die zweite Welle 17 übertragen wird.

Bei Ansteuerung mit einem konstanten Signal und ohne Resonanzeinrichtung 13 muß allein durch den Ansteuerstrom ein dazu proportionales Drehmoment an der Welle 11 durch die elektrische Antriebseinrichtung 10 aufgebracht werden, um die Haftreibung der Getriebeeinrichtung 12 zu überwinden. Diese Haftreibung und damit das Haftmoment wird durch eine Ansteuerung mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal der elektrischen Antriebseinrichtung 10 mit Hilfe der mechanischen Resonanzeinrichtung 13 (vorübergehende Drehmomenterhöhung) überwunden.

In 2 ist schematisch der Querschnitt einer Resonanzeinrichtung 13 gemäß 1 dargestellt. Die Welle 11 ist zumindest im Bereich der Resonanzeinrichtung 13 vorzugsweise mit zumindest einem radial nach außen gerichteten Vorsprung 20 versehen. Ein vorzugsweise ringförmig, um die Welle 11 angeordneter Schwungkörper 19 ist vorzugsweise mit zumindest einem radial nach innen gerichteten Vorsprung 21 ausgestattet. Zwischen dem zumindest einen Vorsprung 21 des Schwungkörpers 19 und dem zumindest einen Vorsprung 20 der Welle 11 ist zumindest eine elastisch deformierbare Einrichtung 22 vorbestimmter Elastizität bzw. Steifigkeit vorgesehen. Die elastisch deformierbare Einrichtung 22 weist vorzugsweise Schraubenfederelemente auf, kann jedoch auch beispielsweise durch Gummibänder elastisch deformierbare Kunststoffbälge oder bei einer ausreichenden Abdichtung zwischen der Welle 11 und dem Schwungkörper 19 mit entsprechenden Vorsprüngen 20, 21 mit einem Gas, wie z.B. Luft, als Federmittel gebildet werden.

Die Steifigkeit der elastisch deformierbaren Einrichtung 20 bzw. die Elastizität ist dabei auf die Masse bzw. das Trägheitsmoment des Schwungkörpers 19 sowie auf die Ansteuer- bzw. Drehfrequenz der Welle 11, angetrieben durch die elektrische Antriebseinrichtung 10 abgestimmt, um einen Resonanzeffekt, d.h. insbesondere eine Amplituden-Überhöhung des Drehmoments auf die Welle 11 bereitzustellen.

Wird die Welle 11 durch die elektrische Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 beschleunigt, so wird das zumindest eine elastisch deformierbare Element 22 gedehnt oder gestaucht, da der Schwungkörper 19 zunächst in Ruhe verbleibt. Wird der Schwungkörper 19 dann durch die auf ihn wirkende Federkraft beschleunigt, so kommt der Schwungkörper 19 nach einem drehmomentsteigernden kurzen Überschwinger auf dieselbe Winkelumlaufgeschwindigkeit wie die Welle 11 und verharrt aufgrund der elastischen Kopplung mit der Welle 11 zunächst in dieser Geschwindigkeit, auch wenn die Welle 11 aufgrund eines gepulsten Ansteuersignals der elektrischen Antriebseinrichtung 10 bereits wieder verzögert wird.

Das Trägheitsmoment des bewegten Schwungkörpers 19 reißt dabei die über die elastisch deformierbare Einrichtung 22 gekoppelte Welle 11 weiter mit. In der Ausführungsform gemäß 2 sind zwei diametral gegenüberliegende Vorsprünge 20 auf der Welle 11 vorgesehen. Der Schwungkörper 19 weist ebenfalls zwei diametral gegenüberliegende, nach innen gerichtete Vorsprünge 21 auf, welche im entspannten Zustand der vier dazwischenliegenden Federelemente 22 einen Winkel von 90° zueinander aufweisen und vorzugsweise als reibungsarme Lagerung auf der Welle 11 dienen. Die Federelemente 22 gemäß 2, beispielsweise Schraubenfedern, werden bei einem Beschleunigen bzw. Abbremsen der Welle 11 somit auf Zug und Druck beansprucht.

In 3 ist schematisch ein schwingungstechnisches Ersatzmodell gemäß einer an 1 angelehnten Ausführungsform dargestellt. Die elektrische Antriebseinrichtung 10 wird schwingungstechnisch durch das Trägheitsmoment des Läufers JL verkörpert, welches über die Welle 11 mit dem Trägheitsmoment JW versehen an die Getriebeeinrichtung 12 mit dem Trägheitsmoment JG gekoppelt ist. Dazwischen ist jeweils exemplarisch ein Federelement der Steifigkeit c11 vorgesehen, welches für die Torsionssteifigkeit der Welle 11 steht. Gemäß 3 ist die Welle 11 mit einer hohen Torsionssteifigkeit c11 versehen.

Die Welle 11 ist über eine elastisch deformierbare Einrichtung 22, beispielsweise eine Feder, mit einer Federsteifigkeit c22 an den Schwungkörper 19 des Trägheitsmoments JS gekoppelt. Die Federsteifigkeit c22 der elastisch deformierbaren Einrichtung 22 ist dabei deutlich geringer als die der Welle 11. Die Federsteifigkeit c22 sowie das Trägheitsmoment JS des Schwungkörpers 19 sind auf die Ansteuerfrequenz, mit welchem die elektrische Antriebseinrichtung 10 gepulst angesteuert wird, sowie auf das entsprechende Tastverhältnis abgestimmt, um durch einen Resonanzeffekt eine Drehmomenterhöhung an der Welle 11 zur Überwindung eines Ruhemoments der Getriebeeinrichtung 12 gemäß 1 zu erwirken.

In 4 ist ein schematisches schwingungstechnisches Ersatzmodell gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei wird die elektrische Antriebseinrichtung 10 durch das Trägheitsmoment JL des entsprechenden Läufers repräsentiert. Der Läufer der elektrischen Antriebseinrichtung 10 ist über die Welle 11, welche eine vorbestimmte Torsionssteifigkeit c11' aufweist, an die Getriebeeinrichtung 12 mit dem Trägheitsmoment JG gekoppelt. Dabei ist die Welle 11 entsprechend einer Drehstabfeder mit einer im Vergleich zur Torsionssteifigkeit c11 gemäß 3 deutlich geringeren Torsionssteifigkeit c11' versehen. Das Trägheitsmoment JL des Läufers der elektrischen Antriebseinrichtung 10 wirkt somit im Zusammenspiel mit der Welle 11 selbst als Schwungkörper, um den mit Bezug auf 1 bis 3 erläuterten Effekt einer vorübergehenden Drehmomenterhöhung an der Welle 11 bei einem gepulsten, vorzugsweise pulsweitenmodulierten, Ansteuersignal der elektrischen Antriebseinrichtung 10 zu generieren.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht die Möglichkeit, wie in 4 illustriert, das Trägheitsmoment JG der Getriebeeinrichtung 12 durch eine zusätzliche Trägheitseinrichtung 23 mit dem Trägheitsmoment JZ zu koppeln, um eine Anpassung an die Läuferträgheit JL sowie die Torsionssteifigkeit c11' der Welle 11 anzupassen. Alternativ zu der illustrierten Konfiguration gemäß 4 besteht überdies die Möglichkeit, das zusätzliche Trägheitselement 23 der Trägheit JZ direkt mit dem Läufer der elektrischen Antriebseinrichtung 10 zu koppeln zur Addition der Trägheitsmomente JL und JZ, um eine Anpassung zur Erzielung des gewünschten Effekts zu erzeugen. Auch dabei ist eine Anpassung an die Ansteuerfrequenz sowie das Tastverhältnis des gepulsten Ansteuersignals der elektrischen Antriebseinrichtung von Vorteil.

5A zeigt ein pulsweitenmodulierten Ansteuersignal PWM über der Zeit t zur Ansteuerung der elektrischen Antriebseinrichtung 10 gemäß 1. Gemäß 5A erfolgt insbesondere bei niedrigen Ansteuerpegeln des Ansteuersignals der elektrischen Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 zur Verbesserung der Stellgenauigkeit bei kleinen gewünschten Drehmomentwerten am Ausgang der Getriebeeinrichtung 12 eine Ansteuerung mit einem gepulsten Ansteuersignal 24. Das gepulste Ansteuersignal 24 verläuft bei einer Aktivierung der elektrischen Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 gemäß 5A zunächst auf einem vorbestimmten negativen Amplituden-Wert, um von da ausgehend direkt auf den entsprechenden positiven Amplituden-Wert geschaltet zu werden. Dadurch ergibt sich eine doppelte Signal-Amplitude beim Schalten vom negativen auf den positiven Pegelwert, welches ebenfalls einen Verstärkungseffekt bewirkt.

In 5B ist ein Standard-PWM-Ansteuersignal als gepulstes Signal 24 dargestellt. Der Strommittelwert, d.h. die Summe der Flächen kleiner und größer Null (Spannungszeitflächen) entspricht dem Wert von 5A, wohingegen bei einer Ansteuerung mit dem Ansteuersignal 24 gemäß 5A die Amplitude der Anregung verstärkt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Obwohl mit Bezug auf die Betätigung einer Lamellenkupplung zur Erzielung einer Sperrwirkung in einem Differentialgetriebe für ein Fahrzeug beschrieben, ist die Erfindung prinzipiell auf jeglichen elektromechanischen Aktuator mit einer elektrischen Antriebseinrichtung vom Rotationstyp und einem Getriebe geeignet.

Neben einer Ansteuerung mit PWM-Signalen an der elektrischen Antriebseinrichtung 10 besteht darüber hinaus die Möglichkeit, neben Rechtecksignalen auch Signale mit geringeren Flankensteilheiten einzusetzen. Zur Bereitstellung des Ansteuersignals sind sowohl IGBTs als auch GTOs bzw. IGCTs geeignet, abhängig davon, ob ein Strom- oder Spannungsumrichter das gepulste Ansteuersignal liefert. Als elektrische Antriebseinrichtung 10 eignet sich neben einer Gleichstrom-Maschine beispielsweise auch ein elektronisch kommutierter Gleichstrom-Motor (DC-brushless) Motor, vorzugsweise mit einem permanentmagneterregten Außenläufer zur Generation eines höheren Drehmomentes unter Inkaufnahme einer komplexeren Ansteuerelektronik der Antriebseinrichtung. Darüber hinaus sind neben dem einstufigen Getriebe 12 gemäß 1 auch mehrstufige Varianten beliebiger Übersetzungsverhältnisse vorstellbar.


Anspruch[de]
  1. Elektromechanischer Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung (18) mit:

    einer elektrischen Antriebseinrichtung (10) zum rotatorischen Antreiben einer ersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment;

    einer Getriebeeinrichtung (12) zur Wandlung einer ersten Drehzahl der ersten Welle (11) in eine zweite Drehzahl einer zweiten Welle (17) gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis (16); und

    einer mechanischen Resonanzeinrichtung (13), welche an die erste Welle (11) gekoppelt ist, zum vorübergehenden Verstärken des ersten Drehmoments an der ersten Welle (11).
  2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzeinrichtung (13) zumindest eine an die erste Welle (11) gekoppelte elastisch deformierbare Einrichtung (22) vorbestimmter Federkonstante (c22) aufweist, welche mit einer Schwungeinrichtung (19) vorbestimmter Trägheit (JS) gekoppelt ist.
  3. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine elastisch deformierbare Einrichtung (22) der Resonanzeinrichtung (13) eine Spiralfeder oder ein Gummiband oder einen elastisch deformierbaren Kunststoffbalg aufweist.
  4. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungeinrichtung (19) in einem vorbestimmten Abschnitt, vorzugsweise reibungsarm, ringförmig um die erste Welle (11) gelagert ist.
  5. Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungeinrichtung (19) über zumindest einen, vorzugsweise zwei, Vorsprünge (20) auf der ersten Welle (11) und einen, vorzugsweise zwei, Vorsprünge (21) auf der Schwungeinrichtung (19) elastisch miteinander gekoppelt ist.
  6. Elektromechanischer Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung (18) mit:

    einer elektrischen Antriebseinrichtung (10) zum rotatorischen Antreiben einer ersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment;

    einer Getriebeeinrichtung (12) zur Wandlung einer ersten Drehzahl der ersten Welle (11) in eine zweite Drehzahl einer zweiten Welle (17) gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis (16),

    wobei die erste Welle (11) als Drehstabfeder, welche eine vorbestimmte Torsionssteifigkeit (c11') aufweist, drehfest mit einem rotierenden Läufer vorbestimmter Trägheit (JL) der elektrischen Antriebseinrichtung (10) gekoppelt ist, und mit diesem eine mechanische Resonanzeinrichtung zum vorübergehenden Verstärken des ersten Drehmoments der ersten Welle (11) bildet.
  7. Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Getriebeeinrichtung (12) und/oder an dem Läufer der elektrischen Antriebseinrichtung (10) eine zusätzliche Trägheitseinrichtung (23) der Trägheit (JZ) zur Steigerung des jeweiligen Trägheitsmomentes zur vorübergehenden Vergrößerung des ersten Drehmoment der ersten Welle (11) vorgesehen ist.
  8. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Getriebeeinrichtung (12) eine Einrichtung zur Wandlung einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung vorgesehen ist.
  9. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanische Einrichtung (18) eine Lamellenkupplung, vorzugsweise zum adaptiven Sperren eines Differentialgetriebes in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen ist.
  10. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Antriebseinrichtung (10) eine Gleichstrom-Maschine vorgesehen ist, welche über einen Stromrichter mit einem gepulsten Signal ansteuerbar ist.
  11. Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung (18) mit den Schritten:

    Gepulstes rotatorisches Antreiben einer ersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment mit einer elektrischen Antriebseinrichtung (10);

    Wandlung einer ersten Drehzahl der ersten Welle (11) in eine zweite Drehzahl einer zweiten Welle (17) gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis (16) mit einer Getriebeeinrichtung (12); und

    Verstärken des ersten Drehmoments der ersten Welle (11) durch Ansteuern der elektrischen Antriebseinrichtung (10) mit einem gepulsten Signal (24), welches pro Puls sowohl auf einen vorbestimmten negativen als auch einen vorbestimmten positiven Signalpegel mit einem Flankenwechsel der doppelten vorbestimmten Signalpegelamplitude dazwischen springt, wenn der Pegel des gepulsten Signals (24) unterhalb einer vorbestimmten Signalpegelschwelle liegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das gepulste Signal (24) ein PWM-Signal mit einem Abtastverhältnis zwischen 0,1 und 1, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8, ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich ergebende positive und negative Spannungszeitflächen in Addition, d.h. der entsprechende Strommittelwert des gepulsten Signals (24), dem eines Standard-PWM-Signals eines vorbestimmten niedrigeren Abtastverhältnisses entspricht.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 eingesetzt wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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