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Dokumentenidentifikation DE10106724B4 13.12.2007
Titel Vorrichtung zur Entkopplung eines Aktuators von einem Getriebe
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Neubauer, Achim, Dr.-Ing., 76547 Sinzheim, DE;
Aschoff, Joerg, 77815 Bühl, DE;
Dilger, Werner, 77815 Bühl, DE;
Pierenkemper, Rolf, 77830 Bühlertal, DE;
Bolz, Martin-Peter, 77815 Bühl, DE;
Moench, Jochen, 76547 Sinzheim, DE
Vertreter Patentanwälte Isenbruck Bösl Hörschler Wichmann Huhn, 68165 Mannheim
DE-Anmeldedatum 14.02.2001
DE-Aktenzeichen 10106724
Offenlegungstag 26.09.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse H02K 7/116(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 7/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Im Automobilbereich werden bei Nutzfahrzeugen und Personenkraftwagen häufig Stellmotoren eingesetzt, so z.B. zur Betätigung der Kupplung oder als Getriebestellmotoren. Daneben lassen sich elektrische Stellmotoren auch an Komponenten wie Abgasturboladern zur Aufladung von gemischverdichtenden Verbrennungskraftmaschinen einsetzen. Abgasturbolader wurden bisher über den im Saugrohr ermittelten Unterdruck angesteuert; eine automatisierbare Betätigungsmöglichkeit solcher Abgasturbolader ist durch das Vorsehen eines elektrischen Antriebes gegeben.

Stand der Technik

Stellmotoren, die üblicherweise als Kupplungs- oder Getriebesteller eingesetzt werden, umfassen einen Gleichstrom-Elektromotor, auf dessen Ankerwelle eine Schnecke angeformt ist, welche mit einem Schneckenrad kämmt; es können darüber hinaus auch weitere Getriebestufen vorgesehen sein. Mittels des Gleichstrom-Elektromotors kann entweder eine Linear- oder eine Rotationsbewegung erzeugt werden.

Daneben können Gleichstrommotoren als Stellmotoren an Anbaukomponenten von Verbrennungskraftmaschinen wie z.B. einem Abgasturbolader eingesetzt werden. Dessen Turbinenlaufrad treibt ein Verdichterlaufrad an, mit welchem eine bessere Füllung der Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine erreicht werden kann. In EP 0 683 852 B1 ist ein Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen offenbart. Der Abgasturbolader umfaßt eine mit Lagermitteln in einem Gehäuse angebrachte Antriebswelle, die ein abgasgetriebenes Turbinenlaufrad mit dem Laufrad eines Verdichters antriebsmäßig verbindet. Es ist ferner eine Gasstrom-Steuervorrichtung vorgesehen, die stromaufwärts vom Turbinenlaufrad positioniert ist und zur Einstellung der Betriebsleistung des Abgasturboladers dient. Ferner ist ein elektrisch antreibbarer Stellmotor zur Regulierung des Betriebes der Gas-Strom-Steuervorrichtung über ein Gestängemittel als Reaktion auf ein elektrisches Signal vorgesehen, das zumindest vom Austrittsdruck des Verdichters abhängt.

Das Gehäusemittel weist eine ein Außengewinde aufweisende mehrgängige Führungsschraube auf, mit der ein Schraubglied mit einem entsprechenden Innengewinde in Eingriff steht. Entweder das Schraubglied oder die Führungsschraube ist so angeordnet, dass es bzw. sie sich bei der Drehung der Führungsschraube bzw. des Schraubglieds allgemein geradlinig bewegt. So wird die Drehung in eine Bewegung der Gas-Strom-Steuereinrichtung umgewandelt.

Bei Stromausfall an dem als Gleichstrommotor ausgebildeten elektrischen Antrieb ist eine Verstellung des Motors entweder gar nicht oder nur mit relativ hohen Kräften möglich. Bei Einsatz an einem Abgasturbolader lässt sich dieser aus seiner zum Zeitpunkt des Stromausfalles herrschenden Leitschaufelringstellung nicht mehr verstellen. Steht der Leitschaufelring am Abgasturbolader z.B. in geschlossener Position – ist eine Durchströmung durch das Abgas nicht möglich – so muss am bei durch Stromausfall lahmgelegten Stellantrieb sichergestellt sein, dass bei plötzlichem Gasgeben der Abgasturbolader nicht durch eine zu hohe Drehzahl Schaden nimmt.

DE 38 09 909 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Steuer- und/oder Regelungsvorgängen in einem Kraftfahrzeug. Die Vorrichtung umfasst einen von einer Rückstellfeder beaufschlagten Aktuator. Um eine ausreichende Rückstellkraft des Aktuators über einen weiten Temperaturbereich sowohl bei hohen als auch bei tiefen Temperaturen sicherzustellen, wird vorgeschlagen, ein temperaturabhängig formveränderliches, kraftübertragendes Element einzusetzen, das mit der Rückstellfeder zusammenwirkt. Dieses Element ist dabei bevorzugt als Memory-Element oder Thermobimetall ausgebildet.

DE 199 63 499 A1 bezieht sich auf eine Ventilanordnung. Die Ventilanordnung umfasst einen in einem Ventilgehäuse geführten Ventilkörper, der in einer Grundstellung vorgespannt ist und über einen Aktuator in eine Steuerstellung verschiebbar ist. Der Aktuator ist als Formgedächtnis-Element aus einer Formgedächtnis-Legierung hergestellt, wobei dem Aktuator eine Steuereinrichtung zum Einstellen einer Temperaturänderung zugeordnet ist.

DE 42 06 792 A1 bezieht sich auf einen deformierbaren Spiegel. Der deformierbare Spiegel umfasst eine Spiegelplatte, von deren Rückenfläche mindestens ein Zapfen zur Befestigung eines zugehörigen Aktuators wegsteht, der mit einem Befestigungsorgan versehen ist. Der Aktuator ist zur wunschgemäßen Wölbung der Spiegelplatte vorgesehen. Um den Aktuator problemlos auswechseln zu können, wird vorgeschlagen, am Befestigungsorgan des entsprechenden Aktuators ein Befestigungselement aus einer Formgedächtnis-Legierung anzubringen.

DE 199 50 454 A1 bezieht sich auf eine Stellgliedanordnung. Die Stellgliedanordnung dient insbesondere zur Betätigung einer automatisiert ausgeführten Fahrzeugkupplung zum Einsatz bei einem automatisierten Getriebe. Die Stellgliedanordnung umfasst einen Stellantrieb, welcher an einem Gehäuse getragen ist. Ein Antriebselement greift in seinem einen Kopplungsbereich an einem Antriebselement an. In seinem anderen Kopplungsbereich wirkt dieses mit einem beaufschlagenden Organ zusammen. Gegebenenfalls ist eine Kompensationskraftanordnung vorgesehen, welche in ihrem einen Kopplungsbereich auf ein Gehäuse einwirkt und in ihrem anderen Kopplungsbereich auf das Antriebselement einwirkt. Schließlich kann eine Anpassungsanordnung vorgesehen sein, durch welche die Stellgliedanordnung an sich ändernde Betriebsbedingungen anpassbar ist.

EP 0 343 515 A2 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung einer Luftströmung zu einem Vergaser einer Verbrennungskraftmaschine. Die vorgeschlagene Einrichtung dient insbesondere zum Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst eine schmetterlingsförmig ausgestaltete Ventilklappe, die stromauf eines Diffusors des Vergasers angeordnet ist. Des Weiteren sind elastische Halteeinrichtungen vorgesehen sowie ein Aktuator, der aufgrund einer Temperaturdifferenz betätigbar ist. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung mechanische Übertragungselemente zur Verbindung mit dem besagten Aktuator, wobei die Haltemittel das schmetterlingsförmig ausgebildete Ventil im Normalfall geschlossen halten, solange die Verbrennungskraftmaschine kalt ist. Der besagte Aktuator umfasst ein Formgedächtnis-Element, welches abhängig von seiner momentanen Temperatur eine Vielzahl vorbestimmter Gestalten anzunehmen vermag.

JP 08 133 436 A bezieht sich auf eine Fördereinrichtung. Um eine sanfte und sichere Kopplung einer Antriebswelle mit einem feststehenden Förderer zu erreichen, sind eine Anzahl von Verbindungsstiften an einem ersten Verbindungselement vorgesehen. Diese können verschoben werden in Bezug auf ein Drehzentrum einer ersten Antriebswelle zum Außenbereich derselben und mit einem bestimmten Abstand über diesen Umfang hervorstehen. Diese Verbindungsstifte wirken zusammen mit halbkreisförmigen Ausnehmungen, in welche diese Verbindungsstifte einrasten können und die an einem zweiten Verbindungselement, welches mit einem ersten Verbindungselement zu koppeln ist, vorgesehen sind.

DE 100 06 231 A1 bezieht sich auf einen Aktuator für das Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Der Aktuator dient zur Ausübung einer temperaturabhängigen Stell- oder Steuerfunktion im Abgassystem einer Brennkraftmaschine. Der aus DE 100 06 231 A1 bekannte Aktuator weist ein aus einem hochtemperaturgeeigneten SMA-Material bestehendes SMA-Element auf, welches in Abhängigkeit von der Abgastemperatur der Brennkraftmaschine die Stell- oder Steuerfunktion ausübt, ohne auf ein externes Energieversorgungssystem zurückgreifen zu müssen.

DE 198 43 965 C2 bezieht sich auf einen Halte- und Auslösemechanismus für einen Formgedächtnis-Aktuator. Der Formgedächtnis-Aktuator gemäß DE 198 43 965 C2 ermöglicht ein sicheres Auslösen bei einfacher konstruktiver Gestaltung und geringer Energiezufuhr. Ein Drahtende eines losen Endes eines Formgedächtnis-Drahtes ist derart gehalten, dass dieser bei Temperaturzufuhr in seiner Längsachse kontraktiert und sein loses Ende aus einer vom Drahtende gebildeten Öffnung herauszieht. Dadurch können Halte- und Auslösemechanismen mit einem Formgedächtnis-Aktuator, der temperaturgesteuert ein unter Zugspannung stehendes Drahtende freigibt, realisiert werden.

Darstellung der Erfindung

Mittels der in den Ausführungsvarianten der Erfindung nachfolgend dargestellten Lösungen lassen sich eine Reihe von Vorteilen in Bezug auf eine Verstellung eines Abgastwboladers mit elektrischem Stellantrieb bei Stromausfall an diesem erzielen.

Erfindungsgemäß lässt sich bei elektrischen Antrieben mit einem Schneckenantrieb und einem Stirnrad, welches mit einer Zahnstange zusammenarbeitet, zwischen Schneckenantrieb und Stirnrad – z.B. ein außenverzahntes Ritzel – ein Formgedächtnis-Element anordnen, welches z.B. als ein beheizbarer Draht oder ein beheizbares Federelement beschaffen sein kann. Das Wärmedehnungsverhalten des Formgedächtnis-Elementes kann in vorteilhafter Weise dazu benutzt werden, nur im bestromten Zustand des Stellantriebes eine kraft- oder formschlüssige Verbindung zwischen z.B. als Schneckenrad oder Ritzel ausgebildeten Kraftübertragungselementen herzustellen. Bei Stromausfall am elektrischen Aktuator ist auch ein beheizbar ausgeführtes Formgedächtnis-Element von der Stromversorgung abgeschnitten, so dass dessen Wärmedehnungsverhalten eine Formänderung an demselben bewirkt. Die Formänderung des Formgedächtnis-Elementes, z.B. ein aus einer NiTi-Legierung bestehendes Federelement, bewirkt das Zurückfahren von beispielsweise stiftförmig ausgebildeten Kupplungselementen aus einer oder mehrerer der Kraftübertragungskomponenten, so daß diese relativ zueinander verstellbar sind.

Wird ein derart ausgestalteter Antrieb zur Verstellung an einem Abgasturbolader an einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, lassen sich dessen Turbinensteller und der stromlose Stellantrieb sofort voneinander entkoppeln. Die Reibkräfte sind nach der Entkopplung so gering, daß schon geringe Strömungskräfte ein sicheres Öffnen des Leitschaufelrings am Abgasturbolader ermöglichen. Damit ist dieser wirksam vor Beschädigungen bei Stromausfall am elektrischen Stellantrieb geschützt.

Durch die erfindungsgemäß geschilderte Ausführungsvariante ist eine Entkopplung eines Getriebes nach Vornahme geringfügiger Modifikationen am Stellantrieb möglich, so daß weitestgehend auf bewährte Baukomponenten zurückgegriffen werden kann. Bei Einsatz von Formgedächtnis-Elementen aus NiTi-Legierungen lassen sich die Schalttemperaturen in einem weiten Bereich einstellen. Mit NiTi-Legierungen lassen sich Schalttemperaturen zwischen – 30°C und 350°C erzielen.

In einer weiteren Ausführungsvariante des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens läßt sich ein Ausrückelement an der Ankerwelle des den Stellantrieb betätigenden elektrischen Aktuators unmittelbar aufnehmen. Das Ausrückelement läßt sich im einfachsten Fall als eine die Ankerwelle des elektrischen Aktuators umgebende Feder ausbilden, die sich an einem Bund, der auf der Ankerwelle vorgesehen ist, abstützt. Bei Stromausfall wirkt zwischen den Blechpaketen des Ankers und des gehäusefest angeordneten Ständers das Rastmoment, aufgebaut durch das elektromagnetische Feld. Das Ausrückelement übt auf die Ankerwelle eine die durch das Rastmoment erzeugte Stellkraft übersteigende translatorische Kraft aus, so daß die Ankerwelle in toto, d.h. auch die an dieser aufgenommenen Kraftübertragungselemente, außer Eingriff mit den weiteren Kraftübertragungselementen gestellt werden.

In bestromten Zustand sind die Wicklungen des elektrischen Aktuators stromdurchflossen und werden daher problemlos von den Permanentmagneten gegen die Kraft eines gespannten Ausrückelementes in der Betriebsposition gehalten. Es können Arbeits- und Endpositionsgeber am elektrischen Aktuator vorgesehen werden, ohne daß aufwendige Modifikatonen an diesem vorzunehmen sind.

Mit dieser Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung kann durch Anordnung des nachgeordneten Getriebes auf der Ankerwelle eine platzsparende Variante geschaffen werden; die Poltopfverlängerung, d.h. die Verlängerung des Gehäuses des den Ständer und die Ankerwelle aufnehmenden Teils des elektrischen Aktuators kann mit einem auch axial Kräfte aufnehmenden Lager versehen werden, so daß lediglich geringfügige Änderungen an bereits bestehenden Systemen vorzunehmen sind und sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wirtschaftlich umsetzen läßt.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend en detail erläutert.

Es zeigt:

1, 2 aus dem Stand der Technik bekannte Stellantriebe,

3 eine ineinander gesteckte Schneckenrad-/Ritzelanordnung,

4.1, 4.2 Draufsicht und Schnittdarstellung der Schneckenrad/Ritzelanordnung gemäß 3 in unbestromtem Zustand,

5.1, 5.2 Draufsicht und Schnittdarstellung der Schneckenrad/Ritzelanordnung gemäß 3 in bestromtem Zustand,

6.1 eine Einzeldarstellung des Schneckenrades

6.2 eine Einzeldarstellung des Ritzels,

6.2 eine Einzeldarstellung des Ausrückelementes,

7 ein Detail des Ausrückelementes,

8.1 eine weitere Ausführungsvariante mit gehäuseintegriertem Ausrückelement in bestromtem Zustand und

8.2 eine Ausführungsvariante mit gehäuseintegriertem Ausrückelement in unbestromtem Zustand.

Ausführungsvarianten

Den Darstellungen gemäß der 1 und 2 sind aus dem Stande der Technik bekannte Stellantriebe entnehmbar.

Auch aus der Darstellung gemäß 1 ist eine Kolben-/Zylinderanordnung bekannt, bei der sich ein Kolben in einem geschlossenen Zylinder in Bewegungsrichtung 6 auf- und abbewegt. In Anlenkpunkt 4 ist ein Koppelelement 2 am im Zylinder bewegbaren Kolben angelenkt, welches mit seinem dem Kolben gegenüberliegenden Anlenkpunkt 4 an einem Schwenkhebel 3 gelenkig gelagert ist. Der Schwenkhebel 3, der in der Darstellung gemäß 1 in L-Form ausgebildet ist, ist um eine Schwenkachse 5 verschwenkbar und beschreibt einen mit dem Dooppelpfeil 7 bezeichneten Schwenkweg. Der Darstellung gemäß 2 ist ein Elektroantrieb 12 entnehmbar, der mittels einer Ankerwelle 11, auf welchem z.B. eine Schnecke angeformt sein kann, mit einem Schneckenrad 13 zusammenarbeitet. Das Schneckenrad 13 ist mit einer zur auf der Ankerwelle 11 korrespondierenden Schneckenradaußenverzahnung versehen und in beide Richtungen des mit Bezugszeichen 14 identifizierten Doppelpfeiles verdrehbar. Koaxial zum Schneckenrad 13 der Getriebeanordnung 9 ist ein z.B. mit einer Außenverzahnung verzahntes Ritzel 10 gelagert, dessen Außenverzahnung mit einer Zahnstange 8 zusammenarbeitet, die an der dem Ritzel 10 zuweisenden Seite mit einer Außenverzahnung versehen ist. Die Zahnstange 8 ist im Anlenkpunkt 4 an einem Schwenkhebel 3 gelagert, der seinerseits um eine Schwenkachse 5 bewegbar ist und dessen freies Ende eine mit Bezugszeichen 7 bezeichnete Schwenkbewegung in beide Richtungen des Doppelpfeiles ausführt.

Die Darstellung gemäß 3 zeigt die Anordnung von ineinander gesteckten Steckenrad- und außenverzahntem Ritzel 10. Der Draufsicht und der Seitenansicht einer kombinierten Schneckenrad-Ritzelanordnung ist entnehmbar, daß beide Kraftübertragungselemente 10 bzw. 13 koaxial zueinander gelagert sind. An der Außenseite des Schneckenrades 13 ist eine Schneckenradaußenverzahnung angeordnet, während das Ritzel 10 sowohl mit einer Außenverzahnung versehen ist, die sowohl als eine Gradverzahnung als auch eine Schrägverzahnung beschaffen sein kann. Die Außenverzahnung 15 des Ritzels 10 ist in der Darstellung gemäß 3 ist nicht dargestellt; das Schneckenrad 13 läßt sich in beide Richtungen des in 3 gezeigten Doppelpfeiles 14 bewegen, je nach Drehrichtung des elektrischen Aktuators, an dessen Ankerwelle 11 eine Schnecke angeformt sein kann.

Aus den Darstellungen gemäß der 4.1 bzw. 4.2 gehen Draufsicht und Schnittdarstellung einer Schneckenrad-/Ritzelanordnung gemäß 3 in unbestromtem Zustand näher hevor.

Aus der Draufsicht gemäß der Darstellung in 4.1 geht die koaxiale Lagerung von mit einer Außenverzahnung 17 versehenem Schneckenrad 13 an einer Gehäuseschale 18 sowie an einer diese Elemente lagernden Lagerwelle 16 näher hervor.

Die Schnittdarstellung gemäß 4.2 zeigt die Schneckenrad-/Ritzelanordnung in unbestromtem Zustand 23. Auf der Lagerungswelle 16 ist das mit einer Außenverzahnung 15 versehene Ritzel 10 verdrehbar gelagert. Bei der Außenverzahnung 15 des als Kraftübertragungselement fungierenden Ritzels 10 kann es sich sowohl um eine Gradverzahnung wie auch um eine Schrägverzahnung handeln. Das Ritzel 10, welches auf der Lagerwelle 16 verdrehbar aufgenommen ist, ist teilweise in einer Ausnehmung 26 des Schneckenrades 13 eingelassen und wird von mit einer Außenverzahnung 17 versehenen Schneckenrad 13 umschlossen. Das Schneckenrad 13 gemäß der Darstellung in 4.2 ist drehfest auf der Lagerwelle 16 gelagert, z.B. auf diese einen Pressitz erzeugend aufgeschrumpft.

Am als Ritzel 10 ausgebildeten Kraftübertragungselement sind gemäß der Darstellung in 4.2 einander gegenüberliegend Einrastöffnungen 22 ausgebildet. Die Seitenwände der Einrastöffnungen 22 können – hier nicht dargestellt – mit Anschrägungen versehen sein, um das Einfahren von Kupplungsstiften zu erleichtern.

An der Stirnseite des mit einer Außenverzahnung 17 versehenen Schneckenrades 13 ist eine Gehäuseschale 18 vorgesehen. Die Gehäuseschale 18 umschließt ein Ausrückelement 19, welches ein Anstellelement 19.2, einen Kupplungsteil 19.1 sowie ein Heizungs-/Isolationselement 19.3 umfaßt. In der Ausführungsvariante, die in den 4.1 bzw. 4.2 dargestellt ist, kann das vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildete Anstellelement 19.2 entweder direkt beheizt werden oder mittels einer das Anstellelement 19.2 umschließenden Isolation bzw. Heizer 19.3 mittelbar beheizt werden. Dadurch läßt sich das Anstellelement 19.2 als ein Formgedächtnis-Element einsetzen. Das als Formgedächtnis-Element dienende Anstellteil 19.2 des Ausrückelementes 19 wirkt auf ein Kupplungsteil 19.1 des Ausrückelementes ein. Dieses ist mittels eines oder mehrerer Rückstellfederelemente 20 gegen eine Stirnwand des Schneckenrades 13 vorgespannt. Am Kupplungsteil 19.1 sind darüber hinaus das Schneckenrad 13 in Bohrungen 21 oder Öffnungen durchsetzende stiftförmige Klauen angebracht, welche in die bereits erwähnten Einrastöffnungen 22 des als Ritzel 10 konfigurierten Kraftübertragungselementes einfahren.

In der Schnittdarstellung der Schnecken-/Ritzelanordnung gemäß 4.2 befindet sich das Ausrückelement 19 in einer eine Relativdrehung zwischen dem Kraftübertragungselementen Schneckenrad 13 und Ritzels 10 ermöglichenden Position. In diesem Zustand ist das als Formgedächtnis-Element dienende Anstellelement 19.2 des Ausrückelementes 19 durch die Heizung 19.3 nicht beheizt, d.h. die im Gehäuse 18 sich an einer Stirnseite des Schneckenrades 13 abstützenden Rückstellfederelemente 20 drücken das Kupplungsteil 19.1 in Richtung auf das nicht beheiztes Formgedächtnis-Element 19.2, so daß die stiftförmigen Klauen aus der Mehrzahl von Einrastöffnungen 22, die an der dem Kupplungsteil 19.1 gegenüberliegenden Stirnseite des als Ritzel 10 ausgebildeten Kraftübertragungselementes ausgefahren bleiben. Durch Ausrücken der stiftförmigen Klauen aus den Einrastöffnungen 22 ist eine Relativbewegung und des Ritzels 10, welches auf der Lagerungswelle 16 verdrehbar ist, relativ zu dem auf der Lagerungswelle 16 drehfest aufgenommenen Schneckenrad 13 möglich.

Aus den Darstellungen gemäß der 5.1, 5.2 gehen Draufischt und Darstellung einer Schneckenrad-/Ritzelanordnung gemäß 3 in bestromten Zustand näher hervor.

Die Draufsicht gemäß 5.1 entspricht der im Zusammenhang mit 4.1 bereits beschriebenen Darstellung.

Aus der Schnittdarstellung 5.2 der Schneckenrad-/Ritzelanordnung im bestromten Zustand 24 geht hervor, daß in diesem Falle die durch Beheizung des Formgedächtnis-Elementes, d.h. Anstellelement 19.2, erzeugte Dilatation gegen die Rückstellfedern 20 wirkt, die sich an einer Stirnseite des Schneckenrades 13 abstützen. Durch die Dilatation des Anstellelementes 19.2 bei direkter Bestromung oder bei Beheizung über die Gehäuseschale 18 wird das Kupplungsteil 19.1 gegen die Wirkung der Rückstellfedern 20 in Richtung auf das Schneckenrad 13 bewegt. Die am Kupplungsrad 19.1 ausgebildeten, stiftförmig beschaffenen Klauen fahren in die Einrastöffnungen 22 des als Kraftübertragungselementes dienenden Ritzels 10 ein. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem auf der Lagerwelle 16 drehfest aufgenommenen, mit einer Außenverzahnung 17 versehenen Schneckenrad 13 und dem auf der Lagerwelle 16 drehbar aufgenommenen Ritzels 10 hergestellt. In diesem – dem bestromten Zustand 24 eines elektrischen Aktuators 12 wiedergebenden Zustand – ist die Kraftübertragung zwischen den Kraftübertragungselementen 10 bzw. 13 hergestellt. Die Einfahrbewegung der am Kupplungsteil 19.1 vorzugsweise stiftförmig ausgebildeten Klauenelemente in die Einrastöffnungen 22 an der dem Kupplungsteil 19.1 gegenüberliegenden Stirnseite des Ritzels 10, wird durch eine langsame R-Drehung des elektrischen Aktuators 12 unterstützt, so daß nach Einschalten der Versorgungsspannung ein sicheres Einfahren der stiftförmigen Klauenelemente des Kupplungsteiles 19.1 in die Einrastöffnungen 22 des Ritzels 10 gewährleistet werden kann.

Das vorzugsweise als Spiralfeder 19.2 beschaffene Formgedächtnis-Element wird durch Beheizung aktiviert, d.h. durch das Anliegen einer Spannung. Eine formschlüssige Verbindung, eine Verblockung der Kraftübertragungselemente 13 bzw. 10 ist nur nach Einschalten einer Versorgungsspannung möglich. Die Reaktionszeit des Formgedächtnis-Elementes 19.2 ist von der Beheizung abhängig und liegt im Bereich von 1–2 Sekunden. Wird das Anstellelement 19.2 eine NiTi-Legierung enthaltend ausgebildet, lassen sich die Temperaturen, bei denen das Anstellelement 19.2 seine Bewegung ausführt, in weiten Bereichen einstellen. Bei der erwähnten Materialkombination lassen sich Schalttemperaturen im Bereich zwischen – 30°C und 350°C einstellen. Das Anstellelement 19.2 wird bevorzugt so gestaltet, daß es eine geringe Hysterese sowie längstmögliche Umwandlungstemperaturen aufweist, um möglichst geringe thermische Belastungen der Umgebung und geringen Energieverlust herbeizuführen.

Aus der Darstellung gemäß 6.1 geht eine Einzeldarstellung des Schneckenrades näher hervor.

Aus der Draufsicht gemäß 6.1 ist erkennbar, daß das Schneckenrad 13, versehen mit einer Schneckenaußenverzahnung 17, eine Lagerwellenbohrung 27 umfaßt, mit welchem das Schneckenrad 13 auf die Lagerwelle 16 aufgeschrumpft werden kann. Im Schneckenrad 13 sind mit Positionszeichen 21 die Öffnungen bezeichnet, durch welche die stiftförmigen Klauenelemente des Kupplungsteiles 19.1 (vergleiche Darstellung gemäß 5.2) das Schneckenrad 13 durchsetzen. In der Schnittdarstellung gemäß 6.1 ist die Ausnehmung 26 erkennbar, welche einen Teil des mit dem Schneckenrad 13 zusammenarbeitenden als Kraftübertragungselement dienenden Ritzels 10 aufnimmt. Das in 6.1 nicht dargestellte Ritzel 10 ist koaxial auf der Lagerungswelle 16 auf der das Schneckenrad 13 mittels eines Pressitzes befestigt werden kann, angeordnet.

Die Darstellung gemäß 6.2 zeigt eine Einzeldarstellung des als Ritzel dienenden Kraftübertragungselementes.

Aus der Draufsicht auf das Ritzel 10 geht hervor, daß dieses ebenfalls eine Lagerwellenbohrung 27 enthält, durch welche eine Lagerungswelle 16 geführt ist, auf der das Ritzel 10 drehbar aufgenommen ist. Es sind eine Anzahl von Einrastöffnungen 22 am Umfang des Ritzelelementes 10 vorgesehen, in der Draufsicht gemäß 6.2 z.B. 8 Einrastöffnungen 22. Die Einrastöffnungen 22 sind gemäß der Schnittdarstellung in 6.2 in einer Einrastöffnungstiefe 28 ausgebildet, die ein sicheres Einfahren der stiftförmigen Klauen des Kupplungsteiles 19.1 des Ausrückelementes 19 gewährleisten. Die Wandung 30 der Einrastöffnungen 22 kann mit einer Anschrägung versehen werden, um ein leichteres Einfahren der am Kupplungsteil 19.1 ausgebildeten stiftförmigen Klauenelemente zu erleichtern.

Aus der Darstellung gemäß 6.3 geht das Ausrückelement 19 näher hervor. Das Ausrückelement 19 gemäß der Darstellung in 6.1 umfaßt eine Gehäuseschale 18, an welcher eine Isolation-/Heizelement 19.3 angeordnet ist. Diese umgibt das als Formgedächtnis-Element dienende alte Element 19.2 derart, daß das Anstellelement 19.2 durch die Wandung beheizbar ist und eine Wärmedehnung des Anstellelementes 19.2 erzielt wird, welches eine Verschiebung des Kupplungsteiles 19.1 gegen die Wirkung der Rückstellelemente 20 ermöglicht. Bricht die Stromversorgung der Heizung am Heizelement 19.3 zusammen, nimmt das Anstellelement 19.2 seine ursprüngliche Position ein, d.h. das Kupplungsteil 19.1 wird durch die Kraft der Rückstellelemente 20 in Richtung auf das nun unbeheizte Formgedächtnis-Element 19.2 zurückgestellt.

Der Darstellung gemäß 7 läßt sich entnehmen, daß die als Klauen dienenden Stifte 29 des Kupplungsteiles 19.1 in ihrem vorderen Bereich leichte Anschrägungen aufweisen können. In den Einrastsöffnungen 22, die im als Kraftübertragungselement dienenden Ritzel 10 aufgenommen sind, können ebenfalls angeschrägte Wandungen 30 vorgesehen sein, wodurch sich die Reibung zwischen den Stiften 29 des Kupplungsteiles 19.1 und den Wandungen der Einrastöffnungen 22 im Ritzel 20 herabsetzen läßt.

Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme ist gewährleistet, daß bei Beschädigung des als Formgedächtnis-Element dienenden Anstellteiles 19.2 die beiden Rückstellfedern 20 die angeschrägten Stifte 29 des Kupplungsteiles 19.1 aus den Einrastöffnungen 22 des Ritzels 10 hinausdrücken.

Die Stromversorgung des als Formgedächtnis-Element dienenden Anstellelementes 19.2 oder der diese umgebenden Isolation bzw. Heizungselement 19.3 kann durch hochflexible Litzen erfolgen, da die Schnecken-/Ritzelanordnung 10, 13 nur wenige Umdrehungen ausführt. Nach Abschalten des Fahrzeugmotors fährt der elektrische Aktuator 12 stets in seine Ausgangsstellung zurück. Die Beheizung des Anstellelementes 19.2 kann entweder durch direkte Bestromung desselben erfolgen; diese kann jedoch auch über die nur eine beheizbare Wandung 19.3 an der Gehäuseschale 18 vorgenommen werden.

Aus der Darstellung gemäß 8.1 geht eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung mit gehäuseintegriertem Rückelement in bestromtem Zustand hervor.

Eine elektrischer Aktuator 12 treibt im bestromten Zustand 54 eine Getriebeanordnung 9 an, wobei auf der Ankerwelle 11 des elektrischen Aktuators 12 ein Antriebsrad 40 aufgenommen ist, welches mit einem Antriebsrad 41 der Getriebeanordnung kämmt. Die das Antriebsrad 41 aufnehmende Welle der Getriebeanordnung 9 ist in Lagern 42 gelagert; an der Welle ist eine Schnecke angeformt, die mit der Außenverzahnung 19 eines Schneckenrades 13 kämmt.

Das auf der Ankerwelle 11 des elektrischen Aktuators 12 aufgenommene Antriebsrad 40 überträgt das Moment an der Übertragungsstelle 44 an das Antriebsrad 41. Die Zahnräder 40 bzw. 41 können entweder in Grad- oder auch in Schrägverzahnung ausgebildet sein. Eine Schrägverzahnung der Zahnräder 40 bzw. 41 ist aus Gründen der Geräuschentwicklung anzustreben, ferner erleichtert die Ausbildung einer Schrägverzahnung ein leichteres Einspuren der Zahnräder aus Verzahnungen ineinander bei Aus- und Einkupplung.

Im bestromten Zustand 54 des elektrischen Aktuators 12, sind die am Poltopf 52 aufgenommenen, die Ständerwicklungen repräsentierenden Ständerblechpakete 51 als auch die Ankerblechpakete 50 auf der Ankerwelle 11 stromdurchflossen und werden daher problemlos von den Permanentmagneten gegen die Kraft des vorgespannten Ausrückelementes 19 der in 8.1 dargestellten den bestromten Zustand 54 repräsentierenden Betriebsposition gehalten. Das vorzugsweise die Ankerwelle 11 umgebende Ausrückelement 19 stützt sich dabei an einem in einem Gehäuseteil 48 angeordneten Radial-/Axiallager 46 und an einem an der Ankerwelle 11 ausgebildeten Bund 47 ab. Die in 8.1 wiedergegebene Lage der Ankerwelle 11 relativ zum Poltopfgehäuse 52 wird auch bei jeder Richtungsumkehr des elektrischen Aktuators 12 eingenommen, da das elektromagnetische Feld nicht zusammenbricht. Bei Stromausfall hingegen wirkt zwischen den Blechpaketen 50 der Ankerwelle 11 und den am Ständer Blechpaketen 51 an der Innenseite des Poltopfgehäuses 52 lediglich das Rastmoment, d.h. die Kraft, mit der die Blechpakete 50, 51 von den Permanentmagneten in Position gehalten werden.

Die Federkraft des bevorzugt als Spiralfeder ausgebildeten Ausrückelementes 19 ist so ausgelegt, daß sie eine Federkraft aufbringt, die die Haltekraft, die durch die Permanent magnete ausgeübt wird übersteigt, so daß das Ausrückelement 19 die Ankerwelle 11 und das daran aufgenommene mit einem einer Anlaufscheibe 45 versehene Antriebsrad 40 in Richtung auf das Ankerlager 53 drückt. Dadurch wird die Kraftübertragung zwischen den Verzahnungen von Abtriebsrad 40 und Antriebsrad 41 aufgehoben. Das Ausrückelement 19 fährt in seinen in 8.2 dargestellten nahezu entspannten Zustand und drückt die Ankerwelle 11 in das Ankerwellenlager 53 hinein.

Die Getriebeanordnung 9, die der Antriebsrädern 40, 41 nachgeschaltet ist, wird bevorzugt so ausgelegt, daß diese einen möglichst geringen Widerstand gegen Verstellung durch Kräfte des Stellsystems darstellt, um eine beliebige Verstellbarkeit auch bei Stromausfall zu gewährleisten. Im dargestellten Beispiel der Getriebeanordnung 9 ist daher die an der in den Lagern 42 aufgenommenen Lagerungswelle 40 angeformte Schnecke mit möglichst wenig Selbsthemmung auszulegen, so daß eine Relativverstellung von Schnecke und Schneckenrad 13 zueinander möglich ist. Da die zusätzliche Getriebeanordnung 9 für die Entkopplung bei geeigneter Wahl der Zahnradgrößen einen wichtigen Beitrag für eine Untersetzung bzw. Übersetzungsmöglichkeit liefern kann, ist es häufig möglich, auf stark hemmende Getriebeglieder zu verzichten und sich – wie in den Darstellungen gemäß der 8.1 und 8.2 gezeigt – auf Stirnräder, Planetenräder oder andere leichtgängige Getriebe zu beschränken.

8.2 zeigt die Anordnung gemäß 8.1 mit Gehäuse integriertem Ausrückelement in unbestromten Zustand.

Bei Stromausfall wird eine Entkopplung der Momentenübertragung an Abtriebsrad 40 und Antriebsrad 41 durch Axialverschiebung der Ankerwelle 11 im Poltopfgehäuse 48, 52 des elektrischen Aktuators 12 erzielt. In diesem Zustand wird durch Entspannung des vorgespannten Ausrückelementes 19 eine Anlage der Anlaufscheibe 45 am Gehäuseteil 48 erzielt, d.h. die Zahnräder 40 bzw. 41 sind außer Eingriff gestellt. In diesem Zustand ist die Ankerwelle 11 des elektrischen Aktuators 12 vollständig in ihr Ankerwellenlager 53. im Poltopfgehäuse 52 zurückgestellt.

Wird der elektrische Aktuator nach Wiederherstellung der Stromversorgung wieder bestromt, bewirkt die Magnetkraft ein Hineinziehen der Ankerwelle in ihre Arbeitsposition derart, daß durch langsame Vorspannung des Andrückelementes 19 die Einfahrbewegung gedämpft wird. Wird der elektrische Aktuator 12 so gesteuert, daß er sich bei Axialverschiebung 11 der Ankerwelle in ihre Arbeitsposition langsam dreht, so können die beiden Verzahnungen von Abtriebsrad 40 bzw. Antriebsrad 41 gut ineinander einspuren.

Um die momentane Position der Ankerwelle 11 zu erfassen, kann diese nach dem Erreichen ihrer Betriebsposition in eine Endlage gefahren werden, in der ein Endpositonsgeber angeordnet ist, der einer Fahrzeugelektronik die reale Position der Ankerwelle 11 des elektrischen Aktuators 11 übermittelt. Auf diese Art und Weise läßt sich eine Stromausfallsituation gleichsam beliebig oft wiederholen, abhängig nur von der Lebensdauer der Anlaufscheibe 45.

Die wiederholbare Notfunktion der in den 8.1 bzw. 8.2 in bestromten Zustand 54 bzw. bei ausgefallener Stromversorgung 55 dargestellte Stellantrieb ist der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung. Durch die mögliche Anordnung der Getriebeanordnung 9 in Fortsetzung der Ankerwelle 11 benötigt diese Lösung kaum mehr Bauraum als bekannte Lösungen. Die Verlängerung des Poltopfes 51, das zusätzlich vorzusehende Ausrückelement 19 sowie das auch Axialkräfte aufnehmende Lager 46 stellen relativ geringe Modifikationen an bestehenden Systemen dar und lassen sich daher wirtschaftlich umsetzen. Die in der Getriebeanordnung 9 vorliegende Über- bzw. Untersetzung läßt sich direkt ausnutzen.

Im bestromten Zustand 54 des elektrischen Aktuators 12 gemäß der Darstellung in 8.1 ist zu gewährleisten, daß der elektrische Aktuator im Normalbetrieb permanent mit mindestens etwa 7 bis 10 % bestromt ist, um stets genügend große eleketromagnetisclie Feldkräfte zu bekommen, die ein ungewolltes Endkoppeln bzw. Einfahren der Ankerwelle 11 zu jedem Betriebszeitpunkt in bestromten Zustand 54 verhindern.

Als Antrieb oder Initiator der Axialverschiebung der Ankerwelle 11 sind neben der in 8.1 bzw. 8.2 gezeigten Möglichkeit der Anordnung eines Ausrückelementes 19, verschiedene andere Lösungen denkbar. Bei ausreichendem Eigengewicht und entsprechender geometrischer Anordnung kann eine Verschiebung der Ankerwelle 11 auch durch die Gewichtskraft vorgenommen werden. Ein weiteres mögliches anwendbares Prinzip ist die Verwendung einer Schrägverzahnung bei der zusätzlichen Getriebeanordnung 9, die eine Kraftkomponente in der gewünschten Richtung auf die Ankerwelle 11 ausübt. Daneben lassen sich auch pneumatische oder hydraulische Antriebe vorsehen, wenn ohnehin ein solcher Antrieb in der Nähe des elektrischen Aktuators 12 vorhanden ist. Ferner kann ein zusätzlicher Permanentmagnet vorgesehen, z.B. in der Nähe des der Anlaufscheibe 45 der ohne Bestromung auch noch zumindest für eine gewisse Zeit funktioniert.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Entkopplungssystem läßt sich auch auf 42 Volt taugliche bürstenlose Motoren wie beispielsweise BLDC- oder SR-Motoren anwenden.

1
Kolben-/Zylinderanordnung
2
Koppelelement
3
Schwenkhebel
4
Anlenkpunkt
5
Schwenkachse
6
Bewegungsrichtung Kolben
7
Schwenkbewegung
8
Zahnstange
9
Getriebeanordnung
10
Ritzel
11
Ankerwelle
12
Elektro-Antrieb
13
Schneckenrad
14
Drehrichtung
15
Außenverzahnung
16
Lagerwelle
17
Schneckenverzahnung
18
Gehäuseschale
19
Ausrückelement
19.1
Kupplungsteil
19.2
Anstellteil
19.3
Isolation/Heizung
20
Rückstellfeder
21
Bohrung
22
Einrastöffnung
23
Unbestromter Zustand
24
Verblockter Zustand, bestromt
25
Eingefahrenes Ausrückelement
26
Ritzelaufnahme
27
Lagerwellenbohrung
28
Einrastöffnungstiefe
29
Angeschrägter Stift aus Kupplungsteil
30
Angeschrägte Wandung Einrastöffnung
31
Kraftübertragungsrichtung
32
Teller
40
Abtriebsrad
41
Antriebsrad
42
Lager
43
Kämmende Verzahnung (gerade/schräg)
44
Kraftübertragungsstelle
45
Anlaufscheibe
46
Axial-/Radiallager
47
Wellenbund
48
Gehäuseteil
49
Trennfuge
50
Anker-Blechpaket
51
Ständer-Blechpaket
52
Poltopfgehäuse
53
Ankerwellenlager
54
Bestromter Zustand
55
Unbestromter Zustand


Anspruch[de]
Stellantrieb zur Betätigung von Antriebskomponenten oder Verstellkomponenten an Fahrzeugen, wobei der Stellantrieb einen elektrischen Aktuator (12) umfasst, der auf Kraftübertragungselemente (19, 13; 40, 41) einwirkt, mit dem die Stellbewegung an die zu verstellende Antriebs- oder Verstellkomponente übertragen wird, wobei ein Ausrückelement (19) vorgesehen ist, welches im stromlosen Zustand des elektrischen Aktuators (12) die Kraftübertragung durch die Kraftübertragungselemente (10, 13; 40, 41) unterbricht, und das Ausrückelement (19) ein Kupplungsteil (19.1), ein erstes und zweites Kraftübertragungselement (10, 13), ein Anstellteil (19.2) sowie ein Heizungs-/Isolationselement (19.3) umfasst und das Ausrückelement (19) entweder direkt beheizbar ist oder das Anstellelement (19.2) mittelbar über das es umgebende Gehäuse (18) beheizbar ist und der elektrische Aktuator (12) beim Anfahren einen Bruchteil einer Umdrehung ausführt, um ein aufgrund der Erwärmung des Anstellteils (19.2) des Ausrückelementes (19) hervorgerufenes Einfahren des Kupplungsteils (19.1) in das erste Kraftübertragungselement (10) zu ermöglichen. Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrückelement (19) von einem Gehäuse (18, 48) umschlossen ist und einem Wellenelement (11, 16) gegenüberliegend oder dieses umschließend aufgenommen ist. Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrückelement (19) sich an einem Bund (47) einer Ankerwelle (11) des Aktuators (12) oder über ein Kupplungsteil (19.1) an dem zweiten Kraftübertragungselement (13) abstützt. Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrückelement (19) spiralfederförmig beschaffen ist. Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anstellteil (19.2) des Ausrückelemente (19) eine Formgedächtnis-Legierung enthält. Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsteil (19.1) des Ausrückelementes (19) mittels eines oder mehrerer Federelemente (20) gegen das zweite Kraftübertragungselement (13) vorgespannt ist. Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Kupplungsteil (19.1) des Ausrückelementes (19) stiftförmige Klauen (29) ausgebildet sind, die in Einrastöffnungen (22) des ersten Kraftübertragungselementes (10) einrasten. Stellantrieb gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die am Kupplungsteil (19.1) des Ausrückelementes (19) ausgebildeten stiftförmigen Klauen (29) und die Wandungen (30) der Einrastöffnungen (22) mit abgeschrägten Wandungsverläufen versehen sind. Stellantrieb gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Abtriebsrad fungierendes Kraftübertragungselement (14) mit einer Anlaufscheibe (45) als Axialanschlag auf der Ankerwelle (11) des elektrischen Aktuators (12) aufgenommen sind. Stellantrieb gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwelle (11) verschieblich im Poltopfgehäuse (48, 52) aufgenommen ist. Stellantrieb gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ankerwelle (11) des elektrischen Aktuators (12) ein Betriebspositionsgeber und ein Endpositionsgeber aufgenommen sind. Stellantrieb gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Aktuator (12) im Betrieb so bestromt ist, dass die zwischen Anker-Blechpaketen (50) und Ständer-Blechpaketen (51) wirkenden elektromagnetischen Kräfte diejenigen, die durch das Ausrückelement (19) erzeugt werden, übersteigen.






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