Stand der Technik
[0001] Die Erfindung geht aus von einem Stellantrieb für ein Stellorgan nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Bei einem bekannten Stellantrieb für eine Drosselklappe im Ansaugstutzen einer Brennkraftmaschine
(
DE 196 12 869 A1) ist das zwischen Motor-Abtriebswelle und Stellwelle angeordnete Übersetzungsgetriebe
ein zweistufiges Stirnradgetriebe mit einem Zwischenrad, das mit einem ersten Verzahnungsabschnitt
mit einem auf der Motor-Abtriebswelle sitzenden Motorritzel und mit einem zweiten
Verzahnungsabschnitt mit einem auf der Stellwelle fest angeordneten Antriebs-Zahnrad
kämmt. Antriebs-Zahnrad und Stellwelle sind in einem den Stellmotor und das Übersetzungsgetriebe
aufnehmenden Stellergehäuse drehbar gelagert. Eine Rückstellvorrichtung sorgt dafür,
dass bei Ausfall des Stellmotors die Drosselklappe in eine Grundposition zurückgestellt
wird, in der nur ein Notlauf der Brennkraftmaschine möglich ist. Die Rückstellvorrichtung
weist eine konzentrisch die Stellwelle umschließende, als zylindrische Schraubenfeder
ausgebildete Drehfeder und ein auf der Stellwelle drehbeweglich aufgenommenes Anschlagstück
auf. Die Drehfeder greift mit ihrem einen Federende am Antriebs-Zahnrad und mit ihrem
anderen Federende an dem Anschlagstück an und stützt sich axial zwischen Antriebs-Zahnrad
und Anschlagstück ab, das sich seinerseits axial an dem fest im Stellergehäuse aufgenommenen
Drehlager für die Stellwelle abstützt. Die Drehfeder erzeugt über ihre Federenden
ein Drehmoment auf das Antriebs-Zahnrad und auf das Anschlagstück, das seinerseits
über einen auf ihm angeordneten Anschlag mit einem am Zwischenrad angeordneten Gegenanschlag
zusammenwirkt. Dieses Rückstell-Drehmoment vergrößert sich mit zunehmendem Verdrehen
der Drosselklappe aus ihrer Grundposition. Bei Ausfall des Stellmotors dreht dieses
Rückstell-Drehmoment die Drosselklappe in ihre Grundposition zurück.
[0003] Bei einer bekannten Stelleinrichtung zum Stellen eines Drosselorgans in einer Brennkraftmaschine
(
DE 40 39 728 A1) ist das Übersetzungsgetriebe zwischen Motor-Abtriebswelle und Stellwelle als Schneckengetriebe
mit Schnecke und kreisbogenförmiger Zahnleiste ausgebildet. Die Schnecke ist drehfest
auf der Motor-Abtriebswelle angeordnet, und die Zahnleiste ist im Stellergehäuse längs
eines Kreisbogens verschieblich geführt. Auf der Stellwelle ist ein Mitnehmerarm fest
angeordnet, der mit seinem Armende an der Stirnseite der Zahnleiste anliegt. Eine
auf der Stellwelle sitzende Spiralfeder legt den Mitnehmerarm kraftschlüssig an das
Zahnsegment an, so dass der Mitnehmerarm beim Verschieben der Zahnleiste geschwenkt
und dadurch die Stellwelle mit Stellorgan gedreht wird.
Vorteile der Erfindung
[0004] Der erfindungsgemäße Stellantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass durch das Vorsehen zweier, vorzugsweise als Rückstellfedern ausgebildeter, Energiespeicher,
die getrennt auf der Eingangs- und auf der Ausgangsseite des Übertragungsgetriebes
eingesetzt sind und von denen einer auf die Motorabtriebswelle und der andere auf
die Stellwelle oder das mit dieser fest verbundene Stellorgan rückwirkt, ein Übertragungsgetriebe
mit nur einer Getriebestufe und sehr großer Übersetzung verwendet werden kann, ohne
dass die Rückstellkraft der Rückstellvorrichtung entsprechend dem großen Übersetzungsverhältnis
groß bemessen werden müsste. Bekanntlich besitzen solche einstufigen Übersetzungsgetriebe
mit großem Übersetzungsverhältnis, wie eines beispielsweise von einem Schneckengetriebe
repräsentiert wird, auch den Nachteil, hohe Wirkungsgradverluste aufzuweisen, die
bei der bekannten Ausbildung der Rückstellvorrichtung mit einem einzigen, am Stellorgan
oder der Stellwelle angreifenden Energiespeicher in Form eines Rückstellfeder von
der Rückstellvorrichtung zusätzlich kompensiert werden müssen. Dies führt nicht nur
zu einer übergroß zu dimensionierenden starken Rückstellfeder, sondern auch zu der
Notwendigkeit der Verwendung eines leistungsstarken Stellmotors zum Verdrehen der
Stellwelle gegen die entsprechend große Rückstellkraft der Rückstellfeder. Mit der
erfindungsgemäßen Gewinnung der Rückstellkraft der Rückstellvorrichtung getrennt für
Motorabtriebswelle und Stellwelle aus zwei Energiespeichern können auch die hohen
Wirkungsgradverluste des Übersetzungsgetriebes umgangen werden, so dass die Energiespeicher
relativ klein dimensioniert werden können; denn der eine Energiespeicher muss lediglich
das Motor-Rastmoment und der andere Energiespeicher lediglich das Nutzmoment an der
Stellwelle kompensieren. Durch Umgehung des Übersetzungsgetriebes kann der Stellmotor
leistungsklein gehalten werden. Das einstufige Übertragungsgetriebe, der kleine Stellmotor
und die beiden vorzugsweise als Rückstellfedern ausgebildeten Energiespeicher wirken
sich vorteilhaft bezüglich Bauraumeinsparung, Gewichtsreduzierung und niedriger Fertigungskosten
aus. Darüber hinaus ist es möglich, als Übersetzungsgetriebe auch solche Getriebe
zu verwenden, die aufgrund ihrer hohen Übersetzung Selbsthemmung aufweisen. Bei Stellantrieben
mit einem solchen Getriebe wären herkömmliche Rückstellvorrichtung zum Überführen
des Stellorgans in eine Grundposition bei Ausfallen des Stellmotors nicht einsatzfähig.
[0005] Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Stellantriebs möglich.
[0006] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Motor-Abtriebswelle
und dem auf diese rückwirkenden Energiespeicher ein Untersetzungsgetriebe angeordnet,
das vorzugsweise ein Kronengetriebe mit einem auf der Motor-Abtriebswelle fest angeordneten
Stirnrad und einem mit diesem kämmenden Kronenrad ist, dessen Radachse rechtwinklig
zur Motor-Abtriebswelle ausgerichtet ist. Der auf den Getriebeausgang des Kronengetriebes
rückwirkende Energiespeicher ist als Rückstellfeder ausgebildet, die mit ihrem einen
Federende am Kronenrad und mit ihrem anderen Federende ortfest festgelegt. Das Kronengetriebe
weist - wie ein Stirnradgetriebe - kaum Wirkungsgradverluste auf und ermöglicht ein
Spannen der Rückstellfeder über mehrere Umdrehungen der Motor-Abtriebswelle, wie sie
auch zum Verstellen des Stellorgans erforderlich sind.
Zeichnung
[0007] Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
- Fig. 1
- eine perspektivische Seitenansicht eines Stellantriebs für ein Stellorgan,
- Fig. 2
- einen Schnitt längs der Linie II - II in Fig. 1 mit ausschnittweise angedeutetem Stellorgan.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
[0008] Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Stellantrieb für ein Stellorgan 10 (Fig. 2) umfasst
einen elektrischen Stellmotor 11 mit einer Motor-Abtriebswelle 12, eine Stellwelle
13, ein zwischen Motor-Abtriebswelle 12 und Stellwelle 13 angeordnetes Übersetzungsgetriebe
14 sowie eine Rückstellvorrichtung 15 zum Rückstellen des Stellorgans 10 in eine Grundposition
bei Defekt oder Ausfall des Stellmotors 11. Das Stellorgan 10 kann eine Drosselklappe
im Ansaugstutzen einer Brennkraftmaschine, eine Luftklappe in einer Klimaanlage oder
ein sonstiges schwenkbares Element zur Steuerung eines Kanalquerschnitts sein. Das
Stellorgan 10 ist in Fig. 2 ausschnittweise angedeutet.
[0009] Der Stellmotor 11 und das Übersetzungsgetriebe 14 sind in einem schalenförmigen Stellergehäuse
16 aufgenommen. Die Stellwelle 13 ist im Stellergehäuse 16 drehgelagert. Das Übersetzungsgetriebe
14 ist als Schneckengetriebe ausgebildet, das eine auf der Motor-Abtriebswelle 12
sitzende Schnecke 17 und ein Schneckenrad 18 aufweist. Letzteres ist drehfest auf
der Stellwelle 13 angeordnet. Da das Stellorgan 10 nur eine begrenzte Schwenkbewegung
ausführt, ist das Schneckenrad 18 als Radsegment ausgebildet, wobei sich die Radverzahnung
über einen Kreisbogen von weniger als 180° erstreckt.
[0010] Die Rückstellvorrichtung 15 weist eine auf der Eingangsseite des Übersetzungsgetriebes
14 wirksame, einen ersten Energiespeicher darstellende erste Rückstellfeder 21 und
eine auf der Ausgangsseite des Übersetzungsgetriebes 14 wirksame, einen zweiten Energiespeicher
darstellende zweite Rückstellfeder 22 auf. Die zweite Rückstellfeder 22 ist als Drehfeder
23, vorzugsweise als zylindrische Schraubenfeder, ausgebildet. Sie ist so dimensioniert,
dass sie das an der Stellwelle 13 abnehmbare Nutzdrehmoment zu überwinden vermag.
Die erste Rückstellfeder 21 ist dagegen so ausgelegt, dass sie das Motor-Rastmoment
zu überwinden vermag. Die erste Rückstellfeder 21 steht über ein Untersetzungsgetriebe
23 mit der Motor-Abtriebswelle 12 in Wirkeingriff. Das Untersetzungsgetriebe 23 ist
vorzugsweise als Kronengetriebe mit einem auf der Motor-Abtriebswelle 12 fest angeordneten
Stirnrad 24 und einem im Stellergehäuse 16 drehgelagerten Kronenrad 25, das mit dem
Stirnrad 24 in Zahneingriff steht, ausgebildet. Die erste Rückstellfeder 21 ist im
Ausführungsbeispiel als Spiralfeder 26 ausgebildet, die mit ihrem einen Federende
261 an dem Kronenrad 25 und mit ihrem anderen Federende am Stellergehäuse 16 befestigt
ist. Die Spiralfeder 26 ist vorzugsweise am Grunde des Kronenrads 25 angeordnet und
ragt mit ihrem in Fig. 1 nicht zu sehenden, am Stellergehäuse 16 befestigten Federende
durch einen bogenförmigen Schlitz im Grunde des Kronenrads 25 hindurch. Selbstverständlich
ist es möglich, beide Rückstellfedern 21, 22 als Spiral- oder zylindrische Schraubenfedern
auszubilden.
[0011] In Fig. 1 ist beispielhaft der Stellantrieb in einer Position dargestellt, in welcher
das Stellorgan 10 seine Grundposition einnimmt. Der Stellmotor 11 ist stromlos geschaltet.
Wird der Motor mit einer solchen Drehrichtung eingeschaltet, dass sich die Motor-Abtriebswelle
12 im Uhrzeigersinn dreht, so wird über die drehende Schnecke 17 das Schneckenrad
18 in Richtung Pfeil 19 verschwenkt. Gleichzeitig wird über das sich drehende Stirnrad
24 das Kronenrad 25 so verdreht, dass sich die Vorspannung der Spiralfeder 26 vergrößert.
Durch das Schwenken des Schneckenrads 18 wird die Stellwelle 13 verdreht, die ihrerseits
das Stellorgan 10 in eine Stellung schwenkt, in dem es einen zu steuernden Durchflussquerschnitt
mehr oder weniger weit freigibt. Mit Drehen von Schneckenrad 18 und Stellwelle 13
wird die zylindrische Schraubenfeder 20 gespannt. Wird in dieser Stellung des Stellorgans
10 der Stellmotor 13 durch einen Defekt stromlos, so dreht die vorgespannte Spiralfeder
26 die Stellwelle 13 sowie das Schneckenrad 18 und die vorgespannte Schraubenfeder
20 das Kronenrad 25 sowie über das Stirnrad 24 die Motor-Abtriebswelle 12 zurück.
Dadurch wird das Stellorgan 10 in seine Grundposition zurückgestellt, wobei das Schneckengetriebe
mit seiner großen Übersetzung, seinen hohen Wirkungsgradverlusten und seiner evtl.
Selbsthemmung umgangen wird.
[0012] Selbstverständlich ist es möglich, auf das Kronengetriebe zu verzichten und den ersten
Energiespeicher, resp. die erste Rückstellfeder, der Rückstellvorrichtung direkt auf
die Motorabtriebswelle wirken zu lassen. Dann darf allerdings der Stellmotor 11 zur
Verstellung des Stellorgans 10 nur wenige Umdrehungen ausführen.
1. Stellantrieb für ein Stellorgan (10) mit einem eine Abtriebswelle (13) aufweisenden
elektrischen Stellmotor (11), mit einer das Stellorgan (10) tragenden Stellwelle (13)
und mit einem zwischen Motor-Abtriebswelle (12) und Stellwelle (13) angeordneten Übersetzungsgetriebe
(14) sowie mit einer Rückstellvorrichtung (15) zum Rückstellen des Stellorgans (10)
in eine Grundposition bei Ausfall des Stellmotors (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellvorrichtung (15) zwei getrennte Energiespeicher aufweist, von denen
einer auf die Motor-Abtriebswelle (12) und einer auf die Stellwelle (13) rückwirkt.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Motor-Abtriebswelle (12) rückwirkende erste Energiespeicher zur Überwindung
des Motor-Rastmoments und der auf die Stellwelle (13) rückwirkende zweite Energiespeicher
zur Überwindung des Nutzdrehmoments ausgelegt ist.
3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (14) als Schneckengetriebe mit einer auf der Motor-Abtriebswelle
(12) angeordneten Schnecke (17) und einem auf der rechtwinklig zur Motor-Abtriebswelle
(12) ausgerichteten Stellwelle (13) fest angeordneten Schneckenrad (18) ausgeführt
ist.
4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Motor-Abtriebswelle (12) und dem ersten Energiespeicher ein Untersetzungsgetriebe
(23) angeordnet ist und dass der erste Energiespeicher auf den Getriebeausgang des
Untersetzungsgetriebes (23) gekoppelt ist.
5. Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe (23) ein auf der Motor-Abtriebswelle (12) fest angeordnetes
Stirnrad (24) und ein mit diesem kämmendes Kronenrad (25) mit zur Motor-Abtriebswelle
(12) rechtwinklig ausgerichteter Radachse aufweist und dass die erste Energiespeicher
mit dem Kronenrad (25) verbunden ist.
6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Energiespeicher als Rückstellfeder (21, 22) ausgebildet ist.
7. Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Rückstellfeder (21) eine im Kronenrad (25) einliegende Spiralfeder ist,
deren eines Federende (261) am Kronenrad (25) befestigt und deren anderes Federende
ortsfest gehalten ist.
8. Stellantrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Rückstellfeder (22) eine konzentrisch die Stellwelle (13) umschließende
Drehfeder, vorzugsweise zylindrische Schraubenfeder (20) oder Spiralfeder, ist, deren
eines Federende an der Stellwelle (13) oder dem Stellorgan (10) befestigt und deren
anderes Federende ortsfest gehalten ist.
9. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (14) und das Untersetzungsgetriebe (23) in einem Stellergehäuse
(16) aufgenommen sind, in dem die Radachse des Kronenrads (25) gehalten und die Stellwelle
(13) drehgelagert ist, und dass die ortfest gehaltenen Federenden der Rückstellfedern
(21, 22) im Stellergehäuse (16) befestigt sind.
10. Stellantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellmotor (11) im Stellergehäuse (16) aufgenommen ist.