Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für bewegbare Kraftfahrzeug-Aggregate wie Heckklappen, Schiebetüren, Türverschlüsse etc., mit einem Elektromotor, einem Stellelement und einer Rückstelleinrichtung für das Stellelement und/oder den Elektromotor und/oder eine Kupplungseinheit zwischen Stellelement und Kraftfahrzeug-Aggregat, wobei der Elektromotor das Stellelement gegen die Kraft der RückStelleinrichtung gegen einen Anschlag in eine Blockadeposition fährt.
Bei einem gattungsgemäßen Stellantrieb entsprechend der EP 0 147 549 A2 geht es um eine elektrische Zentralverriegelungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge. Dabei sorgt wenigstens ein elektrischer Positionsmelder für das Abschalten des Stellantriebes.
Darüber hinaus kennt man eine Klappenscharnieranordnung durch die DE 199 45 755 A1, bei welcher mit Hilfe des Elektromotors ein Kupplungselement bei Bestromung in eine lösbare form- oder kraftschlüssige Verbindung gebracht wird. Nach Abschalten des Elektromotors sorgt die Rückstelleinrichtung in Gestalt einer Rückstellfeder dafür, dass der ausgekuppelte Zustand wieder eingenommen wird.
Darüber hinaus sind durch die DE 197 10 834 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betätigen eines Sperrelementes bekannt geworden. Das Sperrelement ist aus einem Gehäuse herausgeführt und lässt sich durch Steuersignale eines Elektromotors aktivieren. Ein mit dem Sperrelement zusammenwirkender Positionssensor ist so im Gehäuse angeordnet, dass der Positionssensor ein einer aktuellen Position des Sperrelementes im Gehäuse entsprechendes, elektrisches Positionssignal erzeugen kann. Zusätzlich ist noch eine Steuervorrichtung zum Steuern von Betriebszuständen des Elektromotors als Reaktion auf das Positionssignal vorgesehen.
Die US 4 358 718 beschäftigt sich mit einer Zentralverriegelungsanlage, bei welcher jedes Stellelement separat beaufschlagt werden kann.
Schließlich offenbart die EP 1 096 087 A2 einen Kraftfahrzeug-Türverschluss, bei welchem der Antrieb zumindest innerhalb eines zur Verstellung der Antriebseinrichtung erforderlichen Zeitintervalls bestromt und innerhalb oder am Ende des Zeitintervalls der Antrieb mechanisch blockiert wird. Die Bestromung des Antriebes und damit dessen Drehmoment und/oder Drehzahl wird entlang einer Rampe verringert.
Der Stand der Technik kann nicht in allen Punkten befriedigen. So wird in der Regel bei einer Fahrt auf Block, d. h. bis zum Anschlag in die Blockadeposition, die Beaufschlagung des Elektromotors mit elektrischer Leistung so lange beibehalten, wie dieser Zustand eingestellt sein muss. Das führt zu erhöhter Leistungsaufnahme und übermäßiger Erwärmung, die schlimmstenfalls zu einer Beschädigung des Elektromotors, in nahezu allen Fällen wenigstens jedoch zu einer Verringerung seiner Lebensdauer, korrespondiert. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Stellantrieb der eingangs beschriebenen Ausgestaltung so weiter zu entwickeln, dass Beschädigungen des Elektromotors bei verringertem Energieeinsatz zuverlässig vermieden werden.
Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßer Stellantrieb erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass nach einer einstellbaren Verzögerungszeit - im Anschluss an die Einnahme der Blockadeposition - die den Elektromotor versorgende elektrische Leistung auf einen die Blockadeposition des Stellelementes gerade noch gewährleistenden Wert reduziert wird.
Das Stellelement mag direkt auf das zu bewegende Kraftfahrzeug-Aggregat einwirken, d. h. beispielsweise an die Heckklappe oder Schiebetür angeschlossen sein. Ebenso ist es möglich, dass das Stellelement in einen Kraftfahrzeug-Türverschluss integriert ist und hier beispielsweise für eine Zentralverriegelung sorgt, wie dies im Rahmen der EP 0 147 549 A2 beschrieben wird.
Daneben kann das Stellelement aber auch auf die zwischen Stellelement und Kraftfahrzeug-Aggregat zwischengeschaltete optionale Kupplungseinheit arbeiten. Dann sorgt der Elektromotor bei Bestromung dafür, dass ein Kupplungselement beim Erreichen des Anschlages für das Stellelement eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Stellelement und dem Kraftfahrzeug-Aggregat herstellt. Der Anschlag kann hier auch von einem Gegenkupplungselement gebildet werden.
In diesem Fall mag die Rückstelleinrichtung der Kupplungseinheit zugeordnet sein und sorgt dafür, dass das zumindest eine bewegliche Kupplungselement nach Abschaltung des Elektromotors in die Stellung des ausgekuppelten Zustandes zurückversetzt wird, wie dies grundsätzlich im Rahmen der DE 199 45 755 A1 erfolgt.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Einnahme und Beibehaltung der Blockadeposition des Stellelementes mittels eines Positionssensors im und/oder am Stellelement ermittelt wird. Bei diesem Positionssensor mag es sich um einen Drehzahlgeber im und/oder am Elektromotor und/oder einen Wegsensor im und/oder am Stellelement handeln. Mit Hilfe des Drehzahlgebers kann beispielsweise festgestellt werden, ob und in welche Drehrichtung sich der Elektromotor bewegt. Grundsätzlich mag als Positionssensor auch eine Leistungsaufnahmeeinrichtung fungieren, welche die dem Elektromotor zugeführte elektrische Leistung über der Zeit ermittelt und auswertet. Hieraus lassen sich insbesondere Rückschlüsse auf die Blockadeposition ziehen, die zu einer erhöhten Leistungsaufnahme korrespondiert.
Um nun die einzelnen erfassten Werte zu registrieren und zu verarbeiten ist in der Regel eine Steuereinheit vorgesehen, welche in Abhängigkeit von Eingangssignalen des zuvor erwähnten Positionssensors die den Elektromotor beaufschlagende elektrische Leistung steuert. Das erfolgt insbesondere nach Ablauf der Verzögerungszeit, wo die Steuereinheit dafür sorgt, dass diese elektrische Leistung sukzessive reduziert wird. Das kann entlang einem linearen Verlauf über die Zeit erfolgen. Im Rahmen der Erfindung hat es sich jedoch als günstig erwiesen, einen nahezu exponentiellen Abfall der Leistung über die Zeit darzustellen.
In diesem Zusammenhang schlägt die Erfindung weiter vor, dass die Steuereinheit zusammen mit dem Positionssensor einen geschlossenen Regelkreis bildet. Dabei werden größtenteils die vom Positionssensor aufgenommenen Werte als Führungsgröße von der Steuereinheit registriert und in eine elektrische Leistung als Regelgröße für den Elektromotor umgesetzt. Die Regelung der elektrischen Leistung wird nun in der Blockadeposition einem Haltewert angenähert, indem die dem Elektromotor zugeführte elektrische Leistung kontinuierlich (exponentiell) verringert wird, und zwar so lange, bis der Positionssensor eine Rückwärtsbewegung des Elektromotors infolge der unverändert wirkenden Rückstelleinrichtung registriert. Als Folge hiervon wird die elektrische Leistung wieder erhöht, bis wiederum das Stellelement gegen die Kraft der Rückstelleinrichtung bis an den Anschlag fährt.
Daraufhin wird erneut die elektrische Leistung verringert bis der auf diese Weise appoximierte Haltewert nach einer einstellbaren Zeit an Zyklen erreicht wird. Das heißt, für die Annäherung an den Haltewert wird ein Näherungsverfahren eingesetzt, wobei beispielsweise das Newton'sche Näherungsverfahren Verwendung finden kann.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Verzögerungszeit zwischen dem Erreichen der Blockadeposition und der Reduktion der dem Elektromotor zugeführten elektrischen Leistung auf Werte von unterhalb 1 Sek. bemessen ist. Denn diese Zeitspanne reicht völlig aus, um eventuelle Elastizitäten in der gesamten Antriebskette zu überwinden und eine definierte Position des Stellelementes zu erreichen. Die Verzögerungszeit mag in der Regel Werte zwischen 0,2 bis 0,8 Sek. einnehmen, beträgt vorzugsweise ca. 0,5 Sek..
Bei der Rückstelleinrichtung handelt es sich in der Regel um eine Rückstellfeder, wenngleich natürlich auch andere Medien, wie z. B. eine Luft- und/oder Hydraulikfeder, zum Einsatz kommen können.
Im Ergebnis wird ein Stellantrieb für bewegbare Kraftfahrzeug-Aggregate zur Verfügung gestellt, bei dem die elektrische Leistung nach Erreichen der Blockadeposition des Stellelementes im Anschluss an eine einstellbare Verzögerungszeit (die auch Null sein kann) sukzessive reduziert wird, und zwar signifikant. Die Blockadeposition wird hierbei unverändert beibehalten. Dadurch verringert sich die Erwärmung des Elektromotors und werden gleichzeitig Beschädigungen ausgeschlossen. Als Folge hiervon steigt die Lebensdauer und lassen sich Ausfallzeiten praktisch auf Null reduzieren.
Dabei geht die Erfindung im Kern von der Erkenntnis aus, dass zum Erreichen der Blockadeposition des Stellelementes und/oder des hieran angeschlossenen Kraftfahrzeug-Aggregates ein Vielfaches derjenigen elektrischen Leistung erforderlich ist, die ausreicht, um das Stellelement in eben dieser Funktionsstellung im Anschluss hieran zu halten. Als Gründe hierfür sind zunächst einmal bei der Stellbewegung zu überwindende Gleitreibungskräfte zu nennen, die in der Blockadeposition nicht (mehr) auftreten. Hinzukommt, dass mehr Energie erforderlich ist, die Rückstelleinrichtung, beispielsweise eine Rückstellfeder, zu komprimieren, als diesen komprimierten Zustand beizubehalten. Schließlich tragen bei der Stellbewegung zu überwindende Elastizitäten in der Blockadeposition ebenfalls nur in verringertem Maße zur Leistungsaufnahme bei.
Folglich vermag der Elektromotor das Stellelement in der skizzierten Position mit einer viel geringeren elektrischen Leistung zu halten, als diese zuvor für die Stellbewegung aufgebracht werden musste. Das Gleiche gilt natürlich für den Fall, dass das Stellelement die Kupplungseinheit zwischen dem Stellelement und dem Kraftfahrzeug-Aggregat betätigt. Auch in diesem Fall sind verringerte elektrische Leistungen erforderlich, um das bewegliche Kupplungselement in eingekuppelter Stellung zu halten als für das Schließen der Kupplungseinheit vonnöten sind.
Das gelingt im Rahmen der Erfindung durch zwei Maßnahmen. Zunächst einmal gewährleistet die einstellbare Verzögerungszeit im Anschluss an das Erreichen der Blockadeposition, dass nach einem kurzen Zeitraum die beschriebene Leistungsreduktion zur Beaufschlagung des Elektromotors initiiert wird. Hinzu kommt, dass diese Leistungsverringerung von der Steuereinheit in einem geschlossenen Regelkreis vorgenommen wird und auf einen angenäherten Haltewert für die elektrische Leistung führt. Dieser korrespondiert zu einem Wert für die elektrische Leistung, die die Blockadeposition des Stellelementes gerade noch gewährleistet. Insofern wird ein optimaler Wert für die Leistungsbeaufschlagung des Elektromotors erreicht. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
In den Figuren ist ein Stellantrieb für bewegbare Kraftfahrzeug-Aggregate 1 dargestellt. Hierbei mag es sich im Rahmen des Ausführungsbeispiels um einen Kraftfahrzeug-Türverschluss 1 handeln, welcher von dem Stellantrieb in die Positionen "entriegelt" und "verriegelt" überführt wird, und zwar ähnlich, wie dies in der US-PS 4 358 718 beschrieben ist. Grundsätzlich kann mit Hilfe des dargestellten Stellantriebes aber auch eine Heckklappe bzw. eine Heckklappenscharnieranordnung beaufschlagt werden, wie sie Gegenstand der DE 199 45 755 A1 oder auch der DE 199 60 373 ist. Der Stellantrieb vollführt im Rahmen des Ausführungsbeispiels lineare Stellbewegungen in Richtung des Doppelpfeils, und zwar beaufschlagt von einem Elektromotor 2, gegen die Kraft einer Rückstelleinrichtung 3.
Zu diesem Zweck treibt der reversierend arbeitende Elektromotor 2 eine Abtriebswelle 4 mit einem Abtriebszahnrad 5 an, welches mit einem Federzahnrad 6 kämmt, das in seinem Innern die Rückstelleinrichtung 3 in Gestalt einer Rückstellfeder 3 bzw. Spiralfeder 3 trägt. Rotationen des Elektromotors 2 führen dazu, dass eine an das Federzahnrad 6 angeschlossene Spindelstange 7 mit Gewinde ebenfalls gedreht wird, wodurch eine auf der Spindelstange 7 befindliche Spindelmutter 8 bzw. ein Stellelement 8 die gewünschten Stellbewegungen vollführt. Wenn die Spindelmutter 8 ausgefahren wird, führt dies dazu, dass die Spiralfeder 3 komprimiert wird und Rückstellkräfte aufbaut, die nach Wegfall der Beaufschlagung durch den Elektromotor 2 die Spindelmutter 8 (und den Elektromotor 2) in ihre Ausgangslage zurückbewegen.
Der Elektromotor 2 sorgt nun dafür, dass die Spindelmutter 8 bzw. das Stellelement 8 gegen einen Anschlag 9 fährt, und zwar innerhalb einer Zeitspanne T1 bzw. der Stellzeit. Im Rahmen des Standes der Technik nach der Fig. 2a wird der Elektromotor 2 nach Erreichen dieser Blockadeposition mit einer konstant hohen elektrischen Leistung versorgt, damit die hierzu korrespondierende Stellung des Kraftfahrzeug-Türverschlusses 1 einwandfrei beibehalten wird.
Es stellt sich folglich eine Leistungsaufnahme P des Elektromotors 2 über die Zeit t ein, wie sie in der Fig. 2a dargestellt ist. Man erkennt, dass die elektrische Leistung P zu Beginn der Stellbewegung wegen der zu überwindenden Haftreibungskräfte steil ansteigt und aufgrund der dann nachlassenden Gleitreibungskräfte zunächst abfällt und beim Fahren gegen den Anschlag 9 wieder auf einen mehr oder minder konstanten Wert P1 ansteigt. Dieser Wert der elektrischen Leistung P1 wird beibehalten, bis eine Abschaltung des Elektromotors 2 erfolgt. Da dieser Leistungswert P1 die an sich zum Beibehalten des Stellelementes 8 in der Blockadeposition erforderliche mechanische Arbeit bei weitem übersteigt, wird der Überschuss in Wärme umgewandelt, die zu einer Beschädigung und/oder Lebensdauerverringerung des Elektromotors 2 führen kann.
Dem wird nun erfindungsgemäß dadurch Rechnung getragen, dass nach einer einstellbaren Verzögerungszeit T2 im Anschluss an das Erreichen der Blockadeposition nach der Zeit T1 die den Elektromotor 2 versorgende elektrische Leistung P auf einen die Blockadeposition des Stellelementes 8 gerade noch gewährleistenden Wert P2 reduziert wird.
Die Einnahme und Beibehaltung der in Fig. 1 dargestellten Blockadeposition, d. h. der Anlage des Stellelementes 8 am Anschlag 9, wird mit Hilfe eines Positionssensors 10 überwacht. Dieser Positionssensor 10 ist in den Elektromotor 2 integriert, steht mit einer Steuereinheit 11 elektrisch in Verbindung und wertet Drehzahlsignale des Elektromotors 2 aus. Alternativ hierzu kann der Positionssensor 10 aber auch aus dem zeitlichen Verlauf der vom Elektromotor 2 aufgenommenen elektrischen Leistung P Rückschlüsse auf die Bewegung des Elektromotors 2 und insbesondere das Erreichen der Blockadeposition ziehen. Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, mit Hilfe des Positionssensors 10 den vom Stellelement 8 zurückgelegten Weg zu ermitteln.
Ebenso ist eine Kupplungseinheit 12 zwischen Stellelement 8 und Kraftfahrzeug-Aggregat 1 möglich, die über ein an das Stellelement 8 angeschlossenes und mit diesem bewegbares Kupplungselement 12a sowie ein Gegenkupplungselement 12b verfügt. Das gegenüber dem Kupplungselement 12a feststehende Gegenkupplungselement 12b fungiert wie der Anschlag 9 und sorgt für die Verbindung des Stellelementes 8 mit dem Kraftfahrzeug-Aggregat 1 bei geschlossener Kupplungseinheit 12. Dann können über diesen Verbindungsstrang 8, 12 gegebenenfalls mechanische Bewegungen vom Elektromotor 2 oder einer anderen Antriebseinheit auf das Kraftfahrzeug-Aggregat 1 übertragen werden.
Die Steuereinheit 11 gibt nun die dem Elektromotor 2 zugeführte elektrische Leistung P vor, und zwar im Rahmen der Erfindung entsprechend dem zeitlichen Verlauf gemäß Fig. 2b. Man erkennt, dass in Abhängigkeit von Eingangssignalen des Positionssensors 11 die den Elektromotor 2 beaufschlagende elektrische Leistung P nach Ablauf der Verzögerungszeit T2 reduziert wird, und zwar sukzessive entlang eines Exponentialverlaufes. Das geschieht so lange, bis ein Haltewert P2 der elektrischen Leistung erreicht ist, und zwar nach einer weiteren Zeitspanne T3.
Im Einzelnen bildet die Steuereinheit 11 zusammen mit dem Positionssensor 10 einen geschlossenen Regelkreis, wobei die vom Positionssensor 10 aufgenommenen Werte als Führungsgröße von der Steuereinheit 11 erfasst und in die jeweilige elektrische Leistung P als Regelgröße für den Elektromotor 2 umgesetzt werden. Bei diesem Vorgang wird die Regelung der elektrischen Leistung P dem vorerwähnten Haltewert P2 angenähert, und zwar einem Näherungsverfahren folgend. Bei diesem Näherungsverfahren mag es sich um das Newton'sche Näherungsverfahren handeln, bei welchem der exponentielle Verlauf durch einzelne aneinander gesetzte Sekanten nachgebildet wird (vgl. hierzu auch Dubbel "Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Auflage 1995, Seiten A 106, A 107).
Die Verzögerungszeit T2, welche vom Beginn der Blockade, also mit dem zweiten Anstieg der Leistungsaufnahme P für den Elektromotor 2 startet, ist zumeist unterhalb von 1 Sek. bemessen und beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 0,5 Sek.. Das heißt, es gilt, T2 ≈ 0, 5 Sek.. Bis der Haltewert P2 erreicht ist, verstreicht in der Regel etwa ebenfalls nur eine halbe Sekunde. Das heißt, T3 ≈ 0,5 Sek..
Die Steuerung der Leistung P des Elektromotors 2 wird von der Steuereinheit 11 im Sinne einer pulsweiten modulierten Bestromung vorgenommen. Das heißt, der Elektromotor 2 erhält zumeist rechteckförmige Stromimpulse vorgegebener Zeitdauer und Frequenz. Dadurch kann bei vorgegebener und fester Gleichspannung die jeweils zur Verfügung gestellte elektrische Leistung P einfach durch das Produkt aus Zeitdauer der jeweiligen Stromimpulse mal deren Stromwert bestimmt werden.