-
Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Solche
Stellantriebe werden z.B. in Kraftfahrzeugen – und hier besonders im Motorraum – eingesetzt,
um elektronisch geregelte Systeme wie Drosselklappen oder Ventile
für eine
Abgasrückführung (AGR)
regelnd anzutreiben.
-
Bei
den Stellantrieben ist es erforderlich, für den Fall eines teilweisen
oder kompletten Ausfalls der Ansteuerung eine so genannte Fail-Safe-Funktion
zu realisieren, bei der ein von dem Stellantrieb angetriebenes Element
in eine vorbestimmte Position verfahren wird. Hierfür sind elektronische
oder mechanische Systeme bekannt.
-
Die
elektronischen Systeme erfordern eine aufwändige Elektronik und eine Lagerückmeldung von
dem Stellglied; sie funktionieren nicht z.B. bei Ausfall der Spannung,
des Antriebs und/oder der Elektronik.
-
Die
mechanischen Systeme arbeiten mit einer Feder, die konstant in Eingriff
ist und daher permanent entsprechend ihrer Kraft-Weg-Kennlinie wirkt.
Der Stellantrieb muss also neben den Stellkräften auch die Kraft der Feder überwinden
und entsprechend größer dimensioniert
sein. Dies bewirkt höhere
Kosten, einen größeren Energiebedarf
und einen höheren
Verschleiß.
-
Die
DE 10 2004 046 798
A1 beschreibt ein Verfahren zur Aufrechterhaltung eines
Notbetriebs eines Turboladers mit veränderlicher geometrischer Gestaltung
(VTG), bei dem bei Ausfall eines Drucksensors elektronisch eine
Ansteuerung eines Stellantriebs mit Ersatzwerten aufrecht erhalten
wird. Der Stellantrieb selbst ist nicht weiter beschrieben.
-
Aus
der
DE 10 2004
022 325 A1 ist eine Drosselregelungsvorrichtung mit einem
Drosselventil und einem zugeordneten Stellmotor bekannt. Weiterhin
ist eine Erfassungs einrichtung für
den Öffnungsgrad
des Drosselventils angeordnet. Eine mechanische Fail-Safe-Vorrichtung
ist nicht offenbart.
-
Die
EP 1 515 022 A1 offenbart
einen Stellantrieb für
eine Drosselklappe, bei der zwei entgegengesetzt wirkende Drehfedern
angeordnet sind. Eine schließend
wirkende der Drehfedern ist mit größerer Stellkraft als Blattfeder
ausgebildet und fährt
die Drosselklappe bei fehlendem Antrieb in eine teilweise offene
Stellung – die
so genannte limphome Position. Der Stellantrieb muss hier ständig gegen
Federkraft arbeiten.
-
Aus
der
DE 197 21 239
A1 ist eine Vorrichtung zur Betätigung einer Drosselklappe
bekannt, bei der zusätzlich
zu einer mechanischen Betätigungsvorrichtung
ein Stellantrieb angeordnet ist. Im Normalbetrieb ist die mechanische
Betätigungsvorrichtung
von der Drosselklappe ausgekoppelt, und deren Betätigung erfolgt
ausschließlich
durch den Stellantrieb mit Hilfe entsprechender Sensoren. Bei Ausfall z.B.
des Stellantriebs wird die mechanische Betätigungsvorrichtung eingekoppelt,
so dass ein Notlaufbetrieb aufrecht erhalten werden kann. Das Öffnen der
Drosselklappe erfolgt stets gegen die Kraft einer Feder.
-
Die
DE 198 56 716 C1 beschreibt
einen elektrischen Stellantrieb mit einem Antriebsmotor und einem
nachgeordneten Getriebe, wobei der Antriebsmotor mittels einer Doppelfeder
in einem Gehäuse gehalten
ist. Eine Fail-Save-Funktion ist nicht beschrieben.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, einen elektrischen Stellantrieb zu schaffen,
der eine Fail-Save-Funktion bei einem Ausfall des Stellantriebs
oder der Spannungsversorgung gewährleistet,
ohne permanent gegen eine zusätzliche
Kraft z.B. einer Feder arbeiten zu müssen.
-
Die
Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die
erste Feder ist im Normalbetrieb durch einen Mechanismus so gehalten,
dass sie keine Kraft auf ein zu stellendes Organ ausübt. Weiterhin
ist der Mechanismus im Störfall
so verfahrbar, dass er die erste Feder freigibt. Dies bewirkt insgesamt,
das die einmal bei Beginn des Betriebs gespannte erste Feder keine
Auswirkungen auf den Stellantrieb hat und dieser entsprechend entlastet
ist. Der Stellantrieb kann entsprechend klein ausgelegt sein und
verbraucht weniger Energie. Der Verschleiß wird verringert.
-
Wenn
der Stellantrieb oder dessen Ansteuerung gestört ist – z.B. Ausfall der Spannung,
des Motors und/oder eines zugehörigen
Sensors – wird
der Mechanismus in eine Lage verfahren, in der die erste Feder auf
das zu stellende Organ wirkt und es in eine vorbestimmte Lage verfährt. Hierdurch
kann ein Notbetrieb aufrecht erhalten werden, ohne dass es zu Folgeschäden kommt.
Die erfindungsgemäße Fail-Safe-Vorrichtung funktioniert
auch und gerade bei Spannungsausfall zuverlässig.
-
Die
Unteransprüche
betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
-
Wenn
der Antriebsmotor zum Spannen der ersten Feder eingesetzt wird,
kann der Stellantrieb preiswert und kompakt hergestellt werden.
-
Die
Ausbildung der ersten Feder als Schraubenfeder mit radial abstehenden
Armen, die koaxial mit der Drehachse des zu stellenden Organs gelagert ist,
hat sich in der Praxis für
Fail-Safe-Vorrichtungen bewährt.
-
Die
Ausbildung des Mechanismus gemäß den Ansprüchen 4 bis
6 ist besonders einfach und betriebssicher, wobei sich die einzelnen
Teile funktional ergänzen.
-
Anhand
der beigefügten
schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung
nachfolgend näher
erläutert.
Dabei zeigen:
-
1 eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Stellantrieb im Normalbetrieb
und
-
2 den
Stellantrieb gemäß 1 in Fail-Safe-Position.
-
Wie
aus 1 ersichtlich umfasst ein Stellantrieb 1 einen
Antriebsmotor 2, an dessen Abtrieb 3 ein nicht
dargestelltes Getriebe angeordnet ist. Mittels des Getriebes ist eine
Welle 4 eines zu stellenden Organs antreibbar mit dem Antriebsmotor 2 verbunden.
Das Organ ist hierbei mit der Welle 4 um deren Längsachse
drehbar. An der Welle 4, vorzugsweise an einem Ende, ist
konzentrisch eine kreisförmige
Scheibe 5 drehfest befestigt. Die Scheibe 5 kann
als Zahnrad des Getriebes ausgebildet sein. Auf der Scheibe 5 ist
ein Mitnehmer 6 in Form eines senkrecht auf der Platte
stehenden Bolzens befestigt.
-
Eine
erste Feder 7 ist auf der Hauptfläche der Scheibe 5 angeordnet,
auf der der Mitnehmer 6 steht. Die erste Feder 7 ist
eine Schraubenfeder mit zwei tangential abstehenden, von ihren Enden
gebildeten Armen 7a, 7b. Sie ist (mit ihrem schraubenförmigen Teil)
konzentrisch zu der Welle 4 an einem entsprechenden zylinderförmigen Fortsatz 8 der
Scheibe 5 gelagert. Hierbei ist zwischen dem Fortsatz 8 und
dem Innendurchmesser der ersten Feder 7 ein geringes Spiel
gebildet. Die Länge
der Arme 7a, 7b ist so bemessen, dass diese in
etwa bis zum Umfang der Scheibe 5 reichen. Für einen
ersten der Arme 7a ist ein feststehendes Widerlager 9 gebildet,
z.B. an einem nicht dargestellten Gehäuse des Stellantriebs 1.
-
In
der Nähe
des Widerlagers 9 ist ein Mechanismus 10 zum Halten
und gezielten Lösen
der gespannten ersten Feder 7 angeordnet. Der Mechanismus
umfasst ein kreuzförmiges
Halteorgan 11, eine zweite Feder 12 und einen
Elektromagneten 13.
-
Das
Halteorgan 11 ist einstückig
aus ferritischem Material so gefertigt, dass ein langer und drei kurze,
plattenartige, rechtwinklig angeordnete Schenkel gebildet sind.
Die Hauptflächen
der Schenkel sind parallel zu der Welle 4. In einer zwischen zwei
benachbarten kurzen Schenkeln gebildeten Ecke ist eine kreisförmige Öse gebildet.
Das Halteorgan 11 ist mittels der Öse drehbar an einem Stift 14 gelagert,
der ortsfest z.B. an dem Gehäuse
parallel zu der Welle 4 befestigt ist. Die Drehachse des
Halteorgans 11 liegt dabei auf dem oder in der Nähe des Kreuzungspunktes
seiner Schenkel. Der Stift 14 liegt in etwa auf einem Radialstrahl
der Scheibe 5 durch den Mitnehmer 6, wenn sich
das Organ in einer ersten Endstellung befindet, bei der im Betrieb
der Mitnehmer 6 den geringsten Abstand zum Widerlager 9 einnimmt.
Hierbei ist die Position des Stifts 14 so gewählt, dass
ein entsprechender Flügel
des Halteorgans 11 den zweiten Arm 7b der ersten
Feder 7 festhalten kann und das Organ bei festgehaltener
erster Feder 7 zwischen den vorbestimmten Endstellungen ohne
Einwirkung der ersten Feder 7 verfahren werden kann.
-
Der
Elektromagnet 13 ist ortsfest in einer Verlängerung
von der Scheibe 5 über
den Stift 14 z.B. an dem Gehäuse befestigt. Hierbei liegt
eine vordere wirksame Fläche
des Elektromagneten 13 auf einer Tangente des Stifts 14.
Der Abstand des Elektromagneten 13 zu dem Stift 14 ist
so bemessen, dass der lange Schenkel des Halteorgans 11 im
Normalbetrieb flach an der wirksamen Fläche des Elektromagneten 13 anliegt
und so gehalten sein kann.
-
An
einem Ende des kurzen Schenkels des Halteorgans 11, der
im Normalbetrieb dem Elektromagneten 13 am nächsten ist,
ist ein Ende der zweiten Feder 12 befestigt; das andere
Ende ist ortsfest im hinteren Bereich einer der Scheibe zugewandten Seite
des Elektromagneten 13 befestigt. Die zweite Feder 12 ist
als schraubenförmige
Druckfeder ausgebildet.
-
Die
Federkennlinien der ersten Feder 7 und der zweiten Feder 12 sind
aufeinander abgestimmt. In der in 1 gezeigten
Halteposition ist die erste Feder 7 so stark vorgespannt,
dass bei unwirksamem Elektromagnet 13 einerseits die Haltekraft
der zweiten Feder 12 überwindbar
ist und andererseits das Organ durch die erste Feder 7 in
die Fail-Safe-Position verfahrbar ist.
-
Zu
Beginn des Betriebs – das
heißt
vor einem Starten eines dem Stellantrieb 1 übergeordneten
Aggregats, z.B. bei Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs vor
einem Motorstart – wird
der Elektromagnet 13 durch Aufschalten einer Spannung aktiviert
und der Antriebsmotor 2 so angesteuert, dass er das Organ
aus einer Fail-Safe-Position
gemäß 2 gegen
die Kraft der ersten Feder 7 – hier im Uhrzeigersinn – verstellt.
Hierbei wird die erste Feder 7 über den Mitnehmer 6 gespannt,
weil der zweite Arm 7b über
den kürzeren
Weg in Richtung des ersten Arms 7a verfahren wird. Das
Halteorgan 11 ist zunächst
in der Fail-Safe-Position, in der sein langer Schenkel rechtwinklig
zur wirksamen Fläche
des Elektromagneten 13 ausgerichtet ist. Sobald der zweite
Arm 7b zu dem Halteorgan 11 gelangt, drückt er gegen
den in etwa radial zu der Scheibe 5 gerichteten kurzen
Schenkel und bewegt diesen so, dass er das Halteorgan gegen den
Urzeigersinn und zunächst
gegen die Kraft der zweiten Feder 12 um den Stift 14 dreht.
Hierbei wird die zweite Feder 12 so lange weiter gespannt
und verlagert, bis sie umschnappt und wieder entspannt, wobei das
Halteorgan 11 weiter gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird.
Der lange Schenkel des Halteorgans 11 wird so durch die
zweite Feder 12 gegen die wirksame Fläche des Elektromagneten 13 gedrückt und
durch die Federkraft und – bei
anliegender elektrischer Spannung – den Magnetismus festgehalten.
Jetzt wird die Drehrichtung des Antriebsmotors 2 umgekehrt
und das Organ in eine vorbestimmte Position verfahren. Hierbei löst sich
der Mitnehmer 6 von dem zweiten Arm 7b, der jetzt
von dem entsprechenden kurzen Schenkel des Mitnehmers 11 festgehalten
ist. Diese Situation ist in der 1 dargestellt.
-
Der
Stellantrieb 1 ist jetzt betriebsbereit, und das Organ
wird entsprechend den Regelvorgaben über den Antriebsmotor 2 und
das Getriebe verfahren. Hierbei ist das Organ und somit auch der
Antriebsmotor 2 frei von der Kraft der ersten Feder 7.
-
Sobald
eine den Stellantrieb 1 betreffende Störung eintritt, wird der Elektromagnet 13 passiv durch
Spannungsabfall oder aktiv durch eine entsprechende Schaltung stromlos.
Hierdurch verliert der Elektromagnet 13 seine Wirkung.
Die erste Feder 7 überwindet
die Kraft der zweiten Feder 12 und dreht das Halteorgan 11 im
Uhrzeigersinn, so dass der zweite Arm 7b freigegeben wird
und die erste Feder 7 entspannt. Hierbei gelangt der zweite
Arm 7b gegen den Mitnehmer 6 und dreht so die
Scheibe 5 und damit das Organ in die vorbestimmte Fail-Safe-Position
gemäß 2.
Diese Position ist entweder durch einen entsprechenden Anschlag oder
durch die Lage der Arme 7a, 7b bei entspannter erster
Feder 7 festgelegt.
-
Gleichzeitig
bringt die zweite Feder 12 das Halteorgan 11 in
die in 2 gezeigte Stellung und hält es dort stabil.
-
- 1
- Stellantrieb
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Abtrieb
- 4
- Welle
- 5
- Scheibe
- 6
- Mitnehmer
- 7
- erste
Feder
- 8
- Fortsatz
- 9
- Widerlager
- 10
- Mechanismus
- 11
- Halteorgan
- 12
- zweite
Feder
- 13
- Elektromagnet
- 14
- Stift