DE102009000993A1

DE102009000993A1 - Steuereinrichtung und Bootsantrieb mit Steuereinrichtung

Info

Publication number: DE102009000993A1
Application number: DE102009000993A
Authority: DE
Inventors: Fernando Gallato; Adone Bertolo; Daniele Sacci
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-08-19
Also published as: EP2398698A1; EP2398698B1; AU2010215633A1; CN102325694B; US8506337B2; JP5723296B2; US20110294377A1; WO2010094612A1; JP2012517937A; AU2010215633B2; CN102325694A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung, insbesondere für einen Bootsantrieb, umfassend einen Stellantrieb, ein Untersetzungsgetriebe (8, 11, 15/17) und ein um einen Steuerwinkel verstellbares Stellglied (2).
Es wird vorgeschlagen, dass das Untersetzungsgetriebe ein mehrstufiges Zahnradgetriebe (8, 11, 15/17) mit einem antriebsseitigen Zahnrad (10) umfasst und dass der Stellantrieb zwei das Zahnrad (10) gleichzeitig, jedoch leicht gegensinnig antreibende Stellmotoren (6) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Bootsantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.
Bekannte Steuereinrichtungen, welche einen Servo- oder Elektromotor und ein nachgeschaltetes Zahnrad untersetzungsgetriebe zur Verstellung eines Stellgliedes umfassen, haben vielfach das Problem, dass bei der Übertragung der Stellbewegung Spiel auftritt, insbesondere ein Flankenspiel zwischen den miteinander in Eingriff stehenden Zahnrädern. Dies führt dazu, dass das Stellglied in seiner eingestellten Position, d. h. bei festgestelltem Stellmotor nicht stabil ist. Derartige Steuereinrichtungen werden auch bei Bootsantrieben verwendet, welche eine um eine senkrechte Achse schwenkbare Vortriebs- und Steuereinheit, insbesondere als Innenbordantrieb aufweisen. Die Steuerung mit einer derartigen Steuereinrichtung hat insbesondere den Nachteil, dass die jeweilige Ruder- oder Steuerlage – infolge des Spiels – instabil ist und dass der Steuermann am Steuerrad das Gefühl einer indifferenten und indirekten Steuerung hat.
Durch die WO 2005/005249 wurde ein Innenbord-Propellerantrieb für ein Boot bekannt, wobei eine Vortriebseinheit, umfassend eine Propellerwelle mit zwei gegenläufigen Zugpropellern und ein Unterwassergehäuse, um eine Hochachse schwenkbar im Bootsrumpf angeordnet ist. Die Steuerwirkung des Bootes wird somit nicht – wie herkömmlich – durch ein Ruder, sondern durch Verschwenkung des Vortriebsvektors, resultierend aus dem Propellerschub, bewirkt. Bei dem bekannten Propellerantrieb wird das Unterwassergehäuse mit der Propellerwelle mittels eines Servomotors über ein Zahnradgetriebe verstellt. Auch bei dieser bekannten Steuereinrichtung ist von einem Spiel bei der Übertragung der Stellbewegung auszugehen, d. h. der Rudergänger hat die Wahrnehmung, dass die Ruder- bzw. Steueranlage ungenau und nicht direkt arbeitet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass beim Betrieb der Steuerein richtung möglichst kein Spiel auftritt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, bei einem Bootsantrieb der eingangs genannten Art eine spielfrei arbeitende Steuereinrichtung zu schaffen, wobei auch der Steuermann am Steuerrad das Gefühl einer direkten, stabilen Steuerung hat.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der beiden unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist bei einer Steuereinrichtung mit einem mehrstufigen Untersetzungsgetriebe vorgesehen, dass das antriebsseitige Zahnrad gleichzeitig von zwei Stellmotoren angetrieben wird, welche leicht gegeneinander arbeiten. Damit wird der Vorteil erreicht, dass das Spiel im Getriebe, insbesondere das Flankenspiel eliminiert wird. Die zwei gegeneinander arbeitenden Stellmotoren lassen bei dem gemeinsam angetriebenen Zahnrad kein Flankenspiel zu und spannen es quasi zwischen sich ein.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch bei einem Bootsantrieb mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung mit zwei gemeinsam antreibenden, leicht gegeneinander wirkenden Stellmotoren gelöst. Der Vorteil dieser spielfreien Steuerung für einen Bootsantrieb besteht darin, dass sich eine stabile „Ruderlage”, d. h. eine stabile Lage des Propellerschubvektors einstellt. Das Boot läuft somit genau auf Kurs, und der Steuermann hat das Gefühl am Steuerrad, dass die Bewegungen des Steuerrades direkt in eine Steuerbewegung des Bootes umgesetzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Stellmotoren jeweils als Elektromotoren ausgebildet, d. h. sie beziehen ihre Energie aus dem Bordnetz, sind gut regelbar und elektronisch ansteuerbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Drehzahl der beiden Stellmotoren bzw. Elektromotoren jeweils durch ein erstes Planetengetriebe in einer ersten Stufe untersetzt, wobei der Abtrieb der beiden ersten Planetengetriebe jeweils über ein Antriebsritzel erfolgt. Damit wird auf relativ engem Bauraum eine erste Drehzahluntersetzung ermöglicht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweites Planetengetriebe, koaxial zur Schwenkachse der Vortriebseinheit, vorgesehen. Das zweite Planetengetriebe fungiert als zweite Untersetzungsstufe und wird über seinen Planetenträger von den beiden Antriebsritzeln der beiden ersten Planetengetriebe angetrieben.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine dritte Zahnraduntersetzungsstufe vorgesehen, bei welcher das abtriebsseitige Sonnenrad des zweiten Planetengetriebes in eine Außenverzahnung der Steuerhülse eingreift, die ihrerseits mit dem Unterwassergehäuse verbunden ist. Insgesamt wird durch die drei kompakten Untersetzungsstufen eine hohe Untersetzung erreicht, sodass bei einem relativ geringen Drehmoment der Elektromotoren ein sehr großes Steuermoment zur Verschwenkung des Vortriebsvektors aus dem Propellerschub zur Verfügung steht. Darüber hinaus können – mittels elektronischer Steuerung – auch eine von der Bootsgeschwindigkeit abhängige Steuergeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) sowie ein von der Bootsgeschwindigkeit abhängiger Steuerwinkel erreicht werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vortriebs- und Steuereinheit mit der Steuereinrichtung flexibel durch ein Rumpfzwischenstück hindurchgeführt, welches fest mit dem Bootsrumpf verbunden ist. Damit kann die Vortriebs- und Steuereinheit vertikale Schwingungsbewegungen, bedingt durch eine elastische Lagerung im Rumpf, ausführen. Bevorzugt ist das Rumpfzwischenstück als Crashteil in Sandwichbauweise ausgebildet. Dieses kann im Kollisionsfalle Verformungsenergie aufnehmen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können.
Es zeigen:
1 einen teilweise dargestellten Bootsantrieb mit Steuereinrichtung und
2 einen Planetenträger der Steuereinrichtung, angetrieben von zwei Antriebsritzeln.
1 zeigt einen teilweise dargestellten Bootsantrieb 1 mit einer um eine senkrechte Achse z (Hochachse) schwenkbaren Vortriebs- und Steuereinheit, hier teilweise durch ein Unterwassergehäuse 2 dargestellt. Das strömungsgünstig ausgebildete Unterwassergehäuse 2 trägt einen oder zwei gegenläufige nicht dargestellte Propeller (auch Schrauben genannt), welche durch eine Antriebswelle 3 von einer nicht dargestellten, im Bootsrumpf angeordneten Brennkraftmaschine angetrieben werden. Die Antriebswelle 3 wird motorseitig über ein Kegelrad 4 (Teil einer Kegelradstufe) angetrieben und treibt ihrerseits über einen nicht dargestellten Kegeltrieb die nicht dargestellte Propellerwelle oder die Propellerwellen an. Die Propellerwelle kann über das schwenkbar angeordnete Unterwassergehäuse 2 verschwenkt werden, sodass der aus dem Propellerschub resultierende Vortriebsvektor einen Winkel zur Mitschiffsachse bildet und damit eine Steuerwirkung hervorruft. Somit ist für diesen Bootstyp ein herkömmliches Ruder nicht erforderlich. Die Verschwenkung des Unterwassergehäuses 2 erfolgt durch eine Steuereinrichtung 5, welche zwei als Elektromotoren ausgebildete Stellmotoren aufweist, von denen in der Zeichnung lediglich ein Elektromotor 6 mit einer elektrischen Bremse 7 dargestellt ist. Der Elektromotor 6 weist eine Antriebswelle 6a auf, welche ein koaxial angeordnetes, als erstes Planetengetriebe 8 ausgebildetes Untersetzungsgetriebe antreibt. Auf der Abtriebsseite weist das erste Planetengetriebe 8 ein Antriebsritzel 9 auf, welches einen Planetenträger 10 eines zweiten Planetengetriebes 11 antreibt, d. h. mit diesem in Zahneingriff steht. Der angetriebene Planetenträger 10 weist auf Planetenbolzen 12 gelagerte Planetenräder 13 auf, welche geteilt sind und jeweils mit einem feststehenden Sonnenrad 14 und einem abtreibenden Sonnenrad 15 in Zahneingriff stehen. Das feststehende Sonnenrad 14 steht in Zahneingriff mit einem Gehäuseteil 16, das abtreibende Sonnenrad 15 greift in eine Außenverzahnung einer Steuerhülse 17 ein, welche gegenüber einem Getriebegehäuse 18 schwenkbar gelagert und in axialer Richtung fixiert ist. Die Steuerhülse 17 ist drehfest mit dem Unterwassergehäuse 2 verbunden. Die Zahnradstufe zwischen Sonnenrad 15 und Getriebehülse 17 ist eine dritte Untersetzungsstufe. Insgesamt beträgt die Untersetzung von der Motorantriebswelle 6a über drei Untersetzungsstufen insgesamt ca. 1:1000.
Der Bootsantrieb 1, insbesondere das Getriebegehäuse 18 durchsetzt eine Öffnung eines Rumpfzwischenstücks 19 und bildet mit diesem einen Ringspalt 20, welcher durch flexible Dichtelemente 21 überbrückt wird und damit abgedichtet ist. Das Rumpfzwischenstück 19 ist in Sandwichbauweise hergestellt und als Crashteil ausgebildet, welches fest mit dem nicht dargestellten Bootsrumpf verbunden ist.
2 zeigt eine Ansicht in axialer Richtung auf den Planetenträger 10 aus 1, welcher mit zwei Antriebsritzeln, dem ersten Antriebsritzel 9 (vgl. 1) und einem zweiten Antriebsritzel 22 in Zahneingriff steht. Das zweite Antriebsritzel 22 wird wie das erste Antriebsritzel 9 angetrieben, d. h. von einem zweiten Elektromotor 6 mit Elektrobremse 7 sowie Antriebswelle 6a und einem zweiten Untersetzungsgetriebe 8. Somit wird der Planetenträger 10 gemeinsam von den beiden Antriebsritzeln 9, 22 angetrieben, wobei jedoch beide Antriebsritzel 9, 22 leicht gegeneinander arbeiten, sodass ein Zahnflankenspiel mit der Außenverzahnung des Planetenträgers 10 eliminiert wird. Der Planetenträger 10 (auch Planetenradträger) ist somit spielfrei zwischen den beiden Antriebsritzeln 9, 22 „eingespannt”. Damit ist auch ein Umfangsspiel bei der Verschwenkung des Unterwassergehäuses 2, d. h. des Schubvektors praktisch eliminiert. Die Steuereinrichtung 5 arbeitet somit spielfrei, d. h. es ergibt sich eine stabile „Ruderlage” bei einem bestimmten Steuerwinkel. Gleichzeitig empfindet der Steuermann am Steuerrad eine direkte Steuerwirkung auf das Boot, sobald er das Steuerrad bewegt. Somit ist auch das Spiel am Steuerrad eliminiert, d. h. der Steuermann spürt eine direkte Reaktion auf seine Steuereinschläge (Winkelbewegungen am Steuerrad).

1: Bootsantrieb
2: Unterwassergehäuse (Stellglied)
3: Antriebswelle
4: Kegelrad
5: Steuereinrichtung
6: Elektromotor (Stellantrieb)
6a: Antriebswelle
7: Elektrobremse
8: erstes Planetengetriebe (1. Stufe)
9: erstes Antriebsritzel
10: Planetenträger
11: zweites Planetengetriebe (2. Stufe)
12: Planetenbolzen
13: Planetenrad
14: Sonnenrad, fest
15: Sonnenrad, abtreibend
16: Gehäuseteil
17: Steuerhülse
18: Getriebegehäuse
19: Rumpfzwischenstück
20: Ringspalt
21: Dichtelement
22: zweites Antriebsritzel
z: Hochachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/005249 [0003]

Claims

Steuereinrichtung, insbesondere für einen Bootsantrieb, umfassend einen Stellantrieb, ein Untersetzungsgetriebe (8, 11, 15/17) und ein um einen Steuerwinkel verstellbares Stellglied (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsgetriebe ein mehrstufiges Zahnradgetriebe (8, 11, 15/17) mit einem antriebsseitigen Zahnrad (10) und der Stellantrieb zwei das Zahnrad (10) gleichzeitig, jedoch leicht gegensinnig antreibende Stellmotoren (6) umfassen.
Bootsantrieb mit einer Vortriebs- und Steuereinheit (2), welche im Bootsrumpf um eine senkrechte Achse (z) schwenkbar angeordnet und von einer Steuereinrichtung (5) zur Erzielung einer Steuerwirkung für das Boot um einen Steuerwinkel verstellbar ist, gekennzeichnet, durch eine Steuereinrichtung (5) nach dem Anspruch 1.
Bootsantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stellmotoren jeweils als Elektromotoren (6), vorzugsweise mit einer Elektrobremse (7) ausgebildet sind.
Bootsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Elektromotoren (5) jeweils erste Untersetzungsstufen nachgeschaltet sind, welche als erste Planetengetriebe (8) mit einem ersten und einem zweiten Antriebsritzel (9, 22) ausgebildet sind.
Bootsantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass den ersten Planetengetrieben (8) ein zweites Planetengetriebe (11) als zweite Untersetzungsstufe nachgeschaltet ist.
Bootsantrieb nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das antriebsseitige Zahnrad als Planetenträger (10) des zweiten Planetengetriebes (11) ausgebildet ist und mit den beiden Antriebsritzeln (9, 22) gleichzeitig in Eingriff steht.
Bootsantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Planetengetriebe (11) neben dem angetriebenem Planetenträger (10) Planetenräder (13) umfasst, welche einerseits mit einem festgehaltenen Sonnenrad (14) und andererseits mit einem abtreibenden Sonnenrad (15) in Eingriff stehen.
Bootsantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das abtreibende Sonnenrad (15) mit einer antriebsseitigen Außenverzahnung einer Steuerhülse (17) in Eingriff steht, wodurch eine dritte Untersetzungsstufe gebildet wird.
Bootsantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (17) mit einem schwenkbaren Unterwassergehäuse (2) verbunden ist, welches mindestens einen Propeller und dessen Antriebswelle umfasst.
Bootsantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vortriebs- und Steuereinheit mit der Steuereinrichtung (5) flexibel in ein Rumpfzwischenstück (19) eingesetzt ist, welches fest mit dem Bootsrumpf verbunden ist.
Bootsantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rumpfzwischenstück (19) als Crashteil, insbesondere in Sandwichbauweise ausgebildet ist.