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Die
Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung, insbesondere für
eine Stellklappe einer Heiz-, Belüftungs- und/oder Klimaanlage
eines Kraftfahrzeuges mit einem Antriebsmotor und einem mehrstufigen Untersetzungsgetriebe
zur Übertragung der Motordrehung auf die Stellklappe.
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Aus
der
EP 0 812 713 B1 ist
ein manuell betätigter Steuerantrieb für eine
Lüftungsklappe bekannt, bei dem die Drehbewegung eines
Einstellknopfes über ein Zugkabel auf einen nicht-linearen Zahnradmechanismus übertragen
wird, um ein nicht-lineares Verhältnis zwischen der Drehbewegung
des Einstellknopfes und der Drehbewegung der Antriebswelle der Klappe
zu erzeugen.
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Die
DE 100 37 733 A1 beschreibt
die manuelle Verstellung einer Luftklappe in einer Klimaanlage eines
Kraftfahrzeuges, wobei die Bewegung eines Drehknopfes oder Schiebereglers über
eine Kugelkette auf die Luftklappe übertragen wird, so
dass sich die eingestellte Position der Luftklappe nicht verstellen
kann.
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Die
DE 101 02 516 A1 und
DE 199 06 639 C1 beschreiben
elektrische Stellantriebe für Heizungs-, Lüftungs-
oder Klimaklappen in einem Kraftfahrzeug mit einem Antriebsmotor
zur Ansteuerung der Klimaklappen. Die im Stand der Technik verwendeten
Motoren sind in der Regel Schrittmotoren, die mit einem Schneckengetriebe
und einem nachgeschalteten mehrstufigen Stirnradgetriebe gekoppelt
sind, um die Bewegung des Schrittmotors auf die Klimaklappe zu übertragen.
Das Schneckengetriebe dient als ein selbsthemmendes Element in der
Stelleinrichtung, um sicherzustellen, dass die Klimaklappe ihre
einmal eingestellte Position beibehält.
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Diese
Klimaklappensteller sind häufig in mehrfacher Ausführung
im Kraftfahrzeug hinter dem Amaturenbrett angeordnet. Die durch
die Schrittmotoren erzeugten Geräusche können
von den Fahrzeuginsassen direkt wahrgenommen werden. Durch die relativ
starre Ankopplung des Getriebes an den Schrittmotor werden Motorschwingungen
auf das Getriebe übertragen; deren Elemente können
in Resonanz versetzt werden und somit unangenehme und störende
Geräusche erzeugen. Durch elektromagnetische Interferenz
(EMI) können benachbarte Geräte, beispielsweise
digitale Fernsehempfänger, gestört werden. Aber
auch die Luftströmung kann eine dynamische Kraft auf die
Stellklappe ausüben, wodurch diese eine Schwingung auf
das Getriebe überträgt, welche ebenso zu einer
unangenehmen Geräuschentwicklung führt.
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Aus
dem
DE 200 17 319
U1 ist ein Lüftungsgerät für
Fahrzeug- oder Maschinenkabinen bekannt, wobei ein Gebläse
mit Hilfe eines Antriebs verschwenkbar ist, um es in Richtung einer
oberen Gehäuseöffnung oder einer unteren Gehäuseöffnung auszurichten.
Zwischen dem Schwenkantrieb und dem Gebläse ist eine nachgiebige,
stoßentkoppelnde Verbindung, beispielsweise in Form eines
elastischen Riemens, vorgesehen ist, um sicherzustellen, dass der
Antrieb durch Schwingungen des schwenkbaren Gebläses keinen
zusätzlichen Erschütterungen ausgesetzt wird.
Bei dem Antrieb handelt es sich nicht um einen Antrieb für
eine Stellklappe.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Stelleinrichtung für
eine Stellklappe einer Heiz-, Belüftungs- und/oder Klimaanlage
eines Kraftfahrzeuges anzugeben, die im Hinblick auf eine geringe
Geräuscherzeugung und elektromagnetische Interferenz optimiert
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Stelleinrichtung umfasst einen
Antriebsmotor und ein mehrstufiges Untersetzungsgetriebe, das mit
der Stellklappe gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist
der Antriebsmotor ein bürstenloser Gleichstrommotor, und
das Untersetzungsgetriebe umfasst eine Zahnriemen-Getriebeeinheit
und eine weitere Getriebeeinheit. Durch die Verwendung des bürstenlosen
Gleichstrommotors werden schon durch den Motorbetrieb an sich weniger
Geräusche erzeugt als bei einem Schrittmotor. Durch die
Verwendung des bürstenlosen Gleichstrommotors ergibt sich
ferner der vorteilhafte Nebeneffekt, dass solche Motoren einen deutlich
höheren Wirkungsgrad, in der Größenordnung
von 40% und eine geringere elektromagnetische Emission haben als
die im Stand der Technik üblicherweise verwendeten Schrittmotoren,
nur einen Wirkungsgrad von etwa 13% haben. Ins Besondere können
durch die Verwendung eines hochpoligen bürstenlosen Gleichstrommotors,
mit zum Beispiel 12 Statorpolen und 8 Rotormagnetpolen die Umschaltströme
reduziert und damit die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)
verbessert werden. Das Zahnriemengetriebe kann Motorschwingungen
von einem nachfolgenden Getriebe und der Stellklappe bzw. Vibration der
Stellklappe von einem vorgeschalteten Getriebe und dem Motor entkoppeln
und dadurch auch die Erzeugung von Getriebegeräuschen reduzieren.
Die Erfindung erlaubt die Verwendung sehr kleiner bürstenloser
Gleichstrommotoren, beispielsweise mit einem Durchmesser von 20
mm und einer Höhe von 5 mm, die eine sehr geringe Stromaufnahme,
im Bereich von etwa 100 mA und eine geringe elektromagnetische Emission
haben. Solche Motoren können Drehmomente im Bereich von
1 Nmm bei Drehzahlen von 3000 bis 5000 U/min erzeugen.
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Der
bürstenlose Gleichstrommotor kann mit oder ohne Sensor
ausgeführt sein. In der bevorzugten Ausführung
ist eine Anschlagerkennung (stall detection) vorgesehen, die über
eine Postionsermittlung mittels Sensor, oder sensorlos z. B. über
die Messung der induzierten Spannung in den nicht bestromten Phasen
(Back-EMF) realisiert sein kann.
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In
einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung verwendet
die Zahnriemen-Getriebeeinheit einen oder zwei elastische Zahnriemen
mit einer Zahnteilung von weniger als 2 mm, insbesondere von ungefähr
1 mm. Besonders vorteilhaft ist die Zahnriemen-Getriebeeinheit zweistufig
mit einem ersten und einem zweiten Zahnriemen ausgebildet, die einen Untersetzungsgetriebezug
bilden. Die weitere Getriebeeinheit ist selbsthemmend und kann beispielsweise
ein Schneckengetriebe, ein Zykloidgetriebe, ein Harmonic-Drive-Getriebe
oder ein Taumelgetriebe umfassen.
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In
der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die weitere
Getriebeeinheit der Zahnriemengetriebeeinheit nachgeschaltet. Dadurch
können Motorschwingungen von der nachgeschalteten weiteren Getriebeeinheit
und der Stellklappe entkoppelt und die Geräuschentwicklung
deutlich reduziert werden. Auch die mechanische Belastung der nachgeschalteten
weiteren Getriebeeinheit(en) wird reduziert. Es ist jedoch auch
möglich, die weitere Getriebeeinheit dem Zahnriemengetriebe
vorzuschalten und insbesondere direkt mit dem Antriebsmotor zu koppeln. Dadurch
kann erreicht werden, dass Schwingungen der Stellklappe nicht auf
die weitere Getriebeeinheit übertragen werden.
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Die
Anordnung der weiteren Getriebeeinheit am Abtrieb der Stelleinrichtung
hat jedoch noch einen weiteren Vorteil. Bei vielen Anwendungen der
erfindungsgemäßen Stelleinrichtung ist das erforderliche Drehmoment
im Stillstand, d. h. das Haltemoment, höher als während
des Betriebs. Hieraus folgt, dass die Getriebe so ausgelegt werden
müssen, dass sie auch den im Stillstand aufgebrachten Drehmomenten
standhalten. Darüber hinaus werden bürstenlose Gleichstrommotoren
in der Regel in einem höheren Drehzahlbereich betrieben
als Schrittmotoren, weil sie dann einen besseren Wirkungsgrad erreichen. Bei
gleicher Abtriebsdrehzahl ist somit eine höhere Untersetzung
der Getriebestufen notwendig. Verwendet man am Abtrieb der Stelleinrichtung
ein selbsthemmendes Getriebe, beispielsweise ein selbsthemmendes
Taumelgetriebe, so müssen die Getriebestufen zwischen diesem
selbsthemmenden Getriebe und dem Antriebsmotor nur für
die Belastung während des Antriebs ausgelegt sein, nicht
aber für den Fall des Stillstandes.
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Die
Zahnriemengetriebeeinheit gemäß der Erfindung
hat vorzugsweise eine Untersetzung im Bereich von 4:1 bis 100:1,
insbesondere von ungefähr 10:1 bis 50:1. Beispielsweise
können zwei Zahnriemengetriebestufen mit einer Untersetzung
von 5:1 in Reihe geschaltet werden.
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Die
weitere Getriebeeinheit hat eine höhere Untersetzung, beispielsweise
im Bereich von 10:1 bis 500:1 und vorzugsweise im Bereich von 40:1
bis 100:1, noch spezieller, im Bereich von 40:1 bis 70:1. Die genaue
Dimensionierung des Untersetzungsgetriebes hängt ab von
dem gewählten Motor sowie von der konkreten Anwendung der
erfindungsgemäßen Stelleinrichtung. Auch die Auswahl
der weiteren Getriebeeinheit ist hiervon abhängig.
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Ein
bürstenloser Gleichstrommotor ist ein vergleichsweise schnell
laufender Antrieb, der mehr als 1000 Umdrehungen/Minute, beispielsweise
eine Drehzahl in der Größenordnung von 2000 bis
10000 U/min erzeugt. Er wird vorzugsweise mit einem mehrstufigen
Getriebe mit relativ hoher Untersetzung, d. h. mit einer Untersetzung
größer als 500:1, vorzugsweise größer
als 1000:1 eingesetzt.
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Die
weitere Getriebeeinheit ist, wie erläutert, vorzugsweise
selbsthemmend, um sicherzustellen, dass die Stellklappe ihre einmal
gewählte Position beibehält. Dieses Getriebe wird
dem Zahnriemengetriebe vorzugsweise nachgeschaltet, um den oder
die Zahnriemen möglichst wenig zu belasten. Vorzugsweise
wird ein Taumelgetriebe eingesetzt.
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Die
dem selbsthemmenden Getriebe vorgelagerten Getriebestufen können
relativ klein ausgelegt werden, weil diese nicht mit den Selbsthemmungskräften
beaufschlagt werden. Der Abtrieb der Stelleinrichtung ist in die
letzte Getriebestufe integriert.
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Neben
der Entkopplung des Getriebes von Motorschwingungen und der Reduzierung
von Geräuschen hat die erfindungsgemäße
Stelleinrichtung den weiteren Vorteil, dass durch die Verwendung
des Zahnriemen-Getriebes Probleme mit Rundlauffehlern des Antriebs
kompensiert werden und keine Geräusche erzeugen. Dadurch
können einzelne Getriebekomponenten mit größerer
Toleranz gefertigt werden, was wiederum die Produktionskosten reduziert.
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Im
Kontext dieser Erfindung wird mit „Zahnriemen” jedes
riemenartige Übertragungselement bezeichnet, das wie ein
Zahnriemen wirkt und eine schlupffreie Kraftübertragung
erzielt, auch wenn die Übertragung der Kräfte
nicht notwendig über „Zähne” erfolgt.
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Die
Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung
mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf die Stelleinrichtung gemäß der
Erfindung;
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2 eine
isometrische Darstellung der Stelleinrichtung gemäß der
Erfindung;
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3 eine
Schnittdarstellung durch die Stelleinrichtung gemäß der
Erfindung;
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4 eine
vergrößerte Schnittdarstellung durch ein selbsthemmendes
Taumelgetriebe, das in der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung
eingesetzt werden kann; und
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5 eine
Explosionsdarstellung des Taumelgetriebes der 4.
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In
den 1 und 2 ist die erfindungsgemäße
Stelleinrichtung schematisch mit einem Antriebsmotor 10,
einer ersten Getriebestufe 12, einer zweiten Getriebestufe 14 und
einer dritten Getriebestufe 16 dargestellt, die auf einer
Grundplatte 18 montiert und relativ zueinander positioniert
sind.
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Der
Antriebsmotor 10 ist als ein bürstenloser Gleichstrommotor
realisiert, der sehr kleinbauend sein kann, beispielsweise mit einem
Durchmesser in der Größenordnung von 20 mm und
eine Höhe in der Größenordnung von 5
mm. Solche Motoren können sehr große Drehzahlen
erzeugen, die deutlich oberhalb von 1000 U/min liegen, beispielsweise
in der Größenordnung von 2000 bis 10000 U/min.
Die Welle 20 des Motors ist auf einem ersten Zahnriemen 22 geführt,
der in den Figuren nur schematisch dargestellt ist. Der erste Zahnriemen 22 koppelt
die Welle 20 mit einem ersten Getrieberad 24,
das ein mit dem Zahnriemen 22 kämmendes Zahnrad
ist (in den Figuren nur schematisch dargestellt). Das erste Getrieberad 24 ist über
einen Schaft (nicht gezeigt) an der Grundplatte 18 drehbar
gelagert, und an dem Fuß des Schaftes ist drehfest an dem
ersten Getrieberad 24 ein zweites kleineres Getrieberad 26 angeordnet, dass
die Drehung des ersten Getrieberades 24 über einen
zweiten Zahnriemen 28 auf ein drittes Getrieberad 30 überträgt,
das ebenfalls als Zahnrad realisiert ist (in den Figuren nicht gezeigt).
Das dritte Getrieberad 30 ist mit der dritten Getriebestufe 16 gekoppelt,
die vorzugsweise ein selbsthemmendes Getriebe umfasst und als ein
Schneckengetriebe, Zykloidgetriebe, Harmonic-Drive-Getriebe oder
Taumelgetriebe ausgebildet sein kann. Eine Abtriebswelle 32 ist
mit der dritten Getriebestufe 16 direkt gekoppelt. Die
Abtriebswelle 32 kann auf bekannte Weise mit einer Stellklappe
oder dergleichen verbunden werden. Der erste Zahnriemen 22 bildet
zusammen mit der Motorwelle 20 und dem ersten Getrieberad 24 eine erste
Getriebestufe, und der zweite Zahnriemen 28 bildet zusammen
mit dem auf dem Schaft (nicht gezeigt) ausgebildeten zweiten Getrieberad 26 und dem
dritten Getrieberad 30 eine zweite Getriebestufe. Die erste
und die zweite Getriebestufe bilden die Zahnriemen-Getriebeeinheit,
der die dritte Getriebestufe 16 nachgeschaltet ist.
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Die
Zahnriemen 22, 28 sind vorzugsweise aus einem
elastischen Material, beispielsweise aus einem gewebeverstärkten
Gummi oder Polymer, aus Polyurethan (PUR), Chloropren-Kautschuk
(CR), besser bekannt als Neopren®,
oder dergleichen hergestellt und haben eine Zahnteilung < 2 mm und vorzugsweise
im Bereich von ungefähr 1 mm. Anstelle von Zahnriemen können
auch andere Arten von Riemen verwendet werden, die eine schlupffreie
Bewegungsübertragung zwischen der Welle 20 und
dem Getrieberad 24 und zwischen dem Getrieberad 26 und
dem Getrieberad 30 erlauben.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße
Stelleinrichtung mit weiteren Einzelheiten. Korrespondierende Teile
sind mit denselben Bezugszeichen wie in den vorangehenden Figuren
bezeichnet. In der Darstellung der 3 ist der Antriebsmotor 10 ein
bürstenloser Gleichstrommotor mit einem Stator 34 und
einem Rotor 36, der über eine Nabe 38 mit
der Welle 20 gekoppelt ist. Die Welle 20 ist in
einer Lagerhülse 40 aufgenommen und über
ein Gleitlager, beispielsweise ein fluiddynamisches Lager, drehbar
gelagert. An dem Abtriebsende der Welle 20 ist ein Zahnrad 42 ausgebildet,
das mit dem ersten Zahnriemen 22 kämmt. Der erste
Zahnriemen 22 überträgt die Drehbewegung
der Welle 20 auf das erste Getrieberad 24, an
dessen Außenumfang ebenfalls eine Zahnung ausgebildet ist.
Drehfest mit dem ersten Getrieberad 24 ist das zweite Getrieberad 26 an
der Grundplatte 18 gelagert, die auch die Lagerhülse 40 und
die dritte Getriebestufe 16 trägt. Die Drehung
des zweiten Getrieberades 26 wird über einen zweiten
Zahnriemen 28 auf die dritte Getriebestufe 16 übertragen,
die das dritte Getrieberad 30 aufweist. Auch das dritte
Getrieberad 30 ist als Zahnrad ausgebildet.
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Die
dritte Getriebestufe 16 ist in der dargestellten bevorzugten
Ausführung als ein selbsthemmendes Taumelgetriebe ausgebildet.
Sie ist mit weiteren Einzelheiten mit Bezug auf die 3 bis 5 beschrieben.
Das dritte Getrieberad 30 bildet das Antriebsrad des Taumelgetriebes und
ist an einer Welle 44 des Taumelgetriebes drehbar gelagert.
Die Drehung des dritten Getrieberades 30 wird über
ein Kugellager 46 auf eine erste Taumelscheibe 48 übertragen.
Die erste Taumelscheiben 48 ist mit einer zweiten Taumelscheibe 50 über
Zähne 52, 54 gekoppelt, so dass die Drehbewegung
der ersten Taumelscheibe 48 auf die zweite Taumelscheibe 50 übertragen wird.
Die zweite Taumelscheibe 50 ist mit der Welle 44 drehfest
verbunden und über die Welle 44 gegenüber
dem dritten Getrieberad 30 und der Grundplatte 18 drehbar
gelagert. Eine Führungsstange 56 fixiert die erste
Taumelscheibe 48 und stellt sicher, dass die Drehbewegung
des dritten Getrieberades 30 in eine kontrollierte Taumelbewegung übersetzt
wird. In axialer Richtung ist die Welle 44 an dem dritten
Getrieberad 30 über eine Abstandsscheibe 58 und
ein Sprengring 60 fixiert.
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In
der dargestellten Ausführung der Erfindung bildet die Welle 44 mit
der Grundplatte 18 und ein Absatz der zweiten Taumelscheibe 50 mit
dem Gehäuse 64 jeweils Gleitlager aus. In einer
Weiterführung der Erfindung könnten die entsprechenden Gleitlagerflächen
aus Materialien geringer Reibung hergestellt werden. Es ist auch
denkbar die Flächen zu fetten oder mit einer Gummilippe
an der Außenseite des Gehäuses gegen eindringende
Partikel zu schützen. Grundsätzlich wäre
an dieser Stelle auch der Einsatz von Kugellagern denkbar.
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Das
Taumelgetriebe 16 weist auf der Abtriebsseite der Welle 44 die
Abtriebswelle 32 der Stelleinrichtung auf. In der Abtriebswelle
ist eine Kupplung 62 für die Verbindung der Stelleinrichtung
mit einer Stellklappe (nicht gezeigt) ausgebildet.
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Das
in den 3 bis 5 dargestellte Taumelgetriebe
ist selbsthemmend und wird vorzugsweise auf der Abtriebsseite der
Stelleinrichtung angeordnet. Die Getriebestufen zwischen diesem
Taumelgetriebe und dem Antriebsmotor 10 müssen
dadurch nicht für die im Stillstand der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung
geforderten relativ hohen Drehmomente ausgelegt sein und können
entsprechend kleiner gebaut werden. Das Taumelgetriebe hat vorzugsweise
eine Untersetzung im Bereich von 40:1 bis 70:1.
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Die
Stelleinrichtung mit dem Antriebsmotor 10 und den Getriebestufen 12, 14, 16 ist
in einem Gehäuse 64 aufgenommen, das zusammen
mit der Grundplatte 18 die Stelleinrichtung umschließt.
Vorzugsweise weist die Stelleinrichtung eine Anschlagerkennung (stall
detection) auf, um das Erreichen einer Endstellung der Stellklappe
zu erfassen und sicherzustellen, dass der Antriebsmotor 10 dann
abschaltet. Die Anschlagerkennung kann durch einen in den Antriebsmotor 10 integrierten
Sensor (nicht gezeigt) oder sensorlos z. B. über die Messung
der induzierten Spannung in den nicht bestromten Phasen des Antriebsmotors 10 realisiert
sein. Die Anschlagerkennung kann so ausgelegt sein, dass sie bei
Erreichen der Endposition der Stelleinrichtung oder bei Annäherung
an diese Endposition auslöst.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Antriebsmotor
- 12
- erste
Getriebestufe
- 14
- zweite
Getriebestufe
- 16
- dritte
Getriebestufe
- 18
- Grundplatte
- 20
- Welle
- 22
- erstes
Zahnriemen
- 24
- erstes
Getrieberad
- 26
- zweites
Getrieberad
- 28
- zweites
Zahnriemen
- 30
- drittes
Getrieberad
- 32
- Abtriebswelle
- 34
- Stator
- 36
- Rotor
- 38
- Nabe
- 40
- Lagerhülse
- 42
- Zahnrad
- 44
- Welle
- 46
- Kugellager
- 48
- erste
Taumelscheibe
- 50
- zweite
Taumelscheibe
- 52,
54
- Zähne
- 56
- Führungsstange
- 58
- Abstandsscheibe
- 60
- Sprengring
- 62
- Kupplung
- 64
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0812713
B1 [0002]
- - DE 10037733 A1 [0003]
- - DE 10102516 A1 [0004]
- - DE 19906639 C1 [0004]
- - DE 20017319 U1 [0006]