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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Stelleinrichtung für eine Aufladeeinrichtung,
insbesondere eine Aufladeeinrichtung an Verbrennungskraftmaschinen
gemäß des Oberbegriffes
des Patentanspruches 1.
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Aus
DE 102 24 051 A1 ist
eine Vorrichtung zum Betätigen
von Verstellkomponenten bekannt. Die Vorrichtung dient der Betätigung von
Verstellkomponenten in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einer Aufladeeinrichtung
in Gestalt eines Abgasturboladers mit einer Wastegate-Klappe oder
variabler Turbinenschaufelgeometrie. Der Stellmotor wirkt auf Kraftübertragungselemente
ein, mit denen die mindestens eine zu verstellende Verstellkomponente
zuwischen zwei Endpositionen bewegt wird. In der Vorrichtung ist
mindestens ein Federmittel angeordnet, das bei einer Unterbrechung
der Energiezufuhr des Stellmotors die Verstellkomponente in eine
vorbestimmte Position zurückstellt.
Die Kraftübertragungselemente
sind gemäß der Lösung aus
DE 102 24 051 A1 als
mittels Drehgelenken verbundene Hebel ausgebildet, die eine Drehbewegung
einer Antriebsgruppe des Stellmotors in eine Linear- oder Drehbewegung
eines Verstellhebels der Verstellkomponente umwandeln.
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Neben
den aus
DE 102 24
051 A1 bekannten Hebelgetrieben zum Betätigen von Verstellkomponenten
können
elektrische Steller auch mit Stirnrad- oder Schneckengetrieben ausgerüstet sein.
Beim Einsatz von Schneckengetrieben lässt sich zwar einstufig eine
hohe Untersetzung erreichen, die jedoch mit einer nicht immer erwünschten
selbsthemmenden Charakteristik des Schneckengetriebes einhergeht.
Um im Falle eines Steckerabfalls oder einer anderen Störung am
elektrischen Steller dessen Umstellen in eine Notposition zu gewährleisten (Fail-Safe-Funktion),
werden Schneckengetriebe mit einer elektromagnetischen Kupplung
ausgerüstet. Der
Ausrückmechanismus
einer derartigen elektromagnetischen Kupplung ist jedoch relativ
aufwändig und
daher teuer. Es sind bereits Schneckenge triebe an elektrischen
Verstellantrieben im Einsatz, die eine motorseitige Rückholfeder
aufweisen zur Umgehung der Selbsthemmung. Die dazu notwendige Feder müsste jedoch
einen sehr großen
Federhub bzw. im Falle von Torsionsfedern einen hohen Verdrehhub von
mindestens zehn Umdrehungen aufweisen. Derartige Federn z.B. in
Gestalt von Spiralfedern sind jedoch sehr empfindlich bezüglich der
Schwingbeschleunigung und daher für einen Anbau an Verbrennungskraftmaschinen
wenig geeignet, die im Betrieb nicht unerheblichen Erschütterungen
ausgesetzt sind.
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Werden
Stirnradgetriebe an elektrischen Verstellantrieben eingesetzt, können diese
ebenfalls eine Rückholfeder
aufweisen, um die oben angesprochene Fail-Safe-Funktion zu gewährleisten.
Zur Realisierung einer hohen Untersetzung sind bei Stirnradgetrieben
jedoch mehrere Getriebestufen notwendig, was die Stirnradgetriebe
recht aufwändig und
damit kostenintensiv macht.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen
Steller für
Aufladeeinrichtungen an Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Abgasturbolader
bereitzustellen, der eine hohe Untersetzung mit nur einer Getriebestufe
erreicht und der unter Umgehung einer Selbsthemmung in eine Notposition
stellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
einem elektrischen Steller für
eine Aufladeeinrichtung, wie z.B. einem Abgasturbolader, ein Harmonic-Drive-Getriebe
zuzuordnen. Das Harmonic-Drive-Getriebe vermeidet den Nachteil bei
Schneckengetrieben gegebener Selbsthemmung und weist ferner eine
hohe Untersetzung mit nur einer Getriebestufe auf – im Gegensatz
zu in der Regel mehrstufig ausgebildeten Stirnradgetrieben zur Realisierung
einer hohen Untersetzung. Das einem elektrischen Steller zugeordnete
Harmonic-Drive-Getriebe
ist über
eine einfache Rückholfeder
in eine Notlaufposition (Fail-Safe-Funktion) stellbar, ohne dass
eine Überwindung
der Selbsthemmung, die beispielsweise bei einem Schneckengetriebe
gegeben ist, erforderlich wäre.
Daher kann die Rückholfeder
entsprechend dimensioniert werden. Bei Ausfall der Versorgungsspannung
des elektrischen Stellers, was z.B. durch einen Kabelabfall gegeben
sein kann, wird der elektrische Steller über die Rückholfeder selbstständig in die
Notlaufposition bewegt. Dem Harmonic-Drive-Getriebe wohnt eine hohe Untersetzung
(> 40) inne und es
bietet damit im Vergleich zu einem gleichuntersetzten Stirnradgetriebe
Vorteile. Zwar ist ein Stirnradgetriebe in der Regel ebenfalls selbsthemmungsfrei
ausgelegt, es benötigt
jedoch zur Realisierung einer hohen Untersetzung mehrere Getriebestufen,
was einerseits Bauraum beanspruchend und andererseits recht kostenintensiv
ist.
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Wird
dem elektrischen Steller wie erfindungsgemäß vorgeschlagen ein Harmonic-Drive-Getriebe mit einer
hohen Untersetzung in einer Stufe zugeordnet, kann als Folge ein
schwächerer
Stellmotor eingesetzt werden, da niedrigere Drehmomente zur Herbeiführung der
Bewegung einer Verstellkomponente erforderlich sind. Das Erreichen
der Notlaufposition wird bei unbestromtem elektrischen Steller durch
die oben angesprochene Rückholfeder
erreicht. Dadurch kann z.B. bei Aufladeeinrichtungen, wie z.B. Abgasturboladern
mit Waste-Gate oder variabler Turbinengeometrie, das Waste-Gate
in die offene Position gestellt werden, um eine Beschädigung des
Turbinenteiles der Aufladeeinrichtung z.B. durch Überdrehzahl
zu vermeiden. Bei einer entsprechenden Aufladeeinrichtung kann die
Ladedruckregelung, deren Stellgröße die Position
des Waste-Gates oder die eingestellte Turbinenschaufelgeometrie
ist, mit Hilfe eines Lagesensors realisiert werden.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 die
Anbaukomponenten einer Verbrennungskraftmaschine sowie deren Abgas- und deren Ansaugtrakt,
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2 eine
schematische Wiedergabe des vorgeschlagenen elektrischen Stellers,
angetrieben mit einem Wave-Generator und
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3 die
Komponenten des Harmonic-Drive-Getriebes in Explosionsdarstellung.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 sind
in schematischer Wiedergabe die Komponenten einer Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere deren Abgas- und deren Ansaugtrakt zu entnehmen.
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Eine
Verbrennungskraftmaschine 10 wird über eine Ansaugleitung 12 mit
der zur Verbrennung erforderlichen Luft versorgt. Die Ansaugleitung 12 befindet
sich in Strömungsrichtung
der Frischluft gesehen, hinter einem Verdichterteil 22 und
einer Aufladeeinrichtung 18. Der Aufladeeinrichtung 18 ist
ein Heißfilmluftmassenmesser 16 oder
eine andere geeignete Vorrichtung zur Ermittlung der strömenden Luftmasse
vorgeschaltet. Der Verbrennungskraftmaschine 10 ist ferner
ein Abgastrakt 14 nachgeschaltet. Die Aufladeeinrichtung 18,
die z.B. als Abgasturbolader ausgebildet sein kann, umfasst sowohl
den bereits erwähnten
Verdichterteil 22 mit einem Verdichterlaufrad 23,
als auch ein Turbinenteil 24, in welchem ein Turbinenlaufrad 25 untergebracht
ist. Der Aufladeeinrichtung 18 ist ein elektri scher Steller 20 zugeordnet.
Mittels des elektrischen Stellers 20 kann entweder ein
der Aufladeeinrichtung 18 zugeordnetes Waste-Gate betätigt werden,
oder im Falle einer Aufladeeinrichtung 18 mit variabler
Turbinengeometrie (VTG) die Schaufelradstellung am Turbinenlaufrad 25 in
Turbinenteil 24 entsprechend den Betriebsparametern verstellt
werden. Ist die Aufladeeinrichtung 18 als VTG-Abgasturbolader
beschaffen, lassen sich über
einen mittels des elektrischen Steller 20 betätigbare
Schaufelverstellvorrichtung 26 die Positionen der einzelnen
am Turbinenlaufrad 25, vorgesehenen Schaufeln oder eine
Leitradstellung beeinflussen.
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Dem
Turbinenteil 24 der Aufladeeinrichtung 18 nachgeschaltet
verläuft
ein Abgasrohr 28 in dem eine Lambda-Sonde 30 untergebracht
ist.
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In
der Ansaugleitung 12 zur Verbrennungskraftmaschine 10 befindet
sich eine Drosselklappe 32. Die in der Ansaugleitung 12 strömende Luft strömt in einen
Zylinderkopf 34 der Verbrennungskraftmaschine 10.
Im Zylinderkopf 34 können – im Falle
selbtzündender
Verbrennungskraftmaschinen – eine
Glühkerze 36 sowie
ein Kraftstoffinjektor 42 aufgenommen sein. In der Darstellung
gemäß 1 handelt
es sich um einen Kraftstoffinjektor 42, welcher über einen
von einer Nockenwelle 46 bewegten Kipphebel 44 betätigt wird.
Einem Brennraum 48 der Verbrennungskraftmaschine 10 sind
sowohl mindestens ein Einlassventil 38 als auch mindestens
ein Auslassventil 40 zugeordnet. Am Zylinderkopf 34 ist darüber hinaus
ein Abgaskrümmer 50 angeflanscht, über welchen
das Abgas den Brennraum 48 bei offen stehendem Auslassventil 40 verlässt. Im
Abgaskrümmer 50 befindet
sich ein Abgasrückführventil 52, über welches
Abgas in die Ansaugluftleitung 12 eingespeist werden kann.
Dem Abgasrückführventil 52 ist ein
Abgaskühler 54 nachgeschaltet.
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Das
im Brennraum 48 enthaltene Kraftstoff-Luftgemisch wird über einen
Kolben 56 verdichtet, dessen Stirnseite mit einer muldenförmigen Vertiefung 58 versehen
ist. Der Verbrennungskraftmaschine 10 ist darüber hinaus
ein Drehzahlgeber 60 sowie ein Klopfsensor 62 zugeordnet.
Die Kraftstoffversorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 erfolgt über eine
Hochdruckpumpe 64, der ein Filter 66 vorgeschaltet
ist zur Vorfilterung des aus einem Tank 68 geförderten
Kraftstoffes. Über
einen Rücklauf 70 strömt Kraftstoff
vom Kraftstoffinjektor 42 in den Tank 68 zurück. Das
Motorsteuergerät,
mit welchem die Verbrennungskraftmaschine gesteuert wird, ist durch Bezugszeichen 74 identifiziert;
der Vollständigkeit halber
wird auf eine KFZ-Batterie 72 verwiesen.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist
in schematischer Weise der erfindungsgemäß vorgeschlagene Steller mit
einem Wave-Generator zu entnehmen.
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Bei
dem in 2 dargestellten Steller 20 ist ein Harmonic-Drive-Getriebe 80 vorgesehen.
Das Harmonic-Drive-Getriebe 80 wird über einen Antrieb 82 angetrieben,
der über
eine nicht näher
dargestellte Antriebsverbindung 96 mit einem Wave-Generator 83 in
Verbindung steht. Der Antrieb 82 ist mit einer Spannungsversorgung 84 verbunden
und in einem in 2 nur teilweise dargestellten
Gehäuse 86 untergebracht.
Ein Abtrieb 104 des Harmonic-Drive-Getriebes 80 ist über ein Übertragungselement 110 mit einem
Anlenkhebel 88 mit dem in 1 dargestellten Waste-Gate 26 oder
mit einer variablen Turbinengeometriestelleinrichtung verbunden.
Der Anlenkhebel 88 ist mit einem die Fail-Safe-Funktion
sicherstellenden Federelement 94, welches am Gehäuse 86 befestigt
ist, beaufschlagt. Entsprechend des durch den Doppelpfeil gekennzeichneten
Stellweges 90 ist eine Öffnung 92 im
Gehäuse 86 des
elektrischen Stellers 20 bemessen, welche an den Stellweg 90 des
Anlenkhebels 88 angepasst ist.
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Vom
Antrieb 82 aus erstreckt sich die Antriebsverbindung 96 zum
Wave-Generator 83. Das Haromonic-Drive-Getriebe 80 umfasst
einen Zahnkranz 98 (Flexspline), der eine Außenverzahnung 100 aufweist.
Der Zahnkranz 98 ist über
eine Lagerung 116 mit dem Gehäuse 86 verbunden und
elastisch verformbar. Des Weiteren umfasst das in 2 schematisch
dargestellte Harmonic-Drive-Getriebe 80 einen Abtrieb 104.
Der Abtrieb 104 weist auf der dem Zahnkranz 98 zuweisenden
Seite eine Innenverzahnung 106 auf. Über den als Antrieb 82 dienenden
Wave-Generator 83 wird der Zahnkranz 98 oszillierend
verformt, dessen Außenverzahnung 100 mit der
Innenverzahnung 106 des Abtriebs 104 kämmt. Der
Zahnkranz 98 ist elastisch verformbar, angedeutet durch
dessen eiförmige
Kontur in 3 und wandelt die vom Wave-Generator 83 erzeugte
rotatorische Bewegung in eine oszillierende Bewegung um. Während der
oszillierenden Bewegung des elastisch verformbaren Zahnkranzes 98 kämmt dessen
Außenverzahnung 100 in
Bereichen mit der Innenverzahnung 106 des Abtriebs 104 und
verdreht diesen infolgedessen. Der Zahnkranz 98 umfasst
an einer unteren Stirnseite einen Boden, der mit dem Gehäuse 86 über eine
in 2 lediglich schematisch angedeutete Lagerung 116 stationär verbunden
ist. Der mit der Außenverzahnung 100 versehene
Zahnkranz 98 ist durch den Boden in seinem unteren Bereich versteift
und in dem weiter vom Boden entfernt liegenden Bereich verformbar.
Der Zahnkranz 98 (Flexspline) mit Außenverzahnung 100 ist ähnlich aufgebaut
wie ein in 3 dargestellter Zahnkranz 124,
mit dem Unterschied, dass der in 3 dargestellte
Zahnkranz 124 neben der Außenverzahnung 100 auch
eine Innenverzahnung 102 aufweist, wie in Zusammenhang
mit 3 noch beschrieben wird.
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Auf
dem Abtrieb 104 ist ein Koppelglied 108 aufgenommen.
Das Koppelglied 108 ist brückenförmig ausgeführt. Dieses ist an einem ersten
Lagerungspunkt 112 und an einem zweiten Lagerungspunkt 114 drehfest
mit dem Abtrieb 104 verbunden. Am brückenförmig ausgebildeten Koppelglied 108 wiederum
befindet sich das Übertragungselement 110,
welches seinerseits mit dem Anlenkhebel 88 zur Betätigung des
Waste-Gates bzw. der variablen Turbinengeometrie 26 verbunden
ist.
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Bei
Ausfall der Spannungsversorgung 84 des elektrisch betätigbaren
Stellers 20 ist durch die Rückstellfeder 94 gewährleistet,
dass die variable Turbinengeometrie bzw. das Waste-Gate 26 einer Aufladeeinrichtung 18 in
eine offene Position gestellt wird, um eine Überdrehzahl zum Beispiel des
Turbinenlaufrades 25 der Aufladeeinrichtung 18 gemäß der Darstellung
in 1 zu vermeiden. Bei Ausfall der Spannungsversorgung 84 ist
auch der vom Wave-Generator 83 stromlos, der vorformbare
Zahnkranz 98 befindet sich in seiner Ruhestellung. Dessen
Außenverzahnung 100 kämmt nicht
mit der Innenverzahnung 106 des Abtriebs 104,
diese Verzahnungen stehen außer
Eingriff. Dadurch stellt die Rückstellfeder 94 den
Anlenkhebel 88 im Falle einer Unterbrechung der Spannungsversorgung 84 in
eine Position zurück,
in der z.B. die Waste-Gate-Klappe einer Aufladeeinrichtung in die
offene Position gestellt ist.
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Bei
dem in 2 dargestellten Harmonic-Drive-Getriebe 80 handelt
es sich um ein solches, welches einstufig ausgebildet ist und bereits
in seiner einstufigen Ausführung
eine hohe Untersetzung i ≥ 40
aufweist. Damit baut es gegenüber
eine gleiche Untersetzung aufweisenden Stirnradgetrieben leichter
und kompakter, da bei einem solchen mehrere Übersetzungsstufen, d.h. Zahnradpaare,
miteinander kämmen.
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Der
Darstellung gemäß 3 sind
die Komponenten eines Harmonic-Drive-Getriebes gemäß einer
weiteren Ausführungsvariante
zu entnehmen.
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Das
in 3 dargestellte Harmonic-Drive-Getriebe 80 umfasst
die Antriebsverbindung 96, die drehfest mit dem Sonnerad 118 verbunden
ist. Das angetriebene Sonnenrad 118 kämmt seinerseits mit einem Planetenrad 120 und
einem zweiten Planetenrad 122. Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor,
dass ein Zahnkranz 124 stationär mit dem Gehäuse 86 des
elektrischen Stellers 20 verbunden ist. Der Zahnkranz 124 umfasst
die dargestellte Außenverzahnung 100,
welche mit der Innenverzahnung 106 des Abtriebs 104 kämmt. Der
Zahnkranz 124 umfasst neben der Außenverzahnung 100 auch eine
Innenverzahnung 102. Ein Boden 126 befindet sich
an der Unterseite des Zahnkranzes 124. Der Boden 126 ist
drehfest mit dem Gehäuse 86 des
elektrischen Stellers 20 verbunden. Der Zahnkranz 124 ist in
einem Axialmaß 128 ausgeführt. Im
entfernter vom Boden 126 liegenden Teil des Zahnkranzes 124 ist dieser
elastisch verformbar. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des
Zahnkranzes 124 kann dieser bei Eingriff der Planetenräder 120 und 122 in
seinem oberen Bereich verformt werden, so dass der Abtrieb 104 mit
daran aufgenommenen brückenförmigen Koppelglied 108 verschwenkt
wird.
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Am
Abtrieb 104 sind das erste Lager 112 sowie das
zweite Lager 114 angedeutet, an welchem das in 2 dargestellte
Koppelglied 108 zur Auslenkung des Anlenkhebels 88 aufgenommen
ist, sobald der Abtrieb 104 entgegen des Uhrzeigersinns ausgelenkt
wird. Das Untersetzungsverhältnis
i des einstufig ausgebildeten Harmonic-Drive-Getriebes 80 liegt ≥ 40, wobei
die Zähnezahl
des Zahnkranzes 98 + zwei Zähne der Zähnezahl des Abtriebs 104 entspricht.
Das Untersetzungsverhältnis
i des Harmonic-Drive-Getriebes 80 gemäß der Darstellungen in den 2 und 3 liegt
bei i ≥ 40.
Fällt die
Spannungsversorgung 84 des elektrischen Stellers 20 aus,
so ist über
die Rückstellfeder 94 sichergestellt, dass
das selbsthemmungsfreie Harmonic-Drive-Getriebe 80 den
die variable Turbinengeometrie bzw. das Waste-Gate 26 betätigenden
Anlenkhebel 88 selbsttätig
in die Notposition stellt. Damit lassen sich die Schaufeln am Turbinenlaufrad 25 des
Turbinenteiles 24 bzw. das Waste-Gate 26 in eine
geöffnete Position
bringen, so dass eine Überdrehzahl
des Turbinenlaufrades 25 einer als Abgasturbolader beschaffenen
Aufladerichtung 18 vor unzulässigen Überdrehzahlen geschützt ist,
sollte die Spannungsversorgung 84 unterbrochen sein.
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Die
in 3 abgebrochen dargestellte Antriebswelle 96 steht
mit einem Antrieb in Verbindung, über welchen der Antriebswelle 96 eine
Rotationsbewegung aufgeprägt
wird. Dabei kann es sich z.B. um den in 2 dargestellten
elektrischen Antrieb 82 handeln, der über die Spannungsversorgung 84 versorgt
wird.
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Beiden
Ausführungsvarianten
einer Fail-Safe-Funktion ist gemeinsam, dass ein Zahnkranz 98 bzw.
ein weiterer Zahnkranz 124, die elastisch verformbar sind,
bei Ausfall der Spannungsversorgung 84 über die mit dem Anlenkhebel 88 in
Eingriff stehende und am Gehäuse
gelagerte Rückstellfeder 94 in
eine Notlaufposition gestellt wird.