DE102011007524A1

DE102011007524A1 - Stellantrieb einer Luftdurchlassvorrichtung

Info

Publication number: DE102011007524A1
Application number: DE201110007524
Authority: DE
Inventors: Uwe Klippert; Gérald Terraz
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Ein Stellantrieb einer Luftdurchlassvorrichtung für eine Motorkühlung eines Fahrzeugs umfasst eine elektromotorische Antriebsvorrichtung, an die zum Erzeugen einer Stellkraft eine elektrische Spannung eines Energieversorgungssystems des Fahrzeugs anlegbar ist, und ein Abtriebselement, das mit der Antriebsvorrichtung in Wirkverbindung ist, um die Stellkraft zum Verstellen der Luftdurchlassvorrichtung zwischen einer offenen Stellung, in der die Luftdurchlassvorrichtung zum Durchlassen eines Luftstroms geöffnet ist, und einer geschlossenen Stellung, in der die Luftdurchlassvorrichtung zum Minimieren eines Luftstroms geschlossen ist, zu übertragen. Zusätzlich sind eine Trennkupplung (2321, 2331), die ausgebildet ist, die Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung (21) und dem Abtriebselement (25) herzustellen oder zu trennen, und ein Aktuator (24) zum Betätigen der Trennkupplung (2321, 2331) in Abhängigkeit von einem Spannungszustand der elektrischen Spannung (V) des Energieversorgungssystems (3) vorgesehen. Auf diese Weise wird ein Stellantrieb einer Luftdurchlassvorrichtung unter Verwendung einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die bei Ausfall eines Energieversorgungssystems eines Fahrzeugs ein Rückstellen der Luftdurchlassvorrichtung aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung, in der die Luftdurchlassvorrichtung zum Durchlassen eines Luftstroms geöffnet ist, ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb einer Luftdurchlassvorrichtung für eine Motorkühlung eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Stellantrieb umfasst eine elektromotorische Antriebsvorrichtung, an die zum Erzeugen einer Stellkraft eine elektrische Spannung eines Energieversorgungssystems des Fahrzeugs anlegbar ist, und ein Abtriebselement, das mit der Antriebsvorrichtung in Wirkverbindung ist, um die Stellkraft zum Verstellen der Luftdurchlassvorrichtung zwischen einer offen Stellung, in dem Luftdurchlassvorrichtung zum Durchlassen eines Luftstrom geöffnet ist, und einer geschlossenen Stellung, in dem die Luftdurchlassvorrichtung zum Minimieren eines Luftstrom geschlossen ist, zu übertragen.
Eine derartige Luftdurchlassvorrichtung kann beispielsweise vorne am Fahrzeug angeordnet sein und einen Luftstrom in einen Motorraum des Fahrzeugs steuern. Hierzu kann die Luftdurchlassvorrichtung beispielsweise Schließelemente nach Art von Lamellen aufweisen, die verstellt werden können, um den Strömungsquerschnitt für den Luftstrom zu verändern und auf diese Weise einen Luftstrom zum Kühlen eines Motors im Motorraum einzustellen.
Derartige Luftdurchlassvorrichtungen sind in unterschiedlicher Ausgestaltung hinlänglich bekannt. Beispielhaft sei auf die DE 10 2008 013 422 A1 und die DE 100 47 952 B4 verwiesen.
Herkömmliche Stellantriebe von Durchlassvorrichtungen nutzen vielfach eine sogenannte Unterdruckdose mit einer federvorgespannten Membran. Mit einer solchen Unterdruckdose wird durch ein Elektromagnetventil eine Membran gegen eine vorspannende Feder bewegt und ein Unterdruck weitergeleitet, der eine Verstellkraft zum Verstellen der Luftdurchlassvorrichtung in Richtung ihrer geschlossenen Stellung bewirkt.
Solche Unterdruckdosen haben den Vorteil, dass sie einfach aufgebaut und kostengünstig erhältlich sind. Zudem verfügen sie über eine inhärente Sicherheitsfunktion, indem bei einem Ausfall des Energieversorgungssystems des Fahrzeugs selbsttätig ein Öffnen der Luftdurchlassvorrichtung bewirkt wird, weil die elektromagnetische Kraft auf die Membran nachlässt und die Membran aufgrund der Federwirkung die Luftdurchlassvorrichtung zurück in ihre geöffnete Stellung bewegt (so genannte „Fail-Safe”–Logik). Fällt die elektrische Versorgung des Stellantriebs aus und ist eine weitere elektromotorische Steuerung der Luftdurchlassvorrichtung nicht möglich, so wird die Luftdurchlassvorrichtung somit automatisch in ihre geöffnete Stellung bewegt, sodass eine Luftkühlung eines zu kühlenden Motors weiter gewährleistet ist.
Es besteht jedoch der Wunsch, anstelle einer solchen Unterdruckdose für einen Stellantrieb einer Luftdurchlassvorrichtung eine elektromotorische Antriebsvorrichtung, beispielsweise einen elektrischen Schrittmotor, zu verwenden. Ein Nachteil bei der Verwendung einer Unterdruckdose ist, dass sie vergleichsweise groß ausgebildet werden muss, um eine hinreichende Stellkraft zum Schließen einer Luftdurchlassvorrichtung aufbringen zu können. Hintergrund ist hierbei, dass bei einer Luftdurchlassvorrichtung gegebenenfalls Lamellen bei großer Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges gegen eine andrückende Windkraft bewegt werden müssen, sodass zum Bewegen der Lamellen große Verstellkräfte erforderlich sind. Der Einsatz einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung hat demgegenüber den Vorteil, dass diese vergleichsweise klein dimensioniert werden kann. Die erforderliche Stellkraft wird dann dadurch erreicht, dass die elektromotorische Antriebsvorrichtung über ein Untersetzungsgetriebe mit einem Abtriebselement zum Verstellen der Luftdurchlassvorrichtung gekoppelt wird, um auf diese Weise eine Antriebsbewegung der Antriebvorrichtung in untersetzter Weise in eine Abtriebsbewegung des Abtriebselements zu übertragen.
Wird ein Untersetzungsgetriebe eingesetzt, kann dies eine Selbsthemmung oder ein hohes Rückmoment im Antriebsstrang des Stellantriebs bewirken. Dies ist an sich nicht nachteilig, hat aber zur Folge, dass bei einem Ausfall des Energieversorgungssystems ein Rückstellen der Luftdurchlassvorrichtung in ihre geöffnete Stellung zum Vergrößern des Strömungsquerschnitts nicht ohne Weiteres möglich ist, weil der selbsthemmende Stellantrieb abtriebseitig angreifende Verstellkräfte hemmt und somit ein Verstellen der Luftdurchlassvorrichtung nur über den Stellantrieb möglich ist.
Aus der DE 10 2009 035 362 A1 ist ein Stellantrieb für eine Luftdurchlassvorrichtung bekannt, der zwei getrennte Stellvorrichtungen vorsieht, nämlich einerseits eine Normalbetrieb-Stellvorrichtung und andererseits eine Notbetrieb-Stellvorrichtung. Der Betrieb der Stellvorrichtungen ist thermisch gesteuert: ist eine Temperatur eines vorbestimmten Fahrzeugbereiches unterhalb einer Schwellentemperatur, so ist nur die Normalbetrieb-Stellvorrichtung aktiv und mit einem Abtriebselement gekoppelt; ist hingegen die Temperatur oberhalb der Schwellentemperatur, so ist die Normalbetrieb-Stellvorrichtung von dem Abtriebselement entkoppelt, und die Notbetrieb-Stellvorrichtung bewegt das Abtriebselement in Richtung eines Öffnens der Luftdurchlassvorrichtung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stellantrieb einer Luftdurchlassvorrichtung unter Verwendung einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei Ausfall eines Energieversorgungssystems eines Fahrzeugs ein Rückstellen der Luftdurchlassvorrichtung aus einer geschlossenen Stellung in eine offene Stellung, in der die Luftdurchlassvorrichtung zum Durchlassen eines Luftstroms geöffnet ist, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Stellantrieb umfasst demgemäß zusätzlich

– eine Trennkupplung, die ausgebildet ist, die Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement herzustellen oder zu trennen, und
– einen Aktuator zum Betätigen der Trennkupplung in Abhängigkeit von einem Spannungszustand der elektrischen Spannung des Energieversorgungssystems.

Die vorliegende Erfindung geht von dem Gedanken aus, in Abhängigkeit von einem Spannungszustand der elektrischen Versorgung des Energieversorgungssystems den Kraftübertragungsstrang des Stellantriebes zu steuern. Ist das Energieversorgungssystem funktionsfähig und kann es eine erforderliche Spannung zur Verfügung stellen, so stellt der Aktuator über die Trennkupplung eine Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement her und schließt somit den Kraftübertragungsstrang. Fällt die Spannung des Energieversorgungssystems hingegen ab, beispielsweise weil eine Fahrzeugbatterie leer oder ein elektrisches Verbindungskabel zerstört ist, so betätigt der Aktuator die Trennkupplung zum Entkoppeln der Antriebsvorrichtung von dem Abtriebselement.
Die Entkopplung bewirkt, dass das Abtriebselement unabhängig von der elektromotorischen Antriebsvorrichtung bewegt werden kann, sodass durch eine geeignete mechanische, pneumatische oder auch elektrische oder magnetische Vorspannung die Luftdurchlassvorrichtung automatisch und selbsttätig bei Ausfall des Energieversorgungssystems zurück in ihre geöffnete Stellung gebracht werden kann. (Hierzu können beispielsweise mechanische Federn an Lamellen der Luftdurchlassvorrichtung angreifen, die eine Vorspannung der Lamellen in Richtung der geöffneten Stellung und ein selbsttätiges Öffnen der Luftdurchlassvorrichtung bei Entkopplung von der Antriebsvorrichtung bewirken. Ebenso ist beispielsweise denkbar, einen elektrischen Energiespeicher in Form eines Kondensators vorzuhalten, der ein Rückstellen der Lamellen der Luftdurchlassvorrichtung in die geöffnete Stellung unter Wirkung geeigneter Stellmittel bewirkt.)
Der erfindungsgemäße Stellantrieb verwendet somit einen Aktuator, der als logische Bedingung den Zustand des Energieversorgungssystems des Fahrzeugs aufnimmt und in Abhängigkeit von der vom Energieversorgungssystem zur Verfügung gestellten elektrischen Spannung die Trennkupplung derart betätigt, dass der Kraftübertragungsstrang des Stellantriebs unter Herstellung der Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement geschlossen oder unter Trennung der Antriebsvorrichtung und des Abtriebselements geöffnet wird.
Die Trennkupplung ist im Kraftfluss zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement angeordnet. Der Aktuator kann beispielsweise ausgebildet sein, die Trennkupplung zu einem Aufheben der Wirkverbindung zu betätigen, wenn die elektrische Spannung des Energieversorgungssystems unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, oder zu einem Herstellen oder Aufrechterhalten der Wirkverbindung zu betätigen, wenn die elektrische Spannung des Energieversorgungssystems über dem vorbestimmten Grenzwert liegt.
Der Aktuator kann beispielsweise ein elektrisches oder elektromagnetisches Betätigungselement aufweisen. Beispielsweise kann der Aktuator einen Elektrohubmagneten oder Kraftmagneten als Betätigungselement umfassen, der in Abhängigkeit von der über das Energieversorgungssystems des Fahrzeuges bereitstehenden Spannung bestromt wird, um auf die Trennkupplung zum Herstellen der Wirkverbindung oder zum Trennen der Wirkverbindung einzuwirken.
Denkbar ist aber auch, dass der Aktuator pneumatisch oder auf gänzlich andere Weise wirkt, beispielsweise unter Verwendung einer sogenannten Formgedächtnislegierung, die unter Erwärmung eine Formänderung eines aus der Formgedächtnislegierung hergestellten Betätigungselementes zum Bereitstellen einer Betätigungskraft bewirkt.
Das Betätigungselement des Aktuators kann beispielsweise über ein Stellelement, das zum Beispiel durch eine schwenkbar gelagerte Wippe ausgebildet sein kann, auf die Trennkupplung einwirken, um die Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement zu trennen oder herzustellen. Das Stellelement in Form der Wippe kann beispielsweise schwenkbar an einem Gehäuse des Stellantriebs gelagert sein und über einen Anlageabschnitt an einem Bauteil der Trennkupplung anliegen, sodass durch Verstellen des Stellelements die Trennkupplung in gewünschter Weise betätigt werden kann.
Das Stellelement ist vorzugsweise federelastisch in Richtung einer Stellung vorgespannt, in der die Trennkupplung zum Trennen der Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement betätigt ist. Zum Herstellen der Wirkverbindung wirkt somit das Betätigungselement des Aktuators entgegen der federelastischen Vorspannung auf das Stellelement ein. Liegt an dem beispielsweise als Elektrohubmagneten ausgebildeten Betätigungselement jedoch keine Spannung mehr an, weil die elektrische Versorgung unterbrochen ist, so bewegt sich das Stellelement unter Wirkung der federelastischen Vorspannung selbsttätig in Richtung einer Stellung zurück, in der die Trennkupplung geöffnet ist, sodass die Trennkupplung zum Trennen der Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement betätigt wird.
Die Trennkupplung kann beispielsweise reibschlüssig oder formschlüssig wirken. Die Antriebsvorrichtung und das Abtriebselement stehen beispielsweise über ein Getriebe, das ein mit einer Antriebswelle der Antriebsvorrichtung in Verbindung stehendes, um eine Drehachse verdrehbares Kupplungsrad aufweist, in Wirkverbindung. Das Kupplungsrad kann durch Betätigen des Aktuators entlang der Drehachse axial verstellt werden, um auf diese Weise die reibschlüssige oder formschlüssige Trennkupplung zum Öffnen der Wirkverbindung oder zum Herstellen der Wirkverbindung zu betätigen.
Die Trennkupplung kann beispielsweise einen ersten Kupplungsabschnitt, der an dem Kupplungsrad ausgebildet ist, und einen zweiten Kupplungsabschnitt, der an dem Abtriebselement oder einem mit dem Abtriebselement in Eingriff stehenden Getrieberad ausgebildet ist, gebildet sein. Der eine von diesen Kupplungsabschnitten kann beispielsweise durch einen Kupplungszapfen und der andere dieser Kupplungsabschnitte durch einen Kupplungstopf ausgebildet sein, die reibschlüssig oder formschlüssig durch Eintauchen des Kupplungszapfens in den Kupplungstopf miteinander in Eingriff gebracht werden können. Wird die Kupplung formschlüssig hergestellt, kann an dem Kupplungszapfen beispielsweise eine Außenverzahnung vorgesehen sein, die in eine Innenverzahnung an dem Kupplungstopf eingeführt werden kann, sodass in eingeführtem Zustand eine formschlüssige Kupplung des Kupplungsrads mit dem Abtriebselement oder einem mit dem Abtriebselement in Eingriff stehenden Getrieberad hergestellt ist. Zum Herstellen der Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Abtriebselement wird das Kupplungsrad mit dem daran angeordneten Kupplungsabschnitt axial entlang der Drehachse verschoben, um die Kupplungsabschnitte miteinander in Eingriff zu bringen. Zum Trennen der Wirkverbindung wird in umgekehrter Weise das Kupplungsrad axial entlang der Drehachse verstellt, sodass die Kupplungsabschnitte außer Eingriff gelangen.
Das Getriebe kann beispielsweise ein erstes Getrieberad, das mit der Antriebswelle der Antriebsvorrichtung in Eingriff steht, und ein drehfest mit dem ersten Getrieberad verbundenes, zweites Getrieberad, das mit dem Kupplungsrad in Eingriff steht, umfassen. Das erste Getrieberad und das zweite Getrieberad können hierbei drehbar an dem als Abtriebswelle ausgebildeten Abtriebselement gelagert sein.
Zum Erzeugen einer Verstellkraft wird das erste Getrieberad über die Antriebsvorrichtung in eine Drehbewegung versetzt, wobei hierzu beispielsweise eine an der Antriebswelle angeordnete Antriebsschnecke mit einer Außenverzahnung des als Stirnrad ausgebildeten ersten Getrieberades kämmt. Zusammen mit dem ersten Getrieberad wird das zweite Getrieberad in eine Drehbewegung versetzt, das auf das Kupplungsrad zum Antreiben der Abtriebswelle einwirkt.
Die Durchmesser der einzelnen Getrieberäder sind dabei vorzugsweise so gewählt, dass sich ein Untersetzungsgetriebe ergibt, indem ein Getrieberad mit einem kleinen Durchmesser immer ein unmittelbar nachgeschaltetes Getrieberad mit einem großen Durchmesser antreibt.
Um bei axialer Verstellung des Kupplungsrades den Verzahnungseingriff zwischen dem zweiten Getrieberad und dem Kupplungsrad aufrecht zu halten, kann das zweite Getrieberad eine axiale Höhe aufweisen, die größer, vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie die axiale Höhe des Kupplungsrades ist. Dadurch kann das Kupplungsrad in axialer Richtung entlang seiner Drehachse verstellt werden, ohne dass hierdurch der Verzahnungseingriff zwischen dem zweiten Getrieberad und dem Kupplungsrad aufgehoben wird.
Der Aktuator ist vorteilhafterweise innerhalb eines den Stellantrieb einfassenden Gehäuses angeordnet. Es wird somit eine Motor-Getriebe-Einheit geschaffen, bei der die Antriebsvorrichtung genauso wie das Getriebe und der Aktuator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Motor-Getriebe-Einheit kompakter Bauform geschaffen, die in einfacher, modularer Weise an einem Fahrzeug montiert werden kann.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit daran angeordneter Luftdurchlassvorrichtung;
2 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Stellantriebs einer Luftdurchlassvorrichtung;
3A eine Detailansicht eines Ausschnitts des Stellantriebs mit einer Trennkupplung in einer kuppelnden Stellung;
3B die Ansicht der 3A, jedoch mit der Trennkupplung in einer offenen Stellung, in der der Kraftübertragungsstrang von einer Antriebsvorrichtung hin zu einem Abtriebselement unterbrochen ist;
4A eine schematische Seitenansicht des Stellantriebs, mit der Trennkupplung in kuppelnder Stellung;
4B die Ansicht gemäß 4A, jedoch mit der Trennkupplung in offener Stellung;
5A eine weitere schematische Ansicht des Stellantriebs, bei geschlossener Trennkupplung;
5B die Ansicht gemäß 5A, beim Öffnen der Trennkupplung, und
5C die Ansicht gemäß 5A und 5B, bei geöffneter Trennkupplung.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Fahrzeug F, das eine in einem Motorraum R im vorderen Bereich des Fahrzeugs F angeordneten Luftdurchlassvorrichtung 1 aufweist.
Die Luftdurchlassvorrichtung 1, die an der vorderen Stirnseite des Fahrzeugs F im Bereich eines Kühlergrills angeordnet ist, dient zum Steuern eines Luftstroms L in den Motorraum R zum Kühlen eines in dem Motorraum R angeordneten Motors. Die Luftdurchlassvorrichtung 1 weist hierzu eine Anzahl von verstellbaren Lamellen 10 auf, die in einer geöffneten Stellung der Luftdurchlassvorrichtung 1 einen großen Strömungsquerschnitt für den Luftstrom L in den Motorraum R des Fahrzeugs F bereitstellen und zum Verkleinern des Strömungsquerschnitts verstellt werden können.
In Strömungsrichtung hinter den Lamellen 10 ist ein Lüfter 11 zum Ansaugen des Luftstroms L angeordnet.
Auf die Lamellen 10 wirkt ein Stellantrieb 2 ein, der mit einem elektrischen Energieversorgungssystem 3 des Fahrzeugs F verbunden ist. Der elektromotorische Stellantrieb 2 dient zum Verstellen der Lamellen 10 zum Verändern des Strömungsquerschnitts der Luftdurchlassvorrichtung 1 und wird elektrisch über das Energieversorgungssystem 3 des Fahrzeugs versorgt, das hierzu eine Spannung V bereitstellt, über die eine elektromotorische Antriebsvorrichtung des Stellantriebs 2 betrieben werden kann.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel eines solchen Stellantriebs 2 zeigen 2, 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B und 5C in unterschiedlichen Ansichten. Der Stellantrieb 2 weist eine elektromotorische Antriebsvorrichtung 21 in Form eines Elektromotors auf, der mit einer Leiterplatte 26 elektrisch verbunden ist und über einen Stecker 22 an das Energieversorgungssystem 3 des Fahrzeugs F angeschlossen ist. Die Antriebsvorrichtung 21 weist eine Antriebswelle 210 auf, die elektromotorisch angetrieben in eine Drehbewegung versetzt werden kann und mit einem Getriebe 23 zusammenwirkt, das auf ein Abtriebselement in Form einer um eine Drehachse D drehbaren Abtriebswelle 25 einwirkt. Die Abtriebswelle 25 steht mit den Lamellen 10 der Luftdurchlassvorrichtung 1 in Wirkverbindung und weist hierzu einen Formschlussabschnitt 250 in Form eines Mehrkants auf.
Die Antriebsvorrichtung 21, die Leiterplatte 26 sowie das Getriebe 23 und ein Aktuator 24 sind in ein Gehäuse 20 eingefasst, das staub- und feuchtigkeitsdicht ausgestaltet sein kann und den Stellantrieb zu einer kompakte Baueinheit zusammenfasst.
Über den Stecker 22 kann gegebenenfalls auch eine elektronische Steuereinrichtung mit dem Stellantrieb 2 verbunden sein, wobei auch möglich ist, eine elektronische Steuereinheit in das Gehäuse 20 zu integrieren, beispielsweise auf der Leiterplatte 26 anzuordnen.
Das Getriebe 23 ist durch eine Anzahl von Stirnradstufen in Form von Getrieberädern 230, 231, 232, 233, 234 gebildet, über die die Antriebswelle 210 der Antriebsvorrichtung 21 mit dem Abtriebselement in Form der Abtriebswelle 25 gekoppelt ist. Das Getriebe 23 bildet hierbei ein Untersetzungsgetriebe aus, über das eine Drehbewegung der Antriebswelle 210 in untersetzter Weise in eine Drehbewegung der Abtriebswelle 25 um die Drehachse D übertragen wird. Das Untersetzungsverhältnis kann beispielsweise 1:1000 betragen und wird dadurch erreicht, dass ein Getrieberad mit einem vergleichsweise kleinen Durchmesser immer einem Getrieberad mit einem vergleichsweise großen Durchmesser vorgeschaltet ist und somit eine Übertragung der Drehbewegung immer von einem Getrieberad mit einem kleinen Durchmesser auf ein Getrieberad mit einem großen Durchmesser erfolgt.
Das Getriebe 23 weist ein erstes Getrieberad 230 in Form eines Stirnrades mit einer Außenverzahnung auf, die kämmend mit einer an der Antriebswelle 210 angeordneten Antriebsschnecke in Eingriff steht. Das erste Getrieberad 230 ist drehfest mit einem zweiten Getrieberad 231 verbunden, beispielsweise einstückig mit diesem zweiten Getrieberad 231 ausgebildet und zusammen mit dem zweiten Getrieberad 231 drehbar an der Abtriebswelle 25 gelagert derart, dass das erste Getrieberad 230 zusammen mit dem zweiten Getrieberad 231 relativ zur Abtriebswelle 25 verdreht werden kann.
Das zweite Getrieberad 231, das ebenfalls nach Art eines Stirnrads mit einer Außenverzahnung ausgebildet ist, steht mit einem als Kupplungsrad 232 bezeichneten weiteren Getrieberad in Form eines Stirnrades in Eingriff. Das Kupplungsrad 232 ist um eine Drehachse D1 drehbar an einer Welle 2330 eines weiteren Getrieberades 233 gelagert und ist über eine Trennkupplung – deren Funktionsweise nachfolgend noch im Einzelnen erläutert werden soll – mit dem Getrieberad 233 gekuppelt.
Das Getrieberad 233 steht mit einem Getrieberad 234 kämmend in Eingriff, das drehfest mit der Abtriebswelle 25 verbunden ist.
Jedes Getrieberad 230, 231, 232, 233, 234 ist als Stirnrad mit einer Außenverzahnung ausgebildet und kämmt mit dem jeweils zugeordneten benachbarten Getrieberad 230, 231, 232, 233, 234.
Das Kupplungsrad 232 und das nachgeordnete Getrieberad 233 sind über eine Trennkupplung kuppelnd miteinander verbunden. Das nachgeschaltete Getrieberad 233 ist dabei über die Welle 2330 drehbar an dem Gehäuse 20 gelagert, indem Enden 2330A, 2330B der Welle 2330 in zugeordnete Lagerstellen des Gehäuses 20 eingreifen (siehe 3A). Das Kupplungsrad 232 ist an der Welle 2330 drehbar gelagert, sodass sowohl das Kupplungsrad 232 als auch das Getrieberad 233 um die Drehachse D1 drehbar sind und das Kupplungsrad 232 dabei zusätzlich relativ zur Welle 2330 verdreht werden kann.
Das Kupplungsrad 232 ist axial entlang der Welle 2330 verschiebbar angeordnet und weist einen Kupplungsabschnitt 2321 in Form eines Kupplungszapfens auf, der mit einem Kupplungsabschnitt 2331 in Form eines Kupplungstopfes des Getrieberades 233 formschlüssig in Eingriff gebracht werden kann.
In einer in 3A, 4A, und 5A dargstellten Normalbetriebsstellung steht der Kupplungsabschnitt 2321 des Kupplungsrades 232 mit dem Kupplungsabschnitt 2331 des Getrieberades 233 in Eingriff, indem der Kupplungsabschnitt 2321 des Kupplungsrades 232 formschlüssig in den Kupplungsabschnitt 2331 des Getrieberades 233 eingesteckt ist. Wie z. B. in der Ansicht gemäß 3B ersichtlich, weist der Kupplungsabschnitt 2321 hierzu Ausnehmungen 2323 an seiner umfänglichen Mantelfläche auf, die mit entsprechenden Formschlusselementen an dem Kupplungsabschnitt 2331 in Form des Kupplungstopfes des Getrieberades 233 in Eingriff gebracht werden können, um eine formschlüssige Wirkverbindung zwischen dem Kupplungsrad 232 und dem Getrieberad 233 herzustellen.
Die durch die Kupplungsabschnitte 2321, 2331 ausgebildete Trennkupplung wird durch einen Aktuator 24 mit einem Elektrohubmagneten 240 betätigt. Der Elektrohubmagnet 240 wirkt hierzu über eine Übertragungsstange 243 auf eine Stellelement 241 in Form einer Wippe ein, dass über eine Schwenkkante 241A schwenkbar an dem Gehäuse 20 gelagert und über Anlageabschnitte 241B mit dem Kupplungsrad 232 in Wirkverbindung steht, indem die Anlageabschnitte 241B in eine nutförmige Ausnehmung 2320 an dem Kupplungsrad 232 eingreifen. Das Stellelement in Form der Wippe 241 ist über eine Feder 242 elastisch gegenüber dem Gehäuse 20 vorgespannt derart, dass durch die Federwirkung der Feder 242 das Kupplungsrad 232 axial vom Kupplungsabschnitt 2331 des Getrieberads 233 weggedrückt wird und die Trennkupplung in Richtung ihrer geöffneten Stellung (siehe 3B) vorgespannt ist.
Der Aktuator 24 ist ausgestaltet, die Trennkupplung in Abhängigkeit von einem Spannungszustand des Energieversorgungssystems 3 des Fahrzeugs F zu betätigen. Insbesondere nimmt der Aktuator 24 eine an dem Stellantrieb 2 anliegenden Spannung V auf und stellt in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung V des Energieversorgungssystems 3 eine Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung 21 und der Abtriebswelle 25 her oder trennt diese Wirkverbindung, wenn keine oder keine ausreichende Spannung über das Energieversorgungssystem 3 zur Verfügung gestellt wird.
Über die Trennkupplung und den Aktuator 24 wird eine Sicherheitsfunktion zur Verfügung gestellt, die den Kraftübertragungsstrang zwischen der Antriebsvorrichtung 21 und Abtriebswelle 25 trennt, wenn eine Spannungsversorgung des Stellantriebs 2 nicht gewährleistet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Abtriebswelle 25 unabhängig von der Antriebsvorrichtung 21 bewegt werden kann, um bei einem Ausfall der elektrischen Versorgung die Lamellen 10 der Luftdurchlassvorrichtung 2 (siehe 1) ohne die Antriebsvorrichtung 21 zurück in eine geöffnete Stellung bewegen zu können.
Das Rückstellen bei Ausfall der Energieversorgung kann dabei selbsttätig beispielsweise durch eine Federvorspannung der Lamellen 10 in Richtung der geöffneten Stellung erfolgen. Dadurch, dass die Trennkupplung den Kraftübertragungsstrang zwischen der Abtriebswelle 25 und der Antriebsvorrichtung 21 auftrennt, müssen die im Kraftübertragungsstrang vor dem Getrieberad 233 angeordneten Getriebeteile und die Antriebsvorrichtung 21 hierzu nicht mitbewegt werden, und insbesondere steht eine Selbsthemmung der Antriebsvorrichtung 21 und des Getriebes 23 einem Rückstellen der Lamellen 10 nicht entgegen.
Die Funktionsweise des Stellantriebs 2 ist wie folgt.
In einem Normalbetrieb stellt das Energieversorgungssystem 3 des Fahrzeugs F (siehe 1) dem Stellantrieb 2 eine geeignete Spannung V zur Verfügung. Gesteuert durch eine elektronische Steuereinheit und elektrisch versorgt über das Energieversorgungssystem 3 wird im Normalbetrieb die Antriebsvorrichtung 21 angesteuert, um die Lamellen 10 so zu verstellen, dass ein gewünschter Luftstrom L beispielsweise in Abhängigkeit von einer erforderlichen Kühlleistung für einen im Motorraum R angeordneten Motor bereitgestellt wird.
In diesem Normalbetrieb wird der Elektrohubmagnet 240 bestromt, so dass das Stellelement in Form der Wippe 241 auf das Kupplungsrad 232 zum Herstellen der Kupplung zwischen den Kupplungsabschnitten 2321, 2331 des Kupplungsrads 232 und des Getrieberades 233 einwirkt. Hierzu greift die Wippe 241 mit den Anlageabschnitten 241B in die nutförmige Ausnehmung 2320 des Kupplungsrades 232 ein und drückt das Kupplungsrad 232 mit seinem Kupplungsabschnitt 2321 in Eingriff mit dem Kupplungsabschnitt 2331 des Getrieberades 233, sodass das Kupplungsrad 232 entlang der Drehachse D1 in Richtung des Getrieberades 233 verstellt und mit dem Getrieberad 233 drehfest und formschlüssig gekuppelt wird.
Angetrieben durch die Antriebsvorrichtung 21 versetzt die Antriebswelle 210 das erste Getrieberad 230 und damit auch das zweite Getrieberad 231 in eine Drehbewegung. Über das zweite Getrieberad 231 wird das Kupplungsrad 232 angetrieben, darüber das nachgeschaltete, weitere Getrieberad 233 und darüber das mit der Abtriebswelle 25 verbundene Getrieberad 234, sodass die Abtriebswelle 25 – in untersetzter Weise – in eine Drehbewegung versetzt wird und darüber die Lamellen 10 verstellt werden.
Fällt die Spannung V des Energieversorgungssystems 3 aus irgendeinem Grunde ab, beispielsweise weil eine elektrische Verbindung des Energieversorgungssystems 3 gestört oder das Energieversorgungssystem 3 insgesamt ausgefallen ist, so wird der Elektrohubmagnet 240 des Aktuators 24 in einem Notbetrieb nicht (mehr) betätigt, sodass das Stellelement in Form der Wippe 241 aufgrund der Federwirkung der Feder 242 um die Schwenkkante 241 verschwenkt und dadurch das Kupplungsrad 232 entlang der Drehachse D1 verstellt wird. Hierdurch drückt die Wippe 241 das Kupplungsrad 232 mit seinem Kupplungsabschnitt 2321 außer Eingriff mit dem Kupplungsabschnitt 2331 des Kupplungsrads 233, sodass die Kupplung zwischen dem Kupplungsrad 232 und dem nachgeschalteten Getrieberad 233 aufgehoben ist (siehe 3B, 4B, 5B und 5C).
Auf diese Weise ist der Kraftübertragungsstrang zwischen der Antriebsvorrichtung 21 und der Abtriebswelle 25 getrennt, sodass die Abtriebswelle 25 zusammen mit dem vorgeschalteten Getrieberad 233 unabhängig von der Antriebsvorrichtung 21 und den Getrieberädern 230, 231, 232 bewegt werden kann. Damit können im Notbetrieb die Lamellen 10 der Luftdurchlassvorrichtung 2 in Richtung einer geöffneten Stellung zurückbewegt werden, ohne dass hierzu die Antriebsvorrichtung 21 und zumindest ein Teil der Getrieberäder 230, 231, 232 mit bewegt werden müssen.
Die Rückstellung kann selbsttätig erfolgen, indem die Lamellen 10 beispielsweise in Richtung einer geöffneten Stellung federvorgespannt sind.
Wie aus 4A und 4B ersichtlich, weist das zweite Getrieberad 231 eine Höhe H1 auf, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Höhe H2 des Kupplungsrades 232. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einer axialen Verstellung des Kupplungsrades 232 entlang der Drehachse D1 das Kupplungsrad 232 nicht außer Eingriff mit dem zweiten Getrieberad 231 gelangt, indem bei axialer Verschiebung des Kupplungsrads 232 das Kupplungsrad 232 mit seiner Außenverzahnung axial an der Außenverzahnung des zweiten Getrieberades 231 verschoben wird, ohne dass der Verzahnungseingriff aufgehoben wird (siehe Zusammenschau von 4A und 4B).
Über die Trennkupplung und den Aktuator 24 wird eine Sicherungsfunktion (sogenannte „Fail-Safe”-Funktion) bereitgestellt, die in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung V den Kraftübertragungsstrang des Stellantriebes 2 auftrennen kann, um ein Verstellen der Luftdurchlassvorrichtung 1 unabhängig von der Antriebsvorrichtung 21 zu ermöglichen. Dies ist erforderlich, weil infolge der großen Untersetzung des Getriebes 23 der Stellantrieb 2 selbsthemmend sein kann, sodass ein Verstellen der Abtriebswelle 25 ohne Trennen des Kraftübertragungsstranges nicht möglich sein würde.
Die Sicherungsfunktion ist dabei derart, dass immer dann, wenn kein Strom durch den Elektrohubmagneten 240 fließt, der kuppelnde Zustand aufgehoben wird, sodass der Kraftübertragungsstrang getrennt ist. Die verwendete logische Bedingung zum Auslösen der Sicherungsfunktion ist somit das Anliegen einer (hinreichenden) elektrischen Versorgungsspannung: Ist keine (hinreichende) Versorgungsspannung verfügbar, löst sich die Trennkupplung automatisch und der Kraftübertragungsstrang des Stellantriebs 2 wird unterbrochen, sodass der Strömungsquerschnitt der Luftdurchlassvorrichtung 2 maximiert wird und damit sichergestellt ist, dass auch bei Ausfall der elektrischen Versorgung eine hinreichende (Luft-)Kühlung eines Motors im Motorraum R zur Verfügung gestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Luftdurchlassvorrichtung
10: Lamellen
11: Lüfter
2: Stelleinrichtung
20: Gehäuse
21: Antriebsvorrichtung
210: Antriebswelle
22: Stecker
23: Getriebe
230: Getrieberad
231: Getrieberad
232: Kupplungsrad
2320: Ausnehmung (Nut)
2321: Kupplungsabschnitt (Kupplungszapfen)
2322: Ausnehmungen
233: Getrieberad
2330: Weile
2330A: Ende
2330B: Ende
2331: Kupplungsabschnitt (Kupplungstopf)
234: Fünftes Stirnrad
24: Aktuator
240: Betätigungselement (Elektrohubmagnet)
241: Wippe
241A: Schwenkkante
241B: Anlageabschnitt
242: Feder
243: Übertragungsstange
25: Abtriebselement (Abtriebswelle)
250: Formschlussabschnitt
26: Leiterplatte
3: Energieversorgungssystem
D, D1: Drehachse
F: Fahrzeug
H1, H2: Höhe
L: Luftstrom
R: Motorraum
V: Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008013422 A1 [0004]
DE 10047952 B4 [0004]
DE 102009035362 A1 [0009]

Claims

Stellantrieb einer Luftdurchlassvorrichtung für eine Motorkühlung eines Fahrzeugs, mit – einer elektromotorischen Antriebsvorrichtung, an die zum Erzeugen einer Stellkraft eine elektrische Spannung eines Energieversorgungssystems des Fahrzeugs anlegbar ist, und – einem Abtriebselement, das mit der Antriebsvorrichtung in Wirkverbindung ist, um die Stellkraft zum Verstellen der Luftdurchlassvorrichtung zwischen einer offenen Stellung, in der die Luftdurchlassvorrichtung zum Durchlassen eines Luftstroms geöffnet ist, und einer geschlossenen Stellung, in der die Luftdurchlassvorrichtung zum Minimieren eines Luftstroms geschlossen ist, zu übertragen, gekennzeichnet durch – eine Trennkupplung (2321, 2331), die ausgebildet ist, die Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung (21) und dem Abtriebselement (25) herzustellen oder zu trennen, und – einen Aktuator (24) zum Betätigen der Trennkupplung (2321, 2331) in Abhängigkeit von einem Spannungszustand der elektrischen Spannung (V) des Energieversorgungssystems (3).
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (2321, 2331) im Kraftfluss zwischen der Antriebsvorrichtung (21) und dem Abtriebselement (25) angeordnet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (24) ausgebildet ist, die Trennkupplung (2321, 2331) – zu einem Aufheben der Wirkverbindung zu betätigen, wenn die elektrische Spannung (V) des Energieversorgungssystems (3) unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, oder – zu einem Herstellen oder Aufrechterhalten der Wirkverbindung zu betätigen, wenn die elektrische Spannung (V) des Energieversorgungssystems (3) über dem vorbestimmten Grenzwert liegt.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (24) ein elektrisches oder elektromagnetisches Betätigungselement (240) umfasst.
Stellantreb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (24) einen Elektrohubmagneten (240) als Betätigungselement umfasst.
Stellantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (240) auf ein Stellelement (241) einwirkt, das zum Betätigen auf die Trennkupplung (2321, 2331) einwirkt, um die Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung (21) und dem Abtriebselement (25) zu trennen oder herzustellen.
Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement durch eine schwenkbar gelagerte Wippe (241) ausgebildet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (241) federelastisch in Richtung einer Stellung, in der die Trennkupplung (2321 2331) zum Trennen der Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung (21) und dem Abtriebselement (25) betätigt ist, vorgespannt ist.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (2321 2331) reibschlüssig oder formschlüssig wirkt.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (21) und das Abtriebselement (25) über ein Getriebe (23), das ein mit einer Antriebswelle (210) der Antriebsvorrichtung (21) in Verbindung stehendes, um eine Drehachse (D1) verdrehbares Kupplungsrad (232) aufweist, in Wirkverbindung sind.
Stellantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungsrad (232) durch Betätigen des Aktuators (24) entlang der Drehachse (D1) axial verstellbar ist.
Stellantrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennkupplung (2321, 2331) durch einen ersten Kupplungsabschnitt (2321), der an dem Kupplungsrad (232) ausgebildet ist, und einen zweiten Kupplungsabschnitt (2331), der an dem Abtriebselement (25) oder einem mit dem Abtriebselement (25) in Eingriff stehenden Getrieberad (233) ausgebildet ist, gebildet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Kupplungsabschnitt (2321, 2331) durch einen Kupplungszapfen und der andere Kupplungsabschnitt (2321, 2331) durch einen Kupplungstopf ausgebildet ist, wobei der Kupplungszapfen und der Kupplungstopf – zum Herstellen der Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung (21) und dem Abtriebselement (25) axial entlang der Drehachse (D1) miteinander in Eingriff bringbar sind und – zum Trennen der Wirkverbindung zwischen der Antriebsvorrichtung (21) und dem Abtriebselement (25) axial entlang der Drehachse (D1) außer Eingriff bringbar sind.
Stellantrieb nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kupplungsabschnitt (2321) und der zweite Kupplungsabschnitt (2331) formschlüssig miteinander in Eingriff bringbar sind.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (23) – ein erstes Getrieberad (230), das mit der Antriebswelle (210) der Antriebsvorrichtung (21) in Eingriff steht, und – ein drehfest mit dem ersten Getrieberad (230) verbundenes, zweites Getrieberad (231), das mit dem Kupplungsrad (232) in Eingriff steht, aufweist.
Stellantrieb nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Getrieberad (230) und das zweite Getrieberad (231) drehbar an dem Abtriebselement (25) gelagert sind.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (23) ein Untersetzungsgetriebe ausbildet.
Stellantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (24) innerhalb eines den Stellantrieb (2) einfassenden Gehäuses (20) angeordnet ist.