DE102012106281A1

DE102012106281A1 - Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102012106281A1
Application number: DE102012106281A
Authority: DE
Inventors: Roland Heiml
Original assignee: Stiwa Holding GmbH
Current assignee: Stiwa Holding GmbH
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung (1) zur Verstellung eines Stellgliedes (2), insbesondere einer mit einem Wastegate-Ventil gekoppelten Stellstange (3) bzw. Kurbelanordnung (64), umfassend ein Gehäuse (6), wobei ein Kopplungsabschnitt (7) des Stellgliedes (2) im Gehäuse (6) angeordnet ist und ein Übertragungsabschnitt (8) des Stellglieds (2) aus dem Gehäuse (6) herausführt, ein im Gehäuse (6) um eine Drehachse (15) zwischen einer ersten Endstellung (10) und einer zweiten Endstellung (11) drehbar gelagertes und mit einem Drehantrieb (13) antriebsgekoppeltes Übertragungselement (9) mit zumindest einer mit Abstand (20) zur Drehachse (15) verlaufenden Steuerkurve (16), sowie ein am Kopplungsabschnitt (7) ausgebildetes, die Steuerkurve (16) abtastendes Tastelement (18). Dabei ist das Übertragungselement (9) durch eine in einer zur Drehachse (15) rechtwinkelig orientierte Steuerscheibe (12) gebildet und die Steuerkurve (16) ist durch eine in der Steuerscheibe (12) ausgebildete Steuerkulisse (17) gebildet, in welche das Tastelement (18) eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung zur Verstellung eines Stellgliedes gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 18 und 33.
Derartige Stellvorrichtungen sind im Automobilbau häufig im Einsatz, um den Ansaugluftstrom oder einen Abgasstrom von Verbrennungsmotoren mittels Ventilklappen zu steuern bzw. zu regeln. Ein wichtiges Anwendungsgebiet für derartige Stellvorrichtungen ist die Ansteuerung von Wastegate-Ventilen, mit denen ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Motors an einem Abgasturbolader vorbeigeleitet wird. Die dabei eingesetzten Stellvorrichtungen müssen in der Lage sein, das Wastegate-Ventil entgegen dem Abgasdruck in geschlossener Stellung halten zu können, was große Kräfte erfordern kann und gleichzeitig ist eine hohe Verstellgeschwindigkeit des Wastegate-Ventils wünschenswert, um Überlastungen des Turboladers zu vermeiden und das Ansprechverhalten eines derartigen Verbrennungsmotors zu verbessern. Als Stellvorrichtungen für das Wastegate-Ventil werden seit langem pneumatische Ladedruck-Regelventile eingesetzt, es werden jedoch zunehmend elektrische Stellvorrichtungen eingesetzt.
Eine derartige Stellvorrichtung zur Umwandlung einer rotatorischen Bewegung eines Elektromotors in eine lineare Bewegung ist beispielsweise aus DE 10 2009 054 529 A1 bekannt. Diese offenbart einen mit einer Antriebseinheit verbundenen und in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotationskörper, an dessen Außenumfang eine schraubenlinienförmige Kurvenbahn angeordnet ist, die mit einem Verstellelement in Wirkverbindung steht. Der Rotationskörper ist dabei im Gehäuse über eine Lagereinheit gelagert sowie axial und radial gegen Verschieben gesichert und das Verstellelement ist außerhalb des Rotationskörpers angeordnet. Zur Einsparung des Raumbedarfes, ist die Antriebseinheit innerhalb des Rotationskörpers angeordnet, was jedoch eine verschlechterte Kühlung des Antriebs bewirken kann. Weiters besitzt die Stellvorrichtung aufgrund des hohlzylindrischen Rotationskörpers relativ große Abmessungen, die den Einbau bei beengten Platzverhältnissen erschweren. Weiters stellt diese Bauweise einer Stellvorrichtung eine baulich aufwändige Lösung dar, da die Lagerung des Rotationskörpers auch hohe Kräfte in axialer Richtung zuverlässig aufnehmen muss.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Stellvorrichtung bereitzustellen, die baulich einfach und daher wirtschaftlich herstellbar ist und trotzdem hohe Anforderungen an Stellkraft sowie Verstellgeschwindigkeit erfüllen kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine gattungsgemäße Stellvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Dadurch, dass das Übertragungselement durch eine in einer zur Drehachse rechtwinkelig orientierten Steuerebene verlaufenden Steuerscheibe gebildet ist und die Steuerkurve durch eine in der Steuerscheibe ausgebildete Steuerkulisse mit zumindest abschnittsweise veränderlichem Abstand zur Drehachse gebildet ist und das Tastelement in die Steuerkulisse eingreift, ergibt sich ein viel geringerer Raumbedarf für das Übertragungselement und kann eine derartige Stellvorrichtung sehr kompakte Abmessungen aufweisen. Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten dreidimensionalen Kurvenbahn am Außenumfang des Rotationskörpers wird bei einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung die Bewegungsübertragung mittels eines annähernd zweidimensionalen Übertragungselements bewerkstelligt. Eine aufwändige Lagerung des Übertragungselements in axialer Richtung entfällt dadurch, da die Stellkräfte im Wesentlichen in der Ebene der Steuerscheibe übertragen werden und eine dafür geeignete Radiallagerung relativ einfach herstellbar ist. Dadurch ist auch für die Herstellung des Übertragungselements ein geringerer Materialaufwand erforderlich und ist auch für Lagerung bzw. Transport der Bestandteile der Stellvorrichtung ein geringerer Aufwand erforderlich.
Die Steuerscheibe mit der darin ausgebildeten Steuerkulisse ist fertigungstechnisch auf kostengünstige Weise mittels Urformen, Umformen oder auch Zerspanen herstellbar, wobei die wirtschaftlich günstigste Herstellweise unter anderem unter Berücksichtigung der herzustellenden Stückzahlen gewählt wird. Selbstverständlich kann auch eine Kombination dieser Verfahren eingesetzt werden. Insgesamt ist ein Übertragungselement in Form einer Steuerscheibe mit einer Steuerkulisse wesentlich einfacher herzustellen als ein hohlzylindrischer Rotationskörper mit außen angebrachter Kurvenbahn.
Für die Umwandlung der hohen Drehzahlen von Elektromotoren in eine Stellbewegung mit großer Stellkraft, also eine Übersetzung ins Langsame, ist die Steuerscheibe eine besonders wirtschaftliche Lösung, da zu ihrer Herstellung ohne Einbußen bei der Stellgenauigkeit wesentlich geringere Fertigungsgenauigkeit erforderlich ist, als etwa beim Einsatz von Untersetzungsgetrieben mit Zahnradgetriebestufen.
Das Tastelement besitzt in der Steuerkulisse ein geringfügiges Bewegungsspiel, das in den weiteren Betrachtungen vernachlässigt wird. Weiters kann die Form der Steuerkurve und damit das Übersetzungsverhältnis zwischen Drehantrieb und Stellgliedbewegung für den jeweiligen Anwendungsfall passend festgelegt werden und damit beispielsweise das Betriebsverhalten und der Wirkungsgrad eines damit geregelten Motors einfach optimiert werden.
Die Steuerkulisse kann insbesondere über ihren Verlauf einen stetig abnehmenden Abstand zur Drehachse der Steuerscheibe aufweisen, wodurch eine eindeutige und umkehrbare Beziehung zwischen Drehwinkel der Steuerscheibe und Abstand des Tastelements von der Drehachse gegeben ist, was Steuer- und Regelvorgänge erleichtert.
Die Steuerkurve, nach der die Steuerkulisse verläuft und die spiralförmig um die Drehachse gewunden ist, kann dabei abschnittsweise die Form einer archimedischen Spirale aufweisen, wodurch ein linearer Zusammenhang zwischen Drehwinkel der Steuerscheibe und Verstellweg des Tastelements gegeben ist. Weiters kann die Steuerkurve abschnittsweise auch einer logarithmischen Spirale entsprechen, wodurch über den Verlauf der Steuerkulisse bezogen auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene ein konstanter Steigungswinkel der Steuerkurve gegeben ist.
Zur besseren Anpassung an die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung, etwa einer Motorsteuerung, ist es von Vorteil, wenn die Steuerkulisse über ihren Verlauf bezogen auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene unterschiedliche Steigungswinkel aufweist. Wird beispielsweise ein Abschnitt mit geringem Steigungswinkel ausgeführt, bewirkt eine Verdrehung der Steuerscheibe um einen bestimmten Drehwinkel nur eine geringfügige Verstellung des Tastelements, das heißt bei gegebenem Drehwinkel der Steuerscheibe wird ein kleinerer Verstellweg erreicht, jedoch mit verhältnismäßiger hoher Stellkraft. Wird hingegen ein Abschnitt der Steuerkurve mit großem Steigungswinkel ausgeführt, wird bei einem bereits geringen Drehwinkel ein relativ großer Verstellweg des Stellgliedes bewirkt und können schnelle Verstellbewegungen mit hoher Dynamik ausgeführt werden, allerdings jedoch mit verringerter Stellkraft.
Besonders für die Ansteuerung eines Wastegate-Ventils ist es von Vorteil, wenn ein auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene bezogener Steigungswinkel der Steuerkulisse in ihrem gesamten Verlauf größer als der Haftreibungswinkel zwischen Tastelement und Steuerkulisse ist. Dadurch kann zwischen Tastelement und Steuerscheibe keine Selbsthemmung auftreten und im Versagensfall der Stellvorrichtung kann das Wastegate-Ventil von der Krafteinwirkung des Abgases aufgedrückt werden, indem die Steuerscheibe vom Stellglied in drehende Bewegung versetzt werden kann und kann dadurch eine Überlastung des Turboladers vermieden werden.
Ein vorteilhaftes Ansprechverhalten eines aufgeladenen Verbrennungsmotors wird erzielt, wenn das Wastegate-Ventil mit relativ hoher Schließkraft in geschlossener Stellung gehalten werden kann, wodurch sich ein schneller Druckaufbau im niedrigen Drehzahlbereich ergibt und wenn gleichzeitig ausgehend von der geschlossenen Stellung schnelle Öffnungs- und Schließbewegungen durchgeführt werden können, wodurch ein Turbolader bei schnellem Drehzahlanstieg vor zu hohen Drehzahlen und Überlastungen geschützt werden kann, und weiters bei Abfallen der Drehzahl durch schnelles Schließen des Wastegate-Ventils die Abgasaufladung aufrecht erhalten werden kann. Dies wird vorteilhafterweise erreicht, in dem ein auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene bezogener Steigungswinkel der Steuerkulisse in einem äußeren Endabschnitt und/oder einem inneren Endabschnitt der Steuerkulisse kleiner ist als in einem Mittelabschnitt der Steuerkulisse. Ein relativ flacher Steigungswinkel in den Endstellungen des Stellgliedes erfordert weiters eine geringe Stromaufnahme des Drehantriebes zur Beibehaltung dieser Lagen.
Um die Stellvorrichtung bei verschiedenen Einbausituationen universell einsetzen zu können, kann es von Vorteil sein, wenn ein auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene bezogener Steigungswinkel der Steuerkulisse über den Drehwinkel der Steuerscheibe einen bezüglich einer Mittellage symmetrischen Verlauf aufweist. Ausgehend von einer Mittelstellung kann ein von der Steuerscheibe bewirktes Verstellen des Stellgliedes in einer bestimmten Richtung sowohl ein Öffnen als auch ein Schließen eines Wastegate-Ventiles bewirken, ohne dass sich die Stellcharakteristik verändern würde.
Eine baulich einfache Ausführung der Stellvorrichtung ist gegeben, wenn das Tastelement lediglich von einer Seite axial in die Steuerkulisse eingreift und die Steuerscheibe an der der Steuerkulisse gegenüberliegenden Unterseite einen geschlossenen Boden aufweist. Dadurch, dass die Steuerkurve in einer zur Drehachse rechtwinkeligen Ebene liegt, ergeben sich durch den Kontakt mit dem Tastelement nur sehr geringe Kippmomente auf das Übertragungselement bzw. die Steuerscheibe, weshalb diese sehr einfach gelagert sein kann. Weiters ist die Verstellebene des Stellgliedes nur wenig von der Ebene der Steuerkurve beabstandet, weshalb auch auf das Stellglied nur geringe Kippmomente ausgeübt werden.
Günstige Kraftverhältnisse beim Abgreifen der Steuerkurve mittels des Stellgliedes sind gegeben, wenn das in die Steuerkulisse ragende Tastelement durch eine auf das Stellglied wirkende, sowie am oder innerhalb des Gehäuses angeordnete Führungsanordnung oder Schwenklagerung in Bezug auf die Drehachse der Steuerscheibe etwa in radialer Richtung geführt ist. Dies kann beispielsweise durch eine Axialführung des stangenförmigen Stellgliedes gegeben sein oder aber auch durch ein Stellglied in Form eines ein Tastelement tragenden Kurbelhebels, der das Tastelement annähernd in radialer Richtung führt. Der Kurbelarm überträgt seine Schwenkbewegung über eine Abtriebswelle auf ein zu bewegendes Element, wie z.B. eine schwenkbare Ventilklappe.
Eine für die Verwendung im Kraftfahrzeugbau vorteilhafte Ausführungsform ist gegeben, wenn das Stellglied stangenförmig ausgebildet ist und in Richtung seiner Längsachse verstellbar im Gehäuse gelagert ist. Ein derartiges stangenförmiges Stellglied, das in axialer Richtung geführt ist, benötigt keinen oder nur sehr geringen Bewegungsraum, weshalb auch bei ungünstigen Platzverhältnissen die Stellvorrichtung vorteilhaft zum Einsatz kommen kann.
Wenn die Längsachse des stangenförmigen Stellgliedes die Drehachse annähernd oder exakt schneidet, ist ebenfalls eine günstige Kraftübertragung zwischen Tastelement und Steuerscheibe gegeben sowie nur ein geringer Raumbedarf für das Stellglied außerhalb der Stellvorrichtung.
Um den baulichen Aufwand und den erforderlichen Raumbedarf für die Stellvorrichtung niedrig zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Steuerkurve sich über einen Drehwinkel der Steuerscheibe um die Drehachse von zumindest 180°, vorzugsweise 360° und insbesondere 540° erstreckt. Größere Gesamtdrehwinkel der Steuerscheibe über 360° bewirken relativ großes Übe rsetzungsverhältnis zwischen Drehwinkel der Steuerscheibe und Verstellweg des Tastelements, wodurch bei Verwendung von herkömmlichen Elektromotoren als Drehantrieb eventuell keine oder nur eine vorgeordnete Übersetzungsstufe zwischen Drehantrieb und Steuerscheibe erforderlich ist. Weiters kann durch diese Länge des Drehwinkels zwischen den beiden Endstellungen der Steuerscheibe eine Variation der Steigungswinkel der Steuerkulisse leichter realisiert werden als bei einem kleineren Steuerwinkel. Die Steuerkulisse kann grundsätzlich einen frei wählbaren Gesamtdrehwinkel der Steuerscheibe festlegen und wird dabei der benötigte Verstellweg als auch das Übersetzungsverhältnis berücksichtigt.
Gesamtdrehwinkel unter 360° sind bevorzugt bei Dreh antrieben mittels elektromagnetischen Schwenkantrieben mit gängigen Drehwinkeln von 270° oder bei der Verwendung von drehmomentstarken Torque-Motoren einsetzbar.
Die Stellvorrichtung ist daher für verschiedenste Arten von Drehantrieben einsetzbar und ist die Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall über die Festlegung der Steuerkurve relativ einfach möglich.
Ein guter Kompromiss aus Minimierung des Raumbedarfes und hohen übertragbaren Stellkräften ist gegeben, wenn der Durchmesser der Steuerscheibe zumindest dem Dreifachen der Dicke der Steuerscheibe entspricht. Diese relativ flache Ausführung der Steuerscheibe bewirkt die kurze Baulänge einer derartigen Stellvorrichtung und die damit verbundenen Vorteile.
Eine einfache Anbindung der Steuerscheibe an den Drehantrieb ist gegeben, wenn die Steuerscheibe an ihrer der Steuerkulisse gegenüberliegenden Unterseite am Umfang eine Verzahnung, insbesondere eine Innenverzahnung aufweist. Zusammen mit einem Ritzel am Drehantrieb in Form eines Elektromotors kann hier ein Untersetzungsverhältnis von 5:1 ins Langsame mit gängigen Bauteilgrößen erreicht werden, was zusammen mit der Übersetzungswirkung der Steuerkulisse eine baulich insgesamt einfache Ausführung der Stellvorrichtung bewirkt.
Um zu verhindern, dass in den Endpositionen der Steuerscheibe die Enden der Steuerkulisse gegen das Tastelement schlagen, kann vorgesehen sein, dass die Drehachse der Steuerscheibe oder ein Anschlagabschnitt im Gehäuse einen mechanischen Endanschlag für die Verstellbewegung des Stellgliedes bildet. Das Stellglied wird dadurch in den Endpositionen keinen Schlägen quer zu seiner Längsachse ausgesetzt, die die auf das Stellglied wirkenden Führungen zerstören könnten.
Um in den Endstellungen auch die Belastungen für die Steuerscheibe bzw. das Stellglied niedrig zu halten, kann auch vorgesehen sein, dass im Gehäuse ein mechanischer Endanschlag für die Steuerscheibe angeordnet ist.
Im Betrieb einer derartigen Stellvorrichtung kann es möglich sein, dass eine Endstellung des Verstellweges durch einen von der Stellvorrichtung unabhängigen auf das Stellglied wirkenden Endanschlag definiert ist, wie es beispielsweise durch eine in geschlossener Stellung zum Stillstand kommende Wastegate-Ventilklappe gegeben ist. Um in diesem Fall unnötig hohe oder schädliche Kraftspitzen innerhalb der Stellvorrichtung zu vermeiden, kann es von Vorteil sein, wenn im Kraftfluss zwischen Drehantrieb und Übertragungsabschnitt des Stellgliedes ein federelastisches Dämpfungselement angeordnet ist. Das federelastische Dämpfungselement ist vorzugsweise vorgespannt, damit in normalen Betrieb auftretende Stellkräfte ohne Verzögerung direkt weitergeleitet werden, jedoch bei Überschreiten einer vordefinierten Stellkraft die elastische Nachgiebigkeit des Dämpfungselements wirksam wird. Die schnell angetriebenen Bestandteile der Stellvorrichtung, wie Drehantrieb und Steuerscheibe, fahren dadurch gewissermaßen nicht gegen einen festen Anschlag, sondern erhalten durch die elastische Wirkung des Dämpfungselements einen kleinen Bremsweg zur Verfügung gestellt, in dem die erforderlichen Verzögerungen verfolgen können, ohne dass schädliche Stöße im Inneren der Stellvorrichtung auftreten.
Eine alternative Ausführungsform einer Stellvorrichtung besteht darin, dass das Stellglied als Kurbelanordnung ausgebildet ist, die einen im Gehäuse mittels einer Schwenklagerung bezüglich einer zur Drehachse etwa parallelen Schwenkachse drehbaren und den Kopplungsabschnitt aufweisenden Kurbelhebel sowie eine den Übertragungsabschnitt bildende in Richtung der Schwenkachse aus dem Gehäuse führende Abtriebswelle umfasst. Diese Bauform kann vorteilhafterweise dort zum Einsatz kommen, wo ein Gegenstand Schwenkbewegungen ausführen soll, da das dafür notwendige Drehmoment über die Abtriebswelle unmittelbar ohne weitere Zwischenglieder wie Hebel usw. eingeleitet werden kann. Als Beispiele dafür sind Ventilklappen, Drosselklappen und auch Wastegate-Ventile genannt.
Bei dieser Bauform ist weiters eine Positionserfassung des Stellgliedes sehr leicht möglich, indem im Gehäuse zur Erfassung des Drehwinkels der Abtriebswelle eine Messanordnung angeordnet ist, insbesondere umfassend einen im Gehäuse ortsfest angeordneten Hallsensor und ein an der Abtriebswelle angeordnetes Permanentmagnetelement. So kann auch unmittelbar der Drehwinkel eines mit der Stellvorrichtung angetriebenen Gegenstandes, z.B. einer Ventilklappe gemessen werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiters durch eine Stellvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 18 gelöst. Diese Ausführung der Stellvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Führung des Stellgliedes nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, am Durchtritt des Stellglieds durch das Gehäuse positioniert ist, sondern von diesem distanziert im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und dadurch näher am Kopplungsabschnitt wirksam ist. Geringfügige Schwenkbewegungen des Stellgliedes im Zuge seiner Verstellbewegungen führen dadurch zu geringeren Problemen in der Axialführung des Stellgliedes und besitzt eine derartige Stellvorrichtung eine größere Toleranz für den Einbau oder die Anbindung an den Abgasturbolader bzw. das Wastegate-Ventil. Das Stellglied erreicht durch diese Maßnahmen eine zusätzliche Beweglichkeit quer zur Hauptverstellrichtung in seiner Längsachsenrichtung, da es geringfügige Schwenkbewegungen ausführen kann. Die Genauigkeitsanforderungen an die Führungen sind dadurch geringer und wirken sich gleichzeitig Querbewegungen des Stellgliedes weniger schädlich auf die Führungsanordnung aus. Dadurch kann die Führung einfach aufgebaut sein und trotzdem die ausreichende Führungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit aufweisen.
Eine kurze Kontaktzone bzw. zwischen Stellglied und den Führungsabschnitten ist gegeben, wenn die Führungsflächen in einer in der Längsachse des Stellgliedes verlaufenden Führungsebene konvex ausgebildet sind. Durch die kurze Kontaktzone zwischen Kopplungsabschnitt und Führungsflächen ist eine größere Schwenkbeweglichkeit des Stellgliedes in seiner Führung gegeben und können geringfügige Einbautoleranzen leichter ausgeglichen werden.
Dies kann auch dadurch unterstützt werden, dass die Führungsabschnitte in einer zur Längsachse des Stellgliedes rechtwinkelig verlaufenden Radialebene angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ebenfalls eine kurze Kontaktzone zwischen Stellglied und Führung, wodurch einer geringfügigen Schwenkbewegung des Stellgliedes nur ein geringes Führungsmoment entgegengesetzt wird.
Um einen Verschleiß zwischen dem Kopplungsabschnitt des Stellglieds und der Führung zu vermindern, können die Führungsabschnitte mit den Führungsflächen jeweils von einer Führungsrolle gebildet sein. Eine Gleitpaarung zwischen Stellglied und Führung wird dadurch durch eine Wälzpaarung ersetzt und ergibt sich daraus ein reduzierter Verschleiß.
Wenn dabei die Achsen aller Führungsrollen im Wesentlichen in einer zur Längsachse des Stellgliedes rechtwinkelig verlaufenden Radialebene angeordnet sind, ergibt sich wiederum eine kurze Kontaktzone zwischen dem Kopplungsabschnitt und der Führung, was eine relativ gute Verschwenkbeweglichkeit des Stellgliedes mit den zuvor angeführten Vorteilen bewirkt.
Um eine einfache Führung des Stellgliedes auch quer zur Führungsebene der Führungsrollen zu bewirken, können diese an ihrem Außenumfang eine umlaufende V-Nut aufweisen.
Damit die Schwenkbeweglichkeit entlang des Verstellwegs des Stellgliedes möglichst gleichmäßig gegeben ist, ist es von Vorteil, wenn die Kontaktzonen der Führungsflächen etwa in der Hälfte des Verstellweges eines mit dem Übertragungselement zusammenwirkenden Kopplungspunktes bzw. des Tastelementes des Stellgliedes positioniert sind.
Eine weitere Maßnahme, die Beweglichkeit des Stellgliedes quer zur Verstellrichtung zu erhöhen, kann darin bestehen, die Führungsabschnitte, insbesondere Führungsrollen radial und/oder axial elastisch bzw. federnd zu lagern. Eine geringfügige Vorspannung der Führungsabschnitte gegeneinander, kann dazu beitragen, Verschleiß am Kopplungsabschnitt bzw. an den Führungsflächen auszugleichen und die Führung des Stellgliedes dauerhaft sicherzustellen.
Eine alternativ mögliche Ausführung der Führung besteht darin, dass die Führungsanordnung eine innere, den Kopplungsabschnitt linear führende Axialführung umfasst, die zwischen konkaven Führungsflächen der Führungsabschnitte schwenkbar geführt ist. Ein Klemmen des Stellgliedes in der Führungsanordnung ist dadurch auch bei größeren Schwenkbewegungen wirksam vermieden und ist dadurch die Einbautoleranz einer derartigen Stellvorrichtung weiter erhöht.
Eine alternative Ausführungsform mit ebenfalls guter Schwenkbeweglichkeit des Stellgliedes ist gegeben, wenn am Kopplungsabschnitt zwei bezüglich der Längsachse des Stellgliedes diametral angeordnete konvexe Führungselemente, insbesondere Führungsrollen, angeordnet sind, die den Kopplungsabschnitt zwischen den Führungsflächen führen, da auch in dieser Ausführungsform nur eine kurze Kontaktzone zwischen Kopplungsabschnitt und Führungsflächen gegeben ist.
Wenn dabei die Führungselemente in Längsrichtung des Stellgliedes betrachtet etwa auf gleicher Höhe mit einem mit dem Übertragungselement zusammenwirkenden Kopplungspunkt des Stellgliedes, z.B. dem Tastelement, angeordnet sind, ist ein guter Kompromiss aus Führungsgenauigkeit und Querbeweglichkeit bzw. Schwenkbeweglichkeit des Stellgliedes gegeben.
Eine mögliche Ausführungsform besteht weiters darin, dass der Kopplungsabschnitt zwischen den Führungsabschnitten eine Breite aufweist, die zumindest dem Doppelten einer Querschnittsabmessung des Übertragungsabschnittes entspricht. Der gegenüber dem Übertragungsabschnitt wesentlich verbreiterte Kopplungsabschnitt erleichtert die Anbringung des Tastelements oder von Elementen zur Positionsmessung und ermöglicht eine großzügig dimensionierte Führung des Stellgliedes innerhalb des Gehäuses. Der vom Querschnitt relativ kleine Übertragungsabschnitt benötigt lediglich eine relativ kleine Durchtrittsöffnung im Gehäuse.
Damit trotz der erhöhten Querbeweglichkeit einer derartig ausgeführten Stellvorrichtung eine Positionserfassung des Stellgliedes mit hoher Genauigkeit erfolgen kann, ist es von Vorteil, wenn eine Messanordnung zur Erfassung der Position des Stellgliedes relativ zum Gehäuse bezogen auf die Längsachse des Stellgliedes etwa auf Höhe der Führungsanordnung angeordnet ist. Der durch Querbewegungen oder Schwenkbewegungen des Stellgliedes entstehende Messfehler ist dadurch minimiert.
Um die Schwenkbeweglichkeit des Stellgliedes sicherzustellen und gleichzeitig eine gute Abdichtung der Stellvorrichtung im Betrieb sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn im Gehäuse eine Durchtrittsöffnung für den Übertragungsabschnitt des Stellgliedes ausgebildet ist, deren Öffnungsquerschnitt Innendurchmesser bzw. lichte Weiten aufweist, die in der jeweils betrachteten Richtung zumindest um 10 % größer als der entsprechende Außendurchmesser des Stellgliedes sind und der dabei entstehende Zwischenraum mittels einer elastischen Dichtung, insbesondere einer Balgdichtung verschlossen ist. Die Verwendung einer Balgdichtung schränkt die Beweglichkeit des Stellgliedes nur minimal ein und ergibt trotzdem noch eine zuverlässige Abdichtung des vergrößerten Öffnungsquerschnittes.
Besonders vorteilhaft erweist sich eine Kombination der Stellvorrichtung mit der vergrößerten Schwenkbeweglichkeit des Stellgliedes mit einem scheibenförmigen Übertragungselement mit darin vertieft angeordneter Steuerkulisse, die von einem Tastelement am Stellglied abgetastet wird.
Da die Steuerkulisse in ihrer Richtung nur relativ wenig von der Tangentialrichtung abweicht, unterstützt diese Form der Koppelung des Stellgliedes an das Übertragungselement die Schwenkbeweglichkeit der Stellvorrichtung.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiters durch eine Stellvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 33 gelöst. Dadurch, dass die Position des Stellgliedes direkt von diesem abgegriffen wird und nicht unmittelbar beispielsweise am Drehantrieb erfolgt, entfallen Messerfehler die auf Herstellungstoleranzen in den einzelnen Übersetzungsstufen wirken. Durch den Abgriff der Position direkt am Kopplungsabschnitt haben dabei Schwenkverlagerungen des Stellgliedes eine relativ geringe Einwirkung auf die Positionsmessung, wodurch sich diese Ausführung einer Stellvorrichtung auch optimal mit zuvor beschriebenen Ausführungsformen kombinieren lässt.
Wenn der Positionsgeber etwa zentral in der Längsachse des Stellgliedes angeordnet ist, wird der durch Schwenkbewegungen des Stellgliedes entstehende Messfehler minimiert, durch diese Anordnung das Abbesche Komparatorprinzip annähernd eingehalten wird.
Eine weitere Minimierung des Messfehlers bei allfälligen Schwenkbewegungen des Stellgliedes wird erzielt, wenn der Positionssensor bei Mittelstellung des Stellgliedes etwa auf Höhe einer im Gehäuse angeordneten Führungsanordnung für das Stellglied angeordnet ist und/oder der Positionsgeber in Längsrichtung des Stellgliedes betrachtet etwa auf gleicher Höhe mit einem mit dem Übertragungselement zusammenwirkenden Kopplungspunkt des Stellgliedes angeordnet sind.
Eine Stellvorrichtung mit der beschriebenen Messanordnung kann auch optimal mit zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Stellvorrichtung kombiniert werden.
Eine hohe Dynamik der Verstellbewegung, die den Anforderungen an eine optimale Motorregelung bzw. Steuerung entspricht, wird erzielt, wenn der Drehantrieb durch einen mit dem Gehäuse verbundenen, insbesondere an dessen Außenseite angeflanschten Elektromotor mit wechselbarer Drehrichtung oder elektrischen Schwenkantrieb, der einem gekrümmten Linearmotor entspricht, gebildet ist. Ein derartiger Drehantrieb kann gegenüber pneumatischen Ladedruckregelventilen ein wesentlich besseres Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors ermöglichen und kann die Regelcharakteristik des Stellantriebes auf einfache Weise durch Änderung der in der Motorsteuerung hinterlegten Kennfelder bzw. Steuerkurven und Regelparameter an die Bedürfnisse optimal angepasst werden.
Eine einfache und stabile Lagerung des Übertragungselements bzw. der Steuerscheibe ist gegeben, wenn das Gehäuse ein Gestell aufweist, an dem das Übertragungselement beidseitig drehbar gelagert ist. Durch die beidseitige Lagerung können durch das Stellglied verursachte Kippmomente auf das Übertragungselement optimal aufgenommen werden und können einfachere Lager als bei einer fliegenden Lagerung des Übertragungselements eingesetzt werden.
Eine baulich vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn das Gestell einen Wandabschnitt des Gehäuses bildet. Das Gehäuse besteht in diesem Fall im Wesentlichen aus dem Gestell und einen daran befestigten Gehäusedeckel, der abnehmbar ist und den Zugang zu den inneren Bauteilen der Stellvorrichtung erlaubt. Ein derartiger Wandabschnitt kann auch als Befestigungsabschnitt ausgeführt sein, mit dem die Stellvorrichtung montiert wird.
Eine mechanisch stabile Ausführungsform der Stellvorrichtung besteht darin, das Gestell als Umformteil aus einem Blechzuschnitt gebildet ist. Ein derartiges Gestell lässt sich auch in großen Stückzahlen bzw. bei Massenfertigung kostengünstig herstellen, besitzt eine hohe Temperaturbeständigkeit und mechanische Festigkeit.
Eine weitere Möglichkeit die Herstellkosten einer derartigen Stellvorrichtung zu minimieren, besteht darin, das Übertragungselement und/oder die Führungsabschnitte und/oder die Führungselemente im Wesentlichen aus einem Polymer, insbesondere einem Polyetherketon (PEEK) herzustellen. Durch die Verwendung von Polymeren kann außerdem eine Gewichtsreduktion der Stellvorrichtung erzielt werden.
Das Übertragungselement bzw. im Speziellen die Steuerscheibe mit der Steuerkulisse kann unter gewissen Bedingungen auch wirtschaftlich durch ein Urformteil gebildet sein. Dies kann durch die Herstellung eines Polymer-Spritzgussteils oder Metall-Druckgussteil realisiert sein.
Schließlich ist es auch möglich, das Übertragungselement durch ein Umformteil, insbesondere durch ein Blechtiefziehteil, zu bilden. Ein derartiges Übertragungselement erträgt auch sehr hohe Einsatztemperaturen und kann ebenfalls in großen Stückzahlen wirtschaftlich hergestellt werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:
1 eine Ausführungsform einer Stellvorrichtung mit einer Steuerkulisse und stangenförmigem Stellglied;
2 einen Schnitt durch eine Stellvorrichtung in Richtung II-II in 1;
3 eine mögliche Ausführungsform der Steuerscheibe einer Stellvorrichtung;
4 ein Diagramm mit einem möglichen Zusammenhang zwischen Drehwinkel der Steuerscheibe und Steigungswinkel der Steuerkulisse;
5 eine Ausführungsform einer Stellvorrichtung mit einer speziellen Führungsanordnung für ein Stellglied;
6 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Führungsanordnung für ein Stellglied einer Stellvorrichtung;
7 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Führungsanordnung für ein Stellglied einer Stellvorrichtung mit einer integrierten Axialführung;
8 eine weitere mögliche Ausführungsform einer Führungsanordnung für ein Stellglied einer Stellvorrichtung mit Führungsrollen am Stellglied;
9 eine Ausführungsform einer Stellvorrichtung mit einer speziellen Messanordnung zur Erfassung der Position des Stellgliedes;
10 eine Ansicht einer möglichen weiteren Ausführungsform einer Stellvorrichtung;
11 eine Ansicht der Stellvorrichtung gemäß 10 mit abgenommenem Gehäuse und entferntem Gestell;
12 eine Ansicht der Stellvorrichtung gemäß 10 und 11 mit abgenommenem Gehäuse und
13 eine Ausführungsform einer Stellvorrichtung mit einer Steuerkulisse und einem Stellglied in Form einer Kurbelanordnung.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mitumfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
1 zeigt einen Schnitt durch eine Stellvorrichtung 1, die dazu dient, ein Stellglied 2, beispielsweise ein Stangenelement 3 zu verstellen und dadurch beispielsweise ein mit dem Stellglied 2 verbundenes Wastegate-Ventil am einem Abgas-Turbolader zwischen einer Geschlossenstellung und einer Offenstellung zu verstellen. Das Stellglied 2 wird von der Stellvorrichtung 1 im Wesentlichen geradlinig in Verstellrichtung 4, gekennzeichnet durch einen Doppelpfeil, verstellt, wobei die Verstellbewegung 4 im dargestellten Ausführungsbeispiel in Richtung der Längsachse 5 des Stellgliedes 2 erfolgt. Die Stellvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 6, in dessen Inneren sich ein Kopplungsabschnitt 7 des Stellgliedes 2 befindet und an den ein Übertragungsabschnitt 8 des Stellgliedes 2 anschließt, der aus dem Gehäuse 6 herausführt. Die Verstellbewegung 4 des Stellgliedes 2 wird durch einangetriebenes Übertragungselement 9 im Inneren des Gehäuses 6 bewirkt, das am Kopplungsabschnitt 7 mit dem Stellglied 2 gekoppelt ist und dieses zwischen einer in Volllinien dargestellten äußeren ersten Endstellung 10 und einer in strichlierten Linien dargestellten zweiten inneren Endstellung 11 verstellt. In der inneren Endstellung 11 wird beispielsweise durch eine Zugkraft des Stellgliedes 2 ein Wastegate-Ventil in der Geschlossenstellung gehalten, wobei aufgrund des Abgasdruckes relativ hohe Kräfte erforderlich sein können.
Das Übertragungselement 9 ist durch eine in 1 in Draufsicht erkennbare Steuerscheibe 12 gebildet, die mit einem Drehantrieb 13, beispielsweise in Form eines Elektromotors 14, antriebsverbunden ist. Mit dem Drehantrieb 13 kann das Übertragungselement 9 in Form der Steuerscheibe 12 bezüglich einer Drehachse 15 zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verdreht bzw. verschwenkt werden. Dabei entspricht die erste Endstellung des Übertragungselement 9 der ersten Endstellung 10 des Stellgliedes 2 und die zweite Endstellung des Übertragungselement 9 der strichliert dargestellten zweiten Endstellung 11 des Stellgliedes 2.
Die Koppelung zwischen dem Übertragungselement 9 in Form der Steuerscheibe 12 und dem Kopplungsabschnitt 7 des Stellgliedes 2 erfolgt durch eine entlang einer Steuerkurve 16 verlaufende Steuerkulisse 17, in die ein am Kopplungsabschnitt 8 des Stellgliedes 2 angeordnetes Tastelement 18 eingreift.
Das Tastelement 18 ist beispielsweise ein zur Drehachse 15 parallel orientierter Bolzen und kann zur Verringerung der Reibung in der Steuerkulisse 17 mit einer drehbaren Außenhülse versehen sein. Dabei kann das Tastelement 18 bzw. die Außenhülse neben einer zylindrischen Form zumindest abschnittsweise auch eine tonnenförmige, ballige oder sphärische Form aufweisen, wodurch das Tastelement 18 in der Steuerkulisse 17 zusammen mit der Stellglied 2 in allen Richtungen zumindest kleine Schwenkbewegungen ausführen kann, wodurch auch bei größeren Bauteiltoleranzen insbesondere die Anbindung der Stellvorrichtung 1 an ein Wastegate-Ventil oder die Befestigung der gesamten Stellvorrichtung 1 erleichtert wird.
Die Steuerkulisse 17 in der Steuerscheibe 12 kann diese vollständig durchsetzen und das Tastelement 18 in diesem Fall beispielsweise mittels eines gabelförmigen Kopplungsabschnitts 7 beidseitig der Steuerscheibe 12 sehr stabil am Kopplungsabschnitt 7 befestigt sein. Weiters kann eine derartige Steuerkulisse 17 mittels eines Stanzvorgangs hergestellt werden und dadurch eine wirtschaftliche Herstellung großer Stückzahlen von Steuerscheiben 12 in Form von Blech-Stanzteilen möglich ist.
Alternativ dazu kann die Steuerkulisse einen nutartigen, rechteckigen Querschnitt aufweisen und ist der Grund der Steuerkulisse 17 durch einen Boden 19 der Steuerscheibe gebildet sein. In diesem Fall greift das Tastelement 18 nur von einer Seite her axial in die Steuerkulisse 17 ein, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist, ein einseitiger axialer Eingriff des Tastelements 18 ist.
Die Steuerkurve 16 verläuft über ihren gesamten Verlauf in einem Abstand 20 zur Drehachse 15, wodurch in der Verstellbewegung 4 des Stellgliedes 2 kein Totpunkt auftritt, in dem trotz Verdrehens der Steuerscheibe 12 ein Stillstand des Stellgliedes 2 eintreten würde. Der Abstand 20 der Steuerkurve 16 nimmt dabei von der äußeren Endstellung 10 bis zur inneren Endstellung 11 stetig ab, wodurch ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Drehwinkel der Steuerscheibe 12 und dem Verstellweg des Stellgliedes 2 gegeben ist.
Die Koppelung zwischen Drehantrieb 13 und der Steuerscheibe 12 erfolgt beispielsweise mittels eines Antriebsritzels 21, das in eine nicht dargestellte Verzahnung an der Steuerscheibe 12, vorzugsweise einer Innenverzahnung eingreift.
Das Tastelement 18 wird durch die Steuerkulisse 17 bezogen auf die Drehachse 15 etwa in radialer Richtung verstellt, wobei die genaue Bahn des Tastelements 18 durch die Führung bzw. Lagerung des Stellgliedes 2 gegeben ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das Stellglied 2 durch eine Führungsanordnung 22 am Gehäuse bezogen auf die Drehachse 15 in radialer Richtung verstellbar und alternativ dazu könnte das Stellglied 2 auch als Kurbelanordnung ausgeführt sein, bei dem der Kurbelhebel den Kopplungsabschnitt aufweist und eine aus dem Gehäuse führende Abtriebswelle den Übertragungsabschnitt darstellt. Die Bewegungsbahn des Tastelements 18 kann dadurch einem Kreisbogen entsprechen, der angenähert auch in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse 15 verläuft.
2 zeigt in einem Schnitt gemäß II-II in 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden und darauf zutreffende Beschreibungen nicht wiederholt werden.
2 zeigt das Eingreifen des Tastelements 18 in die Steuerkulisse 17, wobei das im dargestellten Ausführungsbeispiel in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse 15 und nur von der Oberseite der Steuerscheibe 12 her erfolgt. Die Steuerscheibe ist an ihrer Unterseite 23 topfartig ausgeführt und weist eine Innenverzahnung 24 auf, in die das Antriebsritzel 21 eingreift. Man erkennt in 2 auch den zwischen der Steuerkulisse 17 und der Ausnehmung an der Unterseite 23 durchgehenden Boden 19 der Steuerscheibe 12, der eine hohe mechanische Stabilität bewirkt. Das Gehäuse 6 ist in 2 als zweiteiliges Gehäuse dargestellt und ermöglicht beispielsweise ein abnehmbarer Gehäusedeckel den Zugang zu den Bauteilen im Inneren der Stellvorrichtung 1.
3 zeigt in Draufsicht auf eine Steuerscheibe 12 eine mögliche Ausführungsform der Steuerkulisse 17, die entlang der Steuerkurve 16 ausgehend von einem äußeren Endabschnitt 25 mit abnehmendem Abstand 20 zur Drehachse bis zu einem inneren Endabschnitt 26 verläuft. Wenn sich das Tastelement 18 im äußeren Endabschnitt 25 befindet, befindet sich auch das nicht dargestellte Stellglied 2 in der äußeren ersten Endstellung 10; wenn sich das Tastelement nach Verdrehung der Steuerscheibe 12 im inneren Endabschnitt 26 befindet, befindet sich das Stellglied 2 in der zweiten, inneren Endstellung 11. Für den Übergang des Tastelements 18 von der äußeren, ersten Endstellung 10 in die zweite, innere Endstellung 11 ist in der Ausführungsform gemäß 2 ein Gesamtdrehwinkel 27 der Steuerscheibe 12 von mehr als 360°, nämlich etwa 410°, erforderlich. Die dargestellten Endstellungen 10, 11 und auch die Zwischenstellungen des Tastelements 18 in der Steuerkulisse 17 liegen auf einem gemeinsamen Radiusstrahl, wenn das Stellglied 2 in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse 15 geführt ist. Die Auslegung der Steuerkulisse 17 erfolgt vorzugsweise so, dass das Tastelement 18 nicht bis an die Enden der Steuerkulisse 17 anschlagen kann, da dadurch große Querkräfte auf das Stellglied 2 ausgeübt werden würden.
Die Steuerkulisse 17 mit ihrem abnehmenden Abstand 20 wirkt auf das Tastelement 18 wie eine schiefe Ebene, die gewissermaßen um die Drehachse 15 aufgewickelt ist. Die Steuerkurve 16 bzw. die Steuerkulisse 17 besitzt dabei relativ zu einer Bezugsebene 28, die rechtwinkelig auf einen jeweils betrachteten Radius verläuft, einen Steigungswinkel 29, der gleichwirkend ist wie ein entsprechender Steigungswinkel einer schiefen Ebene. Durch den Steigungswinkel 29 ist am jeweils betrachteten Punkt der Steuerkurve 16 das Verhältnis zwischen radialem Verstellweg des Tastelements 18 und dem dazu erforderlichen Drehwinkel 30 der Steuerscheibe 12 festgelegt. Ein flacher Steigungswinkel 29 erfordert demnach einen größeren Drehwinkel 30 um einen bestimmten Verstellweg des Stellgliedes 2 zu bewirken, als ein steilerer Steigungswinkel 29.
Ein vom Drehantrieb 13 auf die Steuerscheibe 12 ausgeübtes Drehmoment wird von der Steuerkulisse 17 in eine radiale Stellkraft auf das Tastelement 18 bzw. das Stellglied 2 umgewandelt, wobei der Steigungswinkel 29 auch ein Übersetzungsverhältnis für die dabei wirkenden Kräfte vorgibt. So können bei einem flachen Steigungswinkel 29 bei gleichem Drehmoment größere Stellkräfte ausgeübt werden, als bei einem steileren Steigungswinkel 29. Für die Ansteuerung eines Wastegate-Ventils ist es von Vorteil, wenn im äußeren Endabschnitt 25 und/oder im inneren Endabschnitt 26 ein flacherer Steigungswinkel 29 gegeben ist, als in einem Mittelabschnitt 31 zwischen äußerem Endabschnitt 25 und innerem Endabschnitt 26. Diese Form der Steuerkurve 16 bewirkt, dass in den Endstellungen ein großes Übersetzungsverhältnis gegeben ist, mit geringem Drehmoment des Drehantriebes 13 eine große Stellkraft auf das Stellglied 2 ausgeübt werden kann und dass im Mittelabschnitt 31 mit größerem Steigungswinkel 29 schnelle Verstellbewegungen 4 des Stellgliedes 2 ausgeführt werden können. Dadurch wird ein gutes Ansprechverhalten eines aufgeladenen Verbrennungsmotors erzielt.
In 4 ist ein derartiger Zusammenhang zwischen Drehwinkel der Steuerscheibe 12 und dem damit bewirkten Verstellweg des Stellgliedes 2 beispielhaft dargestellt. Man erkennt, dass der Gesamtdrehwinkel 27 aus dem äußeren Endabschnitt 25, dem Mittelabschnitt 31 und dem inneren Endabschnitt 26 der Steuerkurve 16 zusammengesetzt ist und dass der Verstellweg im Mittelabschnitt 31 aufgrund des steileren Steigungswinkels 29 sich pro Drehwinkeleinheit stärker verändert als in den Endabschnitten 25 und 26.
Der Zusammenhang zwischen Drehwinkel und Verstellweg kann als Übersetzungscharakteristik bezeichnet werden und kann, wie in 4 angedeutet, einen symmetrischen Verlauf bezüglich einer Mittelstellung aufweisen. Durch eine solche symmetrische Übersetzungscharakteristik kann eine derartige Stellvorrichtung 1 universell eingesetzt werden, unabhängig davon, in welcher Endstellung hohe Stellkräfte gefordert werden.
5 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Stellvorrichtung 1, bei der ein Stellglied 2 in Form eines Stangenelements 3 im Inneren eines Gehäuses 6 einen Kopplungsabschnitt 7 aufweist, der mit einem Übertragungselement 9 gekoppelt ist. Das Übertragungselement 9 ist wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch eine Steuerscheibe 12 gebildet, kann jedoch auch davon abweichend ausgebildet sein. Das Stellglied 2 ist an einem Kopplungspunkt 32 mit dem Übertragungselement 9 gekoppelt, wobei der Kopplungspunkt 32 etwa durch das Tastelement 18 gebildet ist. In dieser Ausführung der Stellvorrichtung 1 kann das Stellglied 2 nicht nur bestimmungsgemäß in Richtung seiner Längsachse 5 verstellt werden, sondern kann auch in geringem Maße Schwenkbewegungen 33 quer zur Längsachse 5 ausführen, wobei die spezielle Anordnung der Führungsanordnung 22 diese Schwenkbewegungen 33 überhaupt ermöglicht.
Die Führungsanordnung 22 umfasst dazu voneinander beabstandete Führungsabschnitte 34 und 35, die im Inneren des Gehäuses 6 angeordnet sind und einander zugewandte Führungsflächen 36 und 37 aufweisen, zwischen denen der Kopplungsabschnitt 7 des Stellgliedes 2 geführt ist. Die Führungsflächen 36, 37 die die Bewegung des Stellgliedes 2 quer zu seiner Längsachse 5 beschränken, sind durch diese Anordnung wesentlich näher am Kopplungspunkt 32, als bei einer Anordnung der Führungsanordnung 22 im Bereich des Gehäuses 6, wie sie etwa bei einer Ausführung gemäß 1 gezeigt ist und wird durch diese Positionierung der Führungsanordnung 22 möglich, dass das Stellglied 2 geringfügige Schwenkbewegungen 33 ausführen kann
Durch die Führungsflächen 36, 37 ist das Stellglied 2 in seinen Bewegungen rechtwinkelig zu seiner Längsachse, also innerhalb einer zur Längsachse 5 rechtwinkeligen Radialebene 38, begrenzt, wobei diese Bewegungsbeschränkung zumindest in zwei entgegengesetzten Richtungen besteht. In 5 schränken die Führungsabschnitte 34 und 35 die Beweglichkeit des Stellgliedes 2 in der Zeichnungsebene ein, weshalb diese auch als Führungsebene 39 bezeichnet werden kann, die durch die Längsachse 5 verläuft und auch durch jene Richtung verläuft, in der die Bewegungsfreiheit des Stellgliedes 2 beschränkt ist.
Wie 5 weiters zeigt, sind die Führungsflächen 36, 37 in der Führungsebene 39 konvex abgebildet, was eine sehr kurze Kontaktzone 40 zwischen Stellglied 2 und Führungsanordnung 22 ergibt. Diese kurze Kontaktzone 40 bewirkt, dass die Schenkbewegungen 33 wesentlich erleichtert werden bzw. größere Schwenkwinkel möglich sind, ohne dass ein Klemmen des Stellgliedes 2 in der Führungsanordnung 22 eintritt.
6 zeigt einen Schnitt gemäß Linie VI-VI durch eine Führungsanordnung 22 für ein Stellglied 2, welches an seinem Kopplungsabschnitt 7 zwischen zwei Führungsabschnitten 34, 35 geführt ist. Die Führungsflächen 36 und 37 sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht an feststehenden Führungsabschnitten 34, 35 ausgebildet, sondern sind diese hier als Führungsrollen 41 ausgeführt, die im Inneren des Gehäuses 6 gelagert sind. Die Führungsrollen 41 liegen in der Führungsebene 39 und besitzen zueinander parallele Achsen 42. Der Kopplungsabschnitt 7 ist gegenüber dem Übertragungsabschnitt 8 wesentlich verbreitert und weist zwischen den Führungsabschnitten 34, 35, hier in Form der Führungsrollen 41, eine Breite 43 auf, die zumindest dem doppelten einer Querschnittsabmessung 44 des Übertragungsabschnittes 8 entspricht. Die Durchführung des Übertragungsabschnittes 8 durch das Gehäuse ist dadurch einfach möglich und ist gleichzeitig der Kopplungsabschnitt 7 großzügig dimensioniert, wodurch die Befestigung des Kopplungspunktes 32, beispielsweise des Tastelements 18, erleichtert ist.
Die Achsen 42 der Führungsrollen 41 sind in der Radialebene 38 gemäß 5 angeordnet. Neben der Führung in horizontaler Richtung in 6 ist durch zusätzliche Führungsrollen 41 auch eine Führung der Höhe nach möglich, wobei auch die Achsen 42 der zusätzlichen Führungsrollen vorzugsweise alle in der Radialebene 38 angeordnet sind, wodurch wieder eine in Längsachsrichtung 5 betrachtet kurze Kontaktzone 40 zwischen dem Kopplungsabschnitt 7 und den Führungsabschnitten 34, 35 gegeben ist. Falls die Führungsrollen 41, wie in 6 dargestellt, an ihrem Außenumfang eine umlaufende V-Nut 45 aufweisen, bewirken diese auch eine Führung quer zur Führungsebene 39, also in 6 der Höhe nach.
Für die Beweglichkeit des Stellgliedes 2 in der Führungsanordnung 22 quer zur Längsverstellrichtung 4 ist es von Vorteil, wenn die Mitte der Führungsanordnung 22 etwa in der Hälfte des Verstellweges des Kopplungspunktes 32 positioniert ist.
7 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Führungsanordnung 22 für ein Stellglied 2 einer Stellvorrichtung 1. Die Führungsanordnung 22 umfasst dabei eine innere, den Kopplungsabschnitt 7 in Richtung der Längsachse 5 linear führende Axialführung 46, die zwischen konkaven Führungsflächen 36 und 37 der Führungsabschnitte 34 und 35 im Inneren des Gehäuses 6 geführt ist. Die Axialführung 46 sorgt für die verschleißfreie Führung des Stellgliedes 2 in Richtung seiner Längsachse 5 und die konkaven Führungsflächen 36, 37 sorgen für die Schwenkbeweglichkeit des Stellgliedes 2. Der Kopplungspunkt 32 ist in 7 in der Mittelstellung sowie in der äußeren und inneren Endstellung dargestellt, wobei die Führungsanordnung 22 etwa in der Hälfte des Verstellweges 47 des Kopplungspunktes 32 angeordnet ist, wodurch die Schwenkbeweglichkeit ausgehend von dem Optimum in der Mittelstellung auch in der inneren und äußeren Endstellung noch ausreichend groß ist.
In den Ausführungsformen der Stellvorrichtung 1, bei denen das Stellglied 2 geringfügige Schwenkbewegungen 33 ausführen kann, ist im Gehäuse 6 eine Durchtrittsöffnung 48 vorgesehen, eine lichte Weite bzw. Innendurchmesser aufweist, die in der jeweils betrachteten Richtung zumindest um 10 % größer ist als die entsprechende Querschnittsabmessung 44 des Übertragungsabschnittes 8, der die Durchtrittsöffnung 48 durchragt.
In 8 ist eine weitere mögliche Ausführungsform einer Führungsanordnung 22 für das Stellglied 2 einer Führungsanordnung 1 dargestellt. Hierbei weist der Kopplungsabschnitt 7 des Stellgliedes 2 zwei bezüglich der Längsachse 5 des Stellgliedes 2 diametral angeordnete Führungselemente 49 auf, die konvex ausgebildet sind und den Kopplungsabschnitt 7 zwischen einander zugewandten Führungsflächen 36 und 37 der Führungsabschnitte 34 und 35 führen. Die konvex ausgeführten Führungselemente 49 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 8 durch Führungsrollen 50 gebildet, die bei der Verstellbewegung 4 des Stellgliedes 2 an den Führungsflächen 36 und 37 abwälzen können. Da die beiden Führungsrollen 50 auf gleicher Höhe bezogen auf die Längsachse 5 des Stellgliedes 2 angeordnet sind, ergeben sich wiederum kurze Kontaktzonen 40 an der Führungsanordnung 22, wodurch geringfügige Schwenkbewegungen 33 des Stellgliedes 2 ermöglicht werden, ohne dass es zu einem Klemmen in der Führungsanordnung 22 kommen würde.
8 zeigt weiters, dass die Führungselemente 49 in Längsrichtung 5 des Stellgliedes 2 betrachtet etwa auf gleicher Höhe mit dem Kopplungspunkt 32 angeordnet sind, wodurch dieser das Zentrum der möglichen Schwenkbewegungen darstellt. Dadurch ist eine weitere verschleißarme Führung für ein Stellglied 2 einer Stellvorrichtung 1 gegeben, bei der das Stellglied 2 geringfügige Schwenkbewegungen 33 quer zur Längsachse 5 ausführen kann. Die Führungsflächen 36 und 37 sind bei dieser Ausführungsform ebene Flächen und können daher besonders leicht gefertigt werden. Der Kopplungspunkt 32 kann dabei wieder dem Tastelement 18 zuvor beschriebener Ausführungsformen einer Stellvorrichtung 1 entsprechen.
In 8 ist weiters gezeigt, dass an der Durchtrittsöffnung 48 des Übertragungsabschnittes 8 durch das Gehäuse 6 eine Abdichtung mittels einer Balgdichtung 51 erfolgen kann, die auch größere Zwischenräume zwischen dem Übertragungsabschnitt 8 und der Durchtrittsöffnung 48 überbrücken und abdichten kann. Diese Abdichtung mittels einer Balgdichtung 51 kann selbstverständlich auch bei den anderen Ausführungsformen einer Stellvorrichtung 1 vorgesehen sein.
9 zeigt ausschnittsweise eine weitere Ausführungsform einer Stellvorrichtung 1, wobei bereits zuvor beschriebene, gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diese zwecks Vermeidung von Wiederholungen nicht mehr gesondert beschrieben werden. Auch bei dieser Ausführungsform ist im Inneren des Gehäuses 6 ein Kopplungsabschnitt 7 des Stellgliedes 2 mit einem Übertragungselement 9, beispielsweise in Form einer Steuerscheibe 12 gemäß zuvor beschriebener Ausführungsformen gekoppelt und kann das Stellglied 2 durch Verstellung des Übertragungselements 9 in Richtung seiner Längsachse 5 Verstellbewegungen 4 ausführen. In 9 ist dabei die äußere Endstellung 10 in Volllinien dargestellt und die innere Endstellung 11 in strichlierten Linien des Stellgliedes 2 dargestellt. Da für Steuer- und Regelungszwecke die Position des Stellgliedes 2 von größter Bedeutung ist, umfasst die Stellvorrichtung 1 in dieser Ausführungsform eine Messanordnung 52, mit der die Position des Stellgliedes 2 relativ zum Gehäuse 6 erfasst werden kann. Die Messanordnung 52 kann daher auch als Positionsmesseinrichtung oder Wegmesseinrichtung bezeichnet werden.
Die Messanordnung 52 arbeitet berührungslos und verwendet dazu einen im Gehäuse ortsfest angeordneten Positionssensor 53, der mit einem am Kopplungsabschnitt 7 befestigten Positionsgeber 54 zusammenwirkt und dessen Position auch die Position des Stellgliedes 2 definiert. Der Positionssensor 53 ist vorzugsweise durch einen Hallsensor 55 gebildet, während der Positionsgeber durch ein Permanentmagnetelement 56 gebildet ist. Auf die Funktionsweise des Hallsensors 55 wird an dieser Stelle nicht eingegangen, da diese als bekannt vorausgesetzt werden kann.
Der Positionssensor 53 ist, wie in 9 dargestellt, vorzugsweise in der Mitte des Verstellweges 47 des Positionsgebers 54 angeordnet, wobei dieser Verstellweg dem Verstellweg 47 des Stellgliedes 2 entspricht. Durch das unmittelbare Abgreifen der Stellgliedposition am Kopplungsabschnitt 7 ergibt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit, da eine indirekte Positionsmessung zum Beispiel am Drehantrieb 13 da die zwischen Drehantrieb 13 und Stellglied 2 vorhandenen Übersetzungsstufen und Bauteiltoleranzen sich unmittelbar auf die Messgenauigkeit nachteilig auswirken. Eine derartige Messanordnung 42 ist auch in 5 strichliert dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass der Positionssensor 53, vorzugsweise in Längsachsrichtung 5 des Stellgliedes 2 betrachtet, etwa auf Höhe der im Gehäuse 6 angeordneten Führungsanordnung 22 angeordnet ist, da die Mitte der Führungsanordnung 22 den Mittelpunkt von Schwenkbewegungen 33 des Stellgliedes 2 darstellt und durch diese Positionierung des Positionssensors 53 eine minimale Beeinflussung des Messergebnisses durch Schwenkbewegungen gegeben.
Für die Messgenauigkeit ist weiters von Vorteil, wenn der Positionsgeber 54 etwa zentral in der Längsachse 5 des Stellgliedes 2 angeordnet ist, da auch dadurch Schwenkbewegungen 33 des Stellgliedes 2 nur minimalen Einfluss auf die Positionsmessung haben.
In den 10, 11 und 12 ist eine weitere mögliche Ausführungsform einer Stellvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Kombination zuvor beschriebener Ausführungsmerkmale aufweist, die vorteilhaft ist, jedoch nicht einschränkend aufzufassen ist. Gleiche Bauteile sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie bereits bei den beschriebenen Ausführungsformen versehen und werden diese nur wo es erforderlich ist, eigens beschrieben.
Am Gehäuse 6, in dessen Inneren das Übertragungselement 9 in Form einer Steuerscheibe 12 drehbar gelagert ist, ist an seiner Unterseite der Drehantrieb 13, z.B. in Form eines Elektromotors 14 angeflanscht und treibt dieser über ein Antriebsritzel 21 die Steuerscheibe 12 in Abhängigkeit von einer durch eine Steuerungseinrichtung vorgegebenen Steuergröße an. Als Elektromotor 14 kann insbesondere ein Gleichstrommotor in Frage kommen, der evtl. mittels Pulscode-Modulation ansteuerbar ist und dadurch in seinem Betriebsverhalten gut beeinflussbar ist. Für mit hoher Drehzahl laufende Motoren ist im Allgemeinen ein größeres Übersetzungsverhältnis bei der Umwandlung in die Verstellbewegung 4 erforderlich, was durch entsprechende Festlegung der Steuerkurve 16 einfach möglich ist. Der Gesamtdrehwinkel 27 ist in diesem Fall relativ groß, beispielsweise größer als 360°.
Bei Drehantrieben 13 mittels drehmomentstarken elektromagnetischen Schwenkantrieben, elektromotorischen Direktantrieben oder Torque-Motoren, sind kleinere Übersetzungsverhältnisse erforderlich und Steuerkulissen 17 mit Gesamtdrehwinkel 27 kleiner als 360° bis herunter zu 180° vortei lhaft einsetzbar.
Die Steuerscheibe 12 weist eine Steuerkulisse 17 auf, in die ein am Kopplungsabschnitt 7 angeordnetes Tastelement 18 eingreift und dadurch die Drehbewegung der Steuerscheibe 12 in eine Verstellbewegung 4 des Stellgliedes 2 in Form eines Stangenelementes 3 umwandelt. Die Führungsanordnung 22 für das Stellglied 2 weist die bereits anhand von 6 beschriebenen Führungsabschnitte 34, 35 in Form von Führungsrollen 41 auf, zwischen denen der Koppelungsabschnitt 7 geführt ist. Wie 12 zeigt, besitzt der Kopplungsabschnitt 7 eine Breite 43, die mehr als dem doppelten der entsprechenden Querschnittsabmessung 44 des Übertragungsabschnittes 8 entspricht, wodurch im Inneren des Gehäuses 6 eine großzügig dimensionierte Führungsanordnung 22 gegeben ist und der Übertragungsabschnitt 8 mit geringem Querschnitt durch eine Durchtrittsöffnung 48 aus dem Gehäuse 6 herausgeführt ist.
Wie 12 ebenfalls zeigt, ist die Steuerscheibe 12 an ihrer Unterseite 23 lösbar mit einem Zahnkranzelement verbunden, das die anhand von 2 beschriebene Innenverzahnung 24 aufweist, die über das Antriebsritzel 21 angetrieben wird. Durch diese zweiteilige Ausführung des Übertragungselements 9 ist es möglich, die Steuerscheibe 12 gegen eine andere Ausführungsform mit geänderter Steuerungscharakteristik bzw. Übersetzungscharakteristik auszutauschen oder aber auch durch Austausch von Antriebsritzel 21 und Innenverzahnung 24 die Übersetzung vom Elektromotor 14 auf die Steuerscheibe 12 zu verändern. Die Steuerkulisse 17 besitzt, wie bereits anhand von 1 und 3 dargestellt, einen Gesamtdrehwinkel 27 von mehr als 360°, nämlich etwa 450°. Zusammen mit einer Übersetzung vom Antriebsritzel 21 zur Innenverzahnung 24 von 5:1 ergibt sich ein für die Ansteuerung eines Wastegate-Ventiles vorteilhafte Gesamtübersetzung.
Wie 11 zeigt, besitzt die Steuerscheibe 12 in dieser Ausführungsform einen Gesamtdurchmesser 57 der mehr als dem Dreifachen der Dicke 58 der Steuerscheibe 12 entspricht, wodurch eine niedrige Bauweise der Stellvorrichtung 1 möglich ist. In der Ausführung gemäß 11 entspricht der Durchmesser 57 etwa dem sechsfachen der Dicke 58, wobei noch ein ausreichender Eingriff des Tastelements 18 in die Steuerkulisse 17 möglich ist.
In 11 ist die innere Endstellung 11 des Stellgliedes 2 dargestellt, wobei die Drehachse 15 der Steuerscheibe 12 einen Endanschlag 59 für die Verstellbewegung 4 des Stellgliedes 2 bilden kann. Gemäß den 10 und 12 weist das Gehäuse 6 ein Gestell 60 auf, das sich von der Unterseite der Steuerscheibe 12 bis zu deren Oberseite erstreckt und das Übertragungselement 9 in Form der Steuerscheibe 12 in diesem Gestell 60 beidseitig drehbar gelagert ist. Das Gestell 60 ist beispielsweise als Umformteil 61 gebildet und kann unter anderem auch einen Wandabschnitt 62 (siehe 10) des Gehäuses 6 bilden. Der in 10 dargestellte ebene Wandabschnitt 62 kann insbesondere einen Befestigungsabschnitt 63 für die gesamte Stellvorrichtung 1 darstellen.
Falls die Stellvorrichtung 1 nicht allzu hohen Temperaturen ausgesetzt ist, können bestimmte Bestandteile, insbesondere das Übertragungselement 9 und/oder die Führungsabschnitte 34, 35 oder Führungselemente 49 gemäß 8 im Wesentlichen aus einem Polymer hergestellt sein, beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigem Polyetherketon (PEEK). Für eine Massenanfertigung derartiger Stellvorrichtungen 1 ist auch die Ausbildung des Übertragungselements 9 durch ein Urformteil denkbar, beispielsweise durch ein Kunststoffspritzgießteil oder durch ein Metall-Druckgussteil. Weiters ist es möglich, das Übertragungselement 9 durch ein Umformteil zu bilden, wozu beispielsweise die Steuerscheibe 12 durch ein Blechtiefziehteil gebildet ist.
In der 13 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform der Stellvorrichtung 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen 1 bis 12 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den vorangegangenen 1 bis 12 hingewiesen bzw. Bezug genommen.
13 zeigt eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Stellvorrichtung 1, bei der das Stellglied 2 als Kurbelanordnung 64 ausgebildet ist. Die Kurbelanordnung 64 umfasst dabei einen Kurbelhebel 65, der den Kopplungsabschnitt 7 mit dem in die Steuerkulisse 17 eingreifenden Tastelement 18 aufweist und eine damit drehmomentenfest verbundene Abtriebswelle 66, die den Übertragungsabschnitt 8 des Stellgliedes 2 darstellt und aus dem nicht dargestellten Gehäuse 6 hinausführt zu einem zu bewegenden Stell- oder Regelorgan, beispielsweise eine Ventilklappe auf die die Schwenkbewegung der Kurbelanordnung 64 direkt übertragen wird. Die Kurbelanordnung ist mittels einer geeigneten Schwenklagerung 67 am oder im Gehäuse 6 gelagert, wobei eine Schwenkachse 68 etwa parallel zur Drehachse 15 der Steuerscheibe 12 verläuft und die Mittelachse der Abtriebswelle 66 bildet.
Der Drehwinkel der Abtriebswelle kann dabei mittels einer Messanordnung 69 vorzugsweise berührungslos direkt am inneren Ende der Abtriebswelle 66 erfasst werden und dadurch auch die Stellung eines mit der Abtriebswelle 66 verbundenen Gegenstandes, beispielsweise einer Ventilklappe unmittelbar und mit hoher Messgenauigkeit erfasst werden. Die Messanordnung 69 umfasst beispielsweise einen im Gehäuse ortsfest angeordneten Drehwinkelsensor 70, vorzugsweise in Form eines Hallsensors 71, sowie einen an der Abtriebswelle befestigten Drehwinkelgeber 72, vorzugsweise in Form eines Permanentmagnetelements 73. Es können jedoch auch herkömmliche, nicht berührungslos arbeitende Drehgeber eingesetzt werden.
In 2 ist weiters eine mögliche Ausführungsvariante enthalten, die auch mit allen anderen Ausführungsvarianten kombinierbar ist, die dazu dient, das Bewegungsspiel des Stellgliedes 2 zu reduzieren sowie den Drehantrieb 13 zu unterstützen. Dazu ist im Gehäuse 6 ein Federelement 74, z.B. in Form einer Druckfeder 75 oder einer Zugfeder, angeordnet, das zwischen einem ortsfesten Widerlager, z.B. der Innenwand des Gehäuses 6 und dem Kopplungsabschnitt 7 wirksam ist und derart vorgespannt ist, dass es das Stellglied 2 entweder in Richtung der ersten äußeren Endstellung 10 oder in Richtung der zweiten inneren Endstellung 11 vorspannt. Durch dieses Federelement 74 muss der Drehantrieb 13 zwar in einer Verstellrichtung ein höheres Antriebsmoment aufwenden, im Gegenzug wird er jedoch bei der Verstellung in die entgegengesetzte Richtung vom Federelement unterstützt. Durch diese Maßnahme erzielt man eine Veränderung des vom Drehantrieb 13 aufzubringenden Lastkollektivs und kann dadurch gegebenenfalls mit einem kleiner dimensionierten Antriebsmotor des Drehantriebs 13 das Auslangen gefunden werden. Weiters wird dadurch das Spiel des Tastelements 18 in der Steuerkulisse 17 und des Stellgliedes insgesamt reduziert, was eine verbesserte Steuer- bzw. Regelgenauigkeit der Stellvorrichtung 1 mit sich bringt.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der Stellvorrichtung 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es können also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, Gegenstand weiterer Ansprüche werden.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Stellvorrichtung 1 diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Vor allem können die einzelnen in den 1, 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10, 11, 12; 13 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.
Bezugszeichenliste

1: Stellvorrichtung
2: Stellglied
3: Stangenelement
4: Verstellbewegung
5: Längsachse
6: Gehäuse
7: Kopplungsabschnitt
8: Übertragungsabschnitt
9: Übertragungselement
10: Endstellung
11: Endstellung
12: Steuerscheibe
13: Drehantrieb
14: Elektromotor
15: Drehachse
16: Steuerkurve
17: Steuerkulisse
18: Rastelement
19: Boden
20: Abstand
21: Antriebsritzel
22: Führungsanordnung
23: Unterseite
24: Innenverzahnung
25: äußerer endabschnitt
26: innerer Endabschnitt
27: Gesamtdrehwinkel
28: Bezugsebene
29: Steigungswinkel
30: Drehwinkel
31: Mittelabschnitt
32: Kopplungspunkt
33: Schwenkbewegung
34: Führungsabschnitt
35: Führungsabschnitt
36: Führungsfläche
37: Führungsfläche
38: Radialebene
39: Führungsebene
40: Kontaktzone
41: Führungsrolle
42: Achse
43: Breite
44: Querschnittsabmessung
45: V-Nut
46: Axialführung
47: Verstellweg
48: Durchtrittsöffnung
49: Führungselemente
50: Führungsrolle
51: Balgdichtung
52: Messanordnung
53: Positionssensor
54: Positionsgeber
55: Hallsensor
56: Permanentmagnetelement
57: Durchmesser
58: Dicke
59: Endanschlag
60: Gestell
61: Umformteil
62: Wandabschnitt
63: Befestigungsabschnitt
64: Kurbelanordnung
65: Kurbelhebel
66: Abtriebswelle
67: Schwenklager
68: Schwenkachse
69: Messanordnung
70: Drehwinkelsensor
71: Hallsensor
72: Drehwinkelgeber
73: Permanentmagnetelement
74: Federelement
75: Druckfeder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009054529 A1 [0003]

Claims

Stellvorrichtung (1) zur Verstellung eines Stellgliedes (2), insbesondere einer mit einem Wastegate-Ventil gekoppelten Stellstange (3) bzw. Kurbelanordnung (64), umfassend ein Gehäuse (6), wobei ein Kopplungsabschnitt (7) des Stellgliedes (2) im Gehäuse (6) angeordnet ist und ein Übertragungsabschnitt (8) des Stellglieds (2) aus dem Gehäuse (6) herausführt, ein im Gehäuse (6) um eine Drehachse (15) zwischen einer ersten Endstellung (10) und einer zweiten Endstellung (11) drehbar gelagertes und mit einem Drehantrieb (13) antriebsgekoppeltes Übertragungselement (9) mit zumindest einer mit Abstand (20) zur Drehachse (15) verlaufenden Steuerkurve (16), sowie ein am Kopplungsabschnitt (7) ausgebildetes, die Steuerkurve (16) abtastendes Tastelement (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (9) durch eine in einer zur Drehachse (15) rechtwinkelig orientierten Steuerebene verlaufenden Steuerscheibe (12) gebildet ist und die Steuerkurve (16) durch eine in der Steuerscheibe (12) ausgebildete Steuerkulisse (17) mit zumindest abschnittsweise veränderlichem Abstand (20) zur Drehachse (15) gebildet ist und das Tastelement (18) in die Steuerkulisse (17) eingreift.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkulisse (17) über ihren Verlauf bezogen auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene (28) unterschiedliche Steigungswinkel (29) aufweist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene (28) bezogener Steigungswinkel (29) der Steuerkulisse (17) in ihrem gesamten Verlauf größer als der Haftreibungswinkel zwischen Tastelement (18) und Steuerkulisse (17) ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene (28) bezogener Steigungswinkel (29) der Steuerkulisse (17) in einem äußeren Endabschnitt (25) und/oder einem inneren Endabschnitt (26) der Steuerkulisse (17) kleiner ist, als in einem Mittelabschnitt (31) der Steuerkulisse (17).
Stellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf eine rechtwinkelig zum jeweiligen Radius verlaufende Bezugsebene (28) bezogener Steigungswinkel (29) der Steuerkulisse (17) über den Drehwinkel der Steuerscheibe (12) einen bezüglich einer Mittellage symmetrischen Verlauf aufweist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastelement (18) lediglich von einer Seite axial in die Steuerkulisse (17) eingreift und die Steuerscheibe (12) unterhalb der Steuerkulisse (17) einen geschlossenen Boden (19) aufweist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Steuerkulisse (16) ragende Tastelement (18) durch eine auf das Stellglied (2) wirkende, sowie am oder innerhalb des Gehäuses (6) angeordnete Führungsanordnung (22) oder Schwenklagerung (67) in Bezug auf die Drehachse (15) etwa in radialer Richtung geführt ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (2) stangenförmig ausgebildet ist und in Richtung seiner Längsachse (5) verstellbar im oder am Gehäuse (6) gelagert ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (5) des Stellgliedes (2) die Drehachse (15) annähernd oder exakt schneidet.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkurve (16) sich über einen Gesamtdrehwinkel (27) der Steuerscheibe (12) um die Drehachse (15) von zumindest 180°, vorzugsweise 360° und insbesondere 540° erstreckt.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (57) der Steuerscheibe (12) zumindest dem Dreifachen der Dicke (58) der Steuerscheibe (12) entspricht.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (12) an ihrer der Steuerkulisse (17) gegenüberliegenden Unterseite (23) am Umfang eine Verzahnung, insbesondere eine Innenverzahnung (24) aufweist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (15) der Steuerscheibe (12) oder ein Anschlagabschnitt im Gehäuse (6) einen mechanischen Endanschlag (59) für die Verstellbewegung des Stellgliedes (2) bildet.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (6) ein mechanischer Endanschlag für die Drehung der Steuerscheibe (12) angeordnet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kraftfluss zwischen Drehantrieb (13) und Übertragungsabschnitt (8) des Stellgliedes (2) ein federelastisches Dämpfungselement angeordnet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 oder 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (2) als Kurbelanordnung (64) ausgebildet ist, die einen im Gehäuse (6) mittels einer Schwenklagerung (67) bezüglich einer zur Drehachse (15) etwa parallelen Schwenkachse (68) drehbaren und den Kopplungsabschnitt (7) aufweisenden Kurbelhebel (65) sowie eine den Übertragungsabschnitt (8) bildende in Richtung der Schwenkachse (68) aus dem Gehäuse (6) führende Abtriebswelle (66) umfasst.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (6) zur Erfassung des Drehwinkels der Abtriebswelle (66) eine Messanordnung (69) angeordnet ist, insbesondere umfassend einen im Gehäuse (6) ortsfest angeordneten Drehwinkelsensor (70), vorzugsweise einen Hallsensor (71), und einen an der Abtriebswelle (66) angeordneten Drehwinkelgeber (72, vorzugsweise ein Permanentmagnetelement (73).
Stellvorrichtung (1) zur Verstellung eines stangenförmiges Stellgliedes (2) etwa in Richtung seiner Längsachse (5), insbesondere eines mit einem Wastegate-Ventil gekoppelten Stangenelements (3), umfassend ein Gehäuse (6), wobei ein Kopplungsabschnitt (7) des Stellgliedes (2) im Gehäuse (6) angeordnet ist und ein Übertragungsabschnitt (8) des Stellglieds (2) aus dem Gehäuse (6) herausführt, weiters ein im Gehäuse (6) drehbar gelagertes, mit einem Drehantrieb (13) gekoppeltes Übertragungselement (9) das mit dem Kopplungsabschnitt (7) des Stellgliedes (2) gekoppelt ist, sowie eine Führungsanordnung (22) zur Lagerung des Stellgliedes (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsanordnung (22) voneinander beabstandete Führungsabschnitte (34, 35) im Inneren des Gehäuses (6) mit einander zugewandten Führungsflächen (36, 37) umfasst, zwischen welchen der Kopplungsabschnitt (7) geführt ist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsflächen (36, 37) in einer in der Längsachse (5) des Stellgliedes (2) verlaufenden Führungsebene (39) konvex ausgebildet sind.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsabschnitte (34, 35) in einer zur Längsachse (5) des Stellgliedes (2) rechtwinkelig verlaufenden Radialebene (38) angeordnet sind.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsabschnitte (34, 35) mit den Führungsflächen (36, 37) jeweils von einer Führungsrolle (41) gebildet sind.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (42) aller Führungsrollen (41) im Wesentlichen in einer zur Längsachse (5) des Stellgliedes (2) rechtwinkelig verlaufenden Radialebene (38) angeordnet sind.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrollen (41) an ihrem Außenumfang eine umlaufende V-Nut (45) aufweisen.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktzonen (40) der Führungsflächen (36, 37) etwa in der Hälfte des Verstellweges (47) eines mit dem Übertragungselement (9) zusammenwirkenden Kopplungspunktes (32) des Stellgliedes (2) positioniert sind.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsabschnitte (34, 35), insbesondere Führungsrollen (41), radial und/oder axial elastisch bzw. federnd gelagert sind.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsanordnung (22) eine innere, den Kopplungsabschnitt (7) linear führende Axialführung (46) umfasst, die zwischen konkaven Führungsflächen (36, 37) der Führungsabschnitte (34, 35) schwenkbar geführt ist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass am Kopplungsabschnitt (7) zwei bezüglich der Längsachse (5) des Stellgliedes (2) diametral angeordnete konvexe Führungselemente (49), insbesondere Führungsrollen (50), angeordnet sind, die den Kopplungsabschnitt (7) zwischen den Führungsflächen (36, 37) führen.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (49) in Längsrichtung (5) des Stellgliedes (2) betrachtet etwa auf gleicher Höhe mit einem mit dem Übertragungselement (9) zusammenwirkenden Kopplungspunkt (32) des Stellgliedes (2) angeordnet sind.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsabschnitt (7) zwischen den Führungsabschnitten (34, 35) eine Breite (43) aufweist, die zumindest dem Doppelten einer Querschnittsabmessung (44) des Übertragungsabschnittes (8) entspricht.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messanordnung (52) zur Erfassung der Position des Stellgliedes (2) relativ zum Gehäuse (6) bezogen auf die Längsachse (5) des Stellgliedes (2) etwa auf Höhe der Führungsanordnung (22) angeordnet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (6) eine Durchtrittsöffnung (48) für den Übertragungsabschnitt (8) des Stellgliedes (2) ausgebildet ist, deren Öffnungsquerschnitt eine lichte Weite aufweist, die in der jeweils betrachteten Richtung zumindest um 10 % größer als die entsprechende Querschnittsabmessung (44) des Übertragungsabschnittes (8) sind und der dadurch gebildete Zwischenraum mittels einer elastischen Dichtung, insbesondere einer Balgdichtung (51) verschlossen ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (1) weiters nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1) zur Verstellung eines Stellgliedes (2), insbesondere eines mit einem Wastegate-Ventil gekoppelten Stangenelements (3), umfassend ein Gehäuse (6), wobei ein Kopplungsabschnitt (7) des Stellgliedes (2) im Gehäuse (6) angeordnet ist und ein Übertragungsabschnitt (8) des Stellglieds (2) aus dem Gehäuse (6) herausführt, weiters ein im Gehäuse (6) drehbar gelagertes, mit einem Drehantrieb (13) gekoppeltes Übertragungselement (9) das mit dem Kopplungsabschnitt (7) des Stellgliedes (2) gekoppelt ist, sowie eine Messanordnung (52) zur Erfassung der Position des Stellgliedes (2) relativ zum Gehäuse (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (52) einen im Gehäuse (6) ortsfest angeordneten Positionssensor (53), insbesondere einen Hallsensor (55), und einen am Kopplungsabschnitt (7) befestigten Positionsgeber (54), insbesondere ein Permanentmagnetelement (56), umfasst.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (54) etwa zentral in der Längsachse (5) des Stellgliedes (2) angeordnet ist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass, der Positionssensor (53) etwa auf Höhe einer im Gehäuse (6) angeordneten Führungsanordnung (22) für das Stellglied (2) angeordnet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsgeber (54) in Längsrichtung des Stellgliedes (2) betrachtet etwa auf gleicher Höhe mit einem mit dem Übertragungselement (9) zusammenwirkenden Kopplungspunkt (32) des Stellgliedes (2) angeordnet sind.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (1) weiters nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 und/oder 18 bis 32 ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb (13) durch einen mit dem Gehäuse (6) verbundenen, insbesondere an dessen Außenseite angeflanschten Elektromotor (14) mit wechselbarer Drehrichtung oder elektrischen Schwenkantrieb gebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) ein Gestell (60) aufweist, an dem das Übertragungselement (9) beidseitig drehbar gelagert ist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (60) einen Wandabschnitt (62) des Gehäuses (6), insbesondere einen Befestigungsabschnitt (63) für die Stellvorrichtung (1) bildet.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (60) als Umformteil (61) aus einem Blechzuschnitt gebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (9) und/oder die Führungsabschnitte (34, 35) und/oder die Führungselemente (49) im Wesentlichen aus einem Polymer, insbesondere einem Polyetherketon (PEEK) hergestellt ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (9) durch ein Urformteil gebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (9) durch ein Umformteil, insbesondere durch ein Blechtiefziehteil, oder ein Stanzteil, insbesondere durch einen Blech-Stanzteil gebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (6) ein zwischen einem ortsfesten Widerlager sowie dem Kopplungsabschnitt (8) wirksames Federelement (74) angeordnet ist, das das Stellglied (2) in Richtung der ersten äußeren Endstellung (10) oder in Richtung der zweiten inneren Endstellung (11) vorspannt.