DE102013109997A1

DE102013109997A1 - Aktuator

Info

Publication number: DE102013109997A1
Application number: DE102013109997.1A
Authority: DE
Inventors: Helmut Schneider; Ullrich Kreiensen; Asim Huremovic; Karl-Heinz Glatz
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator (1), umfassend eine Getriebebaugruppe mit einem Antriebsrad (3), einem Abtriebsrad (4), und mindestens einem Zwischenrad (6), wobei das Antriebsrad (3) mit einer Antriebswelle (3a) eines Elektromotors zusammenwirkt, wobei das Zwischenrad (6) direkt oder indirekt Kraft von dem Antriebsrad (3) zu dem Abtriebsrad (4)überträgt, und wobei das Abtriebsrad (4) die Kraft auf eine Abtriebswelle (4a) überträgt; und einen Energiespeicher zum Speichern von Energie, und zur Übertragung gespeicherter Energie auf das Zwischenrad (6) oder das Antriebsrad (3), wodurch ein Drehmoment auf die Abtriebswelle (4a) ausgeübt und die Abtriebswelle (4a) bei einem Ausfall des Elektromotors in eine sichere Stellung gedreht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator, und insbesondere einen Aktuator umfassend eine Getriebebaugruppe mit einem Antriebsrad, einem Abtriebsrad, und mindestens einem Zwischenrad, wobei das Antriebsrad mit der Antriebswelle eines Elektromotors zusammenwirkt, wobei das Zwischenrad direkt oder indirekt Kraft von dem Antriebsrad zu dem Abtriebsrad überträgt, und wobei das Abtriebsrad die Kraft auf eine Abtriebswelle überträgt.
Aktuatoren mit Getriebebaugruppen sind an sich bekannt. Ein solcher Aktuator umfasst in der Regel einen Motor oder ist an einen Motor gekoppelt. Der Motor ist üblicherweise ein Elektromotor. Das Getriebe dient dazu, die Drehzahl und das Drehmoment des Motors für die Anwendung, für die der Aktuator gedacht ist, anzupassen. In der Regel bilden der Elektromotor und das Getriebe eine konstruktive Einheit, d.h. der Motor ist im gleichen Gehäuse wie das Getriebe untergebracht oder an einem Getriebegehäuse angebracht.
Derartige Aktuatoren werden beispielsweise als Klappensteller in Kühlervorrichtungen von Kraftfahrzeugen verwendet. Im Betrieb dient der Aktuator dazu, die Klappen der Kühlervorrichtung abhängig von der benötigen Kühlung zu öffnen, so dass Luft durch die geöffneten Klappen strömen und den Motor des Kraftfahrzeugs kühlen kann.
Bei einem Ausfall des Aktuators muss sichergestellt sein, dass eine unzureichende Kühlung des Motors verhindert wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Fahrer eine entsprechende Warnung erhält, z.B. über den Bordcomputer im Fahrzeug. Eine solche Warnung soll den Fahrer dazu veranlassen, den Motor abzustellen und den Schaden durch eine Werkstatt beheben zu lassen. Es wäre jedoch wünschenswert, eine Weiterfahrt auch bei einem Ausfalls des Aktuators zu ermöglichen.
Bekannt sind Aktuatoren mit einer sogenannten Fail-Safe-Einrichtung. Fail-Safe-Einrichtungen dienen dazu, den Aktuator in einen vorbestimmten Zustand zurückzustellen, wenn es zu einem Ausfall kommt. Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise aus der EP-A1-1617115 , US 4669578 und US 4533114 bekannt.
Nachteilig an bekannten Aktuatoren mit Fail-Safe-Einrichtungen ist, dass das vorgesehene Rückstellelement ein hohes Drehmoment aufbringen muss, um die Abtriebswelle des Aktuators zurückzustellen. Damit ergeben sich hohe Anforderungen an die Belastbarkeit und Stabilität der einzelnen Bauteile das Aktuators. Dies wiederum führt zu einem hohen Gewicht und erhöhtem Bauraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden, und vorzugsweise einen Aktuator mit einer Fail-Safe-Einrichtung zu schaffen, der eine kompakte Bauweise ermöglicht und/oder möglichst geringe oder keine zusätzlichen mechanischen Anforderungen an die Bauteile des Getriebes und/oder des Gehäuses des Aktuators stellt.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Aktuator geschaffen, umfassend eine Getriebebaugruppe mit einem Antriebsrad, einem Abtriebsrad, und mindestens einem Zwischenrad, wobei das Antriebsrad mit der Antriebswelle eines Elektromotors zusammenwirkt, wobei das Zwischenrad direkt oder indirekt Kraft von dem Antriebsrad zu dem Abtriebsrad überträgt, und wobei das Abtriebsrad die Kraft auf eine Abtriebswelle überträgt; und einen Energiespeicher zum Speichern von Energie, und zur Übertragung gespeicherter Energie auf das Zwischenrad oder das Antriebsrad, wodurch ein Drehmoment auf die Abtriebswelle ausgeübt und die Abtriebswelle bei einem Ausfall des Elektromotors in eine sichere Stellung gedreht wird.
Bei einem Ausfall des Elektromotors wird die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie in ein Drehmoment umgewandelt, das auf das Zwischenrad ausgeübt wird und dazu führt, dass die Abtriebswelle gedreht und ein damit verbundenes Stellglied in eine vorbestimmte, sichere Position zurückgestellt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Stellglied um Klappen einer Kühlervorrichtung in einem Kraftfahrzeug handeln, welche sich in der vorbestimmten, sicheren Position in einer Öffnungsstellung befinden und die Kühlung eines Motors aufrechterhalten.
Das für das Rückstellen erforderliche Drehmoment wird nicht direkt auf das Abtriebsrad, sondern auf das Zwischenrad oder das Antriebsrad übertragen. Somit wird das erforderliche Drehmoment nicht durch das Abtriebsrad bestimmt, was in den meisten Anwendungen ein hohes Drehmoment erfordern würde. Stattdessen wird das erforderliche Drehmoment durch die günstigere Übersetzung des Zwischenrades bestimmt, wodurch eine Reduzierung des erforderlichen Drehmomentes, d.h. der erforderlichen Rückstellkraft, erreicht wird. Dies geht einher mit geringeren Anforderungen an die Stabilität der Bauteile des Aktuators sowie einer verminderten Baugröße. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Betrag des Übersetzungsverhältnisses von dem Zwischenrad zu dem Abtriebsrad kleiner 1, und liegt insbesondere zwischen 1/10 und 1/50, vorzugsweise im Bereich von 1/20.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Energiespeicher durch eine Federeinrichtung gebildet. Beispielsweise umfasst die Federeinrichtung eine Bandfeder, beziehungsweise Triebfeder, insbesondere eine spiralförmig gewundene Triebfeder und bevorzugt eine Triebfeder aus Federstahl. Der Federweg ist dabei ausreichend lang, um die Abtriebswelle übersetzungsabhängig in die sichere Position zu drehen. Insbesondere reicht der Federweg und die in der vorgespannten Feder gespeicherte Energie aus, um mehrere volle Umdrehungen des Zwischenrades zu bewirken. Der Vorteil der Verwendung einer Triebfeder im Vergleich zu anderen Rückstellelementen, insbesondere zu anderen Federlösungen, ist vor allem auch darin zu sehen, dass die Kraft-Weg-Kennlinie derartiger Federn über einen weiten Bereich einen linearen Zusammenhang bei einer relativ geringen Steigung aufweist. Da die Kennlinie aber zunächst einen relativ großen Anstieg der Kraft in Abhängigkeit des Weges aufweist, kann der Arbeitsbereich derart eingestellt werden, dass über den kompletten Arbeitsbereich eine relativ hohe Kraft bereitgestellt werden kann. Da die meisten anderen Rückstellfedern eine Kraft-Weg-Kennlinie nach dem Hook‘schen Gesetz aufweisen, muss solch eine andere Feder zum Einstellen eines vergleichbaren Arbeitsbereiches wesentlich größer dimensioniert sein und benötigt daher deutlich mehr Bauraum. Desweiteren bringt die relativ große Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie im eingestellten Arbeitsbereich ein schnelles Ansteigen der Federkraft mit sich, so dass am Ende des Arbeitsbereiches eine sehr große Kraft von der Feder aufgebracht wird, wenn diese am Beginn des Arbeitsbereiches eine vorgegebene, minimale Kraft bereitstellen soll. Dadurch muss ein Aktuator nach dem Stand der Technik mit solch einem Rückstellelement auch stabiler ausgelegt sein, damit er vor mechanischem Versagen geschützt ist. Desweiteren muss solch ein Aktuator einen stärkeren Elektromotor aufweisen, so dass der Aktuator gegen das von der Feder übertragene Drehmoment arbeiten und eine Verstellung gegen die Federkraft bewirken kann.
Vorzugsweise weist die Triebfeder im Bereich von 4 bis 16 Umdrehungen einer Drehachse der Triebfeder ein Drehmoment zwischen 8 und 16 Ncm auf, wobei das Drehmoment in diesem Bereich vorzugsweise im Wesentlichen proportional zu der Anzahl der Umdrehungen der Drehachse ist. Somit wird zumindest bereichsweise eine gleichmäßige Rückstellkraft erzeugt.
Vorzugsweise ist die Triebfeder in einem Gehäuse angeordnet und über einen Verbindungsflansch mit einer Achse oder Welle des Zwischenrades oder das Antriebsrades verbunden. Damit kann die Triebfeder in einer anderen Ebene angeordnet werden als das Zwischenrad beziehungsweise Antriebsrad, wodurch eine kompakte Bauweise erreicht wird. Insbesondere kann die Triebfeder zu diesem Zweck gegenüber dem Antriebsrad, dem Zwischenrad und/oder dem Abtriebsrad entlang deren Achsen versetzt angeordnet sein. Es kann dabei vorteilhaft sein, dass das Gehäuse zur Anordnung der Triebfeder Befestigungselemente aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass die Triebfeder in zwei verschiedenen Orientierungen eingebaut werden kann, so dass die Rotationsrichtung der durch die Triebfeder initiierte Drehbewegung einfach und flexibel eingestellt werden kann. Insbesondere können die Befestigungselemente dazu symmetrisch angeordnet und / oder ausgestaltet sein und beispielsweise durch Vorsprünge im Gehäuse ausgebildet sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Triebfeder in einem separaten Gehäuseteil angeordnet. Das separate Gehäuseteil kann mit einem Gehäuse der Getriebebaugruppe verschraubt sein. Somit lässt sich die Triebfeder auf einfache Weise austauschen. Außerdem sind bei dieser Ausgestaltung nur geringe bauliche Veränderungen an dem Gehäuse von bestehenden Getriebebaugruppen erforderlich. Alternativ oder zusätzlich kann das separate Gehäuseteil auch auf andere Art und Weise, beispielsweise durch Laserschweißen oder Ultraschallschweißen, mit dem Gehäuse der Getriebebaugruppe verbunden sein. Steht genügend Bauraum im Aktuator zur Verfügung, muss die Triebfeder selbstverständlich nicht in einem gesonderten Gehäuseteil untergebracht sein, sondern kann auch direkt im Aktuator, beispielsweise an den Achsen oder Wellen der Getrieberäder, angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung greift die Triebfeder direkt oder indirekt an der Achse des Zwischenrades an, wobei die Achse des Zwischenrades gegenüber einer Verbindungslinie zwischen den Achsen das Antriebsrades und des Abtriebsrades versetzt angeordnet ist. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Aktuator eine Federspanneinrichtung mit Hilfe derer die Triebfeder vorgespannt werden kann um den Energiespeicher aufzuladen. Dazu ist ein durch die Triebfeder direkt oder indirekt antreibbares Getrieberad, beispielsweise ein Zwischenrad oder ein Abtriebsrad, mit Vorsprüngen versehen, welche mit mindestens einem Haltelement der Federspanneinrichtung zusammenwirken können um die Rotation dieses Getrieberades zu begrenzen. Die Federspanneinrichtung kann daher auch als Verdrehsicherung aufgefasst werden. Um den Energiespeicher aufladen zu können, kann das Getrieberad mindestens einmal über die Haltelemente hinweg gedreht werden. Beispielsweise können die Haltelemente dazu federnd ausgebildet sein und durch die Vorsprünge des Getrieberads niedergedrückt werden, wenn das Getrieberad in einer vorgegebenen Richtung rotiert. Bei einer Rotation in die entgegengesetzte Richtung wird die Rotation dadurch begrenzt, dass die Vorsprünge des Getrieberades von den Haltelementen gestoppt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Aktuator mindestens ein erstes und ein zweites Zwischenrad, wobei das erste Zwischenrad die Kraft von dem Antriebsrad direkt oder über weitere Zwischenräder auf das zweite Zwischenrad überträgt, und das zweite Zwischenrad die Kraft direkt oder über weitere Zwischenräder auf das Abtriebsrad überträgt, und wobei der Energiespeicher zur Übertragung der gespeicherten Energie auf das zweite Zwischenrad angeordnet ist. Gemäß dieser Ausgestaltung können praktisch beliebige Übersetzungsverhältnisse hergestellt werden. Durch geeignete, gegebenenfalls versetzte Anordnung der Räder kann dabei eine geringe Baugröße erreicht werden. In einigen vorteilhaften Ausführungen des Getriebes sind die Zwischenräder als Doppelzahnräder ausgeführt, wodurch unter anderem eine kompakte Bauweise erzielt werden kann.
Die genannten Räder können beispielsweise als Zahnräder, insbesondere als Stirnräder, ausgestaltet sein.
Der erfindungsgemäße Aktuator ist derart ausgestaltet, dass ein relativ großes Drehmoment über eine Abtriebswelle des Aktuators vermittelt werden kann, wobei beim Ausfall des Elektromotors des Aktuators ein Energiespeicher, vorzugsweise eine Federeinrichtung, ein ebenfalls relativ großes Drehmoment vermitteln kann, um eine an die Abtriebswelle gekoppelte Last in eine sichere Position zu verstellen. Durch eine geeignete Anordnung der Getrieberäder des Aktuators sowie des Energiespeichers ist die Kraftübertragung vom Antrieb zum Abtrieb optimiert und der Aktuator kann mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an Getrieberädern betrieben werden und gleichzeitig in jeder Betriebssituation das Verstellen in eine sichere Position garantieren. Insbesondere ist die Verwendung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorteilhaft, um jederzeit ein hohes Drehmoment in beiden Drehrichtungen am Abtrieb des Aktuators bereitzustellen, während der Elektromotor, je nach Drehrichtung, mit oder gegen die Federkraft arbeitet. Prinzipiell kann aber ein beliebiger Elektromotor in dem erfindungsgemäßen Aktuator verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Aktuator eignet sich insbesondere als Klappensteller in einer Kühlervorrichtung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Klappen der Kühlervorrichtung in der sicheren Stellung des Abtriebsrads geöffnet sind. Bei einem solchen Klappensteller werden die Klappen in Abhängigkeit von der Temperatur des zu kühlenden Motors oder der zu kühlenden Batterie (z.B. bei Elektrofahrzeugen) geöffnet oder geschlossen. Alternative oder zusätzliche Kriterien für die Einstellung der Klappenposition können die Temperatur im Motorraum und / oder die Außentemperatur sein. Die Einstellung der Klappen erfolgt mittels des Elektromotors des Aktuators. Der erfindungsgemäße Aktuator kann auch als Klappensteller einer Belüftungs- oder Klimaanlage eines Gebäudes oder einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs verwendet werden. Für die genannten Klappensteller ist es einerseits vorteilhaft, wenn der Aktuator jederzeit ein minimales Drehmoment gewährleistet, so dass die Klappe in jeder Betriebsposition verstellt werden kann, insbesondere beim Ausfall des Elektromotors auch in eine sichere Position gebracht werden kann. Andererseits ist es insbesondere für die mechanische Auslegung vorteilhaft, wenn ein maximales Drehmoment nicht überschritten wird, um die zu verstellende Klappe sowie andere Bauteile vor Zerstörung oder Beschädigung zu schützen. Hierzu umfasst der erfindungsgemäße Aktuator vorzugsweise eine Triebfeder. Diese ist dabei vorzugsweise derart aufgezogen und am Getriebe angeordnet, dass Sie über den Verstellweg der Klappe einen näherungsweise linearen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Umdrehungen der von der Feder angetriebenen Achse oder Welle und dem zum Verstellen der Klappe vermittelten Drehmoment aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnungen:
1 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators bei geöffnetem Gehäuse in perspektivischer Darstellung.
2 zeigt die Ausführungsform nach 1 in einem Querschnitt.
3 zeigt die Ausführungsform nach 1 in einer anderen perspektivischen Darstellung bei geschlossenem Gehäuse.
4 zeigt eine Triebfeder, die in der Ausführungsform nach 1 vorgesehen ist.
5 zeigt den Verlauf des Drehmomentes abhängig von der Anzahl der Umdrehungen der Triebfeder gemäß 4.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators bei geöffnetem Gehäuse in perspektivischer, teilweise explodierter Darstellung.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Abtriebsrades mit einem abgeschrägten Vorsprung als Bewegungsanschlag.
8 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators.
9 zeigt einen weitere Ansicht eines Schnittes durch die in 8 gezeigte Ausführungsform des Aktuators.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Aktuators. Der Aktuator 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Getriebebaugruppe mit mehreren Zahnrädern angeordnet ist. Die Zahnräder der Getriebebaugruppe umfassen ein Antriebsrad 3, ein Abtriebsrad 4, sowie mehrere Zwischenräder 5. Das Antriebsrad 3 wirkt mit einer Antriebswelle eines (nicht gezeigten) Elektromotors zusammen. Das Abtriebsrad wirkt mit einer Abtriebswelle zusammen, die mit Klappen einer Kühlervorrichtung in einem Kraftfahrzeug verbunden ist. Eine durch den Elektromotor erzeugte Antriebskraft wird über das Antriebsrad 3, das Zwischenrad 5, das Zwischenrad 6, die Zwischenräder 5‘ und das Abtriebsrad 4 auf die Abtriebswelle 4a übertragen, wodurch die Klappen der Kühlervorrichtung geöffnet und geschlossen werden können. Im Beispiel sind die Zwischenräder 5, 5‘, 6 als Doppelzahnräder mit jeweils einem kleineren und einem größeren Zahnrad ausgebildet. Die Zwischenräder 5‘, die beide mit dem Zwischenrad 6 und dem Abtriebsrad 4 kämmen, stellen zwei parallele Getriebestränge zur Verfügung, um die übertragene Kraft auf die beiden Zwischenräder 5‘ zu verteilen, so dass diese geringeren Anforderungen hinsichtlich der Stabilität genügen müssen. Dadurch können die Zwischenräder 5‘ kleiner dimensioniert, beziehungsweise aus einem billigeren Material hergestellt sein und trotzdem eine relative große Kraft übertragen. Optional kann der Aktuator auch mit nur einem Zwischenrad 5‘ betrieben werden. Im Beispiel ist das Zwischenrad 5 auf einer im Gehäuse 2 befestigten Achse 5a gelagert. Die Zwischenräder 5‘ sind analog dazu auf weiteren, im Gehäuseboden und Gehäusedeckel gelagerten Achsen gelagert.
Wie in 2 gezeigt ist eines der Zwischenräder, nämlich das Zwischenrad 6, mit einem Energiespeicher in Form einer Triebfeder 7 versehen. Die Triebfeder 7 ist über einen Verbindungsflansch 12 mit einer Achse 6a des Zwischenrades 6 fest verbunden. Eine Drehung des Zwischenrades 6 erfolgt richtungsabhängig entweder gegen die oder mit der Federkraft der Triebfeder 7.
Die Triebfeder 7 ist derart angeordnet und ausgestaltet, dass bei einem Ausfall des Elektromotors eine ausreichende Rückstellkraft auf das Zwischenrad 6 ausgeübt und auf die Abtriebswelle 4a übertragen wird, dass eine Öffnung der Klappen der Kühlervorrichtung bewirkt wird. Somit ist eine Fail-Safe-Einrichtung geschaffen, die sicherstellt, dass ein Ausfall des Elektromotors nicht zu einem Ausfall der Kühlung des Motors des Kraftfahrzeugs führt.
In der gezeigten Ausgestaltung bildet das Zwischenrad 6 zusammen mit den beiden Zwischenrädern 5‘ die dritte Getriebestufe. Bei der Verwendung mehrerer Getriebestufen können das Zwischenrad 6 und die damit gekoppelte Triebfeder 7 zu einer Verbindungslinie zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle versetzt angeordnet werden, was zu einer Verringerung des benötigten Bauraumes führt. Die Triebfeder 7 muss auch nicht konzentrisch zur Achse 6a des Zwischenrades 6 angeordnet sein, so dass vorhandener Bauraum noch besser ausgenutzt werden kann. Außerdem kann durch die Verwendung mehrerer Getriebestufen ein nahezu beliebiges Über- bzw. Untersetzungsverhältnis hergestellt werden. In der gezeigten Ausgestaltung führt eine mehrfache vollständige Drehung (z.B. 5 Drehungen) des Zwischenrades 6 zu einer Drehung der Abtriebswelle 4a um ca. 90 Grad.
Bei einem Betrieb das Aktuators 1 als Klappensteller in einer Kühlervorrichtung eines Kraftfahrzeuges entspricht eine Drehung der Abtriebswelle 4a um 90 Grad beispielsweise einer Bewegung der Klappen von einer Schließstellung (keine oder geringe Kühlung) in eine Öffnungsstellung (maximale Kühlung).
Aufgrund einer solchen Übersetzung ist das Drehmoment, welches durch die Triebfeder 7 erzeugt werden muss, relativ gering. Somit ist auch die zusätzliche Belastung des Elektromotors, der zum Schließen der Klappen gegen das Drehmoment der Triebfeder 7 betrieben werden muss, relativ gering. Im Schnitt der 2 ist desweiteren der Rotormagnet 20 sowie der Stator 21 des Elektromotors zu sehen. Der Rotormagnet 20 sitzt dabei auf einer als Hohlwelle ausgestalteten Rotorwelle 3a, welche wiederum eine am Boden und Deckel des Gehäuses 2 gelagerte Rotorachse 3b umschließt.
In 3 ist das Gehäuse des Aktuators dargestellt. Die Triebfeder 7 ist in einem separaten Gehäuseteil 8 vorgesehen, der mit dem Gehäuse 2 der Getriebebaugruppe z.B. verschraubt sein kann. Somit lässt sich die durch die Triebfeder 7 gebildete Fail-Safe-Einrichtung mit relativ einfachen konstruktiven Maßnahmen „nachrüsten“, d.h. die Baupläne für bestehende Getriebebaugruppen müssen nur geringfügig angepasst werden. Darüber hinaus lässt sich die Triebfeder 7 entsprechend der benötigten Leistungsparameter (z.B. Drehmoment) auf einfache Weise austauschen.
Die 4 zeigt die vorgespannte Triebfeder 7 in dem Gehäuseteil 8 in einer Draufsicht. Das Gehäuseteil 8 ist so ausgestaltet, dass die Triebfeder 7 in beiden möglichen Orientierungen eingebaut werden kann, so dass die Drehrichtung der Fail-Safe-Bewegung eingestellt werden kann. Somit wird eine kostengünstige und flexible Bauweise erzielt.
Die 5 zeigt den Verlauf des Drehmomentes abhängig von der Anzahl der Umdrehungen der Triebfeder 7 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Im Bereich von 4 bis 16 Umdrehungen weist die Triebfeder 7 ein Drehmoment zwischen 8 und 16 Ncm auf. In diesem Bereich verläuft die Drehmomentkurve im Wesentlichen proportional zu der Anzahl der Umdrehungen der Drehachse (Achse 6a) der Triebfeder 7.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators 1, bei der die Triebfeder 7 nicht konzentrisch zur Achse des Zwischenrades 6 angeordnet ist, so dass im gezeigten Ausführungsbeispiel durch die exzentrische Anordnung Bauraum gespart werden kann. Die Triebfeder 7 wiederum ist an ihrem einen Ende in einem axial verlaufenden Kupplungsspalt 12a des Flansches 12 befestigt und kann in beiden möglichen Orientierung eingebaut werden, um die Richtung der Fail-Safe-Bewegung einzustellen. Dazu weist das Gehäuseteil 8 symmetrisch angeordnete Befestigungselemente 15 zur Aufnahme der Triebfeder 7 auf. Im Vergleich zur 4 sind diese Befestigungselemente 15 in einer leicht modifizierten Variante gezeigt.
Im Ausführungsbeispiel der 6 ist zusätzlich eine Federspanneinrichtung 9 vorgesehen, mit deren Hilfe der vorzugsweise eine Triebfeder 7 umfassende Energiespeicher aufgeladen werden kann. Um die Federspanneinrichtung 9 verdrehsicher im Gehäuse des Aktuators 1 zu befestigen, sind an dessen Gehäuseboden Streben 13 ausgeformt, die in entsprechende Nuten 14, bzw. Rillen der Federspanneinrichtung 9 eingreifen. Im Beispiel sind diese Streben 13 und Nuten 14 konzentrisch und in radialer Richtung zur Drehachse des von der Federspanneinrichtung 9 eingefassten Zahnrades (hier des Abtriebsrades 4) ausgeformt. Durch die Federspanneinrichtung 9 wird die Triebfeder 7 derart aufgezogen, dass Sie eine vorgegebene Federspannung erreicht und gleichzeitig ein Überspannen einfach verhindert werden kann, so dass die Feder ein vorherbestimmtes Drehmoment über den Verstellweg der Fail-Safe-Bewegung bereitstellt. Dazu weist das Abtriebsrad 4 einen oder mehrere Vorsprünge 11 auf, die im Zusammenspiel mit mindestens einem Bewegungsanschlag 10 der Federspanneinrichtung 9 die Drehbewegung des Abtriebszahnrades begrenzen. Zum Aufladen des Energiespeichers wird das Abtriebsrad 4 aus einer vorbestimmten Einbaulage heraus durch den Elektromotor entgegen der Fail-Safe-Bewegungsrichtung rotiert, bis der mindestens eine Vorsprung 11 des Abtriebsrades 4 über den mindestens einen Bewegungsanschlag 10 rotiert ist, wobei auch das mit dem Energiespeicher verbundene Zwischenrad 6 um eine vorbestimmte Anzahl an Umdrehungen rotiert und die Triebfeder 7 des Energiespeichers dadurch kontrolliert aufzieht. Der mindestens eine Bewegungsanschlag 10 ist derart ausgestaltet, dass das Abtriebsrad 4 bei einer Rotation entgegen der Fail-Safe-Bewegungsrichtung mit seinem Vorsprung 11 über den mindestens einen Bewegungsanschlag 10 gedreht werden kann, wobei der mindestens eine Bewegungsanschlag 10 durch den oder die Vorsprünge 11 nach unten gedrückt wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der oder die Vorsprünge 11 an ihrer in Richtung der Drehbewegung zum Aufladen des Energiespeichers liegenden Seite abgeschrägt sind, so dass diese gut über den mindestens einen Bewegungsanschlag gleiten können.
Eine Ausführung des Abtriebrades 4 mit jeweils einer abgeschrägten Seite 11a an zwei Vorsprüngen 11 ist in 7 gezeigt. Nachdem der mindestens eine Vorsprung 11 über den mindestens einen Bewegungsanschlag 10 gedreht wurde, wird dieser nicht mehr niedergehalten, sondern verstellt sich in seine Ausgangslage zurück und begrenzt dann den Verstellweg des Abtriebsrades 4. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der mindestens eine Bewegungsanschlag 10 federnd ausgebildet ist und sich somit selbstständig in seine Betriebsposition mit maximaler Erstreckung in eine Richtung parallel zur Drehachse des Abtriebsrades 4 verstellen, beziehungsweise elastisch verformen kann.
Durch die initiale Verstellung von ihrer Einbaulage über den Bewegungsanschlag 10 wird die Triebfeder 7 also mit einer zusätzliche Federspannung beaufschlagt, so dass im Fail-Safe-Fall in jeder Betriebsposition genügend Energie bereitsteht, um die sichere Position des Aktuators 1 einzustellen. Im Fail-Safe-Fall, als auch im Ruhezustand des Aktuators 1, insbesondere wenn der Elektromotor nicht bestromt ist, dreht die Triebfeder 7 das Abtriebsrad 4 dann soweit zurück, bis der oder die Vorsprünge 11 des Abtriebsrades 4 durch den mindestens einen Bewegungsanschlag 10 der Federspanneinrichtung 9 gestoppt werden.
Im Beispiel begrenzt der Bewegungsanschlag 10 die Drehbewegung des Abtriebszahnrades 4 auf eine Rotation um 90°, so dass das mit dem Energiespeicher verbundene Zwischenrad 6, je nach Übersetzungsverhältnis der beteiligten Getriebestufen, zwischen zwei und zwanzig Umdrehungen mit oder gegen die Federkraft absolvieren kann. Dementsprechend ist im Normalbetrieb als auch im Fail-Safe-Fall die Drehbewegung des Abtriebszahnrades auf eine Rotation um beispielsweise 90° begrenzt. Während die Rotation durch den mindestens einen Bewegungsanschlag 10 der Federspanneinrichtung 9 in der Fail-Safe-Drehrichtung begrenzt ist, kann der Bewegungsanschlag 10 entgegen der Fail-Safe-Drehrichtung beispielsweise durch das Erreichen einer Endposition einer Klappe realisiert sein. Zum initialen Aufladen des Energiespeichers führt das Abtriebsrades 4 vorzugsweise eine Rotation zwischen 40° und 270° aus. Prinzipiell kann jedoch ein beliebiger Drehwinkel zum Aufladen des Energiespeichers gewählt werden. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass das Abtriebsrad 4 dabei mehr als eine vollständige Umdrehung absolviert und dessen mindestens einer Vorsprung 11 mehrmals über den mindestens einen Bewegungsanschlag 10 gleitet. Vorzugsweise bestehen die Federspanneinrichtung 9 und insbesondere der mindestens eine Bewegungsanschlag 10 aus einem Metall, um eine stabile Konstruktion zu gewährleisten. Es kann dabei besonders vorteilhaft sein, wenn der Bewegungsanschlag 10 aus einem Federstahl besteht. Alternativ kann auch eine Ausführung als Kunststoffteil vorteilhaft sein, insbesondere um eine einfache Herstellung im Spritzgussverfahren zu ermöglichen. In einer zumindest teilweise aus Kunststoff hergestellten Ausführung kann die Federspanneinrichtung 9 auch auf einfache Art und Weise direkt am Gehäuse angeformt werden. Wird die Federspanneinrichtung 9 und insbesondere der Bewegungsanschlag 10 vollständig aus Kunststoff gefertigt, so muss der Bewegungsanschlag 10 starr ausgebildet sein. In solchen Ausführungen ist es dann notwendig das Abtriebsrad 4 axial verschiebbar auszuführen, beziehungsweise zu lagern, so dass das Abtriebsrad 4 weiterhin über den Bewegungsanschlag 10 gedreht werden und die Federeinrichtung 9 gespannt werden kann.
Die 8 und 9 zeigen eine weitere, leicht modifizierte Ausführung des erfindungsgemäßen Aktuators mit Fail-Safe-Einrichtung, in welcher der Energiespeicher wiederum als Federeinrichtung ausgebildet ist. Im Gegensatz zu der zuvor in 6 gezeigten Federeinrichtung mit starrer Kopplung an das Zwischenrad 6, mit einem fest mit der Achse 6a des Zwischenrades 6 verbunden Verbindungsflanschs 12, ist hier eine Klauenkupplung 12b zwischen dem Verbindungsflansch 12 und dem kleineren Zahnrad des als Doppelzahnrad ausgebildeten Zwischenrades 6 vorgesehen. Der Verbindungsflansch 12 ist in der 8 als Hohlwelle mit einer Innenverzahnung ausgebildet, die mit der Verzahnung des Zwischenrades 6 in Eingriff steht. Einerseits kann der Aktuator einfach mit einer Federeinrichtung als Energiespeicher bestückt werden, andererseits können durch das vorhandene Spiel zwischen den beiden Verzahnungen Herstellungstoleranzen ausgeglichen werden. Insbesondere kann auch das gleiche Zwischenrad 6 in einer Version mit Federeinrichtung und in einer Version ohne Federeinrichtung verwendet werden, so dass Herstellungskosten minimiert werden können. Ebenso ist durch die vorgeschlagene Kupplung ein einfaches Nachrüsten eines Aktuators mit einer Fail-Safe-Einrichtung möglich. In den beispielhaften Ausführungsformen der 6, 8 und 9 sind keine Schrauben zur Befestigung des Gehäuseteils 8 der Federeinrichtung am Gehäuse 2 des Aktuators 1 vorgesehen. Das Gehäuseteil 8 der Federeinrichtung ist beispielhaft für eine alternative Befestigungsmöglichkeit mittels Laserschweißens oder Ultraschallschweißens vorbereitet, wobei zur Ausrichtung während der Montage des Gehäuseteils 8 der Federeinrichtung Vorsprünge oder Zapfen vorgesehen sein können, die in entsprechende Ausnehmungen am Gehäuse 2 des Aktuators 1 eingreifen.
Wie beschrieben eignet sich der Aktuator insbesondere für den Einsatz bei Luftklappen für die Motorkühlung in Kraftfahrzeugen, um im Notfall eine vorgegebene Position anzufahren, wobei diese Position meist eine offene Position der Luftklappen ist. Es sind jedoch auch andere Anwendungen des erfindungsgemäßen Aktuators möglich.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Gehäuse
3: Antriebsrad
3a: Antriebswelle
3b: Antriebsachse
4: Abtriebsrad
4a: Abtriebswelle
5: Zwischenrad
5‘: Zwischenrad
5a: Achse Zwischenrad
6: Zwischenrad mit Rückstellelement
6a: Achse des Zwischenrades 6
7: Triebfeder
8: Gehäuseteil für Federeinrichtung
9: Federspanneinrichtung
10: Bewegungsanschlag
11: Vorsprung
12: Verbindungsflansch
12a: Kupplungsspalt
12b: Klauenkupplung
13: Streben
14: Nuten
15: Befestigungselement
19: Leiterplatte
20: Rotormagnet
21: Stator
22: Dichtungsring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 11617115 A1 [0005]
US 4669578 [0005]
US 4533114 [0005]

Claims

Aktuator, umfassend: eine Getriebebaugruppe mit einem Antriebsrad (3), einem Abtriebsrad (4), und mindestens einem Zwischenrad (6), wobei das Antriebsrad (3) mit einer Antriebswelle (3a) eines Elektromotors zusammenwirkt, wobei das Zwischenrad (6) direkt oder indirekt Kraft von dem Antriebsrad (3) zu dem Abtriebsrad (4) überträgt und wobei das Abtriebsrad (4) die Kraft auf eine Abtriebswelle (4a) überträgt; und umfassend einen Energiespeicher zum Speichern von Energie, und zur Übertragung gespeicherter Energie auf das Zwischenrad (6) oder das Antriebsrad (3), wodurch ein Drehmoment auf die Abtriebswelle (4a) ausgeübt und die Abtriebswelle (4a) bei einem Ausfall des Elektromotors in eine sichere Stellung gedreht wird.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Betrag des Übersetzungsverhältnisses von dem Zwischenrad (6) zu dem Abtriebsrad (4) kleiner 1 ist.
Aktuator nach Anspruch 2, wobei das Übersetzungsverhältnis von dem Zwischenrad (6) zu dem Abtriebsrad (4) zwischen 1/20 und 1/50 liegt.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher durch eine Federeinrichtung gebildet wird.
Aktuator nach Anspruch 4, wobei die Federeinrichtung eine Triebfeder (7) umfasst.
Aktuator nach Anspruch 5, wobei die Triebfeder (7) beim Ausfall des Elektromotors das Zwischenrad (6) oder das Antriebsrad (3) um 4 bis 16 Umdrehungen rotieren kann.
Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebfeder (7) ein Drehmoment zwischen 8 und 16 Ncm bereitstellt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Triebfeder (7) in einem separaten Gehäuseteil (8) angeordnet ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein erstes Zwischenrad (5) und ein zweites Zwischenrad (6), wobei das erste Zwischenrad (5) die Kraft von dem Antriebsrad (3) direkt oder über weitere Zwischenräder (5) auf das zweite Zwischenrad (6) überträgt, und das zweite Zwischenrad (6) die Kraft direkt oder über weitere Zwischenräder (5‘) auf das Abtriebsrad (4) überträgt, und wobei der Energiespeicher zur Übertragung der gespeicherten Energie auf das zweite Zwischenrad (6) vorgesehen ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung eines Zwischenrads (5, 5‘, 6) oder des Abtriebsrads (4) in mindestens einer ersten Drehrichtung begrenzt werden kann.
Aktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenrad (5, 5‘, 6) oder das Abtriebsrad (4) mindestens einen Vorsprung (11) aufweist, der mit mindestens einem Bewegungsanschlag (10) zusammenwirkt, um die Drehbewegung des Zwischenrads (5, 5‘, 6) oder des Abtriebsrads (4) in der ersten Drehrichtung zu begrenzen.
Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsanschlag (10) derart ausgebildet ist, dass das Zwischenrad (5, 5‘, 6) oder das Abtriebsrad (4) in einer zweiten Drehrichtung über den Bewegungsanschlag (10) hinweg gedreht werden.
Aktuator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator eine Federspanneinrichtung (9) aufweist, die den mindestens einen Bewegungsanschlag (10) umfasst und wobei eine Federeinrichtung des Energiespeichers dadurch vorgespannt wird, dass das Zwischenrad (5, 5‘, 6) oder das Abtriebsrad (4) aus einer initialen Einbaulage in die zweite Drehrichtung über den mindestens einen Bewegungsanschlag (10) hinweg in eine Betriebsposition gedreht wird.
Aktuator nach Anspruch einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsanschlag (10) federnd ausgebildet ist.
Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuator (1) als Klappensteller in einer Kühlervorrichtung eines Kraftfahrzeugs zur Kühlung eines Motors und/oder einer Batterie betreibbar ist, wobei Klappen der Kühlervorrichtung in der sicheren Stellung der Abtriebswelle (4a) geöffnet sind.