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Die Erfindung betrifft ein Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Luftleitelemente von Kraftfahrzeugen sind bekannt. Diese Luftleitelemente, welche an den Kraftfahrzeugen bevorzugt an einem Heck des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, weisen ein Profil auf, welches relativ zur Fahrzeugkarosserie zwischen einer eingefahrenen Ruheposition und einer maximal ausgefahrenen Wirkposition verstellbar ist. Bekannt sind zum Beispiel Kraftfahrzeuge, deren Luftleitelement, auch Spoiler genannt, in der Karosserie versenkbar sind und in ihrer Wirkposition überwiegend außerhalb der Karosserie angeordnet sind.
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Die Luftleitelemente werden mit Hilfe eines Stellelementes und einer zwischen dem Stellelement und dem Luftleitelement ausgebildeten Kinematik in ihre entsprechenden Positionen gestellt. Des Weiteren dient das Stellelement insbesondere in der Wirkposition einer gesicherten Positionierung des Luftleitelementes. Dazu sind die Stellelemente üblicherweise selbsthemmend ausgebildet. Problematisch ist jedoch, dass bei einer Überbelastung des Luftleitelementes dieses aufgrund der Selbsthemmung nicht der Überlast gemäß einfahren kann, sondern insbesondere das Stellelement und die Kinematik beschädigt wird. Die Ursachen dieser Überlast sind unterschiedlichster Art, wobei bspw. durch ein Abstützen oder Aufsetzen von Personen auf dem Luftleitelement diese Überlast erreicht werden kann.
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So geht aus der europäischen Patentschrift
EP 2 716 529 A2 ein Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs hervor, wobei das Stellelement nicht selbsthemmend ausgebildet ist. Zur Fixierung des Luftleitelementes sowohl in einer ausgefahrenen Position als auch in einer eingefahrenen Position ist eine Bremse in Form einer magnetischen Bremse ausgebildet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs, wobei das Luftleitelement in seiner Position relativ zum Kraftfahrzeug zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position einstellbar ist, steht zur Einstellung mit einer Kinematik des Luftleitelementes in einer Wirkverbindung. Das Stellelement weist einen Stellmotor und eine Stellwelle auf, welche mit der Kinematik wirkverbunden ist. Zwischen der Stellwelle und dem Stellmotor ist ein Getriebe ausgebildet, welches nicht selbsthemmend ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß ist zur Herbeiführung einer gesicherten Positionierung des Luftleitelements das Getriebe wirkungsgradoptimiert ausgestaltet. Unter einem wirkungsgradoptimiert ausgestalteten Getriebe ist in diesem Zusammenhang ein Getriebe zu verstehen, welches eine große innere Reibung aufweist, bei gleichzeitig relativ hohem Wirkungsgrad, derart, dass es in bestimmten Lastpunkten kein Rückdrehen der Stellwelle erlaubt. Da insbesondere bei einem Getriebe, insbesondere bei einem Schneckenradgetriebe, bei einem kleinen Wirkungsgrad eine Selbsthemmung gegeben ist, muss diese aufgrund des Wirkungsgrades herbeigeführt Selbsthemmung aufgehoben sein.
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Das wirkungsgradoptimierte Getriebe, welches sich somit durch einen relativ hohen Wirkungsgrad auszeichnet, dient der Vermeidung der Selbsthemmung, wodurch eine rückwärtige Rotation der Stellwelle ermöglicht ist. Des Weiteren ist der angehobene Wirkungsgrad des Getriebes beim wirkungsgradoptimierten Getriebe verbunden mit einer Erhöhung einer inneren Reibung des Getriebes, insbesondere der Reibung an Lagerstellen des Getriebes, derart, dass eine gesicherte Positionierung des Luftleitelementes ermöglich ist. Das bedeutet, dass das Getriebe nicht selbsthemmend ausgebildet ist, jedoch aufgrund der Ausführung als wirkungsgradoptimiertes Getriebe erst ab einer bestimmten Belastung des Luftleitelementes eine rückwärtige Rotation der Stellwelle erlaubt und bei zulässiger Belastung eine gesicherte Positionierung des Luftleitelementes ermöglicht. Das heißt mit anderen Worten, dass das Getriebe zu einer rückwärtigen Rotation der Stellwelle ab Überschreitung einer Höchstlastgrenze ausgebildet ist.
Die Höchstlastgrenze ist in Abhängigkeit eines maximalen Motorrastmomentes und dem wirkungsgradoptimierten Getriebe zu bestimmen.
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Das Getriebe ist bevorzugt ein Schraubradgetriebe, insbesondere bevorzugt ein Schneckenradgetriebe, welches sich durch eine Geräuscharmut im Vergleich mit anderen Getriebearten auszeichnet.
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Zur Erzielung einer besonders gesicherten Positionierung des Luftleitelementes, weist das Getriebe einen Wirkungsgrad mit einem Wert größer 0,5 auf.
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Sofern das Stellelement zusätzlich eine Bremse aufweist, welche in Verbindung mit dem wirkungsgradoptimierten Getriebe bis zu einer bestimmten, ausgewählten Last ein Rückdrehen der Stellwelle verhindert und bei einem Überschreiten dieser bestimmten Last, im Weiteren auch als Höchstlastgrenze bezeichnet, ein Rückdrehen der Stellwelle und somit eine Einfahrbewegung des Luftleitelementes erlaubt, ist die Positionierung des Luftleitelementes bevorzugt gesichert.
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Die Höchstlastgrenze ist, sofern das Stellelement die Bremse aufweist, in Abhängigkeit des maximalen Motorrastmomentes und eines Bremsmomentes einer Bremse sowie dem wirkungsgradoptimierten Getriebe zu bestimmen. Der Vorteil liegt in der Möglichkeit eine bauraumoptimierte Auslegung des Stellelementes zu realisieren.
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Die Bremse ist eine mechanische Bremse und/oder eine elektrische Bremse. Sofern die Bremse eine mechanische Bremse ist, ist sie bevorzugt als Lamellenbremse oder als Schlingbandbremse zu gestalten. Ein Vorteil der Schlingbrandbremse ist eine bauraumoptimierte Anordnung, da sie die Stellwelle umfassend ausgebildet werden kann, so dass kein zusätzlicher Bauraum notwendig ist. Der Vorteil der elektrischen Bremse ist eine genaue Einstellung der Bremskraft. Bevorzugt ist die elektrische Bremse in Form eines Gleichstrommotors (auch DC-Motor genannt), insbesondere in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors (auch EC-Motor genannt) ausgebildet ist. Der bürstenlose Gleichstrommotor ist gegenüber dem bürstenaufweisenden Gleichstrommotor von geringerem Gewicht. Ein weiterer Vorteil der elektrischen Bremse ist bei einer Kombination mit dem wirkungsgradoptimierten Getriebe und der mechanischen Bremse der, dass die mechanische Bremse relativ klein gebaut werden kann und bis zu einer bestimmten Last eine Haltekraft in Verbindung mit dem wirkungsgradoptimierten Getriebe aufweist und erst ab dieser bestimmten Last die elektrische Bremse mit ihrer elektrischen Haltekraft die Haltekraft zur gesicherten Positionierung des Luftleitelementes mit bewirkt. D.h. mit anderen Worten, dass die elektrische Bremse erst ab einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit zuzuschalten ist. Daraus resultiert ein energieoptimiertes und kompaktes Stellelement.
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Mit dem wie vorstehend genannt ausgebildeten Stellelement lässt sich insbesondere auf einfache Weise das Stellelement und auch die Kinematik sowie das Luftleitelement vor Beschädigung durch Überschreitung der Höchstlastgrenze schützen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Innenansicht von oben ein Stellelement gemäß dem Stand der Technik,
- 2 in einer perspektivischen Innenansicht von oben ein erfindungsgemäßes Stellelement,
- 3 in einer perspektivischen Innenansicht von unten das Stellelement gem. 2,
- 4 in einer perspektivischen Darstellung eine Bremse des Stellelementes gem. 2,
- 5 ein Haltekraft-Geschwindigkeits-Diagramm des Stellelementes gem. 2 eines Luftleitelementes, und
- 6 in einer perspektivischen Darstellung ein Heck eines Kraftfahrzeugs aufweisend das Luftleitelement.
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Ein Stellelement 1 gemäß dem Stand der Technik für ein in 6 illustriertes Luftleitelement 2 eines Kraftfahrzeugs 3, ist gemäß 1 ausgebildet. Das Stellelement 1 weist einen elektrisch betreibbaren Stellmotor 4 auf, mit dessen Hilfe eine Stellwelle 5 bewegbar ausgebildet ist. Die Stellwelle 5 ist in einem Gehäuse 6 des Stellelementes 1 um ihre Längsachse 7 rotierbar gelagert, wobei ein erstes Ende 8 der Stellwelle 5 und ein zweites Ende 9 der Stellwelle 5 aus dem Gehäuse 6 hinausragend ausgeführt sind und mit dem Luftleitelement 2 in Wirkverbindung stehen.
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Das Gehäuse 6 ist entlang einer Längserstreckung des Stellelementes 1 in einen ersten Gehäuseteil 10 und einen zweiten Gehäuseteil 11, welcher in 3 dargestellt ist, teilbar, wobei in 1 das zweite Gehäuseteil 11 zur Innenansicht des Stellelementes 1 von oben nicht dargestellt ist. Es sei hier kurz erwähnt, dass die Begriffe oben und unten lediglich zur Unterscheidung der Ansichten des Stellelementes 1 dienen. Sie besitzen keinen Hinweis darauf, wie das Stellelement 1 im Kraftfahrzeug 3 verbaut ist.
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Die Rotationsbewegung der Stellwelle 5 wird mit Hilfe eines Getriebes 12, aufweisend zwei Getriebestufen, eine erste Getriebestufe 13, welche mit dem Stellmotor 4 verbunden ist, und eine zweite Getriebestufe 14, welche mit der Stellwelle 5 verbunden ist, herbeigeführt. Die Getriebestufen 13, 14 sind jeweils in Form eines Schneckengetriebes ausgeführt, welches sich insbesondere durch ein geringes Geräusch, verglichen mit anderen Getriebepaarungen, und einem, aufgrund einer entsprechenden Relativanordnung der miteinander eingreifend in Verbindung stehenden Getriebeelementen, einer so genannten Schnecke und einem so genannten Schneckenrad, niedrigen Wirkungsgrad auszeichnet. Somit sind der ersten Getriebestufe 13 eine erste Schnecke 15 und ein erstes Schneckenrad 16 und der zweiten Getriebestufe 14 eine zweite Schnecke 17 und ein zweites Schneckenrad 18 zuzuordnen.
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Der Stellmotor 4, welcher in Form eines Elektromotors ausgeführt ist, ist zur Energieversorgung mit einem steckerartigen Anschluss 19 verbunden, der am Gehäuse 6 aufgenommen ist. Der Stellmotor 4 ist bevorzugt in Form eines üblichen Gleichstrommotors oder besonders bevorzugt in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors, da sich dieser, im Vergleich zum üblichen Gleichstrommotor, durch ein geringes Gewicht auszeichnet.
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Das Stellelement 1 gemäß dem Stand der Technik ist selbsthemmend ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass eine rückwärtige Rotation der Stellwelle 5 des Stellelementes 1 bei Überschreitung der zulässigen maximalen Belastung nicht möglich ist. Das bedeutet, dass bei einem ausgefahrenen Luftleitelement 2 eine übermäßige Belastung desselben zu einem Versagen von Teilen des Stellelementes 1, insbesondere der Getriebestufen 13, 14 führen kann, da eine rückwärtige Rotation nicht vorgesehen ist. Unter einer übermäßigen Belastung ist eine Überschreitung einer Höchstbelastungsgrenze des Stellelementes 1 zu verstehen, bspw. durch eine Abstützung einer Person am Luftleitelement 2.
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Zur Vermeidung eines derartigen Versagens ist das erfindungsgemäße Stellelement 1 ausgebildet, welches gemäß der 2 und 3 ausgestaltet ist. Das erfindungsgemäße Stellelement 1 ist im Vergleich zum Stellelement 1 des Standes der Technik nicht selbsthemmend ausgebildet.
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In 3 ist das Stellelement 1 ohne das erste Gehäuseteil 10 zu sehen, wobei dies eine Innenansicht des erfindungsgemäßen Stellelementes 1 von unten, somit aus der zur Blickrichtung der 2 entgegen gesetzten Blickrichtung, erlaubt. Deutlich erkennbar sind in 3 das erste Schneckenrad 16 und die zweite Schnecke 17, welche mit Hilfe einer Welle 20 drehfest miteinander verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Stellelement 1 ist grundsätzlich zur gesicherten Positionierung des Luftleitelementes 2 bis zu einer auf das Stellelement 1 wirkenden Höchstkraft ausgebildet, die als Höchstlastgrenze bezeichnet werden kann. Zum Ausfahren des Luftleitelementes 1 weist die Stellwelle 5 eine erste Rotation auf, wohingegen sie zum Einfahren eine der ersten Rotation um ihre Längsachse 7 entgegengesetzt gerichtete zweite Rotation, die rückwärtige Rotation, aufweist.
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Sofern die Höchstkraft aufgrund einer Überbelastung überschritten wird, weist die Stellwelle 5 aufgrund ihrer Nichtselbsthemmung die zweite Rotation auf, das Stellelement 1 befindet sich dann in einem einfahrenden Zustand. Die Einfahrung des Stellelementes 1 kann bis in seine Endlage erfolgen, sie kann jedoch auch bis zu einem die Überlastung unterschrittenen Lastpunkt und der zugehörenden Position erfolgen. Dies kann mit Hilfe von mit dem Stellelement 1 elektronisch und/oder mechanisch kommunizierenden Sensoren und Steuerelementen eingestellt werden.
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Eine Haltesicherung des Luftleitelements 2, die aufgrund der Nichtselbsthemmung des Stellelementes 1 zur gesicherten Positionierung des Luftleitelementes 2 notwendig ist, wird mit Hilfe eines wirkungsgradoptimierten Getriebes 12 bevorzugt in Form eines Schraubenradgetriebes, welches die beiden Getriebestufen 13, 14 umfasst, herbeigeführt, wobei diese Getriebestufen einen erhöhten Wirkungsgrad aufweisen.
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Die Erhöhung des Reibwiderstandes der Getriebestufen 13, 14 kann durch eine Erhöhung der Reibung zwischen den Schnecken 15, 17 und den korrespondierenden Schneckenrädern 16, 18 realisiert sein. So könnten bspw. die Zahnpaarungen von Schnecke 15; 17 und Schneckenrad 16; 18 eine erhöhte Flankenanlage der einzelnen Zähne aufweisen. Und/oder eine Oberfläche der Schnecken 15, 17 und/oder der korrespondierenden Schneckenräder 16, 18 könnte eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit zur Steigerung der Reibung besitzen. Vielfältige Maßnahmen zur Erhöhung der Reibung sind hier denkbar.
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Des Weiteren weist das wirkungsgradoptimierte Getriebe 12 einen im Gegensatz zum Stand der Technik höhere Reibung seiner Getriebelager 25 auf. Aufgrund der erhöhten Reibung muss eine höhere Kraft, resp. Belastung auf das Luftleitelement 2 ausgeübt werden, damit dieses aus seiner aktuellen ausgefahrenen Position eingefahren werden kann.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die erste Schnecke 15 ohne Durchgangsöffnung ausgeführt und mit Hilfe einer Verpressung mit einer Abtriebswelle 24 des Stellmotors 4 drehfest verbunden.
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Eine zusätzliche Haltesicherung des Luftleitelementes 2 ist mit Hilfe einer insbesondere mechanischen Bremse 21 ausgeführt, welche bevorzugt in Form einer Lamellenbremse oder einer Schlingbandbremse ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Bremse 21 als Schlingbandbremse ausgestaltet, s. 4. Die Bremse 21 weist eine zur gesicherten Positionierung des Luftleitelementes 2 erforderliche Bremskraft auf.
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In 5 ist in einem Haltekraft-Geschwindigkeits-Diagramm des erfindungsgemäßen Stellelementes 1 die aufzubringende Haltekraft F über einer Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs 3 dargestellt, welcher zur Positionssicherung der unterschiedlichen Positionen des Luftleitelementes 2 erforderlich ist. Die Haltekraft F entspricht einer Kraft, die vom Stellelement 1 erwirkt ist und die erforderlich ist, das Luftleitelement 2 bei einer entsprechenden Geschwindigkeit in seiner aktuellen Position zu halten.
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Die Geschwindigkeit v1 ist der Position des Luftleitelementes 2 zugeordnet, ab der bei einer Steigerung der Geschwindigkeit das Luftleitelement 2, sofern es bis zu dieser Geschwindigkeit eingefahren ist, ausgefahren wird. Somit ist die Geschwindigkeit v1 als Geschwindigkeit zum Ausfahrzeitpunkt bezeichnet. Daher ist eine zusätzliche Kraft zum Ausfahren des Luftleitelementes 2 erforderlich, wodurch die Haltekraft F einen Sprung aufweist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel setzt sich die Haltekraft F zusammen aus einer mechanischen Haltekraft 22 und einer elektrischen Haltekraft 23. Die mechanische Haltekraft 22 selbst setzt sich zusammen aus einem Widerstand des Getriebes 12 und einer Bremskraft der mechanischen Bremse 21. Die elektrische Haltekraft 23 ist mit Hilfe des Stellmotors 4 induziert.
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In einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 0km/h und v1 ist aufgrund der benötigten Haltekraft F, welche geringer ist als die elektrische Haltekraft 23, der erforderliche, die elektrische Haltekraft 23 herbeiführende Motorstrom nicht notwendig. Somit kann die Haltekraft F ausschließlich mit Hilfe der mechanischen Haltekraft 22 erwirkt werden. Bei einem Übersteigen der Geschwindigkeit v1 ist zur gesicherten Positionierung des Luftleitelementes 2 die elektrische Haltekraft 23 zu aktivieren.
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Bei Überschreiten der maximalen Haltekraft, bspw. durch Abstützung einer Person am Luftleitelement 2, kann, da das Getriebe nicht selbsthemmend ausgebildet ist, die Stellwelle 5 die zweite Rotation ausführen und das Luftleitelement 2 kann aus seiner aktuellen Position in eine, in Richtung seiner Schließposition angeordnete weitere Position gedrückt werden, ohne, dass insbesondere das Getriebe 12 und/oder die Kinematik 26 oder der Stellmotor 4 einen Schaden nimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellelement
- 2
- Luftleitelement
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Stellmotor
- 5
- Stellwelle
- 6
- Gehäuse
- 7
- Längsachse
- 8
- Erstes Ende der Stellwelle
- 9
- Zweites Ende der Stellwelle
- 10
- Erstes Gehäuseteil
- 11
- Zweites Gehäuseteil
- 12
- Getriebe
- 13
- Erste Getriebestufe
- 14
- Zweite Getriebestufe
- 15
- Erste Schnecke
- 16
- Erstes Schneckenrad
- 17
- Zweite Schnecke
- 18
- Zweites Schneckenrad
- 19
- Anschluss
- 20
- Welle
- 21
- Bremse
- 22
- Mechanische Haltekraft
- 23
- Elektrische Haltekraft
- 24
- Abtriebswelle
- 25
- Getriebelager
- 26
- Kinematik
- F
- Haltekraft
- v
- Geschwindigkeit
- v1
- Geschwindigkeit zum Ausfahrzeitpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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