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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung einer
Verformungskompensation von in Endlagen befindlichen Ventilklappen
in Klimaregeleinrichtungen, wobei die Ventilklappe mit einem innerhalb
eines elastischen Gesamtsystems vorhandenen Stellantrieb mit einer
Antriebswelle, versehen mit inkrementalen Stellbewegungen, in Verbindung
steht und zwischen zwei den Endlagen zugeordneten Anschlägen bewegt
wird.
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Vorrichtungen
der vorstehend beschriebenen Gattung dienen zur Verformungskompensation von
Ventilklappen beim Antrieb durch Stellantriebe zwischen zwei Endlagen,
wobei aufgrund der elastischen Verformung der Ventilklappe eine
Lageabweichung zwischen den Endlagen der Ventilklappe und den Endpositionen
der Antriebswelle des Stellantriebs auftritt.
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Eine
genaue Positionierung der Ventilklappe wird durch eine Lageabweichung
zwischen der Endlage der Ventilklappe und der Endposition der antreibenden
Motorwelle des Stellantriebs verhindert. Ursachen für die Lageabweichung
sind summierte Toleranzen in den bewegten Bauteilen sowie die elastische
Verformung der Bauteile der Ventilklappe. Dabei wirken sich die
Bauteile der Ventilklappe in unterschiedlichem Maße aus.
Einfluss haben beispielsweise die Biegesteifigkeit der Ventilklappe,
die Formfestigkeit des Stellantriebs und die Druckfestigkeit eines
Dichtungswerkstoffs sowie die Auflagefläche, deren Größe sich
umgekehrt proportional zur Eindrücktiefe
und damit zur Verformung des Gesamtsystems verhält.
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Diese
Lageabweichung macht eine Initialisierung der Winkellage des Stellweges
der Ventilklappe unmöglich.
Einerseits gibt bei einem Versuch einer Initialisierung der Winkellage
der Ventilklappe an seiner Endlage die davon abweichende Endposition
der Motorwelle des Stellantriebs eine abweichende End- und damit Startposition
für die
Bewegung der Ventilklappe in Gegenrichtung an die Stellantriebssteuerung
zurück.
Andererseits wird bei der elastischen Verformung der Ventilklappe
durch Druck gegen die Endlage mechanische Energie in der Ventilklappe
gespeichert. Beim Abschalten der Energiezufuhr nach detektierter
Endlage durch die Steuerung wird die mechanische Energie frei und
führt zu einem
Rücksprung
der Ventilklappe von seiner Endlage weg. Eine Lageabweichung zwischen
einer vermeintlichen Nullposition der Motorwelle, wie von der Stellantriebssteuerung
angenommen, und der Winkellage der Ventilklappe ungleich seiner
Endlage ist das Ergebnis.
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In
der Folge beider vorgenannter Effekte entstehen für eine erneute
Bewegung der Ventilklappe eine undefinierte Startlage und damit
eine undefinierte Ziellage zwischen den beiden Endlagen bei einer späteren gesteuerten
Winkelbewegung des antreibenden Stellantriebs.
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Eine
vorausschauende Einstellungsvorrichtung für Elektromotoren und ein dazugehöriges Eichsystem
sind in der Druckschrift
US
5,369,342 A beschrieben, wobei das Prinzip und die Software
für ein Motor-Eichsystem
zum Messen der durchschnittlichen Systemspannung von laufenden Elektromotoren
und der Laufzeit zwischen den Endlagen von Ventilklappen, welche
an die Antriebswellen des Elektromotors gekoppelt sind. Das Eichsystem
stellt ein Software-/Hardware-Motor-Eichsystem
zum Messen von Motorparametern von Elektromotoren und der Bewegungszeit
zwischen den Endlagen der Ventilklappen dar, ein System zur Anwendung
bei Eichung von Elektromotoren, welche als hybride offene und geschlossene
Rückkopplungsschleifen-Motorsteuerungssysteme
Verwendung finden, wobei die geschlossenen Rückkopplungsschleifen-Steuerungssysteme
Motoren mit Potentiometern verwenden, welche mittels analoger Signale
Positionsveränderungen
der Motorwellen sichtbar machen, wobei die Motorwellen sowohl in
offenem und geschlossenem Rückkopplungsschleifen-Steuerungssystem derart
mit Bauteilen verbunden sind, dass sie angeschlossene Bauteile zumindest
zwischen zwei Endlagen auf einem Bogen bewegen, und enthält:
- 1. ein Eingangsstromgerät, das Anschlüsse zur Aufnahme
von Strom aus einer Energiequelle besitzt und daraus geregelten
und Originalstrom generiert, welcher von den Bauteilen des Systems genutzt
wird, wobei das Eingangsstromgerät
einen Ein/Aus-Schalter besitzt, um bei Bedarf Strom vom System zu-
oder abschalten zu können;
- 2. Motorsteuerelemente, welche ein erstes Set von Anschlüssen zur
Aufnahme des geregelten und einfachen Stroms und ein zweites Set
von Anschlüssen
zum Empfang von logischen Steuersignalen besitzen, um daraus an
Ausgangsanschlüssen
Spannungsteuerungssignale zur bidirektionalen Steuerung der Bewegung
der Motorwellen in offenen und geschlossenen Rückkopplungsschleifen-Steuerungssystemen
in Erwiderung der logischen Steuersignale zu erzeugen;
- 3. einen externen Analog-Digital-Umwandler (ADC), welcher Eingangsanschlüsse besitzt,
die mit Potentiometern der geschlossenen Rückkopplungsschleifen-Motoren
gekoppelt sind, und welche mittels analoger Signale Positionsveränderungen
der Motorwellen sichtbar machen und daraus an den Ausgangsanschlüssen äquivalent zu
den analogen Signalen digitale Signale erzeugen;
- 4. eine Mikroprozessorsteuerung, bestehend aus:
(1) einem
Timer-System, welches ein Referenztakt-Signal liefert und in Verbindung
mit RAM basierendem Zählwerk
daraus an einem ersten Ausgangsanschluss ein erstes Taktsignal, – der gewählten Frequenz
des Referenztakt-Signals folgend –, ausgibt sowie an einem zweiten
Ausgangsanschluss ein zweites Taktsignal, – einer anderen gewählten Frequenz
des ersten Referenztakt-Signals folgend –, ausgibt;
(2) Klappenmotorsteuersoftware,
welche Anweisungen für
den Prozessor der Mikroprozessorsteuerung für die Erzeugung der digitalen
Signale enthalten, welche zur Formung der logischen Steuerungssignale
verwendet und an ein zweites Set von Anschlüssen der Motorsteuerelemente gesendet
werden, wobei der Prozessor Anweisungen von der Klappenmotorsteuersoftware
mit einer Frequenz abfragt, die durch das erste Taktsignal vorgegeben
wird;
(3) programmierbare Eingabe/Ausgabe-Schaltkreise, bestehend
aus
(a) programmierbaren Ausgaberegistern zum Empfang von digitalen
Signalen des Prozessors an Eingangsanschlüssen und zur Herstellung von logischen
Steuersignalen an Ausgangsanschlüssen
daraus, welche zu einem zweiten Set von Ausgangsanschlüssen der
Motorsteuerung gesendet werden,
(b) eine serielle periphere
Schnittstelle, welche die variablen digitalen Signale des externen
ADC empfängt
und daraus digitale Daten für
den Prozessor herstellt, um Endpunkte für die an den Motorwellen angebrachten
Bauteile anzuzeigen, und festzulegen, ob die externen ADC-Werte
gültig sind,
und
(c) einen internen ADC, um Abweichungen des Originalstroms
aus dem Eingangsstromgerät
zu empfangen, während
eine Motorwelle rotiert und dann äquivalente digitale Werte liefert,
aus denen der Prozessor die durchschnittliche Systemspannung verglichen
mit dem Motor ableitet; und
(4) Klappenmotorsteuersoftware,
welche Anweisungen für
den Prozessor enthalten, die er nutzt für:
(a) den Empfang der
variablen digitalen Daten des externen ADC und nachfolgende Festlegung, ob
die externen ADC-Werte
gültig
sind;
(b) den Empfang der variablen Daten des ADC und Berechnung
und Speicherung der daraus resultierenden durchschnittlichen Systemspannung des
Motors;
(c) die Abfrage der Klappenmotorsteuersoftware zur
Ausführung
von Anweisungen um einen Motor anzuschalten, und zum Erfassen der
Dauer der Klappenbewegung von einer Ausgangsstellung bis zu einer
festen Position, und um den Motor auszuschalten zur Beruhigung der
Motor-Rückmeldung
bei geschlossenen Rückkopplungsschleifen-Motoren,
wobei der Prozessor Anweisungen der Klappenmotoreichsoftware mit
derselben Frequenz abfragt, die durch das zweite Taktsignal vorgegeben
wird.
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Ein
Problem besteht darin, dass sich das Eichsystem nicht auf die Belastung
des elastischen Gesamtsystems einschließlich der Verformung der Ventilklappe
in Abhängigkeit
vom Drehmoment der Antriebswellen im Bereich ihrer Endlagen an den
Anschlägen
bezieht und somit in der Klappenmotorsteuersoftware die Durchführung einer
Verformungskompensation sowohl im ursprünglich eingebauten Zustand
als auch Hinweise zur Alterungsverformungskompensation fehlen.
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Des
Weiteren ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer Luftmischklappe
für eine
Fahrzeug-Klimaanlage in der Druckschrift
DE 198 17 819 C2 beschrieben,
die eine Öffnungspositionsdetektiereinrichtung
zum Detektieren einer Öffnungsposition
einer Luftmischklappe und zum Steuern eines Motor-Aktuators auf
der Basis eines Öffnungspositionssignals
von der Öffnungspositionsdetektiereinrichtung
aus enthält,
so dass die Luftmischklappe sich an einer Zielöffnungsposition befindet, versehen
mit:
Einer Funktionsstörungsdetektiereinrichtung
zum Detektieren einer Funktionsstörung der Öffnungspositionsdetektiereinrichtung,
einer
Anfangsstellungseinstelleinrichtung, die auf eine Funktionsstörungsdetektion
der Funktionsstörungsdetektiereinrichtung
reagierend die Anfangsstellung der Luftmischklappe durch Ansteuern
des Motor-Aktuators auf eine "Ganz
heiß"-Position oder eine "Ganz kalt"-Position einstellt, wenn es notwendig
ist, die Luftmischklappe zu einer von der "Ganz heiß"-Position oder der "Ganz kalt"-Position verschiedenen neuen Zielöffnungsposition
zu bringen,
einer Rücklaufantriebszeitberechnungseinrichtung, die
auf die Anfangsstellungseinstelleinrichtung reagierend eine Rücklauföffnungswinkelbreite
zu der Luftmischklappe von der eingestellten Anfangsposition zu
der neuem Zielöffnungsposition
festlegt, eine gegenwärtige
Batteriespannung erkennt und eine zum umgekehrten Drehen der Luftmischklappe
um die Rücklauföffnungswinkelbreite
erforderliche Rücklaufantriebszeit
basierend auf der Rücklauföffnungswinkelbrei te
und der gegenwärtigen
Batteriespannung derart berechnet, dass ein von einer Drehmomentvariation
des Motor-Aktuators aufgrund der Batteriespannung herrührender
Zeitfehler korrigiert wird, und
einer Rücklaufantriebseinrichtung,
die auf die Rücklaufantriebszeitberechnungseinrichtung
reagierend durch Ansteuern des Motor-Aktuators die Luftmischklappe
um die Rücklaufantriebszeit
umgekehrt antreibt.
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Es
sollen die Funktionsstörungen
seitens des Potentiometers, das Teil der Steuervorrichtung ist,
beseitigt werden.
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Ein
Problem besteht darin, dass eine von dem Potentiometer falsch angegebene
und detektierte Öffnungsposition
der Luftmischklappe der Auslöser
für die
Beseitigung einer auftretenden Zeitstörung ist. Bei den Potentiometerstörangaben
geht die Luftmischklappe nur deshalb in die Endlagen über, um von
dort eine Zeitangabe zu erhalten, die als Basis für eine Festlegung
einer Rücklaufzeit
des Stellantriebs in die vorgesehene Zielposition der Luftmischklappe
dienen soll. D.h., nur für
die Einstellung einer Zielposition in den Zwischenlagen zwischen
der Endlagen der Luftmischklappen wird die Luftmischklappe in eine
ihrer Endlagen gebracht, um dann über die Berechnung einer Rücklaufantriebszeit
für den
Stellantrieb zurück
in die vorgesehene Zielposition gebracht zu werden. Die Luftmischklappe
weist weder in den Endlagen noch in den Zwischenlagen eine Verformung
auf, die Anlass wären,
eine Kompensation derselben in der jeweiligen Endlage durchzuführen. Es
gibt somit keine Anhaltspunkte über
eine Berücksichtigung
der elastischen Verformung der Luftmischklappe und die entsprechenden
Software-Reaktionen seitens der Steuerung/Regelung und des Stellantriebs
zu den an den Anschlägen
vorhandenen Endlagen der Luftmischklappe.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Funktionsüberprüfung von motorisch angetriebenen
Lamellen und/oder Klappen eine Heiz- und/oder Klimaautomatik eines
Fahrzeuges und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in
der Druckschrift
DE
100 60 687 A1 beschrieben, die für die Luftverteilung und Luftmenge
Düsen aufweist,
die als Mitteldüsen
oder Seitendüsen
im Armaturenbrett oder an der Tür
angeordnet sind, wobei zur Einstellung der Lufteinrichtung an den
Düsen horizontal und/oder
vertikal angeordnete Lamellen und zur Einstellung der Luftmenge
Luftmengenklappen vorgesehen sind und wobei die Lamellen und/oder
Luftmengenklappen motorisch angetrieben werden. Es ist vorgesehen,
dass bei Abstellen des Fahrzeuges die Luftmengenklappen in eine
Parkposition gefahren werden, in welcher ein Endschalter angeordnet
ist, der einen Kontaktimpuls an das Steuergerät meldet.
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Ein
Problem besteht darin, dass die Parkposition in allen Lagen, einschließlich der
Endlagen der Luftmengenklappe sein kann, was aber nichts mit Gegenmaßnahmen
zu einer elastischen Verformung der Luftmengenklappe zu tun hat.
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Die
angegebenen Lösungen
arbeiten weitgehend auf einem durchgehend einheitlichen System zur
Beseitigung der auftretenden Lageabweichungen sowohl in den Zwischenstellungen
als auch in den Endlagen der Ventilklappen, ohne aber die Verformung
oder Durchbiegung des elastischen Gesamtsystems einschließlich der
postelastischen Ventilklappen beim Endlagenanschlag zu berücksichtigen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Durchführung
einer Verformungskompensation von in den Endlagen befindlichen Ventilklappen
in Klimaregeleinrichtungen anzugeben, die derart ausgebildet sind,
dass bei einem Anstoß der
Ventilklappe an einen Anschlag die in den Endlagen auftretende elastische
Verformung des elastischen Gesamtsystems einschließlich der
Ventilklappe durch geeignete Schritte im Bereich des Stellantriebs
ausgeglichen wird, um ein Federn der elastischen Ventilklappe vom Anschlag
weg und somit ein rückwärts sprunghaftes Verlassen
der Endlage zu vermeiden. Es soll dabei eine Steuerung bzw. eine
Regelung des Stellantriebs derart durchgeführt werden, dass auch die Ventilklappe
und die Rücksprungenergie
der verformten Ventilklappe durch die Rückstellung der Antriebswelle
einschließlich
der Einstellung des Stellantriebs beherrscht werden. Die Aufgabe
wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst.
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In
dem Verfahren zur Durchführung
einer Verformungskompensation von in Endlagen befindlichen Ventilklappen
in Klimaregeleinrichtungen steht die Ventilklappe mit einem innerhalb
eines elastischen Gesamtsystems vorhandenen Stellantrieb mit einer
Antriebswelle, versehen mit inkrementalen Stellbewegungen, in Verbindung
und wird zwischen zwei den Endlagen A0,
B0 zugeordneten Anschlägen bewegt,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil
des Patentanspruchs 1
- a) das Erreichen einer
Winkelversetzung α in
der Endposition Av, Bv der
Antriebswelle zu der in der Endlage A0,
B0 am Anschlag befindlichen und verformten
Ventilklappe festgestellt wird, wobei die Winkelversetzung α durch die
belastende Verformung des elastischen Gesamtsystems einschließlich der
Ventilklappe durch Einwirkung eines Drehmoments Mx der
Antriebswelle auftritt,
- b) innerhalb der Winkelversetzung α eine altersbedingte Veränderung
der Verformung des elastischen Gesamtsystems einschließlich der
Ventilklappe durch eine programmierte Alterskompensation berücksichtigt
wird,
- c) bei Erreichen der winkelversetzten Endposition Av,
Bv der Antriebswelle und nach dem Stillstand des
Stellantriebs eine Rückstellbewegung
der Antriebswelle durchgeführt
wird, indem die winkelversetzte Endposition Av,
Bv der Antriebswelle des Stellantriebs an
die der Endlage A0, B0 zugeordnete
definierte Position der Antriebswelle um die Winkelversetzung α zurückgestellt
wird und
- d) die Energiezufuhr zum Stellantrieb erst nach dem Abschluss
der Rückstellbewegung
unterbrochen wird und sich die Ventilklappe dann verformungsfrei
in ihrer Endlage A0, B0 an
den Anschlägen
befindet.
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Der
Betrag der Rückstellbewegung über die typische
Verformung der Ventilklappe wird bei Einwirkung eines Drehmoments
Mx der Antriebswelle definiert und es erfolgt
die Verformungskompensation durch eine Rückstellbewegung um einen Rückstellwinkel α von vorgegebenem
Wert.
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Der
Alterungsprozess des Werkstoffes der Ventilklappe und die damit
einhergehende Veränderung
des elastischen Verformungsverhaltens können durch eine in einer Steuerung
oder Regelung programmierte Alterungskompensation berücksichtigt werden.
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Dabei
können
- a) die Rückstellbewegung
des Stellantriebs über die
stets erneut sensorisch festgestellte Verformung der Ventilklappe
bei Einwirkung des Drehmoments Mx der Antriebswelle
definiert werden,
- b) die Regelung der Rückstellbewegung
mit einer Regeleinrichtung durch einen variablen, nach der tatsächlichen
Verformung ermittelten Rückstellwinkel α und
- c) die Feststellung der aktuellen Lage der Ventilklappe durch
die Sensoren und ihre Hilfsvorrichtungen durchgeführt werden.
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Der
der elastischen Verformung zugehörige Rückstellwinkel α kann aus
Materialkenngrößen, aus dem
Widerstandsmoment der auf Biegung belasteten Bauteile sowie aus
der Fläche
und aus der Druckfestigkeit des Materials von Dichtungen als theoretischer
Wert berechnet werden.
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Der
Rückstellwinkel α kann durch
Messung der Verformung beim Anlegen eine Drehmoments Mx ermittelt
werden.
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Zur
Funktionssteuerung des Stellantriebs kann am Anschlag ein blockierungsvermeidender Anschlagsbereich
festgelegt werden.
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Die
Energiezufuhr kann bei Lagenabstand der Ventilklappe vom nächstliegenden
Anschlag außerhalb
des festgelegten blockierungsvermeidenden Anschlagsbereiches unterbrochen
werden.
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In
der Vorrichtung zur Durchführung
einer Verformungskompensation von in Endlagen befindlichen Ventilklappen
in Klimaregeleinrichtungen steht die Ventilklappe mit einem innerhalb
eines elastischen Gesamtsystems vorhandenen Stellantrieb mit einer
Antriebswelle, versehen mit inkrementalen Stellbewegungen, in Verbindung
und ist zwischen zwei den Endlagen A0, B0 zugeordneten Anschlägen bewegbar angeordnet, wobei
gemäß dem Kennzeichenteil
des Patentanspruchs 9 der Ventilklappe, dem Stellantrieb mit der
Antriebswelle und den Endlagen A0, B0 eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, die
eine programmierte Kompensations-Steuerung, in
der die Rückstellbewegung
der um einen Winkel α versetzten
Endposition Av, Bv der
Antriebswelle des Stellantriebs in die Position, die der Endlage
A0, B0 der Ventilklappe
am Anschlag entspricht, vorgegeben ist, wobei die jeweils tatsächliche
Verformung des elastischen Gesamtsystems einschließlich der Ventilklappe
in Abhängigkeit
vom anliegenden Drehmoment Mx definiert
ist, sowie eine programmierte Alterskompensations-Steuerung enthält, die
die Rückstellbewegung
bei altersbedingter Veränderung
der elastischen Verformung des elastischen Gesamtsystems einschließlich der
Ventilklappe ermittelt und die ermittelte Rückstellbewegung als Rückstellwinkel α auf die
mit der Ventilklappe verbundene Antriebswelle überträgt.
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Die
Vorrichtung kann eine Ventilklappe, einen Stellantrieb, die Anschläge, eine
Antriebswelle des Stellantriebs und eine Steuereinrichtung aufweisen.
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Anstelle
der Steuereinrichtung kann die Vorrichtung eine Regeleinrichtung
besitzen und des Weiteren einen mechanischen Endlagensensor, einen Annäherungsendlagensensor,
eine Schleiferbahn des Potentiometers, einen Schleifer des Potentiometers,
eine Datenleitung und einen Aktivator aufweisen.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung nach dem beschriebenen
Verfahren erläutert.
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Die
Antriebswelle des Stellantriebs führt nach Erreichen ihrer Endpositionen
eine Rückstellbewegung
aus, wodurch die Antriebswelle des Stellantriebs eine definierte
Endposition einnimmt und der Betrag der Rückstellbewegung definiert ist über die typische
Verformung der Ventilklappe bei Einwirkung eines Drehmoments der
Motorwelle und die Verformungskompensation durch einen Rückstellwinkel α von vorgegebenem
Wert erfolgt. Der Betrag einer Rückstellbewegung entspricht
dem Betrag der ermittelten Verformung der Ventilklappe einschließlich zugehöriger Bauteile.
Zudem sind Lageabweichungen mit zu berücksichtigen, die aus dem Spiel
der bewegten Bauteile der Ventilklappe und der Antriebseinrichtungen
resultieren. Die Ermittlung der Verformung kann durch Messung einer
Verformung beim Anlegen des Drehmoments, das dem des im Normalbetrieb antreibenden
Stellantriebs entspricht, erfolgen. Auch eine Berechnung der Verformung
kann erfolgen, indem über
Materialkenngrößen und
das Widerstandsmoment der auf Biegung belasteten Bauteile sowie die
Fläche
und Druckfestigkeit des Materials von Dichtungen ein theoretischer
Wert ermittelt wird.
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Die
Funktion des Stellantriebs beruht auf unterschiedlichen Verfahren.
So kommen Schrittmotoren und Hydrauliksteller ebenso zum Einsatz
wie Gleichstrom-Aktuatoren
ohne Signal-Rückführsysteme.
Die Gleichstrom-Aktuatoren basieren in einer vorteilhaften Ausführungsform
auf der „Pulse-Count"-Technologie.
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Um
die Rückstellbewegung
nur in dem Fall einzuleiten, wenn die Ventilklappe tatsächlich eine der
beiden Endlagen erreicht hat, wird bei jedem Stopp des Stellantriebs
die Position der Antriebswelle bzw. die Winkellage der Ventilklappe
geprüft.
Die Endposition der Motorwelle wird erkannt und dementsprechend
die Entscheidung über
den Einsatz der Verformungskompensation nach dem Stillstand des Stellantriebs
in Abhängigkeit
vom Erreichen einer Endposition der Motorwelle erfolgt. Das Erkennen der
Endposition der Motorwelle erfolgt durch einen Stillstandsalgorithmus
(engl. Stall Detection Algorithmus), der das Abwürgen des Motors registriert.
Um dessen Funktion zu sichern und bei einer Blockierung des Motors
an anderer Position als den Endlagen keine Endposition zu signalisieren,
wird über
die Zählung
der Schritte des Stellantriebs ein Bereich festgelegt, innerhalb
dessen es sich bei einer Blockierung des Motors um die Endlage handelt.
Wird dabei von der Steuereinrichtung eine beliebige Winkellage der Ventilklappe
zwischen den beiden Endpositionen, ermittelt und als übereinstimmend
mit der Vorgabe der Steuereinrichtung registriert, erfolgt unmittelbar
die Unterbrechung der Energiezufuhr zum Stellantrieb.
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Die
Energiezufuhr zum Motor darf nicht unterbrochen werden, bevor über den
Einsatz der Verformungskompensation entschieden wurde und die Rückstellbewegung
gegebenenfalls abgeschlossen ist. Ziel dessen ist, den Rücksprung
der gespannten Ventilklappe von der Endlage weg mit allen Folgen
zu vermeiden. Stattdessen wird die Stellbewegung zurück eingeleitet
und im vorgegebenen Maß vollzogen.
Erst nach Abschluss der Stellbewegung zurück wird die Energiezufuhr zum
Stellantrieb unterbrochen und der Vorgang der exakten Endlagenpositionierung
damit abgeschlossen.
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Anstelle
der Endposition des Stellantriebs kann die Endlage der Ventilklappe
bestimmt werden.
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Durch
den starr vorgegebenen Betrag der erwarteten Verformung, der für die Bauteile
der Ventilklappe ermittelt wurde, kann das System nicht dynamisch
auf Veränderungen
reagieren. Veränderungen können beispielsweise
in Form von Änderungen
der Materialeigenschaften auftreten. Ist die Ventilklappe aus hochpolymerem
Kunststoff gefertigt, bringt die Alterung des Werkstoffs Eigenschaftsänderungen
mit sich. So kann ein Kunststoff einer Belastung durch plastische
Verformung ausweichen. Andererseits kann Versprödung auftreten, wodurch die
Elastizität nachlässt und
damit entsprechend elastische Verformungen geringer werden. An den
Dichtflächen
aufgebrachte Kunststoffschäume
verhalten sich entsprechend. Sie können verspröden und damit härter werden
und andererseits durch die häufige
Belastung an den am höchsten
belasteten Flächen
Eindrücke
durch plastische Verformung erhalten. Um diese Effekte zu berücksichtigen
und eine dauerhaft sichere und fehlerfreie Funktion des Systems
zu gewährleisten,
enthält
die Steuereinrichtung eine entsprechende Programmierung. Die beschriebenen,
sich langsam vollziehenden Veränderungen
sind im Programmspeicher abgelegt und verändern entsprechend die Funktion
der Steuerung in der Weise, dass der festgelegte Betrag der Stellbewegung
zurück, entsprechend
der bekannten Eigenschaften des Materials und dessen zeitabhängiger Veränderung,
zeitabhängig
angepasst wird. Da die Alterung auch von den klimatischen Umgebungsbedingungen
abhängt, sind
an das Einsatzgebiet angepasste Varianten des Alterungsprogramms
vorzusehen. Der Alterungsprozess des Werk stoffs der Ventilklappe
und die damit einhergehende Veränderung
des elastischen Verformungsverhaltens werden durch eine in der Steuerung
programmierte Alterungskompensation berücksichtigt.
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Die
Rückstellbewegung
kann über
die stets erneut sensorisch festgestellte Verformung der Ventilklappe
bei Einwirkung des Drehmoments der Motorwelle definiert werden.
Damit erfolgt die Regelung der Verformungskompensation mit der Regeleinrichtung
durch einen variablen Rückstellwinkel α, der nach
der tatsächlichen
Verformung ermittelt wird, wobei die Feststellung der Verformung
bzw. der aktuellen Lage der Ventilklappe durch die Sensoren und ihre
Hilfsvorrichtungen erfolgt. Die Sensoren sprechen auf den Druck
der Ventilklappe auf die Endlage an oder signalisieren die Annäherung der
Ventilklappe an die Endlage. Auch in die Steuereinrichtung des Stellantriebs
integrierte Systeme sind geeignet, die Endlage der Ventilklappe
zu signalisieren. So lassen geänderte
Spannungsverhältnisse
im Stromkreis des Stellantriebs auf einen gewaltsamen Stopp des
Motors durch Erreichen einer der Endlagen der Ventilklappe schließen.
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Anstelle
der starren Vorgabe einer Stellbewegung zurück durch die Steuereinrichtung
kann eine Regelung eingesetzt werden. Diese bestimmt durch Eingangsgrößen die
Position der Antriebswelle des Stellantriebs bzw. die Winkellage
der Ventilklappe und leitet daraus die erforderliche Stellbewegung zurück ab. Die
Position kann auf unterschiedliche Weise unter Nutzung verschiedener
physikalischer Effekte bestimmt werden, von denen einige, ohne die Möglichkeiten
der Positionsbestimmung damit einzuschränken, nachfolgend genannt werden
sollen.
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Zur
Bestimmung der exakten Position der Antriebswelle des Stellantriebs
und der Winkellage der Ventilklappe kann ein Potentiometer mit der
Antriebswelle des Stellantriebs verbunden sein. Zudem kann die Zahl
der Schritte des Stellantriebs in beiden Bewegungsrichtungen gezählt werden,
um die Position zu bestimmen. Zur Bestimmung der Endlage wird diese
mit einem Sensor versehen, der bei Annäherung oder Berührung der
Endlage durch die Ventilklappe ein Signal abgibt. Dieser Sensor
ist elektromechanisch als Endlagenschalter ausgeführt oder beruht
in seiner Funktion auf elektromagnetischen Feldeffekten und signalisiert
bei Annäherung
der Ventilklappe das veränderte
Magnetfeld oder elektrische Feld.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
sind folgende Vorteile verbunden:
- • Ausgleich
der Verformung der Ventilklappe an den Endlagen,
- • gesicherte
Signalisierung der Nullstellung an den Endlagen,
- • sichere
Funktion der Steuerung bei der Positionierung an beliebigen Winkelstellungen
zwischen den Endlagen und
- • bei
Anwendung bei der Klimaregelung Sicherung der exakten Funktion durch
korrekte Temperaturregelung im Innenraum des Fahrzeugs.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1:
Drehmoment beaufschlagte Ventilklappe an der Endlage A0,
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2:
Ventilklappe nahe der Endlage A0 nach Rücksprung
beim plötzlichen
Abbau des Drehmoments,
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3:
beispielhafte Fehlstellung der Ventilklappe,
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4:
Rückstellung
der Ventilklappe nach Erreichen der Endlage A0 und
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5:
Einsatz einer Regelung zur Verformungskompensation.
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1 zeigt
die Ventilklappe 1, befestigt an der Antriebswelle 5 des
Stellantriebs 2. Das Drehmoment Mx,
das der Stellantrieb 2 entwickelt und auf die Antriebswelle 5 und
die Ventilklappe 1 überträgt, führt dabei
zu einer elastischen Verformung der Ventilklappe 1. Die
Winkellage der Antriebswelle 5 Av ist
damit verschieden von der Endlage A0 mit
dem Anschlag 3 der Ventilklappe 1. Wird in diesem
Moment der Steuerung ein Erreichen der Endlage A0 mit
dem Anschlag 3 signalisiert, entsteht ein Fehler in der
Winkellage in Höhe
der Abweichung zwischen der Endlage A0 mit
dem Anschlag 3 und der tatsächlichen Winkellage Av der Antriebswelle 5. Die Verformung
der Ventilklappe 1 gilt exemplarisch für die Gesamtheit der Bauteile
der Ventilklappe 1 und deren elastische Verformung in Summe
ungeachtet deren Übereinstimmung
mit der in 1 angedeuteten Bauform. Weiterhin
dargestellt ist die Steuereinrichtung 6 und die andere
Endlage B0 mit dem Anschlag 4 der
Ventilklappe 1.
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2 zeigt
die Ventilklappe 1, nachdem sie nicht mehr vom Drehmoment
Mx beaufschlagt ist (M = 0), weil die Energiezufuhr
zum Stellantrieb 2 unterbrochen wurde. Mit der elastischen
Verformung der Ventilklappe 1, entsprechend 1,
wird in dieser Verformungsenergie gespeichert. Nach dem plötzlichen
Abbau des Drehmoments Mx wird die in der Ventilklappe 1 gespeicherte
Energie frei und führt
zu einem Rücksprung
der Ventilklappe 1 von der Endlage A0 mit
dem Anschlag 3 weg. Daraus ergibt sich eine Abweichung
zwischen der Endlage A0 mit dem Anschlag 3 und
der tatsächlichen
Ausgangslage Av. Die Ausgangslage Av der Antriebswelle wird von der Steuereinrichtung 6 irrtümlich als
Endlage A0 mit dem Anschlag 3 interpretiert,
ist aber die fehlerhafte Endlage A0'. In der Folge sind
die danach tatsächlich
angesteuerten Winkellagen der Ventilklappe 1 abweichend
von den gewünschten.
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3 zeigt
die Abweichung der angesteuerten Winkellagen Pn der
Ventilklappe 1 von der tatsächlich erreichten Winkellage
Pn'.
Die Winkelabweichung entspricht dabei der Winkelabweichung α, die beim
Rücksprung
nach 2 entstanden ist.
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4 stellt
die Anwendung des Verfahrens dar. Nach dem Erreichen der Endlage
A0 mit dem Anschlag 3 durch die
Ventilklappe 1 und deren elastischer Verformung, wie in 1 dargestellt,
wird die Rückstellbewegung
entsprechend dem Verfahren durchgeführt. Ohne dass der Stellantrieb 2 zuvor ausgeschaltet
wird, werden die vorgegebenen Schritte in Gegenrichtung, also von
der tatsächlichen
Winkellage Av der Antriebswelle 5 bei
Verformung weg, ausgeführt.
Dabei geht die elastische Verformung zurück, die in der Ventilklappe 1 gespeicherte
Energie wird langsam abgebaut, und die Endposition der Antriebswelle 5 entspricht
nach der Rückstellbewegung der
Endlage A0 mit dem Anschlag 3 der
Ventilklappe 1.
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Die
damit exakt bestimmte Ausgangsposition dient der Steuereinrichtung 6 nachher,
die vorgegebenen Winkellagen für
die Steuerung der Klimaregeleinrichtung exakt einzustellen.
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Die
Vorgabe der auszugleichenden Winkellage, gleich der Abweichung zwischen
A0 und Av in 1,
erfolgt entsprechend den mechanischen Eigenschaften der Ventilklappe 1 und
aller dazugehörigen
Bauteile. Insbesondere kommen dabei die Eigenschaften Biegesteifigkeit
bei auf Biegung beanspruchten Bauteilen und Druckfestigkeit bei
auf Druck beanspruchten Bauteilen in Betracht. Das gilt für andere
Belastungsfälle
entsprechend. Die Steifigkeit ihrerseits wird beeinflusst durch
Form-(Widerstandmoment) und Materialeigenschaften (Zugfestigkeit)
der Ventilklappe und ihrer Bauteile. Nach Ermittlung dieser Größen kann
die Vorgabe der auszugleichenden Winkellage erfolgen. Diese kann
unter Berücksichtigung
der mechanischen Eigenschaften der Ventilklappe 1 und des
Drehmoments Mx des Stellantriebs 2 berechnet
werden. Die Berechnung wird im Versuch durch Messung der tatsächlichen
Verformung der Ventilklappe 1 unter Einfluss des Drehmoments
Mx des Stellantriebs 2 beim Druck
gegen die Endlage A0 oder B0 geprüft oder
allein dadurch ermittelt.
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Das
Widerstandsmoment der Bauteile der Ventilklappe 1 ist nach
Belastungsrichtung unterschiedlich. Ist das der Fall, müssen für die Endlagen A0 mit dem Anschlag 3 und B0 mit dem Anschlag 4 jeweils unterschiedliche
Vorgaben der auszugleichenden Winkellage erfolgen.
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Ist
die Ventilklappe 1 oder sind Teile davon aus Werkstoffen
gefertigt, die einer Alterung unterliegen, d.h. zeitabhängig ihre
Eigenschaften ändern,
ist mit einer Änderung
der Steifigkeit der kompletten Ventilklappe 1 zu rechnen.
Damit kann sich der Zustand einstellen, dass die ursprüngliche
Vorgabe für die
Verformungskompensation nicht mehr der tatsächlich auftretenden Verformung
der Ventilklappe 1 entspricht und damit erneut eine Abweichung
der Winkellage auftritt. Um diesen Zustand zu vermeiden, kann die
Alterung des Materials vorhergesehen und in einem zeitabhängig ablaufenden
Programm abgelegt werden.
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Das
Programm verändert
dann den Winkel der Rückstellbewegung
bei der Verformungskompensation und passt ihn der erwarteten Entwicklung der
mechanischen Eigenschaften, insbesondere der elastischen Verformung
der Ventilklappe 1, an.
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Es
kann die Regelung der Verformungskompensation anstelle der Steuerung
nach einer fest vorgegebenen Winkellage erfolgen. In dem Fall kommt anstelle
der Steuereinrichtung 6 eine Regeleinrichtung 7 zum
Einsatz.
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Ein
solches Ausführungsbeispiel
zeigt 5. In diesem Fall wird die Steuereinrichtung 6 durch
die Regeleinrichtung 7 ersetzt. Die Regeleinrichtung 7 erhält Daten über die
Datenleitung 12 von einem Sensor 8, 9.
Unterschiedliche Ausführungsbeispiele
der Sensoren sind in 5 für die Endlage A0 mit
dem Anschlag 3 dargestellt. Für die Endlage B0 mit
dem Anschlag 4 gelten dieselben Möglichkeiten und Varianten,
wie für
den Einsatz der Sensoren. Der Endlagensensor 8 registriert
die Kraftwirkung der Ventilklappe 1 auf die Endlagen A0 mit dem Anschlag 3 oder B0 mit dem Anschlag 4. Der Annäherungsendlagensensor 9 registriert
berührungslos
die Annäherung
der Ventilklappe 1 an die Endlagen A0 mit
dem Anschlag 3 oder B0 mit dem
Anschlag 4 und funktioniert beispielsweise durch die Registrierung
von Änderungen
der elektromagnetischen Eigenschaften der Umgebung des Sensors,
oder er reagiert auf die Veränderung
des elektrischen Feldes bei Annäherung
der Ventilklappe 1 bzw. eines erforderlichenfalls darauf
angebrachten Aktivators 13, der die Reaktion beim Sensor
auslöst.
Der Aktivator 13 ist erforderlich, wenn das Material der
Ventilklappe 1 allein keine Reaktion bei einem bestimmten
Sensor auslöst.
Das ist beispielsweise bei Kunststoffen der Fall.
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Weiterhin
kann die Endlage sowie auch die Position der Ventilklappe 1 in
beliebiger Winkellage bestimmt werden, wenn ein Potentiometer mit
der Schleiferbahn des Potentiometers 10 und einem Schleifer 11 eingesetzt
wird. Der Schleifer 11 ist dabei mit der Antriebswelle 5 des
Stellantriebs 2 verbunden und bewegt sich entsprechend
der Winkellage der Antriebswelle 5 über die Schleiferbahn des Potentiometers 10.
Anstelle des Potentiometers zur analogen Bestimmung der Winkellage
können
auch rotierende Geber zur Bestimmung der Winkellage und der Generierung
digitaler Daten eingesetzt werden.
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Bei
allen Varianten der Verformungskompensation nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vor dem Ablauf der vorgesehenen Verformungskompensation die
Endlage zu prüfen.
Ist die Endlage nicht erreicht, wird also durch die Ventilklappe 1 eine beliebige
Winkelstellung zwischen den Endlagen A0 und
B0 eingenommen, und die Verformungskompensation
darf nicht eingeleitet werden. Wird ein Erreichen einer der Endlagen
A0 oder B0 der Steuereinrichtung 6 oder
der Regeleinrichtung 7 signalisiert, ist hingegen das erfindungsgemäße Verfahren
der Verformungskompensation durchzuführen.
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- 1
- Ventilklappe
- 2
- Stellantrieb
- 3
- Anschlag
- 4
- Anschlag
- 5
- Antriebswelle
des Stellantriebs
- 6
- Steuereinrichtung
- 7
- Regeleinrichtung
- 8
- Mechanischer
Endlagensensor
- 9
- Annäherungsendlagensensor
- 10
- Schleiferbahn
des Potentiometers
- 11
- Schleifer
des Potentiometers
- 12
- Datenleitung
- 13
- Aktivator
- A0
- Endlage
- A0'
- fehlerhafte
Endlage
- B0
- Endlage
- Av
- Endposition
- Bv
- Endposition
- Mx
- Drehmoment
- α
- Rückstellwinkel
- Pn
- angesteuerte
Winkellage
- Pn'
- erreichte
Winkellage