DE3826359A1 - Elektrisch angetriebener stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebenen Stellantrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Auf vielen technischen Gebieten werden Stellantriebe (Aktuatoren) benötigt, die - mitunter nur kurzzeitig - bei geringer mechanischer Leistung und häufig nur geringen Stellwegen große translatorische Kräfte - Stell- und insbesondere Haltekräfte - abgeben müssen. Hierzu werden üblicherweise entweder elektromagnetische Hubmag­ nete oder Elektromotoren mit nachgeschalteten Untersetzungsge­ trieben eingesetzt.

Geeignete Hubmagnete, die relativ großvolumig sind und ein relativ hohes Gewicht aufweisen, besitzen eine nichtlineare Erregerstrom/Kraft-Kennlinie, so daß es bereits bei vergleichs­ weise kleinen Fertigungstoleranzen zu größeren Schwankungen der abgegebenen Haltekraft kommen kann. Der Einsatz solcher elektromagnetischen Hubmagnete ist daher unter Umständen mit einem hohen regelungstechnischen Aufwand verbunden oder aber in vielen Fällen aus Raum- oder Gewichtsgründen von vornherein nicht möglich.

Die von Elektromotoren mit nachgeschalteten Untersetzungsgetrieben abgegebene Stell- oder Haltekraft ist demgegenüber weniger toleranzabhängig. Aber auch solche Stellantriebe erfordern ein vergleichsweise großes Bauvolumen, wenn sie im nicht ange­ steuerten Zustand eine definierte Endstellung einnehmen sollen, was in vielen Einsatzbereichen erforderlich ist. Die Größe der Gesamtübersetzung des Untersetzungsgetriebes ist nämlich wegen der Getriebereibung bzw. -selbsthemmung beschränkt, so daß der Elektromotor selbst zwangsläufig ein beachtliches Bau­ volumen besitzen muß. Im übrigen tritt bei solchen Stellantrieben bei größeren Haltekräften ein erhöhter Verschleiß an den Kommutator­ lamellen ein, wenn - wegen ihrer guten Regelbarkeit - Gleichstrom- Kommutatormotoren Verwendung finden.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und leistungsfähigen sowie möglichst kompakten, d. h. möglichst wenig Bauraum beanspruchenden elektrisch ange­ triebenen Stellantrieb der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, der mit vergleichsweise niedrigen elektrischen Strömen zu betreiben und dessen Stell- bzw. Haltekraft einfach und präzise zu steuern oder zu regeln ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus­ führungsbeispieles wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Der erfindungsgemäße elektrisch angetriebene Stellantrieb besteht aus einem Elektromotor 1, einer Pneumatikpumpe 2 und einer Druckdose 3, die funktionell miteinander gekoppelt und baulich zu einer kompakten Baueinheit vergleichsweise geringen Bauvolumens zusammengefaßt sind.

Als Elektromotor ist ein Elektromotor eingesetzt, dessen abge­ gebenes Drehmoment seinem steuerbaren Motorstrom I _M proportional und demzufolge leicht steuer- bzw. regelbar ist; regelungstechnisch stellt er somit ein lineares Glied dar. Vorzugsweise wird ein permanent erregter Gleichstrommotor eingesetzt, der eine nur geringe Baugröße und eine Leistung von etwa maximal 6 bis 60 Watt besitzt, dessen kleiner Motorstrom I _M aus dem Bordnetz des Fahrzeuges gespeist wird.

Der Elektromotor 1 läuft während des Fahrbetriebes permanent um. Er treibt eine Pneumatikpumpe mit einer ebenfalls linearen Kennlinie an, d. h. eine Pneumatikpumpe, deren Abgabedruck ihrem Antriebsmoment proportional ist; das bedeutet, daß der geförderte Volumenstrom der Pneumatikpumpe der Antriebsdrehzahl proportional ist. Vorzugsweise wird hier eine der bekannten Flügelzellenpumpe eingesetzt. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine solche Flügelzellenpumpe, deren im Zylinderraum des Pumpen­ gehäuses 21 exzentrisch gelagerter Rotor mit 22 und deren in diesem verschieblich gelagerten Pumpenflügel mit 23 beziffert sind. Die Flügelzellenpumpe besitzt wie üblich einen Saug­ und einen Druckanschluß, von denen in Fig. 1 nur ein Anschluß erkennbar und mit 24 beziffert ist.

Je nach Anwendungszweck des Stellantriebes kann die Pneumatikpumpe als unterdruck- oder als überdruckerzeugende Einheit ausgebildet sein. Bei Einsatz einer Flügelzellenpumpe würde dies im wesent­ lichen bedeuten, daß in dem einen Falle der Sauganschluß und in dem anderen Falle der Druckanschluß der Flügelzellenpumpe mit der nachgeschalteten Druckdose 3 zu verbinden wäre.

Mit Vorteil wird eine Flügelzellenpumpe mit einem Ausgangs­ bzw. Abgabedruck von etwa 2,5 bar absolut, d. h. 1,5 bar Atmos­ phärenüberdruck eingesetzt; bei einer solchen Druckhöhe treten im allgemeinen noch keinerlei Dichtungsprobleme auf.

Die somit zur Verfügung stehende Druckdifferenz von etwa 1,5 bar ist etwa dreimal so groß wie die bei Kraftfahrzeugen sonst üblicherweise für Servozwecke zur Verfügung stehende Druckdifferenz von etwa 0,5 bar, welche bei Ottomotoren vom Saugrohrunterdruck oder bei Dieselfahrzeugen durch besondere Diesel-Unterdruckpumpen zur Verfügung gestellt wird. Der größere ausnutzbare Druck bedeutet in ihrem Bauvolumen entsprechend kleiner bemessene nachgeschaltete Bauglieder.

Mit der über den Anschluß 24 von der Pneumatikpumpe 2 gespeisten Druckdose 3, die je nach Einsatzzweck und Pneumatikpumpe als Überdruck- oder Unterdruckdose ausgebildet ist, können bei geringem Stellweg ihres kraftübertragenden Stößels 32 vergleichs­ weise große Druck- bzw. - wie in Fig. 1 angedeutet - Zugkräfte aufgebracht werden, deren Größe u. a. von der Bemessung der druckbeaufschlagten Fläche der Druckdosenmembran 31 abhängt. Vorzugsweise wird die Druckdose so bemessen, daß die von ihr aufgebrachten Stell- und Haltekräfte etwa maximal 100 bis 1000 Newton betragen.

Durch entsprechende Gestaltung der Pneumatikpumpen/Druckdosen- Komponente kann die notwendige "Übersetzung" zwischen dem per­ manent rotierenden Elektromotor 1 und der von dem Stellantrieb abgegebenen linearen Stell- bzw. Haltekraft F den jeweiligen Einsatzbedürfnissen angepaßt werden.

Wie Fig. 3 zeigt, besteht zwischen dem steuer- bzw. regelbaren Motorstrom I _M des permanent umlaufenden Elektromotors 1 und dem Ausgangs- bzw. Abgabedruck Δ P der Pneumatikpumpe 2 ein etwa linearer Zusammenhang, wenn die miteinander gekoppelten Bauelemente, wie vorgesehen, jeweils eine lineare Kennlinie besitzen. Demzufolge ergibt sich auch zwischen der abgegebenen Stell- bzw. Haltekraft F der Druckdose 3 und dem steuerbaren Motorstrom I _M ein linearer Zusammenhang, wodurch die notwendige Steuerung bzw. Regelung dieser Kraft vergleichsweise einfach wird.

Neben seiner gewichts- und raumsparenden kompakten Bauweise und seiner guten Regelbarkeit besitzt der erfindungsgemäße elektrisch angetriebene Stellantrieb den weiteren Vorteil, daß seine Druckdose 3 ggf. als "weiches Dämpfungselement" zwischen Motor und Kraftausgang wirkt, wenn der Stellantrieb selbst mechanische Abläufe steuert.

Claims (5)

1. Elektrisch angetriebener Stellantrieb zur Erzeugung großer mechanischer translatorischer Stell- und Haltekräfte bei geringer mechanischer Leistung, deren Größe kontinuierlich steuerbar ist, vorzugsweise für den Einsatz in einer Kraft­ fahrzeug-Servolenkung, gekennzeichnet a) durch einen permanent umlaufenden Elektromotor (1) mit einem seinem steuerbaren Motor- oder Ankerstrom (I _M ) proportionalen Drehmoment, vorzugsweise einen permanent erregten Gleichstrommotor,

b) durch eine vom Elektromotor (1) permanent angetriebene Pneumatikpumpe (2), vorzugsweise eine Flügelzellenpumpe, mit linearer Abhängigkeit ihres Abgabe(Unter)-drucks (Δ P) von ihrem Antriebsmoment und

c) durch eine von der Pneumatikpumpe (2) permanent gespeiste (Unter)Druckdose (3) o. ä. mit einer linearen Abhängigkeit ihrer Dosenkraft (F) vom Eingangsdruck (Δ P).

2. Elektrisch angetriebender Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) eine maximale Leistung von etwa 6 bis 60 Watt, die Pneumatikpumpe (2) einen Ausgangs- bzw. Abgabedruck von etwa 2,5 bar absolut und die Druckdose (3) eine maximale Stell- und Haltekraft von etwa 100 bis 1000 Newton besitzen.

3. Elektrisch angetriebener Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Elektromotor (1), Pneumatikpumpe (2) und Druckdose (3) baulich zu einer kompakten Baueinheit zusammengefaßt sind.