EP0266657B1

EP0266657B1 - Stellantrieb

Info

Publication number: EP0266657B1
Application number: EP87115734A
Authority: EP
Inventors: Rüdiger Hoffmann; Dieter Feichtiger; Josef Schumacher; Peter H. Haller; Klaus J. Heimbrodt
Original assignee: Bornemann and Haller KG Firma; Daimler Benz AG; Walter Alfmeier GmbH and Co
Current assignee: Bornemann and Haller KG Firma; Daimler Benz AG; Walter Alfmeier GmbH and Co
Priority date: 1986-11-03
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1991-04-17
Anticipated expiration: 2007-10-27
Also published as: DE3637404C2; EP0266657A3; US4811562A; EP0266657A2; JPS63135603A; DE3637404A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Stellantrieb ist bekannt (DT-OS 21 03 701). Das Kolbenarbeitselement dieses einfachwirkenden Stellantriebs wird mittels einer elektrisch angetriebenen Pumpe mit aus einem Sumpf angesaugtem öl gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus einer Ruhe-Endlage in eine ausgefahrene Arbeits-Endlage verschoben und kann dort nur gehalten werden, solange der Antriebsmotor und die Pumpe laufen. Obwohl alle Funktionsteile dieses bekannten Stellantriebs in einem Gehäuse untergebracht sind, baut dieser wegen des notwendigen ölsumpfes nicht sehr klein. Stellkräfte können nur in einer Arbeitsrichtung aufgebracht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Stellantrieb mit fluidischer Kraftübertragung so auszubilden, daß bei Verwendung von Atmosphärenluft als Arbeitsmedium ein einfacher Aufbau, hohe Stellkräfte bei geringen Abmessungen und kleinen bewegten Massen sowie kurze Stellzeiten zwischen den beiden Endlagen des Stellgliedes erreicht werden.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Es ist noch ein anderer, nicht gattungsgemäßer Servoantrieb bekannt (US 3,374,625), bei dem die beiden Arbeitskammern eines separat angeordneten Kolbenarbeitselementes mittels aus einem ölsumpf herausgeführter Leitungen an je eine Zahnradpumpe angeschlossen sind, während die Pumpen und deren elektrischer Antriebsmotor selbst in die offene Wanne des ölsumpfs eingebaut sind. In Abhängigkeit von der Drehrichtung des Motors fördert jeweils die eine Pumpe öl aus dem Sumpf in eine Arbeitskammer des Kolbenstellelementes hinein und fördert die jeweils andere Pumpe öl aus der anderen Arbeitskammer in den Sumpf zurück. Die beanspruchte Ausgestaltung eines kompakten und mit Luft als Arbeitsfluid betreibbaren Stellantriebs kann aus der genannten US-PS nicht ohne weiteres hergeleitet werden. Ferner kann und soll ein Differenzdruck zwischen den beiden Arbeitskammern dieses Stellantriebs nicht selbsttätig ausgeglichen werden, so daß dessen Kolbenarbeitselement im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Stellantrieb im Ruhezustand nicht freigängig beweglich sein kann.
Die Unteransprüche offenbaren vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stellantriebs.
Durch gleichzeitige Beaufschlagung des Kolbenarbeitselementes auf einer Kolbenseite mit Über- und der anderen Kolbenseite mit Unterdruck bzw. umgekehrt, je nach Stellrichtung des Stellgliedes bzw. Förderrichtung der Pumpe, können die wirksamen Flächen des Kolbens und der Rauminhalt des fluidischen Systems bei verhältnismäßig hohen Stellkräften klein gehalten werden.
Dadurch werden folgende Vorteile erzeilt:

kompaktes Stellantriebsgehäuse
geringe Pufferwirkung der komprimierten Luft
sehr kurze Laufzeiten von Motor und Pumpe pro Stellvorgang aufgrund geringen Volumendurchsatzes an der Pumpe.

Die beiden zuletzt genannten Vorteile fallen auch beim Vergleich des erfindungsgemäßen Stellantriebes mit bekannten Bauelementen elektropneumatischer Zentralverreigelungsanlagen ins Gewicht. Bei solchen Anlagen, beispielsweise der durch die DE-PS 31 49 071 beschriebenen, ist eine zentrale Motor-Pumpen-Einheit vorgesehen, welche die über Schlauchleitungen an einen Pumpendruckstutzen angeschlossenen einkammrigen Verschlußstellelemente wechselweise mit Über- bzw. Unterdruck zum Ent- bzw. Verriegeln der diesen zugeordneten Verschlüsse beaufschlagt. Ein anderer Druckstutzen der Pumpe ist zur Atmosphäre hin offen; das fluidische System wird also wechselweise be- und entlüftet.
Dadurch werden der Volumendurchsatz der Pumpe und mithin deren Laufdauer und die Pufferwirkung der im System transportierten Luft groß. Zudem müssen zur Mehrstellenbedienung der zentralen Motor-Pumpen-Einheit zusätzlich zu den Schlauchanschlüssen auch noch elektrische Leitungen zu den schlüsselbetätigbaren Verschlüssen verlegt werden.
Vor allem bei der Vormontage von Kraftfahrzeugtüren mit der gesamten Ausstattung einschließlich Zentralverriegelungselementen müssen für jede Schlauchleitung Steckverbindungen vorgesehen werden, die dann beim Anbau der kompletten Tür an die Karosserie mit den entsprechenden Pumpenanschlußleitungen zusammengesteckt werden. Im Vergleich zu elektrischen Steckverbindungen sind die durch Druckkräfte mechanisch beanspruchten pneumatischen Stecker wesentlich größeren Belastungen ausgesetzt und bilden darüber hinaus auch unerwünschte Drosselstellen im Verlauf der Schlauchleitungen.
Zwar wird in der Anlage nach DE-PS 31 49 071 bereits ein der Motor-Pumpen-Einheit zugeordnetes Arbeitselement erwähnt und in der Figur entsprechend dargestellt. Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Stellantrieb ist dieses Arbeitselement jedoch lediglich - zur Endabschaltung des Elektromotors - mit einem elektrischen Schalter verbunden und auch nur einseitig an die Pumpe angeschlossen, parallel zu den weiteren pneumatischen Verschlußstellelementen. Außerdem spricht es später an als letztere, erfordert also eine längere Pumpenlaufzeit.
Aus der DE-OS 22 32 956 ist ein penumatischer Bremskraftverstärker bekannt, dessen Kolben zur Krafterhöhung von einer Pumpe gleichzeitig auf einer Seite mit Über- und auf der anderen Seite mit Unterdruck beaufschlagt wird. Wie beim beanspruchten Stellantrieb wird also die Druckdifferenz zwischen beiden Kolbenseiten erhöht. Daher können kleinere Abmessungen des Arbeitselementes verwirklicht werden. Zugleich sind aber im fluidischen System des Bremskraftverstärkers noch je ein Überdruck- und ein Unterdruckspeicher vorgesehen, so daß dieser Druckschrift kein Hinweis auf einen kompakt bauenden Stellantrieb mit gleichzeitiger Über- und Unterdruckbeaufschlagung eines Arbeitselementes in einem geschlossenen fluidischen System mit kleinem Fluidvolumen zu entnehmen ist.
Der erfindungsgemäße Stellantrieb vereint die Vorteil des elektrischen Notors,

einfache, zuverlässige Speise- und Steueranschlüsse;
schnellen Anlauf beim Einschalten und
hohe Zuverlässigkeit

verschließ- und geräuscharmer Betrieb;
geringe dynamische Beanspruchung wegen kleiner beweglicher Massen;
einfacher Aufbau;
Freigängigkeit im Ruhezustand;
fluidisches System vereint Funktion von Untersetzungsgetriebe und Kupplung.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Stellantriebs mit pneumatischer Kraftübertragung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

Figur 1: eine erste Ansicht eines Stellantriebs mit zwei Flügelzellenpumpenläufern in einem zur Atmosphäre hin offenen pneumatischen System und
Figur 2: denselben Stellantrieb um 90° gedreht.

Ein Stellantrieb weist einen Elektromotor 1 mit elektrischen Anschlüssen 2 und 3 auf. Dieser ist in ein Gehäuse 4 eingesetzt, das seinerseits aus zwei Gehäuseteilen 5 und 6 besteht.
Eine Membran 14 eines Membrankolbenarbeitselementes 15 ist zwischen den beiden Gehäuseteilen 5 und 6 dichtend eingespannt. Die Membran 14 trennt eine erste Arbeitskammer 16, die von der Membran 14 und dem Gehäuseteil 5 begrenzt wird, von einer zweiten Arbeitskammer 17, die von der Membran 14 und dem Gehäuseteil 6 begrenzt wird.
Die Membran 14 weist ein allseitig eingespanntes Loch 18 zur Durchführung einer Luftströmung auf. Das Membrankolbenarbeitselement 15 ist mit einem Stellglied 19 verbunden, das aus dem Gehäuseteil 6 ins Freie tritt, wobei die Durchtrittsöffnung durch eine Rollbalgdichtung 20 abgedichtet wird.
Je ein Flügelzellenpumpenläufer 8.1, 8.2 ist auf der Ankerwelle des Elektromotors 1 befestigt und in je einer Pumpenkammer 7.1, 7.2 im Gehäuseteil 5 angeordnet. Die beiden Pumpenkammern 7.1, 7.2 sind durch einen drehfest im Gehäuseteil 5 angebrachten Dichteinsatz 9' gegeneinander abgedichtet. Die Pumpenkammer 7.2 wird nach außen durch einen ebenfalls drehfesten Stopfen 9'' abgeschlossen. Der Dichteinsatz 9' weist einen Druckanschluß 10' auf, welcher die Pumpenkammer 7.1 mit einem Strömungskanal 12' verbindet, der seinerseits in die Arbeitskammer 16 des Kolbenarbeitselementes 15 mündet. Der Stopfen 9'' weist einen Druckanschluß 11' auf, der die Pumpenkammer 7.2 mit einem Strömungskanal 13' verbindet, welcher seinerseits in die Arbeitskammer 17 des Kolbenarbeitselementes 15 mündet und in Wänden beider Gehäuseteile 5 und 6 sowie durch das Loch 18 der Membran 14 verläuft.
Die den Elektromotor 1 aufnehmende Bohrung des Gehäuseteils 5 wird durch einen weiteren Stopfen 21 ebenfalls dicht verschlossen, der auch zur dichten Durchführung der elektrischen Anschlüsse 2 und 3 zum Elektromotor 1 dient. Des weiteren ist eine Abdichtung zwischen der motornahen Pumpenkammer 7.1 und dem Elektromotor 1, etwa an dessen Ankerwelle, vorgesehen. Der Dichteinsatz 9' und die Stopfen 9'' und 21 können einfach eingepreßt sein oder auf beliebige andere Weise am Gehäuseteil 5 befestigt werden. Insbesondere wird im Hinblick auf die Druckanschlüsse 10' und 11', z. B. durch entsprechende Form des Dichteinsatzes 9' und des Stopfens 9'', dafür gesorgt, daß die Druckanschlüsse bereits beim Einsetzen der Teile in den Gehäuseteil 5 in die richtige Lage zu den Strömungkanälen 12' bzw. 13' gelangen und aus dieser auch im Einbauzustand nicht abweichen können. Die gezeigte Anordnung erlaubt eine einfache Montage und Demontage der Motor-Pumpenläufer-Einheit.
Mittels einer Bohrung 22 im Gehäuseteil 5 wird der Stellantrieb in Nachbarschaft zu einem mit dem Stellglied verbundenen Verschluß oder einer in offene oder geschlossene Stellung zu verfahrenden Lüfterklappe oder dgl. befestigt.
In Fig. 2 sind ferner Atmosphärenanschlüsse 32 - im Dichteinsatz 9' angeordnet und in die Pumpenkammer 7.1 mündend - und 33 - im Stopfen 9'' angeordnet und in die Pumpenkammer 7.2 mündend - skizziert.
Beide Flügelzellenpumpenläufer 8.1, 8.2 werden bei laufendem Elektromotor 1 gleichsinnig angetrieben. Um das Kolbenarbeitselement 15 aus der in Fig. 2 dargestellten unteren Stellung in die entgegengesetzte obere Stellung zu bringen, muß der Elektromotor links herum laufen. Dann erzeugt der Pumpenläufer 8.1 Überdruck am Druckanschluß 10', im Strömungskanal 12' und in der Arbeitskammer 16 durch Ansaugen von Luft über den Atmosphärenanschluß 32 seiner Pumpenkammer 7.1; gleichzeitig erzeugt der Pumpenläufer 8.2 Unterdruck am Druckanschluß 11' und evakuiert die Arbeitskammer 17 über den Strömungskanal 13', den Druckanschluß 11' und den Atmosphärenanschluß 33, wo die Absaugluft ins Freie gelangt.
Aufgrund der Druckdifferenz zwischen seinen Arbeitskammern 16 und 17 schnappt das Kolbenarbeitselement 15 um. Durch Drehrichtungsumkehr des Elektromotors 1 und der beiden Pumpenläufer 8.1 und 8.2 wird der umgekehrte Stellvorgang eingeleitet. Stellvorgänge laufen mit diesem Stellantrieb

durch gleichzeitige Beaufschlagung des Kolbenarbeitselements mit Unterdruck einerseits und Überdruck andererseits,
durch geringe Fluiddurchsätze und
durch kleines Volumen des fluidischen Kraftübertragungssystems

Wenn ein Strömungskurzschluß durch die Pumpe nicht möglich ist, kann der Druckdifferenzausgleich über eine Bypass-Leitung mit einem im Betrieb des Elektromotors diese sperrenden, dem Elektromotor parallel geschalteten Magnetventil, die in an sich bekannter Weise (FR 2 572 201 Al) fluidisch zwischen beiden Arbeitskammern des Kolbenarbeitselementes angeordnet ist, erfolgen.
Obwohl das Ausführungsbeispiel sich lediglich auf ein linear bewegliches Kolbenarbeitselement stützt, sind selbstverständlich auch nichtlineare Stellbewegungen eines geeigneten Stellgliedes, z. B. bei dessen Verbindung mit einer Lüfterklappe oder einer Türschließhilfe, ohne weiteres zu verwirklichen.
Selbstverständlich können auch anstelle von Flügelzellenpumpenläufern andere Bauarten von im Ruhezustand strömungsdurchlässigen Pumpenläufern mit umkehrbarer Förderrichtung verwendet werden. Ebenso müssen die Pumpenläufer nicht zwingend gleichsinnig angetrieben werden; auch deren gegensinniger Antrieb ist möglich.

Claims

Stellantrieb mit einem geschlossenen Gehäuse, in welchem Gehäuse ein Elektromotor sowie innerhalb eines wenigstens teilweise luftgefüllten fluidischen Systems eine durch den Elektromotor angetriebene Pumpe mit wenigstens einer Pumpenkammer und ein mittels der Pumpe durch Druckbeaufschlagung mit einem durch in das Gehäuse integrierte Strömungskanäle in wenigstens eine Arbeitskammer transportierten Fluid bewegbares Kolbenarbeitselement mit einem druckdicht aus dem Gehäuse herausgeführten, mit dem Kolbenarbeitselement zwischen zwei Endlagen hin und her stellbaren Stellglied angeordnet sind, wobei Druckdifferenzen im fluidischen System nach Auslaufen der Pumpe selbsttätig ausgeglichen werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpe zwei Pumpenläufer (8.1, 8.2) aufweist, daß im Gehäuse (4) zwei getrennte Pumpenkammern (7.1, 7.2) vorgesehen sind, in denen je einer der Pumpenläufer (8.1, 8.2) angeordnet ist,
daß von der ersten Pumpenkammer (7.1) über einen Druckanschluß (10') ein Strömungskanal (12') zu der einen Arbeitskammer (16) des Kolbenarbeitselementes (15) verläuft, daß von der zweiten Pumpenkammer (7.2) über einen Druckanschluß (11') ein Strömungskanal (13') zu einer zweiten Arbeitskammer (17) des doppeltwirkenden Kolbenarbeitselementes (15) verläuft und
daß beide Pumpenkammern (7.1, 7.2) je einen Atmosphärenanschluß (32, 33) aufweisen, deren jeder, bezogen auf den jeweiligen Druckanschluß (10', 11') der Pumpenkammer (7.1, 7.2) auf der diesem jeweils gegenüberliegenden Druckseite des entsprechenden Pumpenläufers (8.1, 8.2) angeordnet ist, wobei die Druckanschlüsse (10', 11') und die Atmosphärenanschlüsse (32, 33) in der Weise angeordnet sind, daß jeweils ein Pumpenläufer (8.1 oder 8.2) Luft vom Atmosphärenanschluß zum Druckanschluß seiner Pumpenkammer fördert und gleichzeitig der jeweils andere Pumpenläufer (8.2 oder 8.1) Luft vom Druckanschluß zum Atmosphärenanschluß seiner Pumpenkammer fördert, wenn der drehrichtungsumkehrbare Elektromotor läuft,
so daß in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Elektromotors (1) bzw. der Pumpenläufer (8.1, 8.2) eine Arbeitskammer mit Überdruck und die jeweils andere Arbeitskammer gleichzeitig mit Unterdruck beaufschlagt wird.
Stellantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Pumpenläufer (8.1, 8.2) als baugleiche Flügelzellenpumpenläufer ausgeführt sind.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckdifferenzausgleich zwischen beiden Arbeitskammern (16, 17) jeweils durch die Pumpenkammern (7.1, 7.2) und die Atmosphärenanschlüsse (32, 33) mit der Außenluft erfolgt.
Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Bypass-Leitung mit einem im Betrieb des Elektromotors (1) diese sperrenden Magnetventil fluidisch zwischen beiden Arbeitskammern (16, 17) des Kolbenarbeitselementes (15) angeordnet ist, über welchen Bypass der Druckdifferenzausgleich erfolgt.
Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Arbeitskammern (16, 17) durch eine dichtend zwischen zwei Gehäuseteilen (5, 6) eingespannte Kolbenmembran (14) des Kolbenarbeitselements (15) getrennt sind und daß ein Strömungskanal (13) in einer Wandung des ersten Gehäuseteils (5), in einer Wandung des zweiten Gehäuseteils (6) und im Übergang zwischen beiden Gehäuseteilen (5, 6) durch ein rundum eingespanntes Loch (18) der Kolbenmembran (14) verläuft.
Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektromotor (1) und die mit dessen Ankerwelle verbundenen Pumpenläufer (8.1, 8.2) in jeweils einer Kammer des Gehäuses (4) angeordnet sind, und daß diese Kammern nach dem Einsetzen des Elektromotors (1) und der Montage der Pumpenläufer (8.1, 8.2) durch Stopfen (9', 9'', 21) druckdicht verschlossen werden.
Stellantrieb nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Flügelzellenpumpenläufer (8.1, 8.2) auf der Ankerwelle des Elektromotors (1) befestigt sind und gleichsinnig von letzterem angetrieben werden.
Stellantrieb nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Flügelzellenpumpenläufer (8.1, 8.2) gegensinnig durch den Elektromotor (1) antreibbar sind.