DE102004062924A1

DE102004062924A1 - Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE102004062924A1
Application number: DE200410062924
Authority: DE
Inventors: Frank Bürger; Norbert Ludwig; Peter Rütten
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-29
Also published as: DE102004062924B4

Abstract

Eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen verwendete Klappen, insbesondere Drall-, Drossel- oder Abgasklappen, weist eine Antriebswelle (12) auf, die von einem Elektromotor (10) angetrieben wird. Ferner ist über ein zwischengeschaltetes Getriebe (14, 18) eine Abtriebswelle vorgesehen, die mit der Klappe verbindbar ist. Zur Erfassung der Position der Abtriebswelle bzw. der Klappe ist eine Positioniereinrichtung vorgesehen. Diese weist zum Erfassen von Endpositionen zwei Positionsschalter (34, 40; 36, 40) auf. Zusätzlich ist zum Anfahren von Zwischenpositionen eine Zähleinrichtung (28, 30) mit der Antriebswelle verbunden. Mit Hilfe der Zähleinrichtung (28, 30) ist es möglich, die Umdrehungen der Antriebswelle (12) zu zählen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen verwendete Klappen.

In Kraftfahrzeugen werden sowohl im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine als auch im Abgassystem unterschiedliche Klappen, wie Drall-, Drossel- und Abgasklappen eingesetzt. Um die Klappen in eine gewünschte Position zu bringen, sind diese mit einer Stelleinrichtung verbunden. Die Stelleinrichtung weist üblicherweise einen eine Antriebswelle drehenden Elektromotor auf. Die Antriebswelle ist über eine Getriebeeinrichtung mit einer Abtriebswelle verbunden. Die Abtriebswelle ist unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe oder ein zwischengeschaltetes Gestänge mit der Klappe bzw. einer Schwenkachse der Klappe verbunden.

Um die Winkellager, d.h. die Position der Klappe feststellen zu können, ist es bekannt, innerhalb der Stelleinrichtung ein Potentiometer vorzusehen. Das Vorsehen eines Potentiometers weist jedoch den Nachteil auf, dass es auf Grund der vorhandenen Schleifkontakte starkem Verschleiß unterliegt.

Zum Bestimmen von Endpositionen einer Klappe, wie den Positionen "offen" oder "geschlossen", ist es ferner bekannt, mit der Abtriebswelle zwei Stiftmagnete zu verbinden. Die beiden Stiftmagnete sind in einem Abstand zur Abtriebswelle vorgesehen und wirken mit einem ortsfesten Hall-Sensor zusammen. Durch den Hall-Sensor kann das Magnetfeld detektiert und somit die Endposition der Klappe bestimmt werden. Das Vorsehen zweier derartiger Positionsschalter zum Erfassen von Endpositionen weist jedoch den Nachteil auf, dass keine Zwischenwinkel bzw. Zwischenstellungen der Klappe bestimmt bzw. angefahren werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen verwendete Klappen zu schaffen, mit der auf einfache Weise auch Zwischenpositionen der Klappen bestimmt bzw. angefahren werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung, die insbesondere zum Stellen von Drall-, Drossel- oder Abgasklappen sowie für Drehschieberventile geeignet ist, weist erfindungsgemäß eine Positionseinrichtung auf. Die Positionseinrichtung umfasst neben mindestens einem Positionsschalter zum Erfassen einer Position, insbesondere einer Endposition, eine mit der Antriebswelle der Stelleinrichtung verbundene Zähleinrichtung zum Zählen der Umdrehungen der Antriebswelle. Mit Hilfe der Zähleinrichtung ist es somit möglich, die Umdrehungen einer von einem Elektromotor angetriebenen Antriebswelle zu zählen. Durch das Vorsehen des mindestens einen Positionsschalters ist es ferner möglich, eine Position zu bestimmen. In Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses der zwischengeschalteten Getriebeeinrichtung ist bekannt, um welchen Winkel die mit der Klappe verbundene Abtriebswelle durch eine Umdrehung der Antriebswelle gedreht wird. Ausgehend von einer Endposition ist es somit durch Zählen der Umdrehungen der Antriebswelle möglich, eine Zwischenposition der Klappe zu bestimmen bzw. anzufahren.

Vorzugsweise ist hierzu eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die mit dem mindestens einen Positionsschalter sowie der Zähleinrichtung verbunden ist. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung kann die aktuelle Winkellage in Abhängigkeit eines durch die Zähleinrichtung bestimmten Zählerstandes bestimmt werden.

Das Vorsehen nur eines Positionsschalters ist beispielsweise beim Anfahren unterschiedlicher Winkelstellungen, ausgehend von einer definierten Position bzw. einem Nullpunkt, möglich. Dies ist insbesondere bei 360-Anwendungen möglich, bei denen ausgehend von einer definierten Position bzw. im definierten Nullpunkt ein Winkel mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zähleinrichtung angefahren wird. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung ist es hierbei ferner möglich, durch Steuern der Drehrichtung des Motors den kleineren Winkel bzw. den kürzeren Weg zu verfahren. Dies ist insbesondere bei Drehschieberventilen vorteilhaft. Beispielsweise kann ein Drehschieberventil in dem Abgasrückführbereich mit gleichzeitiger Kühler-Bypassregelung verwendet werden. Hierdurch ist es möglich, unterschiedliche Abgastemperaturen oder Abgasmengen gleichzeitig zu steuern.

Insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung für Klappen sind vorzugsweise zwei Positionsschalter, insbesondere zum Erfassen von Endpositionen, wie beispielsweise "Klappe offen" und "Klappe geschlossen" vorgesehen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zähleinrichtung können sodann Zwischenpositionen zwischen diesen beiden Endpositionen angefahren werden.

Besonders bevorzugt ist es, als Zähleinrichtung einen mit der Antriebswelle verbundenen Magneten vorzusehen, der mit einem ortsfesten Sensor zur Magnetfelderfassung zusammenwirkt. Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um einen Hall-Sensor bzw. Hall-Schalter. Durch den ortsfesten Sensor wird eine Magnetfeldänderung detektiert, die beim Vorsehen eines einfachen Magneten jeweils einer Umdrehung der Antriebswelle entspricht. Insbesondere bei Elektromotoren mit hoher Drehzahl und einem entsprechenden Übersetzungsverhältnis der Getriebeeinrichtung kann durch das Vorsehen eines einfachen Magneten eine ausreichende Genauigkeit der zu bestimmenden Winkellage erzielt werden. Um diese Genauigkeit weiter zu erhöhen bzw. um Elektromotoren mit geringerer Drehzahl einsetzen zu können, kann ein mehrpoliger Magnet vorgesehen sein. Jede durch den Sensor detektierte Magnetfeldänderung entspricht somit dann keiner vollständigen Umdrehung der Antriebswelle, sondern einer Drehung der Antriebswelle um einen bestimmten Winkel. Bei einem beispielsweise 18-poligen, mit der Antriebswelle verbundenen Magneten entspricht eine Magnetfeldänderung somit einer Drehung der Antriebswelle um 20°. Je nach Ausgestaltung der Getriebeeinrichtung entspricht dies einer Winkeländerung der Klappe um nur wenige Grad. Es ist somit auf einfache Weise möglich, die Position der Klappe exakt zu bestimmen.

Die vorzugsweise zwei Positionsschalter zum Erfassen der Position, insbesondere der beiden Endpositionen weisen vorzugsweise jeweils einen Magneten, insbesondere einen Stiftmagneten auf, wobei die Magnete in einem Abstand zur Abtriebswelle mit dieser verbunden sind. Vorzugsweise sind die Magnete mit einem mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrad verbunden. Vorzugsweise wirken die Magnete mit einem gemeinsamen ortsfesten Sensor, insbesondere einem Hall-Schalter, zusammen. Durch den Sensor wird somit ein Magnetfeld erfasst, so dass eine Position bestimmt werden kann. Hierbei sind die vorzugsweise zwei Stiftmagnete vorzugsweise unterschiedlich ausgerichtet, so dass auf Grund der Richtung des Magnetfeldes bestimmt werden kann, um welche Position es sich handelt.

Bei der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung handelt es sich somit um eine Stelleinrichtung, mit der unterschiedliche Winkel, vorzugsweise im Bereich von 20–350°, angefahren werden können. Wie vorstehend ausgeführt, sind auch 360-Stelleinrichtungen möglich. Hierbei erfolgt die Erfassung der Winkel vorzugsweise berührungslos. Durch eine bevorzugte Anordnung des mindestens einen Stiftmagnets an einem mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrad können auf einfache Weise vorzugsweise zwei Endpositionen definiert werden. Die beiden Endpositionen oder eine beliebige andere Position können somit auf einfache Weise, je nach Kundenanforderung, durch unterschiedliche Positionierung der beiden Stiftmagnete variiert werden.

Auf Grund der bevorzugten Anordnung mindestens eines Magnets im Abstand zu der Abtriebswelle und eines Magnets an der Antriebswelle ist es möglich, ein ggf. bestehendes Getriebespiel herauszurechnen. Hierdurch ist es möglich, ein genaueres Anfahren eines Winkels zu realisieren.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung besteht darin, dass diese als rein digitales System realisiert werden kann. Jeder Magnetfeldsensor muss insofern nur zwei Zustände detektieren. Die Änderung des Magnetfelds, die auf Grund von Alterung und auf Grund von äußeren Einflüssen, wie Temperaturschwankungen hervorgerufen werden kann, beeinträchtigt die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung somit nicht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Magnetfeldsensor ein bipolarer gelatchter Hall-Sensor verwendet. Mit Hilfe eines derartigen Sensors ist es möglich, an einem Stiftmagneten die Drehrichtung zu erkennen. Durch Verwenden eines derartigen Hall-Sensor, der zusätzlich eine Drehrichtungsdetektion ermöglicht, besteht die Möglichkeit, auf unerwünschte Klappenbewegungen reagieren zu können.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein unipolarer Hall-Sensor und zwei gleichgerichtete Magnete verwendet. Hierdurch ist es möglich, die Stellung zwischen den beiden Magneten detektieren zu können, da der Hall-Sensor nur in den Endpositionen schaltet. Eine eindeutige Zuordnung des Arbeitsbereichs ist hierbei durch die unterschiedlichen Winkel möglich, wobei der Arbeitsbereich kleiner als der restliche Winkelbereich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Explosionszeichnung einer Stelleinrichtung, und
2 eine schematische Seitenansicht eines mit der Abtriebswelle verbundenen Getriebezahnrads.
Die Stelleinrichtung weist einen Elektromotor 10 auf, durch den eine Antriebswelle 12 angetrieben wird. Mit der Antriebswelle 12 ist eine Schnecke 14 mit Hilfe von Anlaufscheiben 16 verbunden. Die Schnecke 14 greift in ein Zahnrad 18 ein, das auf einer nicht dargestellten Abtriebswelle angeordnet ist. Die Abtriebswelle, mit der das Zahnrad 18 fest verbunden ist, verläuft durch eine in einer Gehäusehälfte 20 vorgesehenen Öffnung 22 und ist in einer Aufnahme 24 gelagert. Die Aufnahme 24 ist in einer gegenüberliegenden Gehäusehälfte 26 ausgebildet.
Zum Zählen der Umdrehungen der Antriebswelle 12 ist eine Zähleinrichtung vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Zähleinrichtung einen auf der Antriebswelle 12 angeordneten Magneten 28, der mehrpolig ausgebildet sein kann. In montiertem Zustand ist dem Magneten 28 gegenüberliegend ein ortsfester Hall-Schalter 30 als Sensor zur Detektion des Magnetfeldes zugeordnet. Der Hall-Schalter 30 ist auf einer Leiterplatte 32 vorgesehen, die in der Gehäusehälfte 20 angeordnet ist. Bei einem einpoligen Magneten 28 wird durch den Hall-Schalter 30 je Umdrehung ein Signal erzeugt und eine nicht dargestellte Auswerte- bzw. Steuereinrichtung übermittelt.
Zur Bestimmung von Endpositionen sind Endpositionsschalter vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel je Schalter einen Stiftmagneten 34, 36 (2) aufweisen. Die Stiftmagneten 34, 36 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel mittelbar fest mit der Abtriebswelle verbunden. Hierzu sind die Stiftmagneten 34, 36 fest mit dem Zahnrad 18 verbunden, das wiederum fest mit der Abtriebswelle verbunden ist. Anstelle des Zahnrads 18 kann auch ein anderes Aufnahmeelement, das fest mit der Abtriebswelle verbunden ist, zur Aufnahme der Magneten 34, 36 vorgesehen sein. Vorzugsweise weist das Zahnrad 18 oder ein anderes Aufnahmeelement zur Aufnahme der Magneten 34, 36 in unterschiedlichen Lagen eine Vielzahl von Ausnehmungen 38 auf. Die Stiftmagnete 34, 36 können je nach gewünschtem Arbeitswinkel α, d.h. dem Maximalwinkel zwischen den beiden Endpositionen, in den Ausnehmungen 38 angeordnet werden. Hierdurch ist es möglich, auf einfache Weise unterschiedlichen Kundenanforderungen nachzukommen. Bei einem Vollzahnrad, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, sind die Ausnehmungen 38 vorzugsweise auf einer Kreislinie und mit geringem Abstand zueinander angeordnet. Hierdurch ist eine sehr feine Einstellung des Arbeitswinkels α möglich.
Zur Bestimmung einer Endposition ist auf der Leiterplatte 32 ein weiterer Sensor 40, insbesondere ein Hall-Schalter, vorgesehen. Der Sensor 40 ist somit ebenfalls ortsfest. Der Sensor 40 ist ferner mit der nicht dargestellten Auswerteeinrichtung verbunden, an die ein Signal übertragen wird, sobald sich einer der beiden Magneten 34, 36 gegenüber dem Sensor 40 befindet und somit eine Endposition erreicht ist.
Es ist somit mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung möglich, nach Anfahren einer Endposition durch Zählen der Umdrehungen der Antriebswelle 12 mit Hilfe der Zähleinrichtung 28, 30 einen Zwischenwinkel innerhalb des Arbeitswinkels α anzufahren. Durch Vorsehen eines mehrpoligen Magneten 28 kann die Auflösung weiter verbessert werden.

Claims

Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen verwendete Klappen, insbesondere Drall-, Drossel- oder Abgasklappen, mit einem eine Antriebswelle (12) drehenden Elektromotor (10), einer mit der Klappe verbundenen Abtriebswelle, einer zwischen der Antriebswelle (12) und der Abtriebswelle angeordneten Getriebeeinrichtung (14, 18), und einer Positionseinrichtung zur Erfassung der Position der Abtriebswelle, wobei die Positionseinrichtung zum Erfassen einer Position mindestens eines Positionsschalters (34, 40; 36, 40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionseinrichtung zusätzlich eine mit der Antriebswelle (12) verbundene Zähleinrichtung (28, 30) zum Zählen der Umdrehungen der Antriebswelle aufweist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der aktuellen Winkellage der Abtriebswelle in Abhängigkeit eines durch die Zähleinrichtung (28, 30) ermittelten Zählerstands.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähleinrichtung einen mit der Antriebswelle (12) verbundenen Magneten (28) und einen ortsfest angeordneten Sensor (30) zur Magnetfelderfassung aufweist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (28) mehrpolig ausgebildet ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsschalter (34, 40; 36, 40) jeweils einen Magneten (34, 36) aufweisen, der in einem Abstand zu der Abtriebswelle mit dieser verbunden sind.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsschalter (34, 40; 36, 40) einen gemeinsamen ortsfesten Sensor (40) zur Magnetfelderfassung aufweisen.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Drehrichtungserkennung geeignet ist, wobei als Sensor vorzugsweise ein unipolarer Hall-Sensor oder ein bipolarer, gelatchter Hall-Sensor vorgesehen ist.