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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung stellt einen elektromechanischen Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung (18) bereit mit: einer elektrischen Antriebseinrichtung (10) zum rotatorischen Antreiben einer ersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment; einer Getriebeeinrichtung (12) zur Wandlung einer ersten Drehzahl der ersten Welle (11) in eine zweite Drehzahl einer zweiten Welle (17) gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis (165); und einer mechanischen Resonanzeinrichtung (13), welche an die erste Welle (11) gekoppelt ist, zum Verstärken des ersten Drehmoments der ersten Welle (11). Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung (18) bereit.
    公开号:DE102004002549A1
    申请号:DE200410002549
    申请日:2004-01-17
    公开日:2005-08-18
    发明作者:Joachim Dr.-Ing. Esser；Michael Dipl.-Ing. Funk
    申请人:Porsche SE；
    IPC主号:F16F15-12
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuatorund ein Verfahren zur Betätigungeiner mechanischen Einrichtung, und insbesondere einen elektromechanischenAktuator und ein Verfahren zur Ansteuerung von einer Lamellenkupplungin einer Differentialsperre eines Kraftfahrzeuges.
    [0002] ElektromechanischeAktuatoren finden eine stetig wachsende Verbreitung zur Betätigung diverser,in aller Regel mechanischer Einrichtungen. Insbesondere im Kraftfahrzeugbauist der Einsatz präziseansteuerbarer Betätigungseinrichtungenmittlerweile unerläßlich. Umbeispielsweise die Sperrwirkung einer Differentialsperre in einemKraftfahrzeug übereine Lamellenkupplung zu variieren, ist eine hohe Stellkraft zurBetätigungder Lamellenkupplung erforderlich.
    [0003] Imallgemeinen werden Elektromotoren zur Betätigung solcher Lamellenkupplungeneingesetzt. Da Elektromotoren bei erforderlichen geringen Baugrößen bzw.Abmessungen lediglich verhältnismäßig kleineDrehmomente und somit Kräfteerzeugen können,ist ein Untersetzungsgetriebe zur Vergrößerung von Drehmoment bzw.Kraft vonnöten.Ein Untersetzungsgetriebe, welches ein hohes Übersetzungsverhältnis aufweist,ist jedoch durch hohe Reibungswerte gekennzeichnet. Diese Reibungim Untersetzungsgetriebe wirkt sich dabei ungünstig auf die Steuer- und/oderRegelbarkeit des Systems aus.
    [0004] DieReibung in dem Getriebe äußert sich durcheinen Hysterese-Verlauf gemäß 6, wenn man das KupplungsmomentM überdem Eingangsstrom I des Elektromotors, vorzugsweise einer Gleichstrom-Maschine,aufträgt.In 6 wird die Hysterese-Schleife 30 imUhrzeigersinn durchlaufen. Wird ausgehend vom Ursprung (Origo) bzw.Nullpunkt 0 ein negativer Strom I angelegt, so wird am Ausgangdes Getriebes aufgrund der Getriebereibung das von der Gleichstrom-Maschinegenerierte Drehmoment zunächst nicht übertragen.Erst bei einem weiteren Anstieg der Strom-Amplitude I erfolgt einAnstieg des Drehmoments M am Ausgang des Getriebes.
    [0005] Reduziertman nach Erreichen einer vorbestimmten Strom-Amplitude den StrombetragI, so nimmt das Drehmoment M am Ausgang des Getriebes zunächst gemäß dem Hysterese-Verlauf 30 nur langsamab, bevor es bei weiter abnehmender Strom-Amplitude I stärker abnimmtund schließlich wiederim Ursprung bzw. Nullpunkt verläuft.Der in 6 negativ eingezeichneteStrom ist auch als positive Größe auftragbar,woraus sich eine Hysterese-Schleife gemäß 6 gespiegelt an der Momenten-Achse durchden Ursprung 0 ergibt, wobei die Hysterese-Schleife 30 dannim Gegenuhrzeigersinn durchlaufen würde.
    [0006] Einbekanntes Verfahren zur Reduzierung des Reibungseinflusses einerGetriebeuntersetzung auf den Verlauf des Drehmoments am Ausgangdes Getriebes überdem Eingangsstrom des Elektromotors ist der Einsatz eines gepulstenEingangssignals am Elektromotor anstelle einer Gleichgröße. Durch dasgepulste Signal wird die Reibung, welche gemäß 6 als Haftreibung zum Hysterese-Verlauf 30 führt, aufdas geringere Reibungsniveau der Gleitreibung reduziert. DieserEffekt, welcher als Dither bezeichnet wird, wird ausgenutzt, wennder Elektromotor mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal angesteuertwird.
    [0007] DieDither-Wirkung hängtvon der Frequenz des PWM-Signals sowie von der Pulsweite ab. Istdie Frequenz beispielsweise zu hoch, so kann der Elektromotor aufgrundseiner Trägheitkeine Bewegung auf die Getriebeeinrichtung übertragen bzw. ins System einbringen.Die sogenannte Dither-Wirkung läßt folglichmit zunehmender Frequenz nach. Die Pulsweite fließt über dasTastverhältnisdirekt in die Dither-Wirkung ein, wobei bei mittleren Tastverhältnissenzwischen 20% und 80% die Dither-Wirkung am größten ist. Bei sehr kleinenTastverhältnissen zwischen0% und 20% sowie bei sehr großenTastverhältnissenzwischen 80% und 100% läßt die Dither-Wirkungstark nach.
    [0008] In 7 ist exemplarisch ein pulsweitenmoduliertesSignal 31 überder Zeit t dargestellt. Das PWM-Signal 31 ist derart moduliert,daß eszunächst einniedriges Tastverhältnisvorsieht, welches stetig ansteigt bis zu einem hohen Tastverhältnis. Steuert manden Elektromotor mit einem PWM-Signal 31 gemäß 7 mit Tastverhältnissenaus den mittleren sechs Segmenten gemäß 7, so ist die Dither-Wirkung am größten.
    [0009] Derelektromechanische Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtungmit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Anspruchs6 und das Verfahren zur Betätigung einermechanischen Einrichtung gemäß Anspruch11 weisen gegenüberdem bekannten Lösungsansatz denVorteil auf, daß diesogenannte Dither-Wirkung gesteigertund somit der Einfluß derHaftreibung der Getriebeeinrichtung herabgesetzt wird. Durch daserfindungsgemäße Verfahrenzur Betätigungeiner mechanischen Einrichtung sowie die erfindungsgemäße elektromechanischeAktuatorik wird ein präzisedosierbares Drehmoment an einem Getriebeausgang bereitgestellt,welches insbesondere bei kleinen Momentenwerten, d.h. kleinen Ansteuerströmen des Elektromotors,einen nahezu linearen Verlauf zwischen Eingangsstrom des Antriebsmotorsund Ausgangsdrehmoment der Getriebeeinrichtung ermöglicht.
    [0010] Dieder vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im wesentlichendarin, eine zumindest kurzzeitige Drehmomenterhöhung auf mechanische oder elektrischeWeise am Eingang der Getriebeeinrichtung zu generieren.
    [0011] Mitanderen Worten wird beispielsweise ein elektromechanischer Aktuatorzur Betätigungeiner mechanischen Einrichtung bereitgestellt mit einer elektrischenAntriebseinrichtung zum rotatorischen Antreiben einer ersten Wellemit einem ersten Drehmoment; einer Getriebeeinrichtung zur Wandlungeiner ersten Drehzahl der ersten Welle in eine zweite Drehzahl einerzweiten Welle gemäß einemvorbestimmten Übersetzungsverhältnis; undeiner mechanischen Resonanzeinrichtung, welche an die erste Wellegekoppelt ist, zum Verstärkendes ersten Drehmoments der ersten Welle. Darüber hinaus wird gegebenenfallsalternativ das Verstärkendes ersten Drehmoments der ersten Welle durch Ansteuern der elektrischenAntriebseinrichtung mit einem gepulsten Signal bereitgestellt, welchespro Puls sowohl auf einen vorbestimmten negativen, als auch einenvorbestimmten positiven Signalpegel mit einem Flankenwechsel derdoppelten vorbestimmten Signalpegelamplitude dazwischen springt,wenn das Ansteuersignal unterhalb einer vorbestimmten Signalpegelschwelleliegt. Außerdemwird die erste Welle vorzugsweise alternativ als Drehstabfeder vorgesehen, welcheeine vorbestimmte Elastizitätaufweist, drehfest mit einem rotierenden Läufer vorbestimmter Trägheit derelektrischen Antriebseinrichtung gekoppelt ist und mit diesem einemechanische Resonanzeinrichtung zum Verstärken des ersten Drehmomentsder ersten Welle bildet.
    [0012] Inden Unteransprüchenfinden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen desim Anspruch 1 und Anspruch 6 angegebenen elektromechanischen Aktuatorssowie des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Betätigung einermechanischen Einrichtung.
    [0013] Gemäß einerbevorzugten Weiterbildung weist die Resonanzeinrichtung zumindesteine an die erste Welle gekoppelte Federeinrichtung vorbestimmterFederkonstante auf, welche mit einer Schwungeinrichtung vorbestimmterTrägheitgekoppelt ist.
    [0014] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zumindest eine Federeinrichtung derResonanzeinrichtung eine Spiralfeder oder ein Gummiband oder einenelastisch deformierbaren Kunststoffbalg auf.
    [0015] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Schwungeinrichtung ineinem vorbestimmten Abschnitt, vorzugsweise reibungsarm, ringförmig umdie erste Welle gelagert.
    [0016] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Schwungeinrichtung über zumindest einen,vorzugsweise zwei, Vorsprüngeauf der ersten Welle und einen, vorzugsweise zwei, Vorsprünge auf derSchwungeinrichtung elastisch miteinander gekoppelt.
    [0017] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ist an der Getriebeeinrichtungund/oder an dem Läuferder elektrischen Antriebseinrichtung eine zusätzliche Trägheitsmasse zur Steigerungdes jeweiligen Trägheitsmomenteszur Vergrößerung des erstenDrehmoments der ersten Welle vorgesehen.
    [0018] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ist an der Getriebeeinrichtungeine Einrichtung zur Wandlung einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegungvorgesehen.
    [0019] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ist als mechanische Einrichtungeine Lamellenkupplung, vorzugsweise zum adaptiven Sperren einesDifferentialgetriebes in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen.
    [0020] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ist als elektrische Antriebseinrichtungeine Gleichstrom-Maschine vorgesehen ist, welche über einenStromrichter mit einem gepulsten Signal ansteuerbar ist.
    [0021] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ist das gepulste Signal ein PWM-Signalmit einem Abtastverhältniszwischen 0,1 und 1, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8.
    [0022] Gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung ergeben positive und negativeSpannungszeitflächenin Addition, d.h. der entsprechende Strommittelwert des Ansteuersignals,ein Standard-PWM-Signal eines vorbestimmten niedrigeren Abtastverhältnisses.
    [0023] Ausführungsbeispieleder Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgendenBeschreibung nähererläutert.
    [0024] Eszeigen:
    [0025] 1 eineschematische Seitenansicht eines elektromechanischen Aktuators zurErläuterung einerersten Ausführungsformder vorliegenden Erfindung;
    [0026] 2 eineschematische Querschnittsansicht einer mechanischen Resonanzeinrichtungentlang der Linie A-A gemäß 1 zurErläuterungeines Details einer Ausführungsformder vorliegenden Erfindung;
    [0027] 3 einschematisches schwingungstechnisches Ersatzmodell zur Erläuterungder Ausführungsformgemäß 1;
    [0028] 4 einschematisches schwingungstechnisches Ersatzmodell zur Erläuterungeiner weiteren Ausführungsformder vorliegenden Erfindung;
    [0029] 5A,Bjeweils ein schematisches Modulationsdiagramm über der Zeit, wobei 5A eine Modulationsartzur Erläuterungeiner Ausführungsformder vorliegenden Erfindung und 5B eine Standard-Modulationsformgleichen Strommittelwertes wie in 5A zeigt;
    [0030] 6 einenschematischen Hysterese-Verlauf zur Erläuterung der Problemstellungbei bekannten elektromechanischen Aktuatoren; und
    [0031] 7 einschematisches Diagramm eines PWM-Signals zur Erläuterung einer bekannten Lösung.
    [0032] Inden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleicheBestandteile.
    [0033] In 1 isteine schematische Seitenansicht eines elektromechanischen Aktuatorsdargestellt, in welchem eine elektrische Antriebseinrichtung 10 vorgesehenist. Die elektrische Antriebseinrichtung 10 ist beispielsweiseals Gleichstrom-Maschine ausgebildet und weist einen Läufer auf(in 1 nicht dargestellt), welcher mit einer Welle 11 drehfestverbunden ist. In einem vorbestimmten Abschnitt der Welle 11,vorzugsweise mittig zwischen einem mit einer Getriebeeinrichtung 12 verbundenenEnde und dem überdie elektrische Antriebseinrichtung 10 herausragenden Ende,ist eine Resonanzeinrichtung 13 vorgesehen. Die mechanischeResonanzeinrichtung 13 ist elastisch an die vorzugsweisesteif ausgeführte Welle 11 gekoppeltund weist ein vorbestimmtes Trägheitsmomentauf. Mit Bezug auf 2 wird die mechanische Resonanzeinrichtunggemäß einerbevorzugten Ausführungsformnäher erläutert.
    [0034] DieGetriebeeinrichtung 12 ist vorzugsweise aus zwei Zahnrädern 14, 15 unterschiedlichenUmfangs zusammengesetzt. Durch die Umfangsdifferenz des ersten kleinerenZahnrads 14 und des zweiten größeren Stirntriebzahnrads 15 wirdein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis 16 bereitgestellt. Anstellevon ineinandergreifenden Zahnrädern 14, 15 sindebenso andere friktionsbehaftete Oberflächenmaterialien bzw. ineinandergreifende-strukturen des zylinderförmigenAbtriebs 14 und des ebenfalls zylinderförmigen Stirntriebs 15 einsetzbar,um ein vorbestimmtes Drehmoment übertragenzu können.Der zylindrische Stirnabtrieb 15, vorzugsweise ein Zahnrad,ist übereine zweite Welle 17 mit einer weiteren mechanischen Einrichtung 18,beispielsweise einem Kupplungselement, verbunden.
    [0035] Aufgrunddes Übersetzungsverhältnisses 16 weistdie erste Welle 11 eine um einen vorbestimmten Faktor höhere Drehzahlals die zweite Welle 17 auf, wobei durch die Untersetzungvon z.B. 50:1 ein höheresDrehmoment an der Welle 17 anliegt. An die weitere mechanischeEinrichtung 18 schließtsich vorzugsweise eine Einrichtung zur Umwandlung einer rotatorischenin eine lineare Bewegung an (nicht dargestellt), vermittels welcherbeispielsweise auf ein Lamellenpaket einer Lamellenkupplung zur kontinuierlichenVerstellung der Sperrwirkung insbesondere eines Differentialgetriebesfür einKraftfahrzeug Druck ausgeübtwerden kann.
    [0036] Wirddie elektrische Antriebseinrichtung 10 auf bekannte Weisemit einem gepulsten Eingangssignal vorbestimmter Amplitude, Frequenzund Tastverhältnisangesteuert, so wird die erste Welle 11 ruckartig durchdie elektrische Antriebseinrichtung 10 beschleunigt. Diemechanische Resonanzeinrichtung 13 verzögert dabei zunächst dieBeschleunigung der Welle 11 aufgrund der über elastischeMittel angebundenen Schwungmasse mit einem vorbestimmten Trägheitsmoment.Dabei weist die elastische Anbindung eine vorbestimmte Steifigkeitauf. Ist die Schwungmasse der Resonanzeinrichtung 13 dannauf die Umfangsgeschwindigkeit der Welle 11 beschleunigt,so folgt aufgrund der beschleunigten trägen Masse der Resonanzeinrichtung 13,welche von der Federeinrichtung zur Federruhelage und darüber hinausbeschleunigt wird, eine vorübergehende Drehmomentüberhöhung, welchedie Haftreibung der Getriebeeinrichtung 12 gegebenenfalls übersteigt,so daß auchbei Ansteuerung der elektrischen Antriebseinrichtung 10 miteiner geringeren Signal-Amplitudeein Drehmoment auf die zweite Welle 17 übertragen wird.
    [0037] BeiAnsteuerung mit einem konstanten Signal und ohne Resonanzeinrichtung 13 muß allein durchden Ansteuerstrom ein dazu proportionales Drehmoment an der Welle 11 durchdie elektrische Antriebseinrichtung 10 aufgebracht werden,um die Haftreibung der Getriebeeinrichtung 12 zu überwinden.Diese Haftreibung und damit das Haftmoment wird durch eine Ansteuerungmit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal der elektrischenAntriebseinrichtung 10 mit Hilfe der mechanischen Resonanzeinrichtung 13 (vorübergehendeDrehmomenterhöhung) überwunden.
    [0038] In 2 istschematisch der Querschnitt einer Resonanzeinrichtung 13 gemäß 1 dargestellt.Die Welle 11 ist zumindest im Bereich der Resonanzeinrichtung 13 vorzugsweisemit zumindest einem radial nach außen gerichteten Vorsprung 20 versehen.Ein vorzugsweise ringförmig,um die Welle 11 angeordneter Schwungkörper 19 ist vorzugsweise mitzumindest einem radial nach innen gerichteten Vorsprung 21 ausgestattet.Zwischen dem zumindest einen Vorsprung 21 des Schwungkörpers 19 und demzumindest einen Vorsprung 20 der Welle 11 ist zumindesteine elastisch deformierbare Einrichtung 22 vorbestimmterElastizitätbzw. Steifigkeit vorgesehen. Die elastisch deformierbare Einrichtung 22 weist vorzugsweiseSchraubenfederelemente auf, kann jedoch auch beispielsweise durchGummibänderelastisch deformierbare Kunststoffbälge oder bei einer ausreichendenAbdichtung zwischen der Welle 11 und dem Schwungkörper 19 mitentsprechenden Vorsprüngen 20, 21 miteinem Gas, wie z.B. Luft, als Federmittel gebildet werden.
    [0039] DieSteifigkeit der elastisch deformierbaren Einrichtung 20 bzw.die Elastizitätist dabei auf die Masse bzw. das Trägheitsmoment des Schwungkörpers 19 sowieauf die Ansteuer- bzw. Drehfrequenz der Welle 11, angetriebendurch die elektrische Antriebseinrichtung 10 abgestimmt,um einen Resonanzeffekt, d.h. insbesondere eine Amplituden-Überhöhung desDrehmoments auf die Welle 11 bereitzustellen.
    [0040] Wirddie Welle 11 durch die elektrische Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 beschleunigt,so wird das zumindest eine elastisch deformierbare Element 22 gedehntoder gestaucht, da der Schwungkörper 19 zunächst inRuhe verbleibt. Wird der Schwungkörper 19 dann durchdie auf ihn wirkende Federkraft beschleunigt, so kommt der Schwungkörper 19 nacheinem drehmomentsteigernden kurzen Überschwinger auf dieselbe Winkelumlaufgeschwindigkeitwie die Welle 11 und verharrt aufgrund der elastischenKopplung mit der Welle 11 zunächst in dieser Geschwindigkeit,auch wenn die Welle 11 aufgrund eines gepulsten Ansteuersignalsder elektrischen Antriebseinrichtung 10 bereits wiederverzögertwird.
    [0041] DasTrägheitsmomentdes bewegten Schwungkörpers 19 reißt dabeidie überdie elastisch deformierbare Einrichtung 22 gekoppelte Welle 11 weitermit. In der Ausführungsformgemäß 2 sind zweidiametral gegenüberliegendeVorsprünge 20 aufder Welle 11 vorgesehen. Der Schwungkörper 19 weist ebenfallszwei diametral gegenüberliegende, nachinnen gerichtete Vorsprünge 21 auf,welche im entspannten Zustand der vier dazwischenliegenden Federelemente 22 einenWinkel von 90° zueinander aufweisenund vorzugsweise als reibungsarme Lagerung auf der Welle 11 dienen.Die Federelemente 22 gemäß 2, beispielsweiseSchraubenfedern, werden bei einem Beschleunigen bzw. Abbremsen der Welle 11 somitauf Zug und Druck beansprucht.
    [0042] In 3 istschematisch ein schwingungstechnisches Ersatzmodell gemäß eineran 1 angelehnten Ausführungsform dargestellt. Dieelektrische Antriebseinrichtung 10 wird schwingungstechnischdurch das Trägheitsmomentdes LäufersJL verkörpert,welches überdie Welle 11 mit dem TrägheitsmomentJW versehen an die Getriebeeinrichtung 12 mitdem TrägheitsmomentJG gekoppelt ist. Dazwischen ist jeweilsexemplarisch ein Federelement der Steifigkeit c11 vorgesehen,welches fürdie Torsionssteifigkeit der Welle 11 steht. Gemäß 3 istdie Welle 11 mit einer hohen Torsionssteifigkeit c11 versehen.
    [0043] DieWelle 11 ist übereine elastisch deformierbare Einrichtung 22, beispielsweiseeine Feder, mit einer Federsteifigkeit c22 anden Schwungkörper 19 desTrägheitsmomentsJS gekoppelt. Die Federsteifigkeit c22 der elastisch deformierbaren Einrichtung 22 istdabei deutlich geringer als die der Welle 11. Die Federsteifigkeitc22 sowie das Trägheitsmoment JS desSchwungkörpers 19 sindauf die Ansteuerfrequenz, mit welchem die elektrische Antriebseinrichtung 10 gepulstangesteuert wird, sowie auf das entsprechende Tastverhältnis abgestimmt,um durch einen Resonanzeffekt eine Drehmomenterhöhung an der Welle 11 zur Überwindungeines Ruhemoments der Getriebeeinrichtung 12 gemäß 1 zuerwirken.
    [0044] In 4 istein schematisches schwingungstechnisches Ersatzmodell gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsformder vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei wird die elektrischeAntriebseinrichtung 10 durch das Trägheitsmoment JL des entsprechendenLäufersrepräsentiert.Der Läufer derelektrischen Antriebseinrichtung 10 ist über die Welle 11,welche eine vorbestimmte Torsionssteifigkeit c11' aufweist,an die Getriebeeinrichtung 12 mit dem TrägheitsmomentJG gekoppelt. Dabei ist die Welle 11 entsprechendeiner Drehstabfeder mit einer im Vergleich zur Torsionssteifigkeitc11 gemäß 3 deutlichgeringeren Torsionssteifigkeit c11' versehen. DasTrägheitsmomentJL des Läufersder elektrischen Antriebseinrichtung 10 wirkt somit imZusammenspiel mit der Welle 11 selbst als Schwungkörper, umden mit Bezug auf 1 bis 3 erläutertenEffekt einer vorübergehendenDrehmomenterhöhung ander Welle 11 bei einem gepulsten, vorzugsweise pulsweitenmodulierten,Ansteuersignal der elektrischen Antriebseinrichtung 10 zugenerieren.
    [0045] Gemäß einerbevorzugten Weiterbildung besteht die Möglichkeit, wie in 4 illustriert,das TrägheitsmomentJG der Getriebeeinrichtung 12 durcheine zusätzlicheTrägheitseinrichtung 23 mit demTrägheitsmomentJZ zu koppeln, um eine Anpassung an dieLäuferträgheit JL sowie die Torsionssteifigkeit c11' derWelle 11 anzupassen. Alternativ zu der illustrierten Konfigurationgemäß 4 besteht überdiesdie Möglichkeit,das zusätzlicheTrägheitselement 23 derTrägheitJZ direkt mit dem Läufer der elektrischen Antriebseinrichtung 10 zukoppeln zur Addition der TrägheitsmomenteJL und JZ, um eine Anpassungzur Erzielung des gewünschtenEffekts zu erzeugen. Auch dabei ist eine Anpassung an die Ansteuerfrequenzsowie das Tastverhältnisdes gepulsten Ansteuersignals der elektrischen Antriebseinrichtungvon Vorteil.
    [0046] 5A zeigtein pulsweitenmodulierten Ansteuersignal PWM über der Zeit t zur Ansteuerung derelektrischen Antriebseinrichtung 10 gemäß 1. Gemäß 5A erfolgtinsbesondere bei niedrigen Ansteuerpegeln des Ansteuersignals derelektrischen Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 zur Verbesserungder Stellgenauigkeit bei kleinen gewünschten Drehmomentwerten amAusgang der Getriebeeinrichtung 12 eine Ansteuerung miteinem gepulsten Ansteuersignal 24. Das gepulste Ansteuersignal 24 verläuft beieiner Aktivierung der elektrischen Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 gemäß 5A zunächst aufeinem vorbestimmten negativen Amplituden-Wert, um von da ausgehenddirekt auf den entsprechenden positiven Amplituden-Wert geschaltet zu werden.Dadurch ergibt sich eine doppelte Signal-Amplitude beim Schaltenvom negativen auf den positiven Pegelwert, welches ebenfalls einenVerstärkungseffektbewirkt.
    [0047] In 5B istein Standard-PWM-Ansteuersignal als gepulstes Signal 24 dargestellt.Der Strommittelwert, d.h. die Summe der Flächen kleiner und größer Null(Spannungszeitflächen)entspricht dem Wert von 5A, wohingegenbei einer Ansteuerung mit dem Ansteuersignal 24 gemäß 5A dieAmplitude der Anregung verstärktwird.
    [0048] Obwohldie vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispielebeschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weisemodifizierbar. Obwohl mit Bezug auf die Betätigung einer Lamellenkupplung zurErzielung einer Sperrwirkung in einem Differentialgetriebe für ein Fahrzeugbeschrieben, ist die Erfindung prinzipiell auf jeglichen elektromechanischen Aktuatormit einer elektrischen Antriebseinrichtung vom Rotationstyp undeinem Getriebe geeignet.
    [0049] Nebeneiner Ansteuerung mit PWM-Signalen an der elektrischen Antriebseinrichtung 10 bestehtdarüberhinaus die Möglichkeit,neben Rechtecksignalen auch Signale mit geringeren Flankensteilheiteneinzusetzen. Zur Bereitstellung des Ansteuersignals sind sowohlIGBTs als auch GTOs bzw. IGCTs geeignet, abhängig davon, ob ein Strom- oder Spannungsumrichterdas gepulste Ansteuersignal liefert. Als elektrische Antriebseinrichtung 10 eignet sichneben einer Gleichstrom-Maschine beispielsweise auch ein elektronischkommutierter Gleichstrom-Motor (DC-brushless) Motor, vorzugsweisemit einem permanentmagneterregten Außenläufer zur Generation eines höheren Drehmomentesunter Inkaufnahme einer komplexeren Ansteuerelektronik der Antriebseinrichtung.Darüberhinaus sind neben dem einstufigen Getriebe 12 gemäß 1 auchmehrstufige Varianten beliebiger Übersetzungsverhältnisse vorstellbar.
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] Elektromechanischer Aktuator zur Betätigung einermechanischen Einrichtung (18) mit: einer elektrischenAntriebseinrichtung (10) zum rotatorischen Antreiben einerersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment; einerGetriebeeinrichtung (12) zur Wandlung einer ersten Drehzahlder ersten Welle (11) in eine zweite Drehzahl einer zweitenWelle (17) gemäß einemvorbestimmten Übersetzungsverhältnis (16);und einer mechanischen Resonanzeinrichtung (13), welchean die erste Welle (11) gekoppelt ist, zum vorübergehendenVerstärkendes ersten Drehmoments an der ersten Welle (11).
    [2] Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß dieResonanzeinrichtung (13) zumindest eine an die erste Welle(11) gekoppelte elastisch deformierbare Einrichtung (22)vorbestimmter Federkonstante (c22) aufweist,welche mit einer Schwungeinrichtung (19) vorbestimmterTrägheit(JS) gekoppelt ist.
    [3] Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß diezumindest eine elastisch deformierbare Einrichtung (22)der Resonanzeinrichtung (13) eine Spiralfeder oder einGummiband oder einen elastisch deformierbaren Kunststoffbalg aufweist.
    [4] Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß dieSchwungeinrichtung (19) in einem vorbestimmten Abschnitt, vorzugsweisereibungsarm, ringförmigum die erste Welle (11) gelagert ist.
    [5] Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,daß dieSchwungeinrichtung (19) über zumindest einen, vorzugsweisezwei, Vorsprünge(20) auf der ersten Welle (11) und einen, vorzugsweise zwei,Vorsprünge(21) auf der Schwungeinrichtung (19) elastischmiteinander gekoppelt ist.
    [6] Elektromechanischer Aktuator zur Betätigung einermechanischen Einrichtung (18) mit: einer elektrischenAntriebseinrichtung (10) zum rotatorischen Antreiben einerersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment; einerGetriebeeinrichtung (12) zur Wandlung einer ersten Drehzahlder ersten Welle (11) in eine zweite Drehzahl einer zweitenWelle (17) gemäß einemvorbestimmten Übersetzungsverhältnis (16), wobeidie erste Welle (11) als Drehstabfeder, welche eine vorbestimmteTorsionssteifigkeit (c11') aufweist, drehfest mit einem rotierendenLäufervorbestimmter Trägheit(JL) der elektrischen Antriebseinrichtung (10)gekoppelt ist, und mit diesem eine mechanische Resonanzeinrichtungzum vorübergehendenVerstärkendes ersten Drehmoments der ersten Welle (11) bildet.
    [7] Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß ander Getriebeeinrichtung (12) und/oder an dem Läufer derelektrischen Antriebseinrichtung (10) eine zusätzlicheTrägheitseinrichtung (23)der Trägheit(JZ) zur Steigerung des jeweiligen Trägheitsmomenteszur vorübergehendenVergrößerung desersten Drehmoment der ersten Welle (11) vorgesehen ist.
    [8] Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß andie Getriebeeinrichtung (12) eine Einrichtung zur Wandlungeiner Rotationsbewegung in eine Linearbewegung vorgesehen ist.
    [9] Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß alsmechanische Einrichtung (18) eine Lamellenkupplung, vorzugsweisezum adaptiven Sperren eines Differentialgetriebes in einem Kraftfahrzeug,vorgesehen ist.
    [10] Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß alselektrische Antriebseinrichtung (10) eine Gleichstrom-Maschinevorgesehen ist, welche übereinen Stromrichter mit einem gepulsten Signal ansteuerbar ist.
    [11] Verfahren zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung(18) mit den Schritten: Gepulstes rotatorisches Antreibeneiner ersten Welle (11) mit einem ersten Drehmoment miteiner elektrischen Antriebseinrichtung (10); Wandlungeiner ersten Drehzahl der ersten Welle (11) in eine zweiteDrehzahl einer zweiten Welle (17) gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis (16)mit einer Getriebeeinrichtung (12); und Verstärken desersten Drehmoments der ersten Welle (11) durch Ansteuernder elektrischen Antriebseinrichtung (10) mit einem gepulstenSignal (24), welches pro Puls sowohl auf einen vorbestimmtennegativen als auch einen vorbestimmten positiven Signalpegel miteinem Flankenwechsel der doppelten vorbestimmten Signalpegelamplitudedazwischen springt, wenn der Pegel des gepulsten Signals (24) unterhalbeiner vorbestimmten Signalpegelschwelle liegt.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,daß dasgepulste Signal (24) ein PWM-Signal mit einem Abtastverhältnis zwischen 0,1und 1, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,8, ist.
    [13] Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,daß sichergebende positive und negative Spannungszeitflächen in Addition, d.h. derentsprechende Strommittelwert des gepulsten Signals (24),dem eines Standard-PWM-Signals eines vorbestimmten niedrigeren Abtastverhältnissesentspricht.
    [14] Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurchgekennzeichnet, daß eineVorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis10 eingesetzt wird.
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    KR20070011089A|2007-01-24|전동 밸브
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004002549B4|2008-02-14|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-08-18| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2008-07-24| 8327| Change in the person/name/address of the patent owner|Owner name: DR. ING. H.C. F. PORSCHE AKTIENGESELLSCHAFT, 7, DE |
    2008-08-07| 8364| No opposition during term of opposition|
    2010-10-28| 8327| Change in the person/name/address of the patent owner|Owner name: DR. ING. H.C. F. PORSCHE AKTIENGESELLSCHAFT, 7, DE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410002549|DE102004002549B4|2004-01-17|2004-01-17|Elektromechanischer Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung|DE200410002549| DE102004002549B4|2004-01-17|2004-01-17|Elektromechanischer Aktuator zur Betätigung einer mechanischen Einrichtung|
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