DE4411935C1 - Stellantriebseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stellantriebseinrichtung zur Positionierung eines Stellelementes, dessen Einstellbereich mehrere stabile Einstellpositionen beinhaltet, nach dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Stellantriebssysteme dienen beispielsweise der Verstellung und Positionierung von Lüftungsklappen in einem Kraftfahrzeug oder anderer Stellglieder von Regel- oder Steuerkreisen. Zur Bereit­ stellung des Antriebs sind Schrittmotoren mit Getriebe, Gleich­ strommotoren mit angeflanschtem Potentiometer am Getriebeaus­ gang, Gleichstrom-Getriebemotoren mit im Motor integrierten Hallsensoren sowie pneumatische Einrichtungen bekannt. Um eine unbeabsichtigte Verstellung des Stellelementes durch äußere Störeinflüsse, im Fall einer Lüftungsklappe beispielsweise durch die Einwirkung des Luftstroms, zu verhindern, ist bei Stellantrieben mit einem Getriebe für letzteres üblicherweise ein selbsthemmendes Getriebe zu verwenden. Die Positionierung des Stellelementes erfolgt beim Schrittmotor durch schritt­ weisen Antrieb und Zählen der Ansteuerimpulse, bei dem mit Potentiometer versehenen Gleichstrommotor durch Messung der zum Verstellwinkel proportionalen Potentiometerspannung, beim mit Hallsensor versehenen Gleichstrommotor durch Zählen der Hall­ geberimpulse und bei pneumatischen Stellelementen z. B. durch ein angeflanschtes Potentiometer. Erfolgt die Positionserfas­ sung durch eine Lagesensorik, so wird hierfür eine gesonderte elektrische Zuleitung benötigt, was z. B. im Fall einer Kraft­ fahrzeug-Klimaanlage mit ca. 10 Klappenverstelleinheiten einen beträchtlichen Zusatzaufwand bedeutet. Bei Verwendung eines einfachen Gleichstrommotors wird damit der Aufwand für die Positionsrückmeldung etwa gleich groß wie für den eigentlichen Antriebsmotor. Bei pneumatischen Stellelementen werden eine Druckversorgungseinrichtung zur Erzeugung von Über- und Unter­ druck sowie passende Magnetventile zur individuellen Stell­ gliedansteuerung benötigt.

In der Patentschrift DE 38 35 773 C2 ist ein Stellantrieb für eine Klimaanlage gezeigt, bei der zur Positionierung Kontakt­ bürsten, die im Motorstromkreis liegen und sich bei einer Ver­ stellbewegung mitbewegen, so angeordnet sind, daß sie über ein gegenüberliegendes, feststehendes Leiterbahnmuster elektrisch verbindbar sind. Um mit diesem Stellantrieb eine im Luftstrom befindliche Drosselklappe in verschiedene Einstellpositionen bringen zu können, ist das Leiterbahnmuster mit einer entspre­ chenden Anzahl von benutzerbetätigbaren Einstellschaltern ver­ bunden und so gestaltet, daß bei Betätigen eines Schalters der Motorstromkreis zwischen den beiden Bürsten über ein Leiter­ bahnmuster geschlossen bleibt, bis durch die Drehbewegung die Bürsten relativ zum Leiterbahnmuster eine Stellung einnehmen, in der der Motorstromkreis unterbrochen ist. Diese Stellung entspricht dann der gewünschten Klappenstellung, in der die Klappe anschließend aufgrund des unterbrochenen Motorstromkrei­ ses verharrt, bis eine anderweitige Schalteranforderung durch den Benutzer erfolgt.

Es ist des weiteren bekannt, die Stromstärke im Stromkreis des Stellmotors zu erfassen und den Stellmotor davon abhängig anzu­ steuern. Auf diesem Prinzip beruhen beispielsweise gattungs­ gemäße Anordnungen, die bei einem erkannten Hindernis im Stell­ weg des Stellelementes den Stellmotor abschalten und/oder in umgekehrter Richtung betreiben, z. B. als Schutz vor Beschädi­ gungen des Stellelementes oder als Einklemmschutz, siehe z. B. die Offenlegungsschriften DE 33 46 366 A1, DE 35 14 223 A1 und DE 39 33 266 A1. Des weiteren ist in der Offenlegungsschrift DE 39 35 593 A1 eine gattungsgemäße Einrichtung zur Regelung der Kraftfahrzeug-Innenraumtemperatur beschrieben, bei der, um auf das aufwendige Potentiometer zur Positionserkennung ver­ zichten zu können, ein Gleichstrommotor getaktet angesteuert wird und die Lageerkennung durch Auswertung des erfaßten Motorstroms erfolgt, indem für jedes Weiterlaufen eines Motorankersegments eine Motorstromflankenerkennung durchgeführt wird. Diese er­ kannten Flanken werden gezählt, und dieser Zählwert ist für den Regler ein Maß für die Lage des Stellglieds. Neben der erfor­ derlichen Impulszähleinrichtung sind bei diesem Stellan­ triebssystem Mittel zur Unterdrückung des natürlichen Nachlaufs des Gleichstrommotors vorgesehen.

In der Offenlegungsschrift DE 38 32 474 A1 ist ein Stellantrieb beschrieben, bei dem eine Trennwand zum wahlweisen Verschließen eines von zwei Ansaugwegen einer Raumluftaufbereitungseinheit mittels eines einfachen, in einer Drehrichtung antreibbaren Elektromotors und einem gegenwirkenden Federelement ohne Mög­ lichkeit der Einstellung einer stabilen Zwischenstellung wahl­ weise in einer der beiden, durch Endanschläge definierten End­ stellungen des Einstellbereiches positionierbar ist. Hierzu sind der Motor und das Federelement so aufeinander abgestimmt, daß das vom Motor erzeugbare Drehmoment größer als das von der Federrückstellkraft maximal erzeugbare Drehmoment ist. Bei ein­ geschaltetem Stellmotor nimmt die Trennwand folglich die dessen Drehmomentrichtung entsprechende Endstellung ein, aus der sie dann durch einfaches Abschalten des Motors aufgrund der Rück­ stellwirkung des Federelementes in die andere Endstellung ge­ fahren und dort gehalten werden kann.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Stellantriebseinrichtung der eingangs genannten Art zu­ grunde, die mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar ist und eine genaue sowie gegen äußere Einflüsse stabile Posi­ tionierung des Stellelementes in jeder der mehreren vorgesehe­ nen Einstellpositionen ermöglicht.

Dieses Problem wird durch eine Stellantriebseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die Veränderung der potentiellen Energie des mechanischen Systems über den Ein­ stellbereich des Stellelementes hinweg resultiert in korrespon­ dierenden Schwankungen der vom mechanischen System auf das Stellelement ausgeübten Kraft und folglich der Stromstärke im Stromkreis des Stellmotors während einer Verstellbewegung, wo­ bei der Motor selbstverständlich so ausgelegt ist, daß das von ihm erzeugbare Drehmoment größer als das maximal vom mechani­ schen System ausgeübte Gegenmoment ist. Die Steuerungseinrich­ tung vermag folglich über die Motorstromerfassung anhand der vom mechanischen System bewirkten, stellelementpositionsspezi­ fischen Motorstromschwankungen die jeweilige Position des Stellelementes zu erkennen, ohne daß eine eigene Lagesensorik für das Stellelement oder den Motor mit entsprechenden Signal­ leitungen zur Steuerungseinrichtung erforderlich ist.

In Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 definieren Posi­ tionen von lokalen Minima der potentiellen Energie des angekop­ pelten mechanischen Systems für das Stellelement vorgesehene stabile Einstellpositionen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, daß die genaue Positionierung des Stellelementes durch das mechanische System gewährleistet wer­ den kann und daher keine entsprechend aufwendige Steuerung für den Stellmotor nötig ist. Der Stellmotor ist lediglich so zu wählen, daß er im Betrieb die auf das Stellelement vom mechani­ schen System einwirkenden Kräfte überwindet. Sobald die Steue­ rungseinrichtung durch Auswertung des Motorstromverlaufs fest­ stellt, daß sich das Stellelement im Einzugsbereich des zu der gewünschten Einstellposition gehörigen lokalen Minimums der po­ tentiellen Energie des mechanischen Systems befindet, kann die genaue Positionierung in einfacher Weise durch Abstellen des Motors unter der alleinigen Wirkung des mechanischen Systems erfolgen, indem sich dieses dann selbsttätig in dieses lokale Minimum der potentiellen Energie bewegt, das wiederum genau der gewünschten Stellelementposition entspricht. Ein zeitlich hoch­ genaues Abschalten des Motorstroms ist daher zur exakten Posi­ tionierung des Stellelements nicht erforderlich. Aus demselben Grund ist auch nicht die übliche Maßnahme eines elektrischen Kurzschließens des Motors beim Stoppen zwecks Nachlaufverhin­ derung erforderlich. Des weiteren bewirkt die Zuordnung eines lokalen Minimums der potentiellen Energie des mechanischen Sy­ stems zu jeder stabilen Stellelement-Einstellposition, daß das Stellelement durch die Rückstellkräfte des mechanischen Systems in der jeweils gewünschten Position stabil gegen äußere Ein­ flüsse gehalten wird, ohne daß zu diesem Zweck beispielsweise ein selbsthemmendes Getriebe erforderlich ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird der Motor jeweils durch die Steuerungseinrichtung nach Erreichen des vom mechanischen System gebildeten Einzugsbereiches der angeforderten Position des Stellelementes abgeschaltet, sobald dort ein Motorstromanstieg festgestellt wird. Aufgrund der bei Verlassen des Energieminimums auftretenden Rückstellkräfte des mechanischen Systems tritt in der Umgebung einer stabilen Stellelementposition jeweils ein meist beträchtlicher und folg­ lich einfach zu detektierender Motorstromanstieg auf. Bei einer alternativen Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird der Motorstrom­ kreis durch das mechanisch betätigbare Schaltelement in der Um­ gebung einer jeden stabilen Stellelementposition unterbrochen, wobei diese Motorstromkreisunterbrechung von der Steuerungsein­ richtung mittels passendem Schließen des parallel liegenden Schaltelements jeweils so lange überspielt wird, bis sich das System wieder außerhalb dieser Umgebung befindet oder der Ein­ zugsbereich der gewünschten Einstellposition erreicht ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Stellantriebseinrichtung für die Luftklappe einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage und

Fig. 2 bis 8 verschiedene Varianten von für die Stellantriebsein­ richtung nach Fig. 1 verwendbaren mechanischen Syste­ men, wobei jeweils in der rechten Figurenhälfte das mechanische System in einer schematischen Seitenan­ sicht und in der linken Figurenhälfte das dazuge­ hörige Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm wiedergegeben sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Stellantriebseinrichtung beinhaltet einen einfachen Gleichstrommotor 1 mit zwei möglichen Dreh­ richtungen sowie einen Mikro-Controller 3 als Steuerungsein­ richtung zur Motoransteuerung. Diese Ansteuerung erfolgt über eine entsprechende Steuerung zweier in den Motorstromkreis ein­ geschleifter Relais 7, 8, durch die jeder Motoranschluß wahl­ weise mit der positiven oder negativen Fahrzeugbatteriespannung verbindbar ist. Bei Anschluß an ungleichnamige Pole ist der Motor in einer der beiden möglichen Drehrichtungen aktiviert, während er bei Anschluß an die gleichen Pole, wie in dem in Fig. 1 explizit dargestellten Fall der Verbindung mit der nega­ tiven Batteriespannung, abgeschaltet ist. Die Stromstärke im Motorstromkreis wird über einen Meßwiderstand 5 abgetastet, und das zugehörige Sensorsignal wird über einen A/D-Umsetzer 6 dem Mikro-Controller 3 als Eingangsinformation zugeführt. An den Stellmotor 1 ist über ein nicht-selbsthemmendes Ge­ triebe eine Lüftungsklappe 2 als ein Stellelement der Kraft­ fahrzeug-Klimaanlage angekoppelt. Mit der Lüftungsklappe 2 ist ein in Fig. 1 nur schematisch angedeutetes mechanisches System 4 gekoppelt, das die stabilen Positionen der mehrstu­ fig verstellbaren Lüftungsklappe 2 festlegt. Analog zu dem zugehörigen Bildzeichen von Fig. 1 kann das mechanische System 4 z. B. eine drehfest auf derselben Welle wie die Lüftungs­ klappe 2 sitzende Scheibe, die im Drehwinkelabstand von je­ weils 90° mit drei Einkerbungen versehen ist, sowie eine Blatt­ feder mit einem endseitigen, gegen den Umfang der Scheibe an­ drückenden Nocken beinhalten. Durch Eingriff dieses Nockens in jeweils eine der drei Kerben stellt dieses mechanische System 4 dann drei gegen äußere Einflüsse stabile Einstellpositionen für die Lüftungsklappe 2 zur Verfügung, da sich das mechani­ sche System 4 jeweils bei Eingriff des Nockens in eine der Kerben in einem lokalen Minimum seiner potentiellen Energie, hier der elastischen Energie der Blattfeder, befindet, aus der das mechanische System 4 und die mit ihm gekoppelte Lüftungs­ klappe 2 nur durch einen merklichen Kraftaufwand herausführ­ bar sind, wie er vom Stellmotor 1 bei einer Aktivierung des­ selben bereitgestellt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 8 wird nachfolgend auf ver­ schiedene, je nach Anwendungsfall geeignete Varianten bezüglich der Realisierung des mechanischen Systems eingegangen.

Das auf der rechten Hälfte von Fig. 2 schematisch dargestellte mechanische System beinhaltet eine Nockenscheibe 20, die ge­ meinsam mit der in den Fig. 2 bis 5 jeweils nicht explizit ge­ zeigten Lüftungsklappe 2 drehfest auf einer vom Getriebe ab­ gehenden Antriebswelle 21 sitzt. Am Umfang dieser Nocken­ scheibe 20 ist eine Mehrzahl von Nocken 22 ausgebildet, deren Anzahl sich nach der Anzahl der für die Lüftungsklappe 2 gewünschten, stabil einstellbaren Positionen richtet und von denen stellvertretend vier explizit dargestellt sind. Gegen den Umfang der Nockenscheibe 20 liegt eine am einen Ende eines Schwenkhebels 23 drehbar gelagerte Anpreßrolle 24 an, wobei der Schwenkhebel 23 mit seinem anderen Ende an einer ortsfesten Welle 25 drehbar gelagert ist. Auf den Schwenkhe­ bel 24 wirkt eine Druckfeder 26 ein, die ortsfest abge­ stützt ist. Eine Antriebsbewegung zur Verstellung des Stellele­ mentes 2 hat damit zur Folge, daß die Anpreßrolle 24 am Um­ fang der Nockenscheibe 20 abrollt, wobei jeweils ein Nocken eine Auslenkung des Schwenkhebels 23 derart verursacht, daß die Feder 26 zusammengedrückt wird. Die Federenergie reprä­ sentiert dabei die potentielle Energie des mechanischen Systems, so daß die Positionen der Anpreßrolle 24 zwischen zwei Nocken jeweils einem lokalen Minimum der potentiellen Energie des mechanischen Systems und damit einer stabilen Ruhe­ lage desselben entsprechen. Bei der Variante von Fig. 2 liegt jeweils ein ganzes Drehwinkelintervall dw₁ als Bereich mini­ maler potentieller Energie zwischen zwei Nocken 22 vor, wobei Verstellungen des Stellelements innerhalb eines solchen Berei­ ches dw₁ ein Reibmoment M_R entgegenwirkt, welches durch die Reibungskraft zwischen der Anpreßrolle 24 und dem Umfang der Nockenscheibe 20 erzeugt wird.

Die Funktionsweise des Stellantriebs mit dem mechanischen System von Fig. 2 läßt sich anhand des in der dortigen Figur links gezeigten Schaubild erläutern, welches schematisch die Abhängigkeit des vom mechanischen System auf die Stellelement- Drehachse 21 ausgeübten Drehmomentes M als Funktion des Drehwinkels phi darstellt, wobei die Dreh- und die Momenten­ richtung in der rechten Ansicht von Fig. 2 definiert sind. Aus­ gehend von einem Drehwinkel gleich null, der einer Anpreßrol­ lenstellung zwischen zwei Nocken entspricht, gelangt bei Akti­ vierung des Stellmotors 1 durch die Drehung der Stellelement­ welle 21 und damit der Nockenscheibe 20 die Anpreßrolle 24 bei einer Winkelstellung S1 in Kontakt zur Vorderflanke eines Nockens. Das Anlaufen der Anpreßrolle 24 gegen diese Nockenvorderflanke bewirkt ein Zusammendrücken der Druckfeder 26, wodurch das auf die Nockenscheibe 20 und damit die Stellelementwelle 21 vom mechanischen System ausgeübte Dreh­ moment ansteigt, bis die Anpreßrolle 24 die Nockenspitze er­ reicht hat, wonach die Anpreßrolle 24 an der Nockenhinter­ flanke zur Anlage kommt. Letzteres bewirkt eine Umkehrung des vom mechanischen System auf die Stellelementwelle 21 ausge­ übten Drehmomentes, bis sich die Anpreßrolle 24 gänzlich an der Nockenhinterflanke abgerollt und damit das vom mechanischen System ausgeübte Drehmoment M von unten her wieder den rei­ bungsverursachten Drehmomentwert M_R erreicht hat. Daran schließt sich ein Bereich dw₁ minimaler potentieller Energie des mechanischen Systems an, in welchem sich die Anpreßrolle 24 zwischen zwei Nocken 22 befindet. Bei weiterer Drehung gelangt die Anpreßrolle 24 in der Winkelstellung S2 der Stellelementwelle 21 in Kontakt zur Vorderflanke eines näch­ sten Nockens, wonach sich der beschriebene Ablauf wiederholt.

Daraus ergibt sich, daß mit der Anordnung von Fig. 2 das Stell­ element 2 jeweils in den Plateaubereichen dw₁ des vom mechanischen System ausgeübten Drehmoments M stabil positio­ nierbar ist, wobei das reibungsverursachte Drehmoment M_R einer Verstellbewegung des Stellelementes innerhalb dieses Plateaubereiches dw₁ entgegenwirkt. Wird dieses Reibungs­ moment größer gewählt als das maximal durch äußere Einflüsse auf das Stellelement zu erwartende Moment, so stabilisiert diese Reibung die Stellung des Stellelements gegen derartige Einflüsse von außen. In jedem Fall ist das von den Nockenspit­ zenbereichen repräsentierte maximale Rückstellmoment M_M des mechanischen Systems größer als dieser maximale Drehmomentein­ fluß von außen, um unbeabsichtigte Verstellungen des Stellele­ mentes zu verhindern. Wenn eine genaue punktuelle anstelle einer bereichsartigen Positionierung des Stellelementes in den stabil einstellbaren Positionen gewünscht ist, läßt sich dies mit der Anordnung von Fig. 2 dadurch erreichen, daß der Pla­ teaubereich dw₁ auf einen Punkt zusammengeschrumpft wird, z. B. dadurch, daß sich jeweils an die Hinterflanke eines vor­ angehenden Nockens sofort die Vorderflanke eines nachfolgenden Nockens anschließt. Das Stellelement ist dann jeweils punktuell in den Stellungen exakt positionierbar, in denen die Anpreß­ rolle 24 genau mittig zwischen zwei angrenzenden Nocken 22 liegt.

Es versteht sich, daß der Stellmotor 1 so ausgelegt ist, daß das von ihm erzeugbare Drehmoment größer ist als der Spitzen­ wert M_M des vom mechanischen System erzeugten, entgegenwir­ kenden Momentes, damit durch Aktivierung des Motors das Stell­ element innerhalb seines gesamten Einstellbereiches verstellbar ist. Der von der Steuerungseinrichtung 3 gemessene Motor­ stromverlauf während einer Verstellbewegung entspricht dem ge­ zeigten Verlauf des vom mechanischen System ausgeübten Dreh­ moments insoweit, als der Motorstrom bei höher werdendem ent­ gegenwirkendem Drehmoment ansteigt und mit niedriger werdender Drehmomentrückwirkung absinkt. Durch die Messung des Motor­ stroms kann die Steuerungseinrichtung 3 daher erkennen, ob der Antrieb angelaufen ist und ob eine stabile Rastposition für das Stellelement erreicht wurde. Durch die in Fig. 2 gezeigte Anordnung von mehr als zwei Nocken wird daher eine mehrstufige Verstellmöglichkeit definiert, wobei die Steuerungseinrichtung 3 die gewünschte Einstellposition durch Abzählen der aufein­ anderfolgenden stabilen Stellpositionen, d. h. durch Abzählen der aufeinander folgenden Motorstromanstiege, bestimmt.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich weiter, daß die Ankopplung des in Fig. 2 gezeigten mechanischen Systems an die Stellmotor- Stellelement-Anordnung den Vorteil hat, daß die Endphase eines Positionierungsvorgangs zum Einstellen einer gewünschten, stabilen Stellelementposition vom mechanischen System übernom­ men werden kann, so daß es auf einen exakten Abschaltzeitpunkt für den Stellmotor 1 nicht ankommt. Der Stellmotor 1 kann vielmehr innerhalb eines im Diagramm von Fig. 2 gezeigten Dreh­ winkelintervalls ds₁ abgestellt werden, wenn das Stellelement in der in diesem Bereich enthaltenen, punktuellen oder be­ reichsartigen Stellung positioniert werden soll. Günstig ist hierbei eine Abschaltung zu den beim Inkontakttreten der An­ preßrolle 24 mit den Nocken 22 vorliegenden Drehwinkelstel­ lungen S1 bis S4, da zu diesem Zeitpunkt jeweils eine merk­ liche Erhöhung des vom mechanischen System einwirkenden Dreh­ moments stattfindet, welches seinerseits zu einem gleichartigen merklichen Anstieg des Motorstroms für den Stellmotor 1 führt. Die Detektion eines derartigen Stromanstieges wiederum ist in einfacher Weise ohne großen schaltungstechnischen Auf­ wand realisierbar. Ersichtlich ist der theoretisch mögliche Abschalt-Drehwinkelbereich ds₁ durch den Drehwinkelabstand der Spitzen zweier benachbarter Nocken gegeben, welche jeweils ein lokales Maximum der potentiellen Energie des mechanischen Systems darstellen. Das mechanische System bietet damit eine Verrastungsfunktion zum Halten des Stellelementes in der je­ weils gewünschten Stellung. Aufgrund des Wegfalls der Notwen­ digkeit einer exakten Stellelementpositionierung durch den Motorantrieb brauchen auch keine Vorkehrungen zum elektrischen Kurzschließen des Motors zwecks Nachlaufverhinderung vorgesehen sein.

Es versteht sich, daß Anzahl und Lage der Nocken 22 auf dem Umfang der Nockenscheibe 20 je nach Anwendungsfall variiert werden können, wobei je nach angeordnetem Stellelement ein pe­ riodisches Weiterdrehen des Stellelements und damit der Nocken­ scheibe 20 oder eine Hin- und Herbewegung zwischen zwei End­ lagen vorgesehen sein kann, die durch entsprechende Endanschlä­ ge definiert sind. So können beispielsweise die Drehwinkelposi­ tionen 0, S1, S2, S3, S4 einem Lüftungsklappen-Öffnungsgrad von 0%, 25%, 50%, 75% bzw. 100% entsprechen.

In den zur Fig. 2 analogen Fig. 3 bis 8 sind weitere Varianten geeigneter mechanischer Systeme aufgezeigt, wobei funktions­ gleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sind und die nachfolgende Beschreibung dieser Varianten haupt­ sächlich auf die Unterschiede zur Anordnung von Fig. 2 be­ schränkt und im übrigen auf deren Beschreibung verwiesen wird. Bei der Variante von Fig. 3 wird anstelle der Nockenscheibe 20 von Fig. 2 eine Kerbscheibe 30 bei ansonsten identischem mechanischem Aufbau verwendet. Die Kerbscheibe 30 weist eine Mehrzahl von Einkerbungen 31 auf, welche die lokalen Minima der potentiellen Energie des Systems definieren, während die dazwischenliegenden Scheibenumfangsbereiche die Bereiche mit lokal maximaler potentieller Energie darstellen. Die Einkerbun­ gen 31 sind so gestaltet, daß sich jeweils ein punktuelles lokales potentielles Energieminimum in den der jeweiligen Ker­ benmitte zugeordneten Drehwinkelstellungen P1 bis P4 anstelle der bereichsartigen lokalen Minima dw₁ von Fig. 2 ergibt. Mit dieser Anordnung ist folglich das Stellelement jeweils punktu­ ell exakt in einer dieser stabilen Drehwinkelstellungen P1 bis P4 positionierbar. Der für die Einstellung einer bestimmten stabilen Stellelementposition, z. B. der Position P2, mög­ liche, im zugehörigen Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm gezeigte Abschaltbereich ds₂, d. h. der Drehwinkelbereich, in welchem der Motor 1 zur Erreichung dieser Stellelementposition ab­ schaltbar ist, entspricht dem Drehwinkelabstand zwischen der Vorder- und Hinterkante einer Kerbe. Der Motor kann innerhalb dieses Bereiches ds₂ an einer beliebigen Stelle abgeschaltet werden, wonach sich das Stellelement durch die Wirkung des mechanischen Systems exakt in der gewünschten Position, z. B. P2, durch die Wirkung des mechanischen Systems positioniert und dort gesichert gegen unbeabsichtigte Verstellungen aufgrund von Störeinflüssen eingerastet gehalten bleibt. Durch voneinan­ der verschiedene Gestaltung der Einkerbungen ist es zudem bei diesem Beispieltyp möglich, die ansteigenden und/oder abfallen­ den Bereiche der Drehmomentkennlinie unterschiedlich und auf diese Weise stellelementpositionsspezifisch auszuformen und da­ mit der Motorsteuerung die Positionserfassung ohne Zählvorgang direkt durch Auswertung des dann von Einkerbung zu Einkerbung nicht streng periodischen Motorstromverlaufs zu ermöglichen.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten mechanischen System ist gegenüber demjenigen von Fig. 2 der dortige Schwenkhebel 23 durch einen L-förmigen Hebel 41 ersetzt, dessen einer Arm 40 die zu dem Schwenkhebel 23 von Fig. 2 analoge Funktion übernimmt, wäh­ rend durch den anderen Hebelarm 42 zusammen mit einer benach­ barten, ortsfesten Wandung 43 eine Drehwinkelbegrenzung für den Hebel 41 bereitgestellt wird. Diese Begrenzung hat zur Folge, daß die Anpreßrolle 24 erst auf ungefähr der halben Nockenhöhe mit den Nocken 22 in Kontakt tritt, während in den tieferliegenden Bereichen der Nockenscheibe 20 kein Kontakt mit der Anpreßrolle 24 vorliegt. Diese Maßnahme bewirkt einen Wegfall des Reibmomentes M_R in den Bereichen zwischen den Nocken, d. h. es ist kein reibungsverursachtes Drehmoment mehr in den Plateaubereichen dw₂ lokal minimaler Energie des me­ chanischen Systems vorhanden. Dementsprechend liegen diese Pla­ teaubereiche dw₂ im zugehörigen Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm auf der Drehwinkelachse. Der mögliche Abschaltzeitraum ds₃ zum Abstellen des Stellmotors zwecks Erreichung einer bestimm­ ten, darin enthaltenen stabilen Stellelementposition ergibt sich analog zu demjenigen ds₁ von Fig. 2 als Drehwinkelab­ stand der Spitzen zweier benachbarter Nocken 22.

Das mechanische System von Fig. 5 stellt eine Kombination der Varianten der Fig. 3 und 4 dar, indem anstelle der Nockenschei­ be 20 der Fig. 4 eine kombinierte Nocken-Kerben-Scheibe 50 verwendet wird, an deren Umfang eine Mehrzahl von Nocken 51 vorgesehen ist, welche jeweils in ihrem Spitzenbereich eine Einkerbung 54 besitzen. Dieses System vereinigt die Vorteile einer weitgehenden Reibungsfreiheit und einer exakten, verra­ steten Positionierbarkeit des Stellelementes. Die weitgehende Reibungsfreiheit wird analog zum System von Fig. 4 durch den drehwinkelbegrenzten Hebel 41 gewährleistet. Durch Einrasten der Anpreßrolle 24 in den Einkerbungen 54 der Nocken 51 ist jeweils eine exakte, eingerastete Stellelementpositionie­ rung definiert, analog der Kerbanordnung von Fig. 3. Im zuge­ hörigen Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm sind drei dieser punktu­ ell einrastenden Stellpositionen P5, P6, P7 eingezeichnet. Der zugehörige Abschaltbereich ds₄, in welchem der Stellmotor 1 zur Erreichung einer darin enthaltenen Rastposition abge­ schaltet werden kann, ergibt sich als Drehwinkelabstand der Spitzen der beiden durch eine jeweilige Nockeneinkerbung 54 gebildeten Nockenhöcker 52, 53. Darüber hinaus kann das Stellelement mit dem angekoppelten mechanischen System von Fig. 5 analog zur Anordnung von Fig. 4 in stabile bereichsartige Einstellungen dw₄ gebracht werden, bei denen sich die Anpreß­ rolle 24 zwischen zwei Nocken 51 ohne Kontakte zur Nocken­ kerben-Scheibe 50 befindet. Der hierzu gehörende Abschaltbe­ reich ds₅ bestimmt sich aus dem Drehwinkelabstand eines hin­ teren Höckers eines vorangehenden Nockens nun einem vorderen Höcker eines nachfolgenden Nockens.

Die in den Fig. 6 bis 8 dargestellten Systeme sind solche, bei denen nach Abschalten des Motors ohne selbsthemmendes Getriebe eine Notrückstellung in eine eindeutig definierte Ausgangslage erfolgt, indem das mechanische System jeweils so gestaltet ist, daß über den gesamten Einstellbereich nur ein einziges Minimum der potentiellen Energie vorliegt, das dieser Stellelement-Aus­ gangsstellung zugeordnet ist.

Im Beispiel der Fig. 6 liegt ähnlich wie in den Beispielen der Fig. 2 und 3 der an einer Welle 25 einseitig gelagerte Hebel­ arm 23 mit seiner endseitigen Anpreßrolle 24, hier unter der Einwirkung einer Zugfeder 61, federelastisch gegen eine drehfest auf der Stellelement-Antriebswelle 21 sitzende Noc­ kenwelle 60 an. Diese Nockenwelle 60 ist so geformt, daß sich die potentielle Energie des mechanischen Systems 4 zwi­ schen einem minimalen Wert, den das System in der gezeigten Nockenscheibenstellung einnimmt, und einem maximalen Wert, den das System bei gegenüber der gezeigten Stellung um 180° ver­ drehter Stellung einnimmt, in charakteristischer Weise derart verändert, daß sich die gezeigte Drehmoment-Drehwinkel-Charak­ teristik ergibt. Anhand dieser charakteristischen Kennlinie, die sich durch die unterschiedliche Ausgestaltung der einzelnen Kerben in der Nockenscheibe 60 ergibt, vermag die Steuerungs­ einrichtung für die Motoransteuerung die Stellelementposition ohne Abzählen der einzelnen Kerbpositionen zu bestimmen. Die Kerben sind außerdem so gestaltet, daß sie nur zu einem lang­ sameren Anstieg der potentiellen Energie des mechanischen Systems 4 führen, hingegen - mit Ausnahme derjenigen Kerbe, die in der gezeigten Stellung mit der Anpreßrolle zusammenwirkt -, kein lokales Minimum der potentiellen Energie bilden. Dies kommt in der Drehmomentkennlinie dadurch zum Ausdruck, daß sie lediglich bei 0°, dem Ort des lokalen Minimums der potentiellen Energie, sowie bei 180°, dem Ort des lokalen Maximums der potentiellen Energie, einen Nulldurchgang besitzt. Auf diese Weise ergibt sich beim Abstellen des Motors und bei Verwendung eines nicht selbsthemmenden Getriebes eine selbsttätige Not­ rückstellung in die gezeigte stabile Stellelementposition.

In der Variante von Fig. 7 erfolgt die Rückstellung eines wie im Beispiel der Fig. 2 am einen Ende mit einer Anpreßrolle 24 und am anderen Ende um eine ortsfeste Welle 25 drehbar gela­ gerten Hebelarms 23 mittels einer am einen Ende ortsfest ge­ haltenen und am anderen Ende mit der Hebelarmwelle 25 in Ver­ bindung stehenden Spiralfeder 71. Die Anpreßrolle 24 liegt damit federelastisch gegen eine Nockenscheibe 70 an, die von etwa ovaler Gestalt und so auf der Stellelement-Antriebswelle 21 exzentrisch gelagert ist, daß in einer Stellung, in der die Anpreßrolle 24 den geringsten Abstand von der Stellele­ ment-Antriebswelle 21 hat, ein lokales Minimum der potentiel­ len Energie des mechanischen Systems 4 vorliegt, von dem aus die zugehörige Drehmomentkennlinie bis zu der um 180° gedrehten Nockenscheibenstellung streng monoton ansteigt, was sich auch auf die Motorstromkennlinie überträgt, so daß die Steuerungs­ einrichtung für den Stellmotor 1 anhand des jeweiligen Motor­ stromwertes auf einfache Weise die Position des Stellelementes zu erfassen vermag. Bei der Drehwinkelstellung von 180° durch­ läuft die potentielle Energie dann wieder ihr Maximum, von dem aus sie durch die spezielle Formung der Nockenscheibe 70 rasch auf ihren minimalen Wert abfällt, was in der gezeigten Drehmomentkennlinie nicht mehr explizit gezeichnet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich folglich bei Abstel­ len des Motors und Verwendung eines nicht-selbsthemmenden Ge­ triebes eine Notrückstellung in die durch das zugehörige lokale Miminum der potentiellen Energie eindeutig definierte Stellele­ mentausgangsposition.

Die Fig. 8 zeigt eine Modifikation des Beispiels von Fig. 7 hin­ sichtlich der Gestaltung der Nockenscheibe 80. Diese Nocken­ scheibe 80 ist an ihrem Außenumfang mit stückweise geraden, unter Knickbildung aneinanderschließenden Abschnitten versehen, wodurch sich die zugehörige gezeigte Drehmomentkennlinie er­ gibt, die zeigt, daß das Drehmoment in den stückweise geraden Abschnitten stets etwa konstant und über dem reibungsverursach­ ten Wert M_R liegt und zwischen zwei Abschnitten beim Überfah­ ren des jeweiligen Knickes sägezahnförmig ansteigt und wieder abfällt. Die Steuerungseinrichtung kann daher die Stellelement­ position durch Abzählen der Anzahl der überfahrenen Drehmoment- Sägezähne erfassen. Auch bei diesem Beispiel liegt über den ge­ samten Drehwinkelbereich nur ein lokales Minimum und ein loka­ les Maximum der potentiellen Energie des mechanischen Systems 4 vor, mit entsprechenden Nulldurchgängen des Drehmoments bei diesen Winkelstellungen, wie in Fig. 8 nicht explizit gezeigt ist, so daß sich auch für diese Anordnung bei Abstellen des Motors ohne selbsthemmendes Getriebe eine Notrückstellung in den Punkt lokaler minimaler potentieller Energie des mechanischen Systems ergibt.

Während die Varianten der Fig. 6 bis 8 jeweils eine Notrück­ stellung in eine spezielle Stellelement-Ausgangsstellung bewir­ ken, ist den Varianten der Fig. 2 bis 5 gemeinsam, daß das an­ gekoppelte Stellelement vom mechanischen System durch Ausbil­ dung entsprechender lokaler Minima der potentiellen Energie in verschiedenen Stellungen stabil positionierbar ist, ohne daß hierfür beispielsweise ein selbsthemmendes Getriebe zwischen Stellmotor und Stellelement oder eine Nachlaufverhinderung für den Stellmotor erforderlich ist. Da die genaue Positionierung des Stellelementes vom mechanischen System übernommen wird, entfällt der Aufwand für die Bereitstellung einer exakten Stellmotorabschaltung. Der Motor kann vielmehr innerhalb eines vergleichsweise großen Bereiches abgeschaltet werden, wobei vorzugsweise innerhalb dieses Bereiches ein Abschaltpunkt ge­ wählt wird, bei dem eine deutliche und daher mit geringem schaltungstechnischem Aufwand auswertbare Motorstromänderung vorliegt.

Die erfindungsgemäß vorgesehene, charakteristische Beeinflus­ sung der Motorstromkennlinie durch das angekoppelte, mit vari­ ierender potentieller Energie mitbewegte mechanische System und die Verwendung der Motorstromkennlinie zur Bestimmung des Mo­ torabschaltzeitpunktes haben darüber hinaus zur Folge, daß keine Lagesensorik mit entsprechenden elektrischen Verbindungs­ leitungen zur Erfassung der Stellelementposition nötig ist. Die gesamte Stellantriebseinrichtung ist folglich vollständig mit kostengünstigen Komponenten aufbaubar. Es versteht sich, daß neben den gezeigten Anordnungen mit drehbeweglichem Stellele­ ment auch Anordnungen mit andersartiger, z. B. linearer, Stell­ elementbewegung mit der erfindungsgemäßen Ankopplung eines mit­ bewegten mechanischen Systems versehen sein können.

Claims (5)

1. Stellantriebseinrichtung zur Positionierung eines Stellele­ mentes (2), mit

• - einem Stellmotor (1) zum Antreiben des Stellelementes und
• - einer Steuerungseinrichtung (3, 5, 6) zur Steuerung des Stellmotors und zur Erkennung der Stellelementposition durch Erfassung des Motorstroms,

gekennzeichnet durch

• - ein mit der Verstellbewegung des Stellelementes (2) mit­ bewegtes mechanisches System (4) mit längs seines Bewe­ gungsweges variierender potentieller Energie, wobei die Motorstromkennlinie über den Stellelementeinstellbereich hinweg wesentlich von der vom mechanischen System auf das Stellelement ausgeübten Kraft bestimmt ist.

2. Stellantriebseinrichtung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der potentiellen Energie des mitbewegten mechani­ schen Systems (4) Bereiche mit lokal minimaler potentieller Energie beinhaltet, denen jeweils eine stabile Einstellposition des Stellelementes (2) zugeordnet ist.

3. Stellantriebseinrichtung nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Verstellbewegung des Stellelementes (2) in eine ange­ forderte Einstellposition die Steuerungseinrichtung (3) das Stellelement durch den Stellmotor (1) in den zugehörigen Be­ reich lokal minimaler Energie des mechanischen Systems (4) führt und den Motor anschließend abschaltet, sobald sie einen Motorstromanstieg detektiert.

4. Stellantriebseinrichtung nach Anspruch 2, weiter gekennzeichnet durch zwei parallel in den Motorstromkreis eingebaute elektrische Schaltelemente, von denen das eine durch die Steuerungseinrich­ tung gesteuert betätigbar und das andere mechanisch betätigbar und mit der Stellelement-Verstellbewegung derart gekoppelt ist, daß es jeweils in der Umgebung einer stabilen Stellelement-Ein­ stellposition geöffnet und ansonsten geschlossen ist.