Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse, einem Aktor, welcher in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Aktor einen Elektromotor und ein Getriebe mit mindestens einer Getriebestufe aufweist, einer Stellwelle, welche über das Getriebe durch den Elektromotor verstellbar ist, wobei die Stellwelle durch eine Rückstellfeder in Umfangsrichtung vorgespannt ist.

Derartige Stellvorrichtungen dienen zum Antrieb unterschiedlicher Aggregate in einem Verbrennungsmotor, wobei ein solches Aggregat beispielsweise eine Drosselklappe oder ein Ventil sein kann. Die Stellvorrichtung umfasst üblicherweise einen Aktor, welcher in einem

Gehäuse angeordnet ist und einen Elektromotor und ein Getriebe mit einer oder mehreren Getriebestufen aufweist. Bei Betätigung des Elektromotors wird eine Stellwelle verstellt, wobei an der Stellwelle beispielsweise eine Klappe oder ein Ventilglied angeordnet ist. Durch die Verstellung der Stellwelle und damit der Klappe bzw. des Ventilglieds kann ein

Durchströmungsquerschnitt in einem Strömungskanal und damit ein durch den Strömungskanal strömender Fluidstrom gesteuert werden. Üblicherweise ist die Stellwelle durch eine Rückstellfeder in

Umfangsrichtung vorgespannt, wodurch die Stellwelle und die an der Stellwelle vorgesehene Klappe oder das an der Stellwelle vorgesehene Ventilglied bei Nichtbestromung des Elektromotors in einer vordefinierten Fail-Safe-Stellung gehalten wird, indem die Stellwelle oder die Klappe bzw. das Ventilglied an einem Anschlag anliegt. Bei Bestromung des

Elektromotors übersteigt das durch den Elektromotor erzeugte Drehmoment die die in Umfangsrichtung wirkende Federkraft der Rückstellfeder und die Stellwelle verdreht sich in eine andere vordefinierte Stellung. Eine derartige Stellvorrichtung offenbart beispielsweise DE 197 04 012 Al.

Nachteilig an einer derartigen Stellvorrichtung ist, dass die Rückstellfeder zur Durchführung einer Rückstellbewegung ein durch den unbestromten Elektromotor verursachtes Drehmoment, auch Rastmoment genannt, überwinden muss, wodurch die Rückstellfeder relativ groß dimensioniert ist. Gleichzeitig führt eine derartige große Rückstellfeder zu einem leistungsstärkeren und größeren Elektromotor, welcher ein höheres Drehmoment erzeugen muss, um während der Verstellbewegung der Stellwelle die Rückstellkraft der Rückstellfeder zu überwinden.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Stellvorrichtung bereitzustellen, welche einen geringen Bauraum aufweist und kostengünstig ausgeführt ist, wobei der ordnungsgemäße Betrieb der Stellvorrichtung weiterhin gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass das Getriebe die mindestens eine Getriebestufe und eine magnetorheologische Kupplung aufweist, wobei die magnetorheologische Kupplung einen Elektromagneten, eine erste Kupplungshälfte, eine zweite Kupplungshälfte und ein zwischen den beiden Kupplungshälften angeordnetes magnetorheologisches Kopplungselement aufweist, wobei die erste Kupplungshälfte mittelbar oder unmittelbar mit dem Elektromotor verbunden ist und die zweite Kupplungshälfte mittelbar oder unmittelbar mit der Stellwelle verbunden ist, kann die Rückstellfeder und der Elektromotor kleiner dimensioniert werden und damit kostengünstiger ausgeführt werden.

Die kleinere Dimensionierung der Rückstellfeder resultiert daraus, dass im unbestromten Betrieb des Elektromotors die Stellwelle vom Elektromotor entkoppelt ist. Bei einem üblicherweise gekoppelten Zustand des unbestromten Elektromotors mit der Stellwelle verursacht eine Verdrehung eines Rotors relativ zum Stator des Elektromotors ein Widerstandsmoment. Durch die Entkopplung des unbestromten Elektromotors von der Stellwelle kann die Rückstellfeder kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden, da das Widerstandsmoment entfällt. Gleichzeitig kann der Elektromotor kleiner ausgeführt werden, da durch die Verkleinerung der Rückstellfeder ein geringeres, durch die Rückstellfeder erzeugtes Rückstellmoment überwunden werden muss, um die Stellwelle aktiv durch den bestromten Elektromotor zu verstellen. Anderenfalls kann der Elektromotor bei gleichbleibender Größe und einer kleineren Rückstellfeder eine höhere Drehmomentreserve aufweisen.

Die Entkopplung der Stellwelle von dem Elektromotor erfolgt durch die magnetorheologische Kupplung. Die magnetorheologische Kupplung hat den Vorteil, dass sie eine einfache, exakte, reproduzierbare und zuverlässige Steuerbarkeit des zu übertragenen Drehmomentes, eine schnelle Reaktionszeit und einen geringen Verschleiß aufweist. Im bestromten Betrieb des Elektromotors und damit bei einer Verstellung der Stellwelle durch den Elektromotor wird auch der Elektromagnet der magnetorheologischen Kupplung bestromt, wodurch sich ein Magnetfeld aufbaut. Dieses Magnetfeld erstreckt sich durch das magnetorheologische Kopplungselement, welches sich durch das Magnetfeld verhärtet und eine drehfeste Verbindung zwischen der durch den Elektromotor angetriebene, ersten Kupplungshälfte und der mit der Stellwelle verbundenen, zweiten Kupplungshälfte herstellt. Im unbestromten Zustand des Elektromotors ist auch der Elektromagnet der magnetorheologischen Kupplung unbestromt, wodurch das magnetorheologisches Kupplungselement kein Drehmoment übertragen kann und damit der Elektromotor von der Stellwelle getrennt ist.

Vorzugsweise begrenzen die erste Kupplungshälfte und die zweite Kupplungshälfte eine Kupplungskammer radial, wobei in der Kupplungskammer das magnetorheologische Kopplungselement angeordnet ist. Bei Bestromung des Elektromagneten verhärtet sich das in der Kupplungskammer angeordnete magnetorheologische Kopplungselement, wodurch eine kraftschlüssige Drehmomentübertragung zwischen den beiden Kupplungshälften erfolgt, wobei das magnetorheologische Kopplungselement insbesondere radial an den Kupplungshälften anliegt. Die radiale Anlage des magnetorheologischen Kopplungselements ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine relativ große Übertragungsfläche zur kraftschlüssigen Übertragung zwischen den Kupplungsflächen und dem verhärteten magnetorheologischen Kopplungselement vorliegt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist eine der beiden Kupplungshälften einen topfförmigen Abschnitt auf und die andere der beiden Kupplungshälften weist einen Radialvorsprung auf, wobei der topfförmige Abschnitt und der Radialvorsprung die Kupplungskammer begrenzen. Dadurch wird auf eine einfache Weise die Kupplungskammer bereitgestellt.

Vorzugsweise weist der Elektromagnet ein topfförmiges Joch und eine innerhalb des Jochs angeordnete Spule auf, wobei das Joch abschnittsweise das magnetorheologische Kopplungselement und den topfförmigen Abschnitt der Kupplungshälfte radial umgibt. Dadurch kann auf eine einfache Weise ein Magnetfeld in das magnetorheologische Kopplungselement eingeleitet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Gehäuse einen Gehäusegrundkörper und einen Gehäusedeckel auf, wobei das topfförmige Joch am Gehäusedeckel befestigt ist. Dadurch kann die magnetorheologische Kupplung und damit die Stellvorrichtung einfach montiert werden, wobei der Elektromotor, das Getriebe und die Stellwelle in dem Gehäusegrundkörper vormontiert wird, der Elektromagnet an dem Gehäusedeckel vormontiert wird und anschließend der Gehäusedeckel mit dem Elektromagneten an dem Gehäusegrundkörper endmontiert wird. Vorzugsweise ist das magnetorheologisches Kopplungselement ein magnetorheologischer Elastomer. Die magnetorheologischen Elastomere setzen sich aus einer Elastomermatrix und in der Elastomermatrix eingebundenen, weichmagnetischen Partikeln. Beim Anlegen eines Magnetfelds am magnetorheologischen Kopplungselements mittels des Elektromagneten dehnt sich der magnetorheologischer Elastomer aus und verhärtet sich, wodurch eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen den Kupplungshälften hergestellt wird. Im unbestromten Zustand des Elektromagneten ist zwischen dem magnetorheologischen Elastomer und der jeweiligen Kupplungshälfte ein Spalt vorgesehen, so dass kein Drehmoment zwischen den Kupplungshälften übertragen wird. Durch den Einsatz des magnetorheologischen Elastomers sind keine zusätzlichen Komponenten, wie beispielsweise Abdichtelemente, erforderlich. Weiterhin kann eine Entmischung der Partikel ausgeschlossen werden.

Alternativ ist das magnetorheologisches Kopplungselement ein magnetorheologisches Fluid. Die aus einem Fluid ausgeführten magnetorheologischen Kopplungselemente sind einfach herzustellen, wobei polarisierbare Partikel, beispielsweise ein Carbonyleisenpulver, in einer Trägerflüssigkeit fein verteilt sind.

Vorzugsweise weist das Getriebe eine erste Getriebestufe und eine zweite Getriebestufe auf, wobei in Kraftwirkung zwischen der ersten Getriebestufe und der zweiten Getriebestufe die magnetorheologische Kupplung angeordnet ist, wobei die erste Kupplungshälfte der ersten Getriebestufe und die zweite Kupplungshälfte der zweiten Getriebestufe zugeordnet sind. Durch die beiden Getriebestufen kann die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors gezielt auf eine vordefinierte Drehzahl und ein vordefiniertes Drehmoment der Stellwelle angepasst werden. Dadurch, dass die magnetorheologische Kupplung zwischen den beiden Getriebestufen angeordnet ist, kann die Kupplung einfach in das Getriebe integriert werden. Vorzugsweise sind ein Getriebeelement der ersten Getriebestufe und ein Getriebeelement der zweiten Getriebestufe relativ zueinander verdrehbar, wobei das Getriebeelement der ersten Getriebestufe die erste Kupplungshälfte aufweist und das Getriebeelement der zweiten Getriebestufe die zweite Kupplungshälfte aufweist. Das Getriebeelement der ersten Getriebestufe und das Getriebeelement der zweiten Getriebestufe sind vorzugsweise durch ein Doppelrad ausgeführt, wobei die beiden Getriebeelemente über die magnetorheologische Kupplung miteinander gekoppelt oder voneinander entkoppelt werden können. Dadurch kann die magnetorheologische Kupplung bauraumsparend in dem Getriebe angeordnet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Getriebe eine drehbar gelagerte Zwischenwelle auf, an welcher ein Getriebeelement der ersten Getriebestufe drehbar gelagert ist und ein Getriebeelement der zweiten Getriebestufe drehfest gelagert ist, wobei das Getriebeelement der ersten Getriebestufe die erste Kupplungshälfte aufweist und die Zwischenwelle die zweite Kupplungshälfte aufweist. Dadurch kann die Integration der magnetorheologischen Kupplung vereinfacht werden.

Vorzugsweise ist das Getriebe ein Zahnradgetriebe. Die Zahnradgetriebe weisen einen einfachen Aufbau auf und es können hohe Drehmomente zuverlässig übertragen werden. Weiterhin sind Zahnradgetriebe zuverlässig und wartungsarm.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Getriebe ein Schneckengetriebe. Bei Schneckengetrieben kann über eine einzige Stufe eine hohe Übersetzung bereitgestellt werden. Durch die magnetorheologische Kupplung in Kombination mit dem Schneckengetriebe kann bedarfsgerecht eine Selbsthemmung des Schneckengetriebes oder eine vollständige Entkopplung des Elektromotors von der Stellwelle bereitgestellt werden. Es wird eine Stellvorrichtung bereitgestellt, welche einen reduzierten Bauraum aufweist und kostengünstig ausgeführt ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Figur zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung.

Die Figur zeigt eine Stellvorrichtung 10, welche zur Verstellung einer Klappe oder eines Ventils dienen kann. Die Stellvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, welches einen Gehäusegrundkörper 14 und einen Gehäusedeckel 16 aufweist, wobei der Gehäusegrundkörper 14 und der Gehäusedeckel 16 im montierten Zustand einen abgedichteten Innenraum 18 begrenzen. Der Gehäusegrundkörper 14 weist eine Öffnung 20 auf, durch welche sich eine Stellwelle 22 erstreckt, wobei ein Spalt zwischen der Stellwelle 22 und einer Innenfläche der Öffnung 20 durch eine Dichtung 24 abgedichtet ist. Die Stellwelle 22 ist axial überwiegend in dem Gehäuse 12 angeordnet, wobei ein Axialendabschnitt 25 aus dem Gehäuse 12 herausragt. An dem Axialendabschnitt 25 der Stellwelle 22 ist eine in der Figur nicht gezeigte Klappe drehfest angeordnet. Die Stellwelle 22 ist von einer Rückstellfeder 23 radial umgeben, wobei die Rückstellfeder 23 mit einem ersten Schenkel am Gehäuse 12 und mit einem zweiten Schenkel an der Stellwelle 22 befestigt ist. Durch die Rückstellfeder 23 wird die Stellwelle 22 in einem inaktiven Zustand der Stellvorrichtung 10 in einer vordefinierten Stellung gehalten bzw. in die vordefinierte Stellung verstellt. Beispielsweise kann eine an der Stellwelle 22 angeordnete Klappe durch die Rückstellfeder 23 gegen einen Anschlag gedrückt werden.

Zur Verstellung der Stellwelle weist die Stellvorrichtung 10 einen Aktor 28 auf. Der Aktor 28 umfasst einen Elektromotor 30, welcher in dem Innenraum 18 angeordnet ist. Der Elektromotor 30 ist über ein Zahnradgetriebe 32 mit der Stellwelle 22 verbunden. Das Zahnradgetriebe 32 umfasst ein auf einer Motorwelle 34 angeordnetes antreibendes Getriebeelement 36, d.h. ein Antriebsritzel, welches ein als Abtrieb dienendes Getriebeelement 38 kämmt. Die beiden Getriebeelemente 36, 38 bilden gemeinsam eine erste Getriebestufe 40. Weiterhin umfasst das Zahnradgetriebe 32 eine zweite Getriebestufe 42, welche ein antreibendes Getriebeelement 44 und ein als Abtrieb dienendes Getriebeelement 46 aufweist. Das als Abtrieb dienende Getriebeelement 46 ist mit der Stellwelle 22 drehfest verbunden. Das antreibende Getriebeelement 44 ist an einer Zwischenwelle 48 drehfest gelagert, wobei die Zwischenwelle 48 über eine Lagebuchse 50 in einer an dem Gehäusegrundkörper 14 vorgesehenen Öffnung 52 drehbar gelagert ist. Die Lagerbüchse 50 umfasst außerdem endseitig einen Radialvorsprung 54, über welchen sich das antreibende Getriebeelement 44 und damit auch die Zwischenwelle 48 axial am Gehäuse 12 abstützen. An der Zwischenwelle 48 ist außerdem das als Abtrieb der ersten Getriebestufe 40 dienende Getriebeelement 38 drehbar gelagert.

Das Zahnradgetriebe 32 umfasst weiterhin eine magnetorheologische Kupplung 60, welche in Drehmomentübertragungsrichtung zwischen der ersten Getriebestufe 40 und der zweiten Getriebestufe 42 angeordnet ist. Die magnetorheologische Kupplung 60 umfasst eine erste Kupplungshälfte 62, welche an dem als Abtrieb dienenden Getriebeelement 38 der ersten Getriebestufe 40 vorgesehen ist. Hierfür weist das Getriebeelement 38 einen stufenartigen Abschnitt 66 auf. Außerdem umfasst die magnetorheologische Kupplung 60 eine zweite Kupplungshälfte 64, welche an der Zwischenwelle 48 vorgesehen ist, wobei die zweite Kupplungshälfte 64 durch die Außenfläche der sich durch das Getriebeelement 38 erstreckenden Zwischenwelle 48 gebildet wird. Die Außenfläche der Zwischenwelle 48 und eine Innenfläche des stufenartigen Abschnitts 66 des Getriebeelements 38 sind beabstandet voneinander angeordnet und begrenzen radial eine Kupplungskammer 68. Axial ist die Kupplungskammer 68 durch das Getriebeelement 38 und einen Radialvorsprung 70 des antreibenden Getriebeelements 44 begrenzt. In der Kupplungskammer 68 ist ein magnetorheologisches Kopplungselement 72 angeordnet. Das magnetorheologische Kopplungselement 72 ist ein magnetorheologischer Elastomer.

Des Weiteren umfasst die magnetorheologische Kupplung 60 einen Elektromagneten 74. Der Elektromagnet 74 weist ein topfförmiges Joch 76 auf. Das Joch 76 weist einen plattenartigen Abschnitt 77 und einen von dem plattenartigen Abschnitt 77 erstreckenden Ringvorsprung 79 auf, wobei das Joch 76 über den plattenartigen Abschnitt 77 an dem Getriebedeckel 16 befestigt ist. Innerhalb des Jochs 76 ist eine Spule 78 vorgesehen, welche an einem sich axial erstreckenden Spulenträger 80 befestigt ist. Der Spulenträger 80 weist eine Öffnung 82 auf, in welche die Zwischenwelle 48 eingreift und darin drehbar gelagert ist. Der Ringvorsprung 79 weist eine derartige Axialerstreckung auf, dass dieser das Getriebeelement 38, die Kupplungskammer 68 und das magnetorheologische Kopplungselement 72 radial umgibt.

Im unbestromten Zustand des Elektromotors 30 ist auch der Elektromagnet 74 unbestromt, so dass die magnetorheologische Kupplung 60 entkuppelt ist und keine Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor 30 und der Stellwelle 22 erfolgt. Dabei ist die Stellwelle 22 durch die Rückstellfeder 23 in eine vordefinierte Stellung verdreht.

Zur Verstellung der Stellwelle 22 werden der Elektromotor 30 und der Elektromagnet 74 bestromt. Der bestromte Elektromagnet 74 bewirkt ein Magnetfeld, welches sich durch das magnetorheologisches Kopplungselements 72 erstreckt und eine Ausdehnung sowie eine Verhärtung des magnetorheologischen Kopplungselements 72 bewirkt. Die Verhärtung und Ausdehnung führt dazu, dass das Kopplungselement 72 radial und axial an dem Getriebeelement 38 der ersten Getriebestufe 40 und der Zwischenwelle 48 und dem Getriebeelement 44 der zweiten Getriebestufe 42 anliegt, wodurch eine Drehmomentübertragung zwischen den beiden Getriebestufen 40, 42 stattfindet. Beim Abschalten der Stellvorrichtung 10, beispielsweise bei einem Fehlerfall des Elektromotors 30, wird die Stellwelle 22 durch die Rückstellfeder 23 in die vordefinierte Stellung zurückverstellt, wobei die magnetorheologische Kupplung 60 ausgekuppelt ist und damit der Elektromotor 30 nicht mitverdreht werden muss.

Damit wird eine Stellvorrichtung 10 geschaffen, welche mit einer kleineren und kostengünstigeren Rückstellfeder 23 und einem kleineren und kostengünstigeren Elektromotor 30 ausgestattet werden kann, da aufgrund der magnetorheologischen Kupplung 60 die Rückstellfeder 23 im Rückstellvorgang nicht erst das durch den Elektromotor 30 erzeugte Widerstandsmoment überwinden muss und im Umkehrschluss der Elektromotor 30 durch die kleinere Rückstellfeder 23 im Verstellvorgang der Stellwelle 22 eine geringere Rückstellkraft der Rückstellfeder 23 überwinden muss.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereiches des Hauptanspruchs möglich sind. Es könnten beispielsweise das Getriebe 32 oder das Gehäuse 12 anders ausgeführt sein.