Automobilhersteller unternehmen heutzutage große technische Anstrengungen, um CO2-Ausstoß und Kraftstoffverbrauch zu senken. Eine innovative Technologie mit bereits vielversprechenden Erfolgen im Aerodynamikbereich sind Kühlluft-Klappensysteme mit Aktuatoren. Damit lässt sich der Luftwiderstand am Kühlergrill bedarfsgerecht optimieren und so der Cw-Wert des Fahrzeugs verbessern. Das Ergebnis ist eine Reduktion der CO2-Emissionen von bis zu 4 g/km bei einer Kraftstoffeinsparung von 0,2 l je 100 km.
Der Autor Tobias Taufer ist Entwicklungsleiter bei der Sonceboz Automotive SA, CH-Sonceboz
Im Grunde funktioniert das System wie eine Jalousie vor dem Motorraum: Ein Kunststoffrahmen mit verstellbaren Lamellen wird dabei zwischen Kühlergrill und Kühler eingebaut. Ein Aktuator stellt bei Bedarf die Lamellen ein und regelt somit den Lufteinlass im Motorraum. Diese sogenannten aktiven Kühlluft-Klappen vermindern durch die Minimierung des Strömungswiderstandskoeffizienten (CW-Wert) gleichzeitig CO2-Ausstoß und Kraftstoffverbrauch: Sind die Lamellen geschlossen, fließt der Luftstrom um das Fahrzeug herum, wodurch sich dessen Strömungseigenschaften verbessern. Die Strömung in den Motorraum ist erheblich geringer und somit auch die Reibung und der Luftwiderstand.
Sind die Klappen geschlossen, erwärmt sich der Motor abhängig von dessen Belastung. Deshalb bestimmt die Zentralsteuerung des Pkw ab einer vorbestimmten Temperatur: „Klappen öffnen“. Der Aktuator öffnet dann die Lamellen und durch die Luftzufuhr kühlt der Motor wieder geeignet ab. Ein großer Vorteil dieses Systems von Sonceboz sind dabei die programmierbaren Zwischenpositionen, die der Aktuator zur Positionierung der Klappen bietet. So werden die Klappen nicht immer komplett geöffnet oder geschlossen, sondern je nach Kühlungsanforderung variabel eingestellt. Das ermöglicht eine bedarfsgerechte Regelung, stets optimal für die reale Lastsituation des Motors.
Klein und leistungsfähig
Die Problematik bei der Verwirklichung dieses Systems war das geringe Platzangebot in den meisten Fahrzeugen. Das Motordesign sollte sich möglichst nicht verändern oder große Umbauten erfordern, so die Vorgabe der Automobilhersteller. Auch sämtliche Anforderungen hinsichtlich Robustheit, Temperaturbeständigkeit, Winkelauflösung und Kommunikation mit der Fahrzeugsteuerung galt es zu erfüllen. Deshalb entwickelten die Antriebsspezialisten aus der Schweiz einen smarten Aktuator, der sehr klein und leicht baut, sich so problemlos in den Motorraum einfügt und dennoch enorm leistungsfähig ist.
Der Aktuator ist mit 23 mm sehr flach und lässt sich je nach Anforderung seitlich oder mittig in die Kühlluft-Klappen integrieren. Er wiegt zudem nur 63 g, was wiederum der CO2-Ersparnis zugute kommt. Weiterhin eröffnet er ein optimiertes Thermomanagement, was ebenfalls zu einer verbesserten Verbrauchsbilanz beiträgt. Hierdurch wird insbesondere im Winter eine deutlich schnellere Erwärmung des Einspritzmotors in den optimalen Betriebsbereich erreicht.
Der „Smart-Aktuator 6466“ ist durch einen 3-Phasen-Schrittmotor der ideale Antrieb, um die Kühlluft-Klappen zu steuern. Er basiert auf einem Rotor und Stator der patentierten MM41-Technologie von Sonceboz. Seine im Gehäuse integrierte leistungsfähige Elektronikregelung sorgt in allen Betriebsbedingungen für das nötige Drehmoment bei gleichzeitig geringer Stromaufnahme. Der Schrittmotor besteht aus einem umspritzten 2-Komponenten-Rotor und einem Stator, dessen Spulen separat gewickelt und anschließend eingesetzt werden. Dadurch baut er sehr klein und ermöglicht effiziente Herstellprozesse, was sich günstig auf das Preis-Leistungs-Verhältnis auswirkt.
Der Rotor des 6466 ist dauerhaft magnetisch polarisiert und die Statorgeometrie ist so konzipiert, dass sie Schwingungen reduziert und so gegenüber anderen Systemen leistungsfähiger und leiser ist. Das Getriebe besteht aus vier Stirnradstufen aus leistungsfähigen Kunststoffen, um die hohe Rotordrehzahl an die Drehzahl der Klappen anzupassen und gleichzeitig das nötige Drehmoment für das System sicherzustellen.
Intelligente Elektronik
Gesteuert wird der Aktuator über dessen integrierte Elektronik. Diese vom Hersteller entwickelte Leiterplatten- und Asic-Kombination ist flexibel an verschiedenste applikationsspezifische Vorgaben und alle gängigen Kfz-Kommunikationsprotokolle anpassbar. Dabei vereint der Dualcore-Asic (ApplicationSpecific Integrated Circuit) die erforderlichen frei programmierbaren Softwarefunktionen mit einem analogen und einem digitalen Teil und ist dadurch besonders vielseitig anwendbar.
Aus dieser Entwicklung ergibt sich ein weiterer Vorteil: eine patentierte sensorlose Anschlagerkennung. Hier hat Sonceboz einen innovativen Software-Algorithmus entworfen, der kontinuierlich die Bewegung erfasst und Anschläge sicher und unverzüglich erkennt. So wird es möglich, die Leistungsaufnahme zu reduzieren und das abgegebene Drehmoment zu begrenzen. Bei der Lamellenentwicklung können somit Bauraum und Gewicht optimal angepasst werden. Der Stromverbrauch bei einem Haltemoment von 1 Nm liegt hier bei nur 50 mA. Bei vergleichbaren DC-Motoren erreicht er über 1 A.
Der 6466 nutzt weiterhin einen EEPROM-Speicher (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), um Parameter zu speichern, die der On-Board-Diagnostik für die Positionsbestimmung und Rückmeldungen über Temperatur, Strecke sowie Spannungsänderungen dienen. Die Informationen leitet der Aktuator über den LIN-Bus an die Zentralelektronik weiter. So wird es möglich, unterschiedliche Varianten wie Winkel, Zwischenpositionen und verschiedene Start- und Diagnosestrategien zu realisieren. Beispielsweise betätigt der Aktuator auf Anforderung (etwa beim Fahrzeugstart) die Kühlluftklappen, um zu prüfen, ob der geforderte Gesamtwinkel erreicht ist oder ob sich Abweichungen im Klappensystem zeigen.
Robust und widerstandsfähig
Sein Gehäuse in der Schutzart IP6k7k macht den Antrieb widerstandsfähig gegen äußere Einflüsse. Er übersteht mühelos Temperaturen von -40 bis +120 °C und ist bestens gegen Wasser, Schmutz und Vibrationen geschützt. Selbst bei einer Hochdruckwäsche hält der Aktuator im System einem direkten Strahl stand. Er ist außerdem gegen die im Kühlerumfeld eingesetzten Medien beständig. Durch die spezielle bürstenlose Motortechnologie und die komplette Kapselung ist er mit nur 35 dB(A) äußerst geräuscharm und für den Anwender im Fahrzeug praktisch unhörbar.
Sonceboz, Innovator und Pionier auf diesem Gebiet, produziert diesen intelligenten Stellmotor für aktive Kühlluft-Klappen in Großserie. Durch den Einsatz in verschiedensten Fahrzeugen ist das Produkt bereits vielfach erfolgreich validiert. Ein vom Hersteller entwickeltes vollautomatisches Montagekonzept erlaubt es, jeden einzelnen Prozessschritt effizient abzusichern.
Sonceboz;
Telefon: +41 32 488 14 68; E-Mail: fabien.noir@sonceboz.com
Teilen:
