DE102006045231A1

DE102006045231A1 - Elektrische Antriebseinheit mit Vorrichtung zur Positionseinhaltung einer Welle

Info

Publication number: DE102006045231A1
Application number: DE200610045231
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. Grau; Harald Hochmuth; Robby Dipl.-Ing. Lipfert (TU)
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008037569A1

Abstract

Eine elektrische Antriebseinheit, in die eine Vorrichtung zur Positionseinhaltung einer Welle integriert ist, umfasst einen Rotor (4), einen Stator (6) und ein Gehäuse (7) aufweisenden Elektromotor (2), eine mit dem Rotor (4) verbundene Welle (5) sowie eine auf die Welle (5) wirkende Positionshaltevorrichtung (3), welche als schaltbarer, doppelt wirkender, in das Gehäuse (7) integrierter Klemmrollenfreilauf ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einer Vorrichtung zur Positionseinhaltung einer drehbar gelagerten Welle.
Hintergrund der Erfindung
Eine gattungsgemäße Antriebseinheit ist beispielsweise aus der DE 103 44 211 A1 bekannt. Hierbei wird zur Positionseinhaltung einer Welle, nämlich einer Ankerwelle eines Elektromotors, ein um die Welle angeordneter Umschlingungskörper verwendet. Zur Ausbildung eines Reibschlusses zwischen dem Umschlingungskörper und der Welle ist ein aktiv betätigbares Stellglied, beispielsweise ein elektrisch betätigbarer Hubmagnet, vorgesehen. Um die zum Blockieren der Welle aufzuwendende Haltekraft zu reduzieren, kann die Welle oder der Umschlingungskörper mit einem Werkstoff mit hohem Reibwert, insbe sondere mit einer gummiartigen Ummantelung, überzogen sein. Die Ummantelung ist prinzipbedingt einem Verschleiß ausgesetzt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Antriebseinheit anzugeben, welche eine Vorrichtung zur Positionseinhaltung einer Welle umfasst und sich sowohl durch kompakten Aufbau als auch durch einen besonders geringen Verschleiß auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Antriebseinheit umfasst sowohl einen Elektromotor mit einem Gehäuse, einem Stator, einem Rotor und einer mit dem Rotor verbundenen Welle, als auch eine auf die Welle wirkende Positionshaltevorrichtung, d.h. eine Vorrichtung, mit der die Welle wahlweise blockiert oder freigegeben werden kann. Als Positionshaltevorrichtung ist ein schaltbarer, doppelt wirkender, d.h. in beide Drehrichtungen wirkender, in das Gehäuse des Elektromotors integrierter Klemmrollenfreilauf vorgesehen. Dadurch, dass die Achse des Klemmrollenfreilaufs mit der Achse des Elektromotors übereinstimmt und die Klemmrollen des Freilaufs direkt mit der Welle des Elektromotors zusammenwirken, ist ein besonders kompakter Aufbau der gesamten Antriebseinheit einschließlich der Positionshaltevorrichtung realisierbar.
Die Positionshaltevorrichtung ist vorzugsweise magnetisch schaltbar, wobei zu deren Betätigung ein Hubmagnet vorgesehen ist, der integraler Bestandteil des Stators des Elektromotors ist. Im Sinne einer bei Ausfall sicheren Funktion ist die Positionshaltevorrichtung bevorzugt derart ausgebildet, dass sie im stromlo sen Zustand blockierend ist, d.h. die Welle des Elektromotors bei Ausfall dessen Stromversorgung selbsttätig festgehalten wird. Alternativ kann die Positionshaltevorrichtung auch derart ausgelegt sein, dass die Rotation der Welle im stromlosen Zustand freigegeben ist.
In einer besonders rationell herstellbaren und zugleich mechanisch stabilen Ausführungsform ist die Außenklemmbahn des Klemmrollenfreilaufs einstückig mit einer Stirnwand des Gehäuses ausgebildet. Zusätzlich ist das das Gehäuse stirnseitig abschließende sowie eine Außenklemmbahn für die Klemmrollen bereitstellende Bauteil geeignet, eine Außenlaufbahn eines Wälzlagers, insbesondere Kugellagers, des Elektromotors zu bilden. Die Klemmrollen der Positionshaltevorrichtung sind hierbei axial zwischen dem Rotor des Elektromotors und dem die Welle des Elektromotors lagernden Wälzlager angeordnet.
In bevorzugter Ausgestaltung weist der Klemmkörperfreilauf einen eine Anzahl Klemmrollen führenden Klemmkäfig auf, welcher in freigegebener Stellung der Positionshaltevorrichtung, d.h. bei nicht blockierter Welle, mit der Welle rotiert und in blockierter Stellung der Positionshaltevorrichtung relativ zum Gehäuse fixiert ist. Mit den Klemmrollen zusammenwirkende Doppelklemmrampen sind vorzugsweise an der Oberfläche der Welle ausgebildet. In freigegebener Stellung der Positionshaltevorrichtung befinden sich die Klemmrollen jeweils mittig in einer Doppelklemmrampe, mit kleinstmöglichem Abstand zur Rotationsachse des Elektromotors. Um die Klemmrollen zuverlässig in dieser Lage zu halten, solange die Positionshaltevorrichtung freigegeben ist, sind die Klemmrollen mit Federkraft beaufschlagbar, vorzugsweise in Form einer um den Käfig gelegten Ringfeder. In Platz sparender, die Funktion des Klemmrollenfreilaufs nicht beeinträchtigender Weise ist die Ringfeder in Ringnuten eingelegt, welche sich an der Oberfläche der einzelnen Klemmrollen befinden. Die Federkraft der Ringfeder ist ausreichend, um ein Abheben der Klemmrollen von der Welle bei allen auftretenden Drehzahlen zu verhindern. Somit ist in Freilaufstellung der Positi onshaltevorrichtung stets ein praktisch reibungsfreier Betrieb des Klemmrollenfreilaufs gegeben.
Um den Klemmkäfig zu blockieren, d.h. die Positionshaltevorrichtung von der Freilaufposition in die die Welle blockierende Halteposition zu überführen, ist vorzugsweise eine die Welle ringförmig umgebende, axial verschiebliche Ankerplatte vorgesehen. Diese wirkt bevorzugt formschlüssig, insbesondere mittels einer Verzahnung, mit dem Klemmkäfig zusammen. Um die Ankerplatte im stromlosen Zustand in einer definierten Position, insbesondere der blockierenden Position, zu halten, ist zwischen die Ankerplatte und ein nicht rotierendes Teil des Elektromotors eine Feder gespannt, welche in raumsparender Weise bevorzugt als koaxial zur Welle angeordnete Schraubenfeder ausgebildet ist. Die Ankerplatte ist vorzugsweise durch Bestromung des Stators des Elektromotors axial verschiebbar.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Ansicht eine elektrische Antriebseinheit mit einer Vorrichtung zur Positionseinhaltung einer Welle,
2 die Positionshaltevorrichtung der Antriebseinheit nach 1, und
3 die Positionshaltevorrichtung nach 2 in einer Explosionsdarstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Eine in 1 dargestellte elektrische Antriebseinheit 1 setzt sich im Wesentlichen zusammen aus einem Elektromotor 2 und einer Positionshaltevorrichtung 3, welche dazu geeignet ist, eine mit einem Rotor 4 des Elektromotors 2 starr verbundene Welle 5 wahlweise zu blockieren oder freizugeben. Die Positionshaltevorrichtung 3 ist als schaltbarer, doppelt wirkender Klemmrollenfreilauf ausgebildet und befindet sich ebenso wie der Rotor 4 und ein mit diesem zusammenwirkender Stator 6 in einem Gehäuse 7 des Elektromotors 2. Das Gehäuse 7 setzt sich zusammen aus einem im Wesentlichen zylindrischen Mantelteil 8 sowie zwei Stirnteilen 9, 10, welche am Mantelteil 8 beispielsweise verschraubt sind. Der Rotor 4 sowie die Welle 5 sind mittels zweier Wälzlager 11, 12, nämlich Kugellager, im Gehäuse 7 gelagert. Die einzelnen Kugeln 13 des Wälzlagers 12 kontaktieren einerseits die Welle 5 und andererseits das Stirnteil 10, welches das Gehäuse 7 auf der Seite der Positionshaltevorrichtung 3 abschließt.
An das Stirnteil 10 ist, wie insbesondere aus den 2 und 3 hervorgeht, ein nach innen, d.h. zum Rotor 4 hin, weisender ringförmiger Absatz 14 einstückig angeformt. Dieser Absatz 14 bildet eine Außenklemmbahn 15 für Klemmrollen 16 des Klemmrollenfreilaufs 3. Die Klemmrollen 16 sind in einem Klemmkäfig 17 geführt und von einer als Ringfeder ausgebildeten Feder 18 umgeben, die in jeweils einer Umfangsnut 19 der einzelnen Klemmrollen 16 einliegt. Die Ringfeder 18 belastet die Klemmrollen 16 mit einer Kraft radial nach innen, wobei sich jede Klemmrolle 16 mittig in einer an der Oberfläche der Welle 5 gebildeten Doppelklemmrampe 20 befindet. Somit dient die Feder 18 dazu, nicht nur die einzelnen Klemmrollen 16, sondern auch den gesamten Klemmkäfig 17 in Freilaufstellung zu halten. Alternativ kann auch in nicht dargestellter Weise mindestens eine separate Feder vorgesehen sein, um den Klemmkäfig 17 in Ruhe- oder Freilaufposition zu halten. In jedem Fall rotiert bei freigegebener Positionshaltevorrichtung 3 der Klemmkäfig 17 mit der Welle 5, wobei die Klemmrollen 16 die Außenklemmbahn 15 nicht kontaktieren.
Um die Positionshaltevorrichtung 3 freizugeben, d.h. eine Rotation der Welle 5 zu ermöglichen, muss eine die Welle 5 ringförmig umgebende Ankerplatte 21 von dem Stirnteil 10 abgehoben werden. Die Ankerplatte 21 weist einen äußeren, in der Anordnung nach 2 an dem Stirnteil 10 anliegenden Radialbereich 22, einen dem Absatz 14 benachbarten, zu diesem parallel verlaufenden Axialbereich 23, sowie einen inneren Radialbereich 24 auf, der den Klemmrollen 16 axial benachbart ist. Im inneren Radialbereich 24 ist eine Verzahnung 25 ausgebildet, welche zur formschlüssigen Zusammenwirkung mit einer Verzahnung 26 des Klemmkäfigs 17 vorgesehen ist. Hierbei hat der Klemmkäfig 17 relativ zur Ankerplatte 21 ein definiertes Spiel in Umfangsrichtung. Die Ankerplatte 21 ist durch eine in 2 nicht erkennbare Führung gegen Verdrehung gesichert. Befindet sich die Ankerplatte 21 in der in 2 dargestellten, am Stirnteil 10 anliegenden Position, so wird bei einer Verdrehung der Welle 5 der Klemmkäfig 17 zunächst so lange mit dieser mitgedreht, bis die Verzahnung 26 des Klemmkäfigs 17 an der Verzahnung 25 der Ankerplatte 21 anschlägt. Bei der weiteren Verdrehung der Welle 5 verlassen die Klemmrollen 16 die Mittelposition der Doppelklemmrampen 20, so dass die Klemmrollen 16 radial nach außen in Richtung zur Außenklemmbahn 15 verlagert werden, bis schließlich die erwünschte Klemmwirkung eintritt und damit die Welle 5 relativ zum Gehäuse 7 blockiert wird. Im Gegensatz zu einer unmittelbar formschlüssigen Blockierung, beispielsweise mittels eines in eine Kontur einer Welle eingreifenden Blockierelementes, wird somit die Welle 5 durch den Klemmrollenfreilauf 3 zwar innerhalb eines geringen Winkelbereiches, aber dennoch nicht abrupt gestoppt. Übermäßige Belastungen oder Beschädigungen der Positionshaltevorrichtung 3 werden somit vermieden.
Die Ankerplatte 21 wird mittels einer die Welle 5 koaxial umgebenden Schraubenfeder 27 permanent mit einer Kraft in Richtung zur in 2 dargestellten Blockierposition belastet. Die in Axialrichtung verschiebliche Ankerplatte 21 bildet zusammen mit dem Stator 6 einen elektromagnetischen Aktuator, wobei der Stator 6 als Hubmagnet 28 wirkt. Sobald der Stator 6 bestromt wird, wird die Ankerplatte 21 gegen die Kraft der Schraubenfeder 27 in Richtung zum Stator 6 gezogen, wobei die Positionshaltevorrichtung 3 freigegeben wird. Bei Stromausfall kehrt die Ankerplatte 21 selbsttätig in die in 2 dargestellte Blockierposition zurück.

1: Elektrische Antriebseinheit
2: Elektromotor
3: Positionshaltevorrichtung, Klemmrollenfreilauf
4: Rotor
5: Welle
6: Stator
7: Gehäuse
8: Mantelteil
9: Stirnteil
10: Stirnteil
11: Wälzlager
12: Wälzlager
13: Kugel
14: Absatz
15: Außenklemmbahn
16: Klemmrolle
17: Klemmkäfig
18: Feder
19: Umfangsnut
20: Doppelklemmrampe
21: Ankerplatte
22: äußerer Radialbereich
23: Axialbereich
24: innerer Radialbereich
25: Verzahnung
26: Verzahnung
27: Schraubenfeder
28: Hubmagnet

Claims

Elektrische Antriebseinheit mit Vorrichtung zur Positionseinhaltung einer Welle, mit einem einen Rotor (4), einen Stator (6) und ein Gehäuse (7) aufweisenden Elektromotor (2), einer mit dem Rotor (4) verbundenen Welle (5), sowie einer auf die Welle (5) wirkenden Positionshaltevorrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Positionshaltevorrichtung (3) als schaltbarer, doppelt wirkender, in das Gehäuse (7) integrierter Klemmrollenfreilauf ausgebildet ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionshaltevorrichtung (3) magnetisch schaltbar ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung der Positionshaltevorrichtung (3) ein Hubmagnet (28) vorgesehen ist, welcher integraler Bestandteil des Stators (6) des Elektromotors (2) ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionshaltevorrichtung (3) im stromlosen Zustand blockierend ausgebildet ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionshaltevorrichtung (3) im bestromten Zustand blockierend ausgebildet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenklemmbahn (15) des Klemmrollenfreilaufs (3) einstückig mit einem Stirnteil (10) des Gehäuses (7) ausgebildet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionshaltevorrichtung (3) axial zwischen zwei Lagern (11, 12), insbesondere Wälzlagern, des Elektromotors (2) angeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmrollenfreilauf (3) einen eine Anzahl Klemmrollen (16) führenden Klemmkäfig (17) aufweist, welcher in freigegebener Stellung der Positionshaltevorrichtung (3) mit der Welle (5) rotiert und in blockierter Stellung der Positionshaltevorrichtung (3) relativ zum Gehäuse (7) fixiert ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Blockierung des Klemmkäfigs (17) eine die Welle (5) ringförmig umgebende, axial verschiebliche Ankerplatte (21) vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerplatte (21) formschlüssig, insbesondere mittels einer Verzahnung (25), mit dem Klemmkäfig (17) zusammenwirkt.
Antriebseinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerplatte (21) durch eine koaxial zur Welle (5) angeordnete Schraubenfeder (27) mit einer Kraft belastet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch eine die Klemmrollen (16) in freigegebener Stellung der Positionshaltevorrichtung (3) in nicht blockierender Lage haltende Feder (18).
Antriebseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (18) als um den Klemmkäfig (17) gelegte Ringfeder ausgebildet ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmrollen (16) jeweils eine zur Aufnahme der Ringfeder (18) vorgesehene Umfangsnut (19) aufweisen.