DE102008007536A1

DE102008007536A1 - Linearantrieb mit hoch übersetztem einstufigen Freischaltgetriebe und der Integrationsmöglichkeit für einen Energiespeicher und eine hydraulische Bremse

Info

Publication number: DE102008007536A1
Application number: DE102008007536A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Koelbl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2009-08-13
Also published as: WO2009098026A1; CN102084079A; US20110197690A1; EP2250336A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Heckklappe eines Fahrzeuges möglichst effizient und wirtschaftlich motorisch anzutreiben. Heute üblich ist hierfür ein Hydraulikzylinder mit einer sehr hohen Energiedichte oder ein elektromechanischer Spindelantrieb, überlicherweise ausgestattet mit einem Planetengetriebe. Die Erfindung ist ein Linearantrieb (9.1) in Fig. 9 mit hoch übersetztem einstufigem Freischaltgetriebe und der Integrationsmöglichkeit für einen Energiespeicher z. B. eine Spiralfeder oder eine Gasdruckfeder und der integrationsmöglichkeit für eine hydraulische Bremse. Insbesondere geeignet für den Antrieb eines Deckels (9.5) oder Klappen/Türen/Verdecken/beweglichen Hardtops oder anderen beweglichen Komponenten an Fahrzeugen, anderen mobilen Systemen oder an immobilen Einrichtungen. Gelagert einerseits an der Karosserie (9.2) oder der Immobilie und andererseits an dem Deckel (9.3) bzw. dem beweglichen Element, welches wiederum drehbar mit einem Scharnier (9.4) an der Karosserie bzw. der Immobilie angebunden ist.

Description

Aufgabenstellung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Heckklappe eines Fahrzeuges möglichst effizient und wirtschaftlich motorisch anzutreiben. Heute üblich ist hierfür ein Hydraulikzylinder mit einer sehr hohen Energiedichte oder ein elektromechanischer Spindelantrieb, üblicherweise ausgestattet mit einem Planetengetriebe.
An Antriebe in diesem Einsatzgebiet werden ganz bestimmte Anforderungen gestellt:

1. Der Antrieb muss auf kleinem Bauraum realisierbar sein, sowohl Durchmesser wie Baulänge
2. Er muss linear große Kräfte übertragen können (vergleichbar einem Hydraulik-Zylinder)
3. Der Antrieb muss sehr leise sein
4. Die lineare Bewegung muss auch manuell ohne großen Kraftaufwand möglich sein
5. Die potentielle Energie der Heckklappe muss im Antrieb zwischengespeichert werden können
6. Hat der Antrieb an beliebiger Stelle angehalten, so muss die Heckklappe an dieser Position stehen bleiben
7. Der Ein- und Ausbau ins Fahrzeug muss mit geringem Aufwand realisierbar sein
8. Temperaturschwankungen sollen möglichst keinen Einfluss auf das Verhalten des Antriebes haben

Je nach OEM werden noch weitere Anforderungen an den Antrieb gestellt. Alle Anforderungen können von keinem der heute in Serie hergestellten Antriebssysteme erfüllt werden.
Lösung der Aufgabe:
Erfindungsgemäß können alle vorher beschriebenen Anforderungen an einen solchen Linearantrieb mit dem in den nachfolgenden Bildern dargestellten Antriebssystem erfüllt werden.
Der E-Motor bringt die für die Bewegung der Heckklappe erforderliche Energie auf. Der Elektromotor muss ein Hohlwellenmotor sein, dies kann ein DC-Motor oder ein elektrokommutierter Motor (EC) sein. Zu bevorzugen ist ein EC-Motor, da sie dauerfester sind, einen günstigeren Drehmomentenverlauf ermöglichen und aufgrund des fehlenden Kollektors eine geringere Geräuschentwicklung haben.
Das Getriebe wandelt das vom E-Motor eingeleitete Moment in einer einzigen Getriebestufe in die geforderte Linearbewegung um. Die Abwälzbewegung des Innenringes und die relativ langsame Drehzahl verursachen geringe Reibung und geringe Geräusche, was bei dem einstufigen Getriebe einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet.
Durch hintereinander schalten von Getriebestufen kann die übertragbare Linearkraft variiert werden.
Das Getriebe ermöglicht weiter das individuelle Zuschalten bzw. Entkoppeln des rotierenden Getriebes von der Linearbewegung.
Die Spiralfeder dient dazu, die potentielle Energie der Heckklappe durch Federspannkraft zwischen zu speichern.
Statt Spiralfeder kann im Innern der Spindel auch eine Gasdruckfeder wirken, die die potentielle Energie als Druck zwischenspeichert.
Bei guter Auslegung der Feder kann die Heckklappe in jeder Position annähernd im Gleichgewicht gehalten werden. Zum Bewegen der Heckklappe muss vom E-Motor nur die Differenzkraft zwischen Heckklappe und Feder sowie Beschleunigungskräfte aufgebracht werden.
Wird das Getriebe entkoppelt, so wird mit der voreingestellten Kraft der hydraulischen Bremse der Linearantrieb an der jeweiligen Position festgehalten. Wird diese überwunden, so kann der Linearantrieb manuell frei bewegt werden.
In der beschriebenen Bauform benötigt der Antrieb nur einen elektrischen Anschluss und kann über die Anlenkungspunkte wie eine übliche Gasdruckfeder eingebaut bzw. ausgetauscht werden.
Bei Verwendung einer Spiralfeder ist der Linearantrieb gegen Temperatureinflüsse quasi unempfindlich und bringt über einen breiten Temperaturbereich die annähernd gleiche Leistung.
Vorteil des Linearantriebes:
Der Vorteil des Linearantriebes liegt einerseits darin, dass das Getriebe selbst schaltbar und somit von der Spindel trennbar ist. Ein zusätzliches System wird hierzu nicht benötigt, Die Spindel wird vollkommen freigegeben. Die gewollte manuelle Betätigung kann frei gestaltet werden.
Weiter kann die Axialkraft durch die Anzahl der Getriebestufen variiert werden.
Die Anordnung der Treibringlager um die Feingewindespindel ermöglicht ein sehr kompaktes Getriebe und somit eine hohe einstufige Übersetzung bei großer Kraftübertragung auf geringstem Bauraum.
Durch den hohen Wirkungsgrad des Getriebes kann weiterhin der E-Motor relativ klein ausgelegt und somit ein kleiner Bauraum realisiert werden.
Durch geringe Reibung im Getriebe benötigt die Spindel zum Gehäuse keinen Verdrehschutz.
Durch die Anordnung von Getriebe und E-Motor außen um die Spindel können in ihrem Innenbereich weitere Funktionen wie die Haltefunktion einer hydraulischen Bremse oder eine Gasdruckfeder integriert werden.
Die durch das Getriebe vorgegebene Drehzahl für den E-Motors fällt in einen angenehmen sonorigen Bereich. Im Getriebe werden bedingt durch den Aufbau nur geringe Geräusche verursacht.
Die axial zu übertragende Kraft ist von der Anzahl der eingesetzten Treibringlager (1.2) abhängig, die direkt am Feingewinde angreifen. Entgegen einem Hydraulikzylinder, der von der Größe seines Kolbens an der Kolbenstange abhängig ist, welcher immer vom Hydraulikzylinder umschlossen sein muss, kann die Feingewindespindel (1.1) über seine ganze Länge, die nicht durch anderweitig erforderliche Bauteile begrenzt ist, den selben Durchmesser besitzen. Dies führt bei hoher Kraftdichte des Linearantriebes zu einem Bauraumvorteil. Die Antriebseinheit (4.14 und 4.15) mit dem großen Außendurchmesser muss somit nicht über die halbe Zylinderlänge gehen, sondern ist durch die erforderliche Axialkraft definiert. Die Länge des Zylinders kann bis zur Knicklänge reichen.
Gesamthaft kann der Linearantrieb als hoch integriertes System auf kleinstem Bauraum ausgelegt werden und vereint die Vorteile der heute üblicherweise im Einsatz befindlichen hydraulischen und elektromechanischen Linearantriebe.
Detaillierte Funktionsbeschreibung:
Die Umsetzung der Drehbewegung eines Elektro-Motors in die gewünschte lineare Bewegung erfolgt über das nachfolgend beschriebene Getriebe entsprechend 1. Bei dem Getriebe handelt es sich um ein einstufiges schaltbares Getriebe mit fester Übersetzung.
Das Schalten des Getriebes erfolgt über das Betätigen der Einrastvorrichtung (1.3), hier beispielhaft dargestellt durch eine Hebelvorrichtung. Beim Betätigen der Einrastvorrichtung (1.3) wird das Treibringlager (1.2) in eine exzentrische Position zur Feingewinde spindel (1.1) gebracht. Die im Schnitt von 2 gut sichtbaren Radialrillen (2.4) des Treibringes (2.1) rasten dabei in das Gewinde der Feingewindespindel (1.1) ein und bilden dazu einen Formschluss mit sichelförmiger in 3 dargestellter Gewindeüberdeckung (3.1). Das Treibringlager (1.2) muss entsprechend der Gewindesteigung im selben Winkel schräg zur Feingewindespindel (1.1) ausgerichtet sein.
Das Treibringlager (1.2) wird durch die Axiallager (2.5) in Wirkrichtung fixiert. Wird nun das Axiallager (2.5) rotatorisch angetrieben, so wird der axial fixierte Treibringlager-Außenring (2.3) mitgenommen und es walzen die Lagerkugeln (2.2) im Treibring (2.1) ab. Der Treibring (2.1) greift über die Radialrillen (2.4) in das Gewinde der Feingewindespindel (1.1) ein. Über das Abwalzen der Lagerkugeln (2.2) wird der Treibring (2.1) umlaufend in die Feingewindespindel (1.1) gedrückt und schraubt sich auf diese Art die Spindel entlang. Auf diese Art stellt sich je Umdrehung ein linearer Versatz des Treibringlagers (1.2) relativ zur Feingewindespindel (1.1) in Höhe der Gewindesteigung zueinander ein. Mit der Gewindesteigung wird somit das Übersetzungsverhältnis festgelegt. Über die sichelförmige Gewindeüberdeckung (3.1) wird die Axialkraft übertragen.
Durch die Verwendung von Feingewinde erfolgt die gesamte Kraftübertragung über die Gewindeflanken (2.6) und Radialrillen (2.4) im äußeren Bereich der Feingewindespindel (1.1). Die erforderliche Axialkraft kann über eine zu definierende Wandstärke aufgebracht werden. Erfolgt die Übertragung der Axialkraft über die so festgelegte Wandstärke, dann wird der Materialkern der Feingewindespindel (1.1) nicht benötigt. Diese kann somit als Feingewindespindelrohr (2.7), also hohl ausgeführt und der Innenbereich für weitere Funktionen z. B. als Gasdruckfeder (6.8) oder als hydraulische Bremse (4.19) genutzt werden.
Bei einer Entlastung der Einrückvorrichtung (1.3) wird das Treibringlager (1.2) durch die Ausrückvorrichtung (1.4), hier beispielhaft dargestellt durch eine Feder, wieder in die Mittenposition zentrisch zu der Feingewindespindel (1.1) ausgerichtet. Der Eingriff der Radialrillen (2.4) in der Feingewindespindel (1.1) wird gelöst und somit ist die Feingewindespindel (1.1) ohne Formschluss bzw. Widerstand frei axial verschiebbar.
Die Axialkraft wird über die sichelförmige Gewindeüberdeckung (3.1) zwischen Feingewindespindel (1.1) und Radialrillen (2.4) übertragen. Die Höhe der axial übertragbaren Kraft ist durch die Anzahl der Treibringlager (1.2) variabel einstellbar bzw. konstruktiv gestaltbar.
Über die entweder außen am Zylinderrohr (6.7) oder innen in der Feingewindespindel (2.7) integrierte Gasdruckfeder (4.18) bzw. (6.8) kann ein gewünschter Gewichtsausgleich, z. B. erforderlich für eine Fahrzeugheckklappe, geschaffen werden. Wird beim Linearantrieb die Ausrückvorrichtung (1.4) betätigt, so kann dieser trotz frei geschaltetem Getriebe (1) die Heckklappe annähernd im Gleichgewicht halten.
Die differierende Kraft wird über die hydraulische Bremse (4.19) aufgebracht und mit der vordefinierten Bremskraft wird die Heckklappe in seiner Position festgehalten. Nach Überschreiten der eingestellten Bremskraft kann der Antrieb zerstörungsfrei stufenlos von Hand bewegt werden. In 11 ist eine Prinzipskizze einer einstufigen hydraulischen Bremse dargestellt, die natürlich je nach Anforderung auch zweistufig ausgeführt werden kann.
Skizzendefinition:
Die Erfindung ist in den nachfolgenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird im Einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben. Einzelne Elemente der Darstellungen werden durchlaufend nummeriert und anhand der ersten Nummer vor dem Punkt den Zeichnungen zugeordnet.
Die Bezugsnummern zu den Zeichnungen/Skizzen werden im Absatz vor den Zeichnungen/Skizzen aufgeführt.
1
Prinzipielle Darstellung der primären Getriebefunktionselemente.
2
Schnittdarstellung A-A durch 1 zur besseren Erläuterung der primären Getriebefunktionselemente
3
Schnittdarstellung B-B durch 2 mit senkrechtem Blick auf das Treibringlager (1.2) als primäres Getriebefunktionselement.
4/Ausführungsmöglichkeit 1
Linearantrieb als Ausführungsmöglichkeit mit integrierter hydraulischer Bremse, einer Gasdruckfeder als Energiespeicher und einer Anfahrfeder, dargestellt in eingefahrener Position.
5
Ausführungsmöglichkeit wie 4, jedoch in ausgefahrener Position.
6/Ausführungsmöglichkeit 2
Linearantrieb als Ausführungsmöglichkeit mit integrierter Gasdruckfeder als Energiespeicher und Anfahrfeder, ohne Hydraulische Dämpfung oder Bremse, dargestellt in eingefahrener Position.
7
Ausführungsmöglichkeit wie 6, jedoch in ausgefahrener Position.
8
Ausführungsmöglichkeit wie 6, in eingefahrener Position, jedoch in bauraumoptimierter Ausführung.
9
Linearantrieb als Anwendungsbeispiel dargestellt in der Heckklappe eines Fahrzeuges.
10/Ausführungsmöglichkeit 3
Linearantrieb als Ausführungsmöglichkeit mit integrierter hydraulischer Bremse, einer Spiralfeder als Energiespeicher und einer zusätzlichen Anfahrfeder, Position ausgefahren.
11
Beispielhafte Darstellung eines hydraulischen Bremsventils mit einfacher Wirkung.

Zu 1

1.1: Feingewindespindel
1.2: Treibringlager (2.1) + (2.2) + (2.3)
1.3: Einrückvorrichtung
1.4: Ausrückvorrichtung
1.5: Treibringlagerfixiervorrichtung

Zu 2

2.1: Treibring
2.2: Lagerkugeln
2.3: Treibringlager-Außenring
2.4: Radialrille
2.5: Axiales Festlager
2.6: Gewindegang
2.7: Feingewindespindelrohr

Zu 3

3.1: Sichelförmige Gewindeüberdeckung

Zu 4

4.1: Lagerstelle (z. B. an der Fahrzeugkarosserie)
4.2: Kolbenstange
4.3: Gasdruckfederkolben mit Dichtung
4.4: Gasfüllung
4.5: Gasdruckfederinnenzylinder
4.6: Verbindungsstelle zw. innerem und äußerem Gasdruckfederbereich
4.7: Hydrauliköl
4.8: Gewindespindel
4.9: Umluftbereich
4.10: Zylinderaußenhülle
4.11: Hydraulisches Brems-/Stoppventil
4.12: Hydraulischer Dichtkolben
4.13: Kolbenstange
4.14: Treibringgetriebe
4.15: Elektromotor
4.16: Faltenbalg oder Schiebehülsen
4.17: Anfahrfeder
4.18: Gasdruckfeder
4.19: Hydraulische Bremse

Zu 6

6.1: Gasdruckfeder-Dämpfkolben
6.2: Kolbenstange
6.3: Gasdruckfederstangendichtung
6.4: Umluftbereich
6.5: Gewindespindel
6.6: Gasfüllung
6.7: Zylinderrohr
6.8: Gasdruckfeder

Zu 10

10.1: Spiralfeder

Zu 11

11.1: Kolbendichtring
11.2: Kolbenventilkörper
11.3: Druckeinstellfeder
11.4: Ventil
11.5: Absperrventil

Claims

Linearantrieb dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewindespindel (1.1) koaxial zu einem hohlen Antriebsmotor (4.15) angeordnet ist, der über ein schaltbares Getriebe (1), das um die Gewindespindel (1.1) herum angeordnet ist, mit der Gewindespindel in Wirkverbindung gebracht werden kann und dass die Gewindespindel mit keinem Getriebeglied in Verbindung steht, wenn die Wirkverbindung durch das schaltbare Getriebe (1) aufgehoben wird.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (1) einstufig hoch übersetzt ist, die Treibringlager (1.2) kugelgelagert sind und über die Radialrillen (2.4) in die Feingewindespindel (1.1) eingreift.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (1) durch eine Ausrückvorrichtung (1.4) sowohl aktiv z. B. durch einen betätigten Hebel wie auch passiv z. B. durch die hier beispielhaft dargestellte Feder (1.4) von der Feingewindespindel (1.1) getrennt werden kann.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (1) durch eine Einrückvorrichtung (1.3) sowohl aktiv z. B. durch den beispielhaft dargestellten Hebel (1.3) wie auch passiv z. B. durch Fliehkraftgewichte zu der Feingewindespindel (1.1) zugeschaltet werden kann.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass das Treibringlager (1.2) durch eine Treibringlagerfixiervorrichtung (1.5) in seiner eingerückten Position fixiert werden kann.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Feingewindespindel (1.1) durch ein Feingewindespindelrohr (2.7) ausgeführt wird.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Zylinderaußenhülle (4.10) als Energiespeicher eine Gasdruckfeder (4.18) integriert ist, die z. B. zum Ausgleichen der Gewichtskraft eines Heckdeckels dienen kann.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher eine Spiralfeder (10.1) integriert ist, die z. B. zum Ausgleichen der Gewichtskraft eines Heckdeckels dienen kann.
Linearantrieb nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4.15) seine Drehbewegung nicht auf das Getriebe (1) sondern auf die Feingewindespindel (1.1) überträgt und diese dann die Axialkraft über das im Gehäuse (4.10) axial fixierte Getriebe (1) erzeugt. Hierbei werden die Treibringlager-Außenringe (2.3) direkt im Gehäuse gelagert.
Linearantrieb dadurch gekennzeichnet, dass die axial übertragbare Kraft durch die Anzahl der Treibringlager (1.2) im Getriebe (1) variiert werden kann.
Linearantrieb nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass im Feingewindespindelrohr (2.7) eine einstufige hydraulische Bremse (4.19) integriert ist, wodurch (2.7) ab Überschreiten des in der hydraulischen Bremse voreingestellten Druckes axial freigegeben und stufenlos bewegbar ist und beim Unterschreiten des voreingestellten Druckes wieder in seiner axialen Position festgehalten wird.
Linearantrieb nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass das Feingewindespindelrohr (2.7) als Gasdruckfeder (6.8) ausgeführt wird und als platzsparender Energiespeicher, der z. B. zum Ausgleichen der Gewichtskraft eines Heckdeckels dienen kann, im Linearantrieb integriert ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1. und 7. bis 12. dadurch gekennzeichnet, dass er für den Öffnungsvorgang und/oder den Schließvorgang einer an einer Karosserie schwenkbar gelagerten Klappe oder Tür im Mobilen oder Immobilen Umfeld verwendbar ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1. und 7. bis 12. dadurch gekennzeichnet, dass er für den Öffnungsvorgang und/oder den Schließvorgang eines an einer Karosserie schwenkbar gelagertem Softtop oder Hardtop verwendbar ist.
Linearantrieb nach Anspruch 1. und 7. bis 12. dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe über die Anzahl der Treibringlager in seiner Axialkraft variabel gestaltbar ist.
Linearantrieb nach Anspruch 7. bis 12. dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdruckfeder (4.18) bzw. (6.8) bzw. die Spiralfeder (10.1) durch eine Anfahrfeder (4.17) beim Anfahren aus ungünstigen kinematischen Positionen unterstützt wird.