DE102008024910A1

DE102008024910A1 - Aktuator mit einer Lastmomentsperre

Info

Publication number: DE102008024910A1
Application number: DE200810024910
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Grau; Harald Hochmuth; Manfred Dr. Kraus; Wolfgang Dr. Reik
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2009-11-26
Also published as: WO2009141265A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit einem Motor (01) und einem Abtriebsteil (10) zum Anschluss an ein Stellelement sowie einer Lastmomentsperre zum Blockieren des Abtriebsteils (10) zur Vermeidung unerwünschter Stellbewegungen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lastmomentsperre eine Schlingfeder (18) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit einem Motor und einem Abtriebsteil zum Anschluss an ein Stellelement sowie mit einer Lastmomentsperre zum Blockieren des Abtriebsteils zur Vermeidung unerwünschter Stellbewegungen.
Gattungsgemäße Aktuatoren können beispielsweise in Kraftfahrzeugen im Fahrwerk eingesetzt werden. So kann bei einer Radaufhängung den einzelnen Rädern jeweils ein Aktuator zugeordnet sein, der eigenständig ansteuerbar ist und die gewünschte Verstellung des aufbauseitigen Stellelementes des Radführungsgliedes durchführt.
Der DE 100 11 142 A1 kann eine Radaufhängung für Kraftfahrzeuge entnommen werden, bei der ein als Lenker oder Stellelement ausgebildetes Radführungsglied einer Radaufhängung mit einem Ende an einem Radträger angebunden ist, und an seinem zweiten Ende von einem Aktuator angelenkt ist. Der Aktuator umfasst einen Elektromotor und einen Kugelgewindetrieb, dessen Gewindespindel als Abtriebsglied ausgebildet ist, welches das Radführungsglied über ein Drehgelenk anlenkt. Derartige Aktuatoren übernehmen sicherheitsrelevante Funktionen.
Bei solchen Anwendungen besteht die Forderung, dass die angelenkten Fahrwerkteile in stromlosem Zustand des Aktuators keine unerwünschten Stellbewegungen durchführen, sondern in der zuletzt eingestellten Position gehalten werden. Ebenso sollte sichergestellt sein, dass Außenkräfte, die über das Fahrwerk in den Aktuator rückwärts eingeleitet werden, sicher aufgefangen werden, ohne dass der Aktuator aufgrund dieser Außenkräfte unerwünschte Stellbewegungen durchführt.
In der DE 10 2005 023 250 A1 ist ein Aktuator mit einem Gesperre beschrieben, welches das Abtriebsteil des Aktuators blockiert, wenn die Antriebskraft des Aktuators am Abtriebsteil kleiner ist als eine äußere an dem Abtriebsteil angreifende Außenkraft. Der Aktuator kann zum Beispiel zur aktiven Verstellung des Radsturzes eines Rades eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Von außen in das Rad eingeleitete Stöße werden lediglich bis zu dem Abtriebsteil des Aktuators weitergeleitet. Ein Einleiten dieser Kräfte in den Aktuator bis zum Motor wird verhindert, da das Abtriebsteil durch das Gesperre blockiert ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gesperre als schaltbares Klemmrollengesperre ausgeführt.
Problematisch bei Aktuatoren – bei welchen der Freilauf als Klemmrollengesperre ausgeführt ist – ist, dass bei dynamischer Verstellung des Aktuators im Freilauf der sogenannte Stick-Slip-Effekt auftreten kann. Als Stick-Slip-Effekt wird das Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern bezeichnet. Dabei üben gedämpft gekoppelte Oberflächenteile eine schnelle Bewegungsfolge aus Haften, Verspannen, Trennen und Abgleiten aus. Bei gattungsgemäßen Aktuatoren, tritt dieser Effekt auf, wenn die Sperre schneller schließt, als der Motor diese öffnen kann.
Dies führt zur Anregung von Schwingungen, die von einer resonanzfähigen Oberfläche als Geräusch abgestrahlt werden. Neben auftretenden Störgeräuschen kommt es dabei auch zu höherem Verschleiß. Daher sollte der Stick-Slip-Effekt möglichst vermieden bzw. reduziert werden.
Seit langem ist es schon bekannt, einen Freilauf mit Klemmgesperre durch einen Schlingfederfreilauf zu ersetzen. So kann beispielsweise der DE 75 37 010 ein Schlingfederfreilauf entnommen werden, bei dem zwei glei che Schlingfederkupplungen für den Rechts- und Linkslauf eingesetzt werden. Die Schlingfedern sind jeweils mit einem abgebogenen Ende in eine Nut der Antriebsnabe eingehängt und mit dem anderen abgebogenen Ende in einer verdrehbaren Außenhülse eingehängt, welche fest mit der Abtriebswelle verbunden ist. Der beschriebene Schlingfederfreilauf kann zum Beispiel bei kettengetriebenen Kinderfahrzeugen mit Freilauf in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung eingesetzt werden.
Die WO 2003/029680 A1 beinhaltet eine Antriebseinheit mit Schlingfederbremse, bei der mittels einer unter Vorspannung gegen ein Anlaufglied wirkenden Schlingfeder eine Brems- bzw. Sperrwirkung erzielt wird. Hierdurch wird ein Verdrehen des Abtriebs- bzw. der Antriebswelle bei nicht angetriebener Antriebswelle und bei auf die Abtriebswelle wirkenden Lasten verhindert.
Solche Antriebseinheiten werden beispielsweise als Rohrmotoren zum elektrischen Antrieb einer Wickelwelle eines Rollladens oder ähnlichen eingesetzt. Aufgrund der Sperrwirkung wird verhindert, dass der Rollladen infolge seines Eigengewichtes die mit der Antriebswelle gekoppelte Wickelwelle abwickelt und den Rollladen eigentätig schließt.
Bei derartigen Antriebseinheiten kann es beim Senkvorgang dazu kommen, dass die Antriebswelle bzw. die Abtriebswelle die zu senkende Last überholt, wodurch die Schlingfeder aufgrund ihrer Vorspannung gegen das Anlaufglied wirkt und die Abtriebswelle sperrt. Dabei kann es zu einem ständigen Wechsel zwischen Lösen und Sperren zwischen Schlingfeder und Anlaufglied kommen.
Zur Vermeidung bzw. Reduzierung dieses Stick-Slip-Effekts wird in der WO 2003/029680 A1 vorgeschlagen, das Anlaufglied mit einer radial nach außen gerichteten Aufweitung zu versehen. Hierdurch wirkt beim Entspannen der Schlingfeder eine größere Auflagefläche der Schlingfeder gegen die Innenfläche des Anlaufgliedes, wodurch ein weicheres Abbremsverhalten erzeugt wird und der Stick-Slip-Effekt erheblich reduziert werden kann.
Des Weiteren ist aus der Verwendung von Schlingfedern bei manuellen Fensterhebern bekannt, dass diese Stick-Slip-frei arbeiten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von der DE 10 2005 023 250 A1 somit darin, einen Aktuator mit einer Lastmomentsperre zur Verfügung zu stellen, bei welchem auch bei dynamischer Verstellung des Aktuators ein Stick-Slip-Effekt wirksam vermieden werden soll. Die Lastmomentsperre sollte sich mit wenig Aufwand in den Aktuator einbauen lassen und nur geringe Zusatzkosten verursachen.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Aktuator gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Ein erfindungsgemäßer Aktuator zeichnet sich dadurch aus, dass eine Lastmomentsperre durch eine Schlingfeder gebildet wird, welche zwischen einem ortsfesten Gehäuse des Aktuators und einem Antriebsteil vorgesehen ist. Die Schlingfeder ist mit Übermaß, d. h. mit einer Presspassung auf einem mit dem Gehäuse verbundenen Ring angeordnet und besitzt an ihren beiden Enden nach außen abgebogene Mitnehmerelemente, welche mit einem an einem Antrieb vorgesehenen Mitnehmer zusammenwirken, so dass bei einer Drehung des Antriebs zunächst die Schlingfeder gelöst wird und daraufhin das Antriebsteil frei drehen kann.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch Verwendung einer Lastmomentsperre auf Basis einer Schlingfeder auch bei dynamischer Verstellung des Freilaufs im Wesentlichen kein Stick-Slip-Effekt und die mit diesem Effekt verbundenen negativen Begleiterscheinungen auftreten.
Die Lastmomentsperre lässt sich auf einfache Art und Weise in den Aktuator integrieren.
Ein erfindungsgemäß verwendete Schlingfederfreilauf umfasst lediglich eine einzige Schlingfeder. Im Vergleich zu vorbekannten Freiläufen mit Klemmrollengesperre ist ein Schlingfederfreilauf daher wesentlich einfacher aufgebaut, wodurch sich Kosten einsparen lassen und nicht zu letzt auch der Wartungsaufwand erheblich reduziert.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Aktuator einen Motor und einen Kugelgewindetrieb mit einer mit einem Abtriebsteil verbundenen Gewindespindel und einer von dem Motor angetriebenen Spindelmutter als Antriebsteil.
Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist die Spindelmutter umgreifend ein Ring angeordnet, welcher mit einem, zur Aufnahme des Motors, der Lastmomentsperre und des Kugelgewindetriebes dienenden Gehäuse starr verbunden ist.
Die Schlingfeder ist zwischen dem Ring und der Spindelmutter angeordnet. Die Schlingfeder zieht sich in einer Sperrstellung aufgrund der Reibung in Wickelrichtung zusammen und blockiert somit die Spindelmutter.
In einer Freigabestellung ist die Schlingfeder gegen ihre Wickelrichtung geöffnet und ermöglicht so eine Rotation der Spindelmutter.
Erfolgt vom Motor der Antrieb, so wird die Schlingfeder gegen ihre Wickelrichtung geöffnet. Die Spindelmutter kann nun frei rotieren.
In dem Fall, dass kein Antrieb vom Motor erfolgt, beispielsweise im stromlosen Zustand, ist es erforderlich, die Position der Spindelmutter zu fixieren. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Schlingfeder mit leichtem Übermaß direkt auf dem Ring sitzt und diesen gegen den Außendurchmesser der Spindelmutter drückt. In dem Fall, dass sich die Spindelmutter, beispielsweise infolge des Einwirkens äußerer Kräfte, drehen will, zieht sich die Schlingfeder aufgrund der anliegenden Reibung in Wickelrichtung zusammen und blockiert somit die Spindelmut ter. Auf diese Weise können unerwünschte Stellbewegungen wirksam vermieden werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Gewindespindel einstückig mit dem Abtriebsteil des Aktuators ausgebildet. Hieraus ergeben sich sowohl fertigungstechnische als auch montagetechnische Vorteile.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist am Gehäuse und am Abtriebsteil ein Faltenbalg befestigt, der die Gewindespindel umschließt. Der Faltenbalg liegt am Gehäuse und am Abtriebsteil dicht an. Durch den Faltenbalg kann das Eindringen von Verunreinigungen in den Kugelgewindetrieb verhindert werden.
Als vorteilhaft hat sich der Einsatz des erfindungsgemäßen Aktuators in einem aktiven Fahrwerkslenker eines Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Verstellung des Radsturzes, erwiesen. Aufgrund seiner hohen Ausfallsicherheit eignet sich der erfindungsgemäße Aktuator insbesondere für solche sicherheitsrelevanten Einsatzfelder. Es soll jedoch keine Einschränkung auf die genannten Anwendungen erfolgen, andere Anwendungen sind durchaus möglich.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Aktuator in einer Längsschnittdarstellung;
2 einen Schlingfederfreilauf in einer Vorderansicht und einer Schnittdarstellung;
3 eine Zusammenbauzeichnung des Schlingfederfreilaufs gemäß 2.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktuator in einer Längsschnittdarstellung. Der erfindungsgemäße Aktuator umfasst einen als Elektromotor 01 aus geführten Motor mit einem Stator 02 und einem Rotor 03. Der Rotor 03 dient gleichzeitig auch als Motorwelle. Der Elektromotor 01 ist innerhalb eines Gehäuses 04 angeordnet.
Der erfindungsgemäße Aktuator umfasst weiterhin ein als Kugelgewindetrieb ausgebildetes Getriebe mit einer Spindelmutter 06, welche als Antriebsteil fungiert, und einer Gewindespindel 07 als Abtriebsteil.
Die Spindelmutter 06 ist über ein Wälzlager 08 in dem Gehäuse 04 gelagert.
Die Gewindespindel 07 ist bei der gezeigten Ausführungsform einstückig mit dem Abtriebsteil 10 ausgeführt. Zwischen der Spindelmutter 06 und der Gewindespindel 07 sind Kugeln 11 angeordnet, die an Laufbahnen 12, 13 der Spindelmutter 06 und der Gewindespindel 07 abwälzen und in endlosen Kugelbahnen umlaufen. Eine Rotation der Spindelmutter 06 wird in eine Translation der Gewindespindel 07 umgewandelt.
Die Gewindespindel 07 bzw. das Abtriebsteil 10 überragt bei der in 1 gezeigten Ausführungsform das Gehäuse 04 stirnseitig (rechts dargestellt). Um ein Eindringen von Verunreinigungen in den Kugelgewindetrieb, insbesondere in die Gewindespindel 07 zu verhindern, ist der Aktuator an dieser Seite mit einem Faltenbalg 15 versehen. Ein Ende des Faltenbalgs 15 ist an der dem Abtriebsteil 10 gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses 04 befestigt. Das andere Ende des Faltenbalgs 15 ist mit dem Abtriebsteil 10 verbunden. Der Faltenbalg 15 liegt dicht am Gehäuse 04 und am Abtriebsteil 10 an. Hierdurch ist die Gewindespindel 07 vollständig nach außen abgedichtet und kann nicht verschmutzen.
Die Spindelmutter 06 umgreifend ist ein Ring 17 mit einem U-förmigen Profil angeordnet, welcher mit dem Gehäuse 04 starr verbunden ist.
Auf dem Ring 17 ist eine Schlingfeder 18 angeordnet. Zwischen Schlingfeder 18 und Ring 14 besteht eine Übermaßpassung.
Anhand der 2 und 3 wird die Funktionsweise des Schlingfederfreilaufs erläutert. 2 zeigt in Abbildung a) eine Vorderansicht und in Abbildung b) eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A in Abbildung a). In 3 ist eine Zusammenbauzeichnung des Schlingfederfreilaufs gezeigt.
Der Aktuator funktioniert folgendermaßen: Zur Auslösung eines Stellvorgangs wird der Elektromotor 01 betätigt. Über einen Mitnehmer 20 (siehe 2 und 3) des Elektromotors 01 wird die Schlingfeder 18 gegen ihre Wickelrichtung geöffnet. Dazu sind an der Schlingfeder 18 zwei nach außen abgebogene Enden 21 ausgebildet. Beim Drehen des Rotors und damit des Abtriebsteils des Motors 01 werden die Enden 21 je nach Drehrichtung des Motors in Richtung der Drehpfeile 22, 23 bewegt, wodurch die Schlingfeder 18 geöffnet wird und dadurch vom Ring 17 abhebt. Die Spindelmutter 06 hat nun genügend Platz, um sich, durch den Mitnehmer 20 angetrieben, drehen zu können. Dazu besitzt die Spindelmutter 06 zwei, sich abschnittsweise in Umfangsrichtung erstreckende Anschlagsegmente 24. Die Schlingfeder 18 rotiert bei angetriebner Spindelmutter 06 mit. Das Drehen der Spindelmutter 06 wird in eine Translation der Gewindespindel 07 umgesetzt. Je nach Drehrichtung wird die Gewindespindel 07 aus dem Gehäuse 04 ausgefahren bzw. in das Gehäuse 04 eingefahren.
In dem Fall, dass der Elektromotor 01 stromlos ist bzw. wenn, beispielsweise aufgrund von Schlaglöchern, in der Fahrbahn große Stoßkräfte in Längsrichtung des Abtriebsteiles 10 in den Kugelgewindetrieb eingeleitet werden, muss sichergestellt werden, dass die Spindelmutter 06 nicht in Rotation versetzt, und hierdurch unerwünschte Stellbewegungen hervorgerufen werden können.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Schlingfeder 18 mit leichtem Übermaß auf dem Ring 17 der Spindelmutter 06 sitzt, welcher gegen den inneren Durchmesser 26 der Spindelmutter 18 drückt. Falls sich die Spindelmutter 06 nun drehen will, zieht sich die Schlingfeder 18 aufgrund der auftretenden Reibung in Wickelrichtung zusammen und blockiert hierdurch die Spindelmutter 06.
In Abbildung a) der 2 ist die geschlossene Stellung der Schlingfeder 18 gezeigt, während Abbildung b) die geöffnete Stellung des Schlingfederfreilaufs darstellt.
Das Öffnen der Schlingfeder 18 geschieht unabhängig von der Drehrichtung des Motors rechts oder links.

01: Elektromotor
02: Stator
03: Rotor
04: Gehäuse
05
06: Spindelmutter
07: Gewindespindel
08: Wälzlager
09
10: Abtriebsteil
11: Kugeln des Kugelgewindetriebs
12: Laufbahn der Spindelmutter
13: Laufbahn der Gewindespindel
14
15: Faltenbalg
16
17: Ring
18: Schlingfeder
19
20: Mitnehmer
21: abgebogenes Ende
22: Drehrichtung
23: Drehrichtung
24: Anschlagsegment
25
26: innerer Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10011142 A1 [0003]
- DE 102005023250 A1 [0005, 0014]
- DE 7537010 [0008]
- WO 2003/029680 A1 [0009, 0012]

Claims

Aktuator mit einem Motor (01) und einem Abtriebsteil (10) zum Anschluss an ein Stellelement sowie einer Lastmomentsperre zum Blockieren des Abtriebsteils (10) zur Vermeidung unerwünschter Stellbewegungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastmomentsperre durch eine Schlingfeder (18) gebildet ist.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kugelgewindetrieb mit einer mit dem Abtriebsteil (10) verbundenen Gewindespindel (07) und einer von dem Motor (01) angetriebenen Spindelmutter (06) umfasst.
Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gehäuse (04) zur Aufnahme des Motors (01), der Lastmomentsperre sowie des Kugelgewindetriebs umfasst.
Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegend der Spindelmutter (06) ein mit dem Gehäuse (04) starr verbundener Ring (17) angeordnet ist, dass die Schlingfeder (18) zwischen dem Ring (17) und der Spindelmutter (06) angeordnet ist, wobei die Schlingfeder (18) in einer Sperrstellung die Spindelmutter (06) blockiert und in einer Freigabestellung eine Rotation der Spindelmutter (06) ermöglicht.
Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlingfeder (18) mit Übermaß auf dem Außendurchmesser der Spindelmutter (06) sitzt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (07) einstückig mit dem Abtriebsteil (10) ausgebildet ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er einen am Gehäuse (04) und am Abtriebsteil (10) dichtend befestigten Faltenbalg (15) umfasst, wobei der Faltenbalg (15) die Gewindespindel (07) umschließt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil eines aktiven Fahrwerkslenkers eines Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Verstellung eines Radsturzes ist.