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Die
Erfindung betrifft einen Aktuator, welcher für den Einbau
in ein Kraftfahrzeug und die Betätigung einer Bremse des
Kraftfahrzeugs vorbereitet ist, mit einem Motor, einem Abtrieb und
einem Getriebe, welches den Motor mit dem Abtrieb kraftschlüssig verbindet.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines Aktuators
mit einem Motor, einem Abtrieb und einem Getriebe, welches den Motor
kraftschlüssig mit dem Abtrieb verbindet, für
die Betätigung einer Bremse eines Kraftfahrzeugs.
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In
neuerer Zeit werden Parkbremsen mit elektrischen Aktuatoren ausgestattet,
aber auch der Einsatz in der Betriebsbremse des Fahrzeugs ist prinzipiell
möglich und eröffnet dort völlig neue
Möglichkeiten der Regelung, beispielsweise für
Traktionskontrolle und elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP).
Aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse in
einem Kraftfahrzeug, insbesondere wenn der Aktuator beispielsweise
direkt in einer Bremstrommel angeordnet ist, können nur
verhältnismäßig kleine Motoren eingesetzt
werden. Zur Erzielung der beim Bremsen auftretenden hohen Kräfte,
insbesondere für das Abbremsen des Fahrzeugs aus hohen
Geschwindigkeiten, werden daher Getriebe mit hohen Übersetzungen
eingesetzt, beispielsweise mehrstufige Stirnradgetriebe oder Planetengetriebe.
Aber auch Schneckenantriebe werden wegen der Selbsthemmung eines
Schneckengetriebes häufig für die genannten Aktuatoren
eingesetzt. Nachteilig an den vielstufigen Getrieben und auch an
den Schneckengetrieben ist der vergleichsweise geringe Wirkungsgrad.
Dies bedingt wiederum den Einsatz größerer Motoren
was den Zweck solcher Getriebe zumindest teilweise konterkariert.
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In
jüngster Zeit kommen auch vermehrt so genannte Evoloid-Verzahnungen
in Getrieben zum Einsatz. Als Evoloid-Verzahnungen werden schräge Evolventenverzahnungen
bezeichnet, die zur Realisierung großer Übersetzungen
in einer Stufe geeignet sind, da sie Ritzel mit bloß einem
Zahn ermöglicht.
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Beispielsweise
offenbart die
DE 602
08 158 T2 dazu einen Stellmechanismus zur Einstellung der Winkelposition
eines Spiegelelementes in einem Außenspiegel für
ein Kraftfahrzeug, wobei der Stellmechanismus einen Elektromotor
und ein Spiegeleinstellelement aufweist, das mit diesem über
einen Antriebsstrang bewegbar gekoppelt ist. Das dazu eingesetzte
Getriebe weist dazu in einer Stufe eine Evoloidverzahnung auf.
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Nachteilig
an den bekannten Aktuatoren mit selbsthemmenden Getrieben ist der
vergleichsweise schlechte Wirkungsgrad, mit dem die erforderliche Selbsthemmung „erkauft” wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Aktuator für
die Betätigung einer Bremse eines Kraftfahrzeugs anzugeben,
welcher einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und/oder durch eine Verwendung eines Aktuators mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Demgemäß umfasst
ein erfindungsgemäßer Aktuator, welcher für
den Einbau in ein Kraftfahrzeug und die Betätigung einer
Bremse des Kraftfahrzeugs vorbereitet ist, einen Motor, einen Abtrieb
und ein Getriebe, welches den Motor mit dem Ab trieb kraft- und/oder
formschlüssig verbindet und in zumindest einer Stufe eine
Evoloidverzahnung aufweist.
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Demgemäß wird
die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch die Verwendung
eines Aktuators für die Betätigung einer Bremse
eines Kraftfahrzeugs gelöst, welcher einen Motor, einen
Abtrieb und ein Getriebe umfasst, welches den Motor kraftschlüssig mit
dem Abtrieb verbindet und in zumindest einer Stufe eine Evoloidverzahnung
aufweist.
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Durch
die Verwendung einer Evoloidverzahnung kann ein vergleichsweise
kleiner Motor für die Aufbringung auch hoher Kräfte
beziehungsweise Drehmomente am Abtrieb eingesetzt werden, da die Verluste
innerhalb des Getriebes, das vorteilhaft nur mehr zwei Stufen aufweist,
gegenüber dem Stand der Technik verringert werden. Darüber
hinaus wird nurmehr eine geringe Anzahl an Bauteilen (beim zweistufigen
Getriebe nur 4 Zahnräder) benötigt. Mit der Teilezahl
sinkt aber auch der Aufwand für Entwicklung, Montage, Logistik,
Werkzeuge, etc. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird
ein Ritzel in die entsprechende Welle integriert, das heißt
Ritzel und Welle werden einstückig ausgeführt.
Auf diese Weise kann die Teileanzahl des Aktuators noch weiter gesenkt
werden.
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Im
Besonderen führt die sehr hochübersetzende Abtriebsstufe
im Vergleich zu einer herkömmlichen Stirnradstufe zu geringen
Kräften in der Verzahnung, und die Zähne können
mit einem entsprechend großen Modul stabil ausgestaltet
werden. Im Vergleich zu Schneckenrädern sind die Reibverluste gering,
es treten deutlich geringere Axialkräfte auf, und es ist
keine Achsschränkung notwendig (aber dennoch möglich),
was den Einbau in eine Kraftfahrzeugbremse erleichtert.
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Gegenüber
den nach dem Stand der Technik häufig für Bremsaktuatoren
verwendeten Planetenstufen, welche zur Reduzierung der Zahnkräfte
durch Verteilen der Kräfte auf viele gleichzeitig eingreifende Zähne
eingesetzt werden, führen die großen Übersetzungen
der Evoloid-Getrieben zu geringeren Kräften in den Zähnen.
Mit der Reduzierung der gleichzeitig im Eingriff befindlichen Zähne
werden auch Geräusche reduziert, die häufig als
lästiges Rasseln empfunden werden.
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In
einer bereits realisierten Variante des erfindungsgemäßen
Aktuators wird ein zweistufiges Getriebe eingesetzt, das in beiden
Stufen Evoloid-Zahnräder aufweist. Die Abtriebsstufe hat
hierbei 35 zu 3 Zähne und die Antriebsstufe 49 zu 5 Zähne. Es
ergibt sich eine Gesamtübersetzung von 1:114,3. Das angegebene
Beispiel soll nur illustrieren, in welchem Bereich Übersetzungen
prinzipiell realisiert werden können. Selbstverständlich
sind auch andere Übersetzungen möglich.
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Eine
spezielle Variante entsteht, wenn die Ritzel metallisch ausgeführt
werden und die Zahnräder aus faserverstärkten
Kunstsoffen. Die faserverstärkten Kunststoffe verhelfen
zu höheren Festigkeiten und die Paarung mit metallischen
Ritzeln führt zu hoher Verschleißfestigkeit. Die
Kunststoffzahnräder können dabei beispielsweise
durch Sintern oder im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Aber
auch das Fräsen der Zahnräder ist selbstverständlich
möglich.
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Das
Getriebe an sich kann als Stirnradgetriebe, Planetengetriebe oder
als eine Kombination von beiden ausgeführt sein. Auch das
Vorsehen von nicht parallelen Achsen ist möglich.
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Hinsichtlich
des Einsatzzwecks kann der vorgestellte Aktuator für die
Betätigung einer Scheibenbremse oder auch einer Trommelbremse
vorgesehen sein. Bei letzterer besteht darüber hinaus die
Möglichkeit, den Aktuator direkt in die Brems trommel einzubauen
oder den Aktuator als sogenannten „Seilzieher” zu
verwenden. In dieser Anordnung wird die (Feststell)Bremse über
ein Seil betätigt. Der Aktuator kann daher an einer geeigneten,
von der Bremse abgesetzten Position angeordnet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung
in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist zumindest ein Ritzel oder
Großrad eine durch Rollieren, Walzen und/oder Sintern hergestellte
Verzahnung auf. Vorzugsweise ist dabei ein Ritzel oder Großrad aus
Metall oder einer Metalllegierung gefertigt, wie das beispielsweise
durch Rollieren oder Walzen möglich ist.
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Vorteilhaft
ist es, wenn zumindest ein Ritzel oder Großrad aus Kunststoff
gefertigt ist, wobei der im Bezug auf die Drehachse innere Teil
aus glasfaserverstärktem Kunststoff und der äußere
Teil aus unverstärktem Kunststoff besteht. Hierbei ist
der Grundkörper und insbesondere die Nabe des Zahnrades
aus einem verstärkten Kunststoff, beispielsweise glasfaserverstärktem
Kunststoff hergestellt. Im Bereich der Verzahnung wird dagegen unverstärkter Kunststoff
verwendet. Hierbei kann der unverstärkte Kunststoff auch
bloß eine dünne Schicht (beispielsweise mit einer
Dicke von 0,4 mm) um die Zähne bilden.
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Der
Kunststoff hat bei einem Zahnrad zum einen die Aufgabe, die auftretenden
Kräfte zu übertragen, zum anderen, ein Gleiten
der Zahnflanken zu ermöglichen. Kunststoffe sind typischerweise
auf nur eine der beiden Eigenschaften spezialisiert. Durch die erfinderische
Verwendung zweier Materialien können die Vorteile jedoch
kombiniert werden, sodass durch die Verwendung des faserverstärken Kunststoffs
im Innenbereich des Zahnrads die Kräfte sehr gut geleitet
werden können und durch Verwendung von unverstärktem
Kunststoff für die an der Gleitreibung beteiligten Randschichten
eine gute, das heißt möglichst geringe, und konstante
Reibung erzielt werden. Vorteilhaft macht man sich hier den Umstand
zu Nutze, dass in den Randschichten eine Verstärkung des
Kunststoffs nicht zwingend notwendig ist, da diese Bereiche vorwiegend
druckbelastet sind.
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Für
die Herstellung sind prinzipiell mehrere Möglichkeiten
denkbar. Beispielsweise kann die Randschicht durch Zwei-Komponenten-Spritzguss hergestellt
werden oder aber auch durch Aufbringen einer geeigneten Folie, beispielsweise
durch Schweißen. Denkbar ist weiterhin, zwei verschiedene
Kunststoffarten miteinander zu kombinieren, was den Vorteil hat,
dass die Materialien aus einer großen Anzahl von Möglichkeiten
optimal für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt
werden können. Es kann aber auch derselbe Kunststoff für
Innen- und Außenbereich (innen verstärkt) verwendet
werden, was den Vorteil hat, dass Innen- und Außenbereich
eine optimale stoffliche Verbindung aufweisen.
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Günstig
ist es auch, wenn ein Ritzel oder Großrad aus Polyphthalamid
(PPA) oder Polyethylen (PET) besteht. Diese Kunststoffe eignen sich
deutlich besser, als das nach dem Stand der Technik häufig verwendete
Polystyrol (PS) insbesondere, wenn das Getriebe unmittelbar dem
Hitzeeinfluss einer Betriebsbremse ausgesetzt ist. Allgemein ist
es vorteilhaft, wenn das Ritzel bzw. das Großrad aus einem hochtemperaturfesten
Teil besteht. Ein solches hochtemperaturfestes Teil kann neben dem
genannten PPA und PET auch aromatische Polyamidstoffe (PA) beinhalten.
Darüber hinaus wären auch andere Materialien denkbar
und vorteilhaft, die die genannten Eigenschaften aufweisen.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn der Aktuator zumindest ein durch Verprägen
oder Umbördeln auf der jeweiligen Welle befestigtes Ritzel
oder Großrad aufweist. Daraus ergeben sich unmittelbar
einige Vorteile gegenüber umspritzten Kunststoffzahnrädern.
Etwa können die Zahnräder ohne Einlegeteile gestaltet
werden. Somit entfallen Handhabungen zum Einlegen der Einlegeteile
und es sinkt die Produktionszykluszeit. Durch Entfall der Einlegeteile (Welle)
werden darüber hinaus die Werkzeugkonstruktion einfacher
und die Werkzeuge kostengünstiger. Schließlich
gestaltet sich die axiale und radiale Positionierung und damit die
Toleranzkette einfacher und ist unabhängig von der Konstruktion
des Zahnradwerkzeuges beziehungsweise dem Einlegen der Welle in
das Werkzeug. Der Arbeitsschritt des Verprägens passt z.
B. auch harmonisch in übliche Montageanlagen; im Besonderen
gilt dies für die Zykluszeit, welche sich nicht verlängert.
Die axiale und radiale Positionierung und damit die Tolleranzkette
gestaltet sich einfacher und ist unabhängig von der Konstruktion
des Zahnradwerkzeuges und/oder dem Einlegen der Welle in das Montagewerkzeug.
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Für
die Gestaltung der Verbindung ergeben sich einige Möglichkeiten,
etwa kann das Verprägen mit Hilfe von Ultraschall oder
durch Heislufterwärmung erfolgen. Weiterhin können
axiale und radiale Kräfte oder nur radiale Kräfte übertragen
werden. Das Verprägen kann schließlich durch Pressen
von Material in eine in der Welle angebrachten Nut erfolgen. Das
Umbördeln kann über den gesamten Umfang erfolgen
oder aber auch verteilt, das heißt mit Unterbrechungen, über
den Umfang.
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An
dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass sich die beschriebenen
Zahnräder zwar vorteilhaft für Zahnräder
mit Evoloidverzahnung eignen, deren Einsatz aber keineswegs dar auf
beschränkt ist. Vielmehr können solche Zahnräder
auch vorteilhaft außerhalb eines erfindungsgemäßen
Aktuators angewendet und ganz allgemein für Getriebe eingesetzt
werden.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn der Aktuator ein mehrteiliges Gehäuse
aufweist, dessen Teile durch Laserschweißen miteinander
verbundenen sind. Üblicherweise besteht ein Gehäuse
eines Aktuators aus zumindest zwei Teilen, um den Einbau der benötigten Teile
zu ermöglichen. Häufig werden diese Teile miteinander
verschraubt. Durch entsprechende konstruktive Gestaltung der bewegten
Teile kann aber eine lebenslange, wartungsfreie Funktion gewährleistet
werden, sodass die Gehäuseteile auch permanent verbunden
werden können. „Lebenslang” bedeutet
in diesem Zusammenhang, dass die Lebensdauer des Aktuators gleich
oder höher als die Lebensdauer der dem Aktuator übergeordneten
Einheit, in diesem Fall also gleich oder höher als die
Lebensdauer der Bremse eines Kraftfahrzeugs ist. Die Naht kann dabei
als Schernaht oder als Stoßnaht gestaltet werden. Durch
das Laserschweißen ergeben sich besondere Vorteile, wie
etwa Entfall etwaiger Schrauben, Entfall des Klaffens zwischen den
Gehäuseteilen, Entfall einer etwaigen Dichtung und damit
eine höhere Betriebssicherheit, da Dichtungen insbesondere
bei extremen klimatischen Änderungen ausfallen können.
Gegenüber dem Ultraschallschweißen ergeben sich
ebenfalls einige Vorteile, nämlich Entfall des Abstimmens
einer Sonotrode, Entfall des Änderns der Sonotrode bei Änderungen der
Konstruktion und bessere Prozeßsicherheit im Besonderen
hinsichtlich der Dichtheit des Gehäuses.
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Die
obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen
sich auf beliebige Art und Weise kombinieren.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend anhand der in den schematischen
Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 einen
exemplarischen, erfindungsgemäßen Aktuator in
Schnittdarstellung ohne Gehäuse;
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2 den
Aktuator aus 1 in Schrägansicht.
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In
den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente
und Merkmale – sofern nichts Anderes ausgeführt
ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen beispielhaften, erfindungsgemäßen Aktuator 1 in
Schnittdarstellung. Der Aktuator 1 umfasst ein nicht dargestelltes
Gehäuse, einen darin angebrachten Motor 2, eine
auf der Welle des Motors 2 montiertes Motorritzel 3,
ein mit dem Motorritzel 3 in Eingriff stehendes Großrad 4 der
ersten Getriebestufe, und ein auf derselben Welle wie das Großrad 4 sitzendes
Ritzel 5 der zweiten Getriebestufe. Das Ritzel 5 steht
schließlich mit einem Großrad 6 der zweiten
Getriebestufe in Eingriff und stellt so den Kraftfluß zwischen
Motor 2 und einem mit dem Großrad 6 verbundenen
Abtrieb 7 her.
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In
der 1 sind Motorwelle und Motorritzel 3 als
getrennte Bauteile dargestellt. vorstellbar ist aber auch, dass
diese Bauteile einstückig ausgeführt sind. Das
Ritzel 5 und die Zwischenwelle sind im vorliegenden Beispiel
dagegen einstückig ausgeführt. Denkbar ist aber
auch eine mehrstückige Ausführung. Weiterhin kann
das Großrad 4 ebenfalls einstückig mit
der Zwischenwelle und dem Ritzel 5 ausgeführt
sein.
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2 zeigt
den Aktuator aus 1 in Schrägansicht,
wobei wiederum das Gehäuse der besseren Darstellbarkeit
halber abgenommen sind. Sehr gut zu sehen ist in dieser Ansicht
die starke Schrägstellung der Evoloidverzahnung.
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- 1
- Aktuator
- 2
- Motor
- 3
- Motorritzel
- 4
- Großrad
der 1. Stufe
- 5
- Ritzel
der 2. Stufe
- 6
- Großrad
der 2. Stufe
- 7
- Abtrieb
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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