DE102012201582A1

DE102012201582A1 - Aktuatoreinrichtung

Info

Publication number: DE102012201582A1
Application number: DE201210201582
Authority: DE
Inventors: Dirk Blankenspeck
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Linear-Aktuatoreinrichtung für einen längenverstellbaren Lenker (3) oder für eine Servolenkung beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Die Linear-Aktuatoreinrichtung umfasst eine axial verschiebbare Gewindespindel (3), eine auf der Gewindespindel (3) in einem Gewindebereich (3) rotierbare Spindelmutter (7) sowie einen Antriebsmotor mit Hohlrotoreinheit (2, 8, 9, 10), wobei die Hohlrotoreinheit koaxial von der Gewindespindel (3) durchdrungen ist. Die Linear-Aktuatoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils am Außenumfang der Hohlrotoreinheit und der Spindelmutter Stirnradverzahnungen angeordnet sind. Dabei sind die Stirnradverzahnungen an Hohlrotor und Spindelmutter über ein Untersetzungsgetriebe mit zumindest einem Doppelstirnrad verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Linear-Aktuatoreinrichtung für einen verstellbaren Lenker beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gattungsgemäße Linear-Aktuatoreinrichtungen werden bei Kraftfahrzeugen, beispielsweise für elektrische Servolenkungen an der Vorderachse, oder zur Erzeugung eines definierten Lenkeinschlags bei aktiv gelenkten Hinterachsen eingesetzt. Hierbei wird die Länge eines Lenkers bzw. einer Spurstange elektromotorisch verändert, um auf diese Weise die Lenkunterstützung zu realisieren, bzw. um so den Lenkeinschlag der Räder z.B. an einer Hinterachse aktuatorisch zu steuern.
Die Anforderungen an derartige Linear-Aktuatoren umfassen insbesondere geringe Baugröße und niedrige Masse sowie geringen Strombedarf des elektromotorischen Antriebs bei gleichzeitig hohen Stellkräften und ausreichendem Verfahrweg. Mit geringem Aufwand soll bei den gattungsgemäßen Linearaktuatoren ferner eine Anpassung an unterschiedliche Einsatzfelder möglich sein, insbesondere im Hinblick auf die je nach Einsatz unterschiedlichen Betätigungskräfte bzw. Verfahrwege.
Aus der DE 10 2006 048 614 ist ein Hinterradlenkungs-Aktuator für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein elektrischer Antriebsmotor mit Hohlrotor koaxial mit einer Einheit aus einer Spindelmutter und einer axial verschieblichen Gewindespindel angeordnet ist. Dabei treibt der Hohlrotor des Antriebsmotors die Spindelmutter rotatorisch direkt an und erzeugt so die axiale Verschiebungsbewegung der Gewindespindel.
Dieser bekannte Linearaktuator ist konstruktiv jedoch vergleichsweise aufwändig. Aufgrund der relativ hohen Drehzahl des Elektromotors, welcher direkt mit der Spindelmutter gekoppelt ist, muss ein relativ kleiner Gewindedurchmesser und eine kleine Gewindesteigung für die Spindelmutter und die Gewindespindel gewählt werden, um die erforderliche Untersetzung zwischen Drehzahl bzw. Drehmoment des Elektromotors und der Axialbewegung der Gewindespindel zu erzielen.
Dies erfordert bei dem aus dieser Druckschrift bekannten Linearaktuator einen zweigeteilten Aufbau der Gewindespindel, um die erforderliche geringe Gewindegröße realisieren (und montieren) zu können. Dennoch lassen sich – aufgrund der geringen Gewindeabmessungen – mit diesem bekannten Linearaktuator nur verhältnismäßig geringe Verfahrkräfte erzeugen, wobei gleichzeitig auch die maximalen Verfahrwege stark eingeschränkt sind. Schließlich sind auch konstruktive Änderungen im Hinblick auf die Übersetzung bzw. Betätigungskraft bei diesem bekannten Linearaktuator nur begrenzt möglich und zudem mit großem Aufwand verbunden, da hierzu jeweils das Gewinde sowohl der Gewindespindel als auch der Spindelmutter geändert werden muss.
Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Linear-Aktuatoreinrichtung bereitzustellen, mit der sich die im Stand der Technik vorhandenen Einschränkungen überwinden lassen. Insbesondere soll die Linear-Aktuatoreinrichtung kompakt, robust und konstruktiv einfach ausgebildet sein und mit einer möglichst geringen Anzahl an Bauteilen auskommen. Ferner soll die Linear-Aktuatoreinrichtung mit geringem Aufwand an unterschiedliche Einsatzfälle wie beispielsweise unterschiedliche Fahrzeugtypen – mit unterschiedlichen Erfordernissen bezüglich der aufzubringenden Stellkräfte und linearen Verfahrwege – angepasst werden können
Diese Aufgabe wird durch eine Linear-Aktuatoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die gattungsgemäße Linear-Aktuatoreinrichtung ist für den Einsatz bei einer verstellbaren Spurstange oder einem verstellbaren Lenker insbesondere an einem Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die die genannten oder gleichwirkende Fahrwerkbauteile auch längenverstellbar ausgeführt sein können. Der Lenker beispielsweise als Querlenker oder auch als Mehrpunktlenker ausgeführt sein. Die Linear-Aktuatoreinrichtung umfasst eine axial relativ zu einem Gehäuse verschiebbare Gewindespindel, eine auf der Gewindespindel rotierbare Spindelmutter, einen Antriebsmotor zum rotatorischen Antrieb der Spindelmutter sowie das genannte Gehäuse zur Aufnahme insbesondere des Antriebsmotors und der Spindelmutter. Der Antriebsmotor weist eine Hohlrotoreinheit mit einem hohlen Rotor und mit Lagerungen für den Hohlrotor auf, während die Gewindespindel die Hohlrotoreinheit koaxial zum Hohlrotor des Antriebsmotors durchdringt. Vorzugsweise weist der Hohlrotor zwei Lagerungen auf.
Durch die Erfindung wird die Linear-Aktuatoreinrichtung dergestalt weitergebildet, dass jeweils am Außenumfang der Hohlrotoreinheit und der Spindelmutter Stirnradverzahnungen angeordnet sind. Dabei sind die Hohlrotor-Stirnradverzahnung und die Spindelmutter-Stirnradverzahnung über zumindest ein Doppelstirnrad miteinander wirkverbunden bzw. gekoppelt. Hohlrotor, Doppelstirnrad und Spindelmutter-Stirnradverzahnung bilden zusammen ein Untersetzungsgetriebe.
Dreht sich der Hohlrotor so wird diese Drehbewegung durch die wirkverbundenen, ineinander kämmenden Stirnverzahnungen vom Hohlrotor über das Doppelstirnrad auf die Spindelmutter übertragen. Durch die Drehung der Spindelmutter um die Gewindespindel wird die Gewindespindel axial bzw. linear bewegt.
Mit dem Begriff "am Außenumfang der Hohlrotoreinheit" bzw. „am Außenumfang der Spindelmutter“ ist dabei nicht zwingend ein maximaler Außenumfang gemeint. Vielmehr kann ein Außenumfang an der Hohlrotoreinheit bzw. an der Spindelmutter im Sinne der Erfindung ein im Wesentlichen beliebig großer oder kleiner, insbesondere auch achsennaher Außenumfang sein, solange sich an dem Außenumfang eine Stirnradverzahnung anordnen lässt.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Rotor des Antriebsmotors nicht – wie beim eingangs genannten Stand der Technik – direkt mit der Spindelmutter gekoppelt ist, was dort die genannten Einschränkungen bezüglich der erzeugbaren Verfahrkräfte und Verfahrwege, ebenso wie Beschränkungen bezüglich der Modifizierbarkeit und Anpassbarkeit an unterschiedliche Einsatzfelder mit sich bringt. Vielmehr ergibt sich durch das Untersetzungsgetriebe – über die Stirnradverzahnungen an Hohlrotor und Spindelmutter sowie über das Doppelstirnrad – auf konstruktiv besonders einfache Weise eine entsprechende Drehzahlreduzierung zwischen dem Antriebsmotor und der Spindelmutter. Die Untersetzung bedeutet allgemein eine Übersetzung, bei die Eingangsdrehzahl größer als die Abtriebsdrehzahl ist (Überetzungverhältnis ist größer als 1).
Hierdurch entfällt in vorteilhafter Weise die (aus dem Stand der Technik bekannte) Notwendigkeit, eine verhältnismäßig feine Gewindesteigung und zugleich einen geringen Gewindedurchmesser für die Gewinde von Gewindespindel und Spindelmutter vorsehen zu müssen, um die erforderliche Drehmomentübersetzung, Drehzahluntersetzung und damit die gewünschten Verfahrkräfte realisieren zu können. Aus denselben Gründen entfällt mit der Erfindung auch die beim Stand der Technik bestehende, deutliche Einschränkung bezüglich der maximalen axialen Verfahrwege.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Linear-Aktuatoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl verhältnismäßig große Verfahrwege als auch die Erzeugung großer axialer Stellkräfte erlaubt. Gleichzeitig können klein dimensionierte Antriebsmotoren mit geringem Drehmoment und verhältnismäßig hoher Auslegungsdrehzahl verwendet werden, da durch das Untersetzungsgetriebe zwischen dem Antriebsmotor und der Spindelmutter eine entsprechende Erhöhung des Drehmoments und Reduzierung der Drehzahl erfolgt.
Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, dass die Eingangs- und Ausgangs-Stirnradverzahnungen des Untersetzungsgetriebes jeweils direkt am Außenumfang an der Hohlrotoreinheit und an der Spindelmutter angeordnet sind. Auf diese Weise ergibt sich im Gegensatz zu Innenverzahnungen eine kostengünstige Realisierung des Untersetzungsgetriebes mit einem Minimum an Bauteilen und Bauraumbedarf – sowohl in axialer als auch in radialer Richtung – sowie mit minimalem konstruktivem und Herstellungsaufwand. Zudem kann die Linear-Aktuatoreinrichtung auf diese Weise mit geringem Aufwand an unterschiedliche Einsatzzwecke angepasst werden, bei denen beispielsweise unterschiedliche Verfahrwege und/oder unterschiedlich hohe Stellkräfte erforderlich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Untersetzungsgetriebe dabei mehrere kreisförmig um die Spindelmutter verteilt angeordnete Doppelstirnräder. Durch die Verwendung mehrerer, vorzugsweise dreier Doppelstirnräder, die gleichmäßig um die Gewindespindel herum verteilt angeordnet sind, ergibt sich ohne zusätzlichen Platzbedarf bzw. ohne Gehäusevergrößerung die Möglichkeit, das anfallende Motor-Drehmoment auf jeweils mehrere Verzahnungspaare aufzuteilen. Auf diese Weise können entweder höhere Drehmomente bzw. Leistungen übertragen werden, oder für die Verzahnungen bzw. Doppelstirnräder können kostengünstigere Werkstoffe, insbesondere Kunststoffe verwendet werden. Hierdurch ergibt sich konstruktiv eine besonders kostensparende Darstellung der Aktuatoreinrichtung. Des Weiteren lässt sich durch die Verwendung des Werkstoffes Kunststoff effektiv eine Geräuschreduzierung des Getriebes erreichen.
Alternativ kann das große Zahnrad des Doppelstirnrades aus Kunststoff und das kleine Zahnrad des Doppelstirnrades aus Metall gefertigt sein. Der Kunststoff trägt in diesem Fall zur Geräuschreduzierung bei während mit dem Stirnrad aus Metall die größeren zu übersetzenden Kräfte übertragen werden können. Somit kann je nach Kräfteanfall bzw. Einsatzgebiet die entsprechende Materialpaarung gewählt werden. Wenn unterschiedlichen Materialien bzw. Werkstoffe gewählt werden, so ist eine den Drehmomenten bzw. Kräften entsprechende Fügemöglichkeit vorzusehen. So können die Stirnräder aus Kunststoff und Metall z.B. durch Formschluss miteinander verbinden sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zumindest eine Doppelstirnrad auf einem unmittelbar mit einem Motorgehäuse der Aktuatoreinrichtung verbundenen Zapfen gelagert. Auf diese Weise ergibt sich eine kostengünstige und konstruktiv einfache Ausbildung des Untersetzungsgetriebes und Anordnung des Doppelstirnrads, bzw. der Doppelstirnräder, im Fall der Verwendung mehrerer Doppelstirnräder für die Getriebeuntersetzung, beispielsweise in Form einer kostengünstigen Gleitlagerung des bzw. der Doppelstirnräder, auf im Motorgehäuse entsprechend befestigten Zapfen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass zumindest eine, bevorzugt beide Lagerungen des Hohlrotors für den Antriebsmotor der Aktuatoreinrichtung auf der Spindelmutter angeordnet sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Hohlrotor des Antriebsmotors zumindest auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, nicht eigens am Motorgehäuse gelagert ist. Vielmehr wird die Lagerung des Hohlrotors bei dieser Ausführungsform von der Spindelmutter getragen, wobei die Spindelmutter wiederum im Motorgehäuse gelagert ist.
Auf diese Weise lässt sich eine konstruktiv einfache und insbesondere axial sehr kompakte Aktuatoreinrichtung erhalten, da durch diese Anordnung der Hohlrotor-Lagerungen die Gewindespindel, die Spindelmutter und der Hohlrotor koaxial im Wesentlichen auf derselben axialen Länge der Aktuatoreinrichtung angeordnet werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Stirnradverzahnung des Hohlrotors (mit anderen Worten das hohlrotorseitige Stirnrad) als Hülse sowie einstückig mit einer Lagerschale des Hohlrotors ausgebildet. Dies trägt zu einer nicht nur bauraumsparenden, sondern auch kostengünstigen Ausführung mit einer minimalen Anzahl an Einzelteilen und Montagevorgängen bei der Herstellung bei.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Stirnradverzahnungen des Hohlrotors und der Spindelmutter, sowie das Doppelstirnrad – bzw. zumindest eine der beiden Verzahnungen des Doppelstirnrads – austauschbar ausgebildet bzw. aus einem Baukastensystem auswählbar sind. Auf diese Weise ergibt sich eine einfache Anpassbarkeit der Aktuatoreinrichtung beispielsweise an unterschiedliche Fahrzeugtypen mit unterschiedlichen Anforderungen bezüglich der Stell- bzw. Lenkkräfte, ohne dass jeweils Neukonstruktionen oder Änderungskonstruktionen erforderlich sind. Wenn hier von austauschbarer Verzahnung bzw. von einem Baukasten gesprochen wird, so ist damit grundsätzlich gemeint, dass zur Veränderung bzw. Anpassung der Übersetzung die zusammenwirkenden Stirnräder von Hohlrotor und zumindest einem Teil des Doppelstirnrades bzw. der Spindelmutter und zumindest einem Teil des Doppelstirnrades gemeint ist. Je nach Anforderung kann auch das gesamte Untersetzungsgetriebe (Hohlrotorstirnrad, Doppelstirnrad und Spindelmutter) ausgetauscht werden. Für gängige Übersetzungsverhältnissen kann somit ein modularer Baukasten vorgesehen sein, der die jeweiligen Anwendungsfälle abdeckt und auf die bei der Auslegung der Lenkung zugegriffen werden kann.
Die Verzahnung der miteinander kämmenden Stirnräder kann als Gerad-, Schräg- oder auch als Pfeilverzahnung ausgeführt sein, wobei insbesondere letztere besonders laufruhig und geräuscharm ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Spindelmutter im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und zwischen zwei Axialkugellagern angeordnet. Dabei bilden die beiden Axialkugellager die Lagerungen der Spindelmutter. Auf diese Weise ergibt sich eine axial besonders kurze Bauweise des Getriebes der Aktuatoreinrichtung, wodurch Bauraum und Gewicht eingespart werden. Ferner kann durch diese Aufnahme und Lagerung der Spindelmutter zwischen den beiden Axialkugellagern eine praktisch spielfreie Aufnahme der Spindelmutter, ebenso wie eine Übertragung auch von hohen Axialkräften von der Spindelmutter auf das Gehäuse der Aktuatoreinrichtung erfolgen.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Spindelmutter als Kugelumlaufmutter ausgebildet. Hierdurch ergeben sich besonders niedrige Reibungskräfte im Hinblick auf einen geringen Stromverbrauch und niedrigen Anlaufstrom der Aktuatoreinrichtung, bei gleichzeitiger Maximierung von Wirkungsgrad und erreichbarer Stellkraft. Auch hier ist in vorteilhafter Weise die Stirnradverzahnung unmittelbar, vorzugsweise einstückig an der Spindelmutter angeordnet, was wiederum zu einer bauraum- und gewichtssparenden Bauweise beiträgt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Aktuatoreinrichtung eine Sicherung gegen Verdrehen der Gewindespindel gegenüber dem Gehäuse der Aktuatoreinrichtung umfasst, die außerhalb des Gehäuses der Aktuatoreinrichtung angeordnet ist, und die zudem vom Gehäuse der Aktuatoreinrichtung getrennt werden kann. Hierdurch ergibt sich eine einfache Montage und Justierung der Aktuatoreinrichtung, ohne dass hierzu ein Eingriff in das Gehäuse notwendig wäre. Zudem kann dank der vom Gehäuse trennbaren Verdrehsicherung der Lenker, die Spurstange bzw. die Gewindespindel – z.B. für Reparaturzwecke – auch nachträglich einfach ausgebaut, ausgetauscht bzw. justiert werden, insbesondere auch im etwa eingebauten Zustand der Aktuatoreinrichtung beispielsweise am Kraftfahrzeug.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Gewindespindel zwei Spindelhälften. Dabei ist jeder Spindelhälfte einer von zwei Gewindebereichen der Spindelmutter zugeordnet. Vorzugsweise ist dabei jeder Spindelhälfte eine eigene, gehäusefixierte Verdrehsicherung zugeordnet. Die beiden Verdrehsicherungen verhindern, dass sich die Spindelhälften unbeabsichtigt gegeneinander verdrehen und dadurch ihre Länge ändern könnten. Aus diesem Grunde wird je Spindel eine Verdrehsicherung benötigt, wobei diese in erster Linie zur Momentenabstützung des bzw. am Gehäuses benötigt werden. Ansonsten würde sich die Spindeln ungünstiger Weise mitdrehen und somit nicht oder nur eingeschränkt linear bewegt werden können.
Durch die Aufteilung der Gewindespindel in zwei Spindelhälften, die in zwei entsprechende Gewindebereiche der Spindelmutter eingreifen, wird eine Aktuatoreinrichtung erhalten, die besonders einfach montierbar ist, da von jeder Stirnseite des Gehäuses her eine Spindelhälfte einfach eingeführt werden kann. Ferner lassen sich auf diese Weise beispielsweise auch Gewindedurchmesser für die Spindelmutter und die Gewindespindel realisieren, die kleiner sind als der sonstige Außendurchmesser der Gewindespindel.
Wenn von Aufteilung der Spindel in zwei Spindelhälften gesprochen wird, so ist damit gemeint, dass die ansonsten eine Spindel in zwei Spindeln aufgeteilt wird. Je nach den vorgesehenen Gewindedrehrichtungen der beiden Spindelhälften (gleichläufige bzw. gegenläufige Gewindedrehrichtung) ergibt sich mit dieser Ausführungsform auch die Möglichkeit, eine Aktuatoreinrichtung mit gegenläufiger Bewegung der beiden Enden der Gewindespindel zu realisieren. Mit anderen Worten, je nach Ansteuerung des Antriebsmotors der Aktuatoreinrichtung verringert oder vergrößert sich der Abstand der äußeren Enden der zweigeteilten Gewindespindel, bzw. der durch die Verlängerungen der Gewindespindel gebildeten Spurstangen oder Achslenker. So können z.B. gegenläufige Lenkbewegungen erzielt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine der beiden Spindelhälften dabei mit dem Motorgehäuse der Aktuatoreinrichtung verbunden. Hierbei weisen die beiden Spindelhälften – ebenso wie die zugehörigen beiden Gewindebereiche der Spindelmutter – jeweils gegenläufige Gewindedrehrichtungen auf. Auf diese Weise entfällt die Ableitung der Axialkräfte (im Lenker bzw. in der Gewindespindel) über die Spindelmutter und deren Lagerung in das Gehäuse der Aktuatoreinrichtung. Stattdessen können die Axialkräfte von der beweglichen Spindelhälfte über die Spindelmutter auf die gehäusefeste Spindelhälfte übertragen und so direkt in das Gehäuse eingeleitet werden. Die Spindelmutter muss in diesem Fall gegenüber dem Motorgehäuse axial relativbeweglich angeordnet sein, da sie bei dieser Ausführungsform jeweils selbst einen Teil des axialen Verstellwegs der beweglichen Spindelhälfte zurücklegt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1: in einer schematischen Schnittdarstellung eine Ausführungsform einer Aktuatoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2: in einer 1 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform einer Aktuatoreinrichtung mit scheibenförmiger Spindelmutter;
3: in einer 1 und 2 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform einer Aktuatoreinrichtung mit Kugelumlaufmutter; und
4: in einer 1 bis 3 entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform einer Aktuatoreinrichtung mit zweigeteilter Gewindespindel.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Linear-Aktuatoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer lediglich schematischen Längsschnittdarstellung.
Man erkennt zunächst ein Gehäuse 1, in dem der Rotor 2 des Antriebsmotors der Aktuatoreinrichtung angeordnet ist. Zeichnungsbezogen auf der rechten Seite des Gehäuses 1 wird das Gehäuse von einer Gewindespindel 3 durchragt, deren axiale Position relativ zum Gehäuse 1 der Aktuatoreinrichtung – und damit deren effektive Länge – mittels der Aktuatoreinrichtung motorisch veränderbar ist. Die Gewindespindel weist dabei einen Gewindebereich 4 auf, der im Eingriff mit einem Innengewinde einer Spindelmutter 7 steht. Die Gewindespindel 3 kann dabei z.B. über ein (nicht dargestelltes) Kugelgelenk mit einem Querlenker oder einer Spurstange einer Fahrzeugachse bzw. Fahrzeuglenkung verbunden sein.
An der zeichnungsbezogen linken Seite des Gehäuses 1 ist ein Befestigungsflansch 5 angedeutet, über den die Aktuatoreinrichtung beispielsweise mit dem Chassis des Kraftfahrzeugs bzw. mit dem Achskörper einer Achse des Kraftfahrzeugs verbunden werden kann, und wodurch sich die Aktuatoreinrichtung somit gegenüber Chassis bzw. Achskörper abstützt. Innerhalb des Gehäuses 1 ist ferner ein Untersetzungsgetriebe mit einem Doppelstirnrad 6 sowie die Spindelmutter 7 angeordnet.
Der Rotor 2 des Antriebsmotors ist dabei als Hohlrotor ausgeführt, welcher die koaxiale Anordnung aus Gewindespindel 3 mit Gewindebereich 4 und Spindelmutter 7 – ebenfalls koaxial – umgibt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Hohlrotoreinheit, bestehend aus Rotor 2 und den beiden Wälzlagern 8, 9, unmittelbar auf der Spindelmutter 7 gelagert, welche wiederum mittels der beiden weiteren Wälzlager 11, 12 am Gehäuse 1 der Aktuatoreinrichtung gelagert ist.
Auf diese Weise ergibt sich eine äußerst kompakte Gestaltung der Aktuatoreinrichtung, mit einem Minimum an Bauteilen sowie Montageschritten bei der Herstellung.
Die Spindelmutter 7 bildet zudem auch die Führung und Lagerung für die Gewindespindel 3, indem die Gewindespindel 3 in ihrem (den Gewindebereich 4 tragenden) zeichnungsbezogen linken Bereich durch den dortigen Gewindekontakt mit der Spindelmutter 7, und am zeichnungsbezogen rechten Ende des Gehäuses 1 – ebenfalls durch die Spindelmutter 7 – durch die dort gleichzeitig als Führungshülse 15 ausgebildete Spindelmutter 7 geführt wird.
Weiterhin trägt der Lagerinnenring des zeichnungsbezogen linken Wälzlagers 8 der Hohlrotoreinheit 2, 8, 9 bei der dargestellten Ausführungsform gleichzeitig die Stirnverzahnung 10, in welche das Doppelstirnrad 6 mit der (an seinem größeren Durchmesser angeordneten) entsprechenden Verzahnung eingreift. In ähnlicher Weise trägt auch die Spindelmutter 7 ebenfalls eine Stirnverzahnung, welche wiederum in die Verzahnung des Doppelstirnrads 6 an dessen kleinerem Durchmesser eingreift. Das Untersetzungsgetriebe zwischen dem Hohlrotor 2 des Antriebsmotors der Aktuatoreinrichtung und der Spindelmutter 7 wird somit mit einem Minimum an erforderlichen Bauteilen dargestellt.
Das Doppelstirnrad 6 ist dabei einstückig vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet und auf einem mit dem Gehäuse 1 verbundenen Zapfen 13 gelagert. Auch dies trägt zu der kostengünstigen Bauweise und einfachen Montage der dargestellten Aktuatoreinrichtung bei. Dabei kann – ohne Änderungen an den Außenabmessungen der Aktuatoreinrichtung – auch eine Mehrzahl an Doppelstirnrädern 6 vorgesehen sein, die entlang eines kreisförmigen Umfangs um die Spindelmutter 7 herum verteilt angeordnet sind. Dies ist insbesondere sinnvoll bei der Verwendung von Kunststoff für das Doppelstirnrad 6, da Drehmoment und Verzahnungskräfte somit auf mehrere Doppelstirnräder 6 verteilt werden können.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Linear-Aktuatoreinrichtung mit scheibenförmiger Spindelmutter 7. Man erkennt das Gehäuse 1, die Hohlrotoreinheit bestehend aus Hohlrotor 2, Rotorwälzlagerung 8, 9 und Rotor-Lagerhülse 17, die axial positionsveränderliche Gewindespindel 3 mit Gewindebereich 4, den Befestigungsflansch 5 zur Verbindung der Aktuatoreinrichtung beispielsweise mit einem Chassis oder einem Achskörper eines Kraftfahrzeugs, ferner ein Doppelstirnrad 6 und die Spindelmutter 7.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist bei der Ausführungsform gemäß 2 der Hohlrotor 2 nicht auf der Spindelmutter 7 koaxial angeordnet und gelagert, sondern besitzt eine eigene Lagerung 8, 9 unmittelbar am Gehäuse 1 der Aktuatoreinrichtung. Zu diesem Zweck ist der Hohlrotor 2 auf einer Hülse 17 angeordnet, welche wiederum die Lagerinnenringe für die Wälzlagerung 8, 9 trägt. Mit diesem Lagerkonzept können Hohlrotor 2 und Spindelmutter 7 axial voneinander getrennt sowie beabstandet angeordnet werden. Der Vorteil der direkt Lagerung des Hohlrotors 2 im Gehäuse 1 besteht darin, dass der Hohlrotor 2 nicht auf einer gelagerten Achse (der Spindel) gelagert wird und sich die Lagerspiele von Spindellagerung und Hohlrotorlagerung somit nicht addieren.
Aufgrund der aufwändigeren Lagerung des Doppelstirnrads 6 können bei der Ausführungsform gemäß 2 mittels des Doppelstirnrads 6 somit auch höhere Leistungen bzw. Drehmomente vom Hohlrotor 2 auf die Spindelmutter 7 übertragen und damit höhere Stellkräfte auf die Gewindespindel 3 aufgebracht und übertragen werden. Hierzu trägt auch die im Wesentlichen scheibenförmige Gestaltung der Spindelmutter 7 bei der Ausführungsform gemäß 2 und deren Lagerung zwischen zwei Axialkugellagern 11, 12 bei, wodurch Stellkräfte und auch hohe axiale Reaktionskräfte aus der Gewindespindel 3 spielfrei von der Spindelmutter 7 unmittelbar in das Gehäuse 1 der Aktuatoreinrichtung übertragen werden können.
Die Führung und Lagerung der Gewindespindel 3 – am zeichnungsbezogen linken Ende der Gewindespindel 3 – erfolgt bei der Ausführungsform gemäß 2 wie bei der Ausführungsform gemäß 1 wieder durch den dortigen Gewindekontakt mit der Spindelmutter 7. Am zeichnungsbezogen rechten Ende des Gehäuses 1 ist die Gewindespindel 3 bei dieser Ausführungsform mittels einer separaten Führungsbuchse 16 gegenüber dem Gehäuse 1 gelagert.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist die Stirnverzahnung 10 am Hohlrotor 2, in welche das Doppelstirnrad 6 mit der entsprechenden Verzahnung eingreift, einstückig mit der Lagerhülse 17 ausgebildet, welche gleichzeitig den Hohlrotor 2 trägt und diesen mittels der Wälzlager 8, 9 gegenüber dem Gehäuse 1 lagert.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Linear-Aktuatoreinrichtung. Die Lagerung des Hohlrotors 2 erfolgt bei der Ausführungsform gemäß 3 – ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 2 – wieder mittels einer Lagerhülse 17. Auch hier trägt die Lagerhülse 17 außen unmittelbar die Verzahnung 10, in welche das Doppelstirnrad 6 mit seiner (am größeren Durchmesser angeordneten) Verzahnung eingreift.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 ist die Verzahnung 10 dabei jedoch nicht unmittelbar neben dem Hohlrotor 2 angeordnet, sondern die Hohlrotor-Wälzlagerung 8 ist zwischen der Verzahnung 10 und dem Hohlrotor 2 angeordnet. Ebenso ist die Stirnverzahnung der Spindelmutter 7 bei der Ausführungsform gemäß 2 nicht zwischen den beiden Spindelmutter-Wälzlagern 11, 12, sondern im Bereich außerhalb der Wälzlagerung 11, 12 angeordnet. Zusammen ermöglicht dies eine Anordnung der Wälzlager 14 des Doppelstirnrads 6 an den Wellenenden des Doppelstirnrads 6, im Gegensatz zu der fliegenden Lageranordnung des Doppelstirnrads 6 bei den Ausführungsformen gemäß 1 und 2.
Ferner ist die Spindelmutter 7 bei der Ausführungsform gemäß 3 als Kugelumlaufmutter ausgeführt, wodurch sich – im Hinblick auf einen geringen Stromverbrauch und Anlaufstrom der Aktuatoreinrichtung – besonders niedrige Reibungskräfte zwischen Spindelmutter 7 und Gewindespindel 3 bzw. Gewindespindel-Gewindebereich 4 ergeben, bei gleichzeitiger Maximierung des Wirkungsgrads und der erreichbaren Stellkräfte in der Gewindespindel 3.
4 schließlich zeigt eine Ausführungsform einer Aktuatoreinrichtung, bei der die Gewindespindel 3 (und damit auch der Gewindebereich 4, 4' der Gewindespindel 3) zweigeteilt ist, womit sich die beiden Spindelhälften 3, 3' und die zugehörigen Gewindebereiche 4, 4' ergeben. Die beiden Gewindebereiche 4, 4' können dabei – ebenso wie die beiden, jeweils zugehörigen Gewindebereiche der Spindelmutter 7 – gegenläufige Gewindedrehrichtungen aufweisen, so dass sich bei der aktuatorischen Rotation der Spindelmutter 7 je nach deren Drehrichtung eine expandierende bzw. kontrahierende, jeweils gegenläufige axiale Bewegung der beiden Spindelhälften 3, 3' ergibt.
Alternativ können die beiden Gewindebereiche 4, 4' sowie die zugehörigen Gewindebereiche der Spindelmutter 7 auch gleichläufige Gewindedrehrichtungen aufweisen, so dass beide Spindelhälften 3, 3' sich bei der Rotation der Spindelmutter 7 jeweils in gleicher Richtung entweder aufeinander zu oder voneinander weg bewegen.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 sind ferner Verdrehsicherungen für die beiden Gewindespindel-Gewindebereiche 4, 4' bzw. für die beiden Spindelhälften 3, 3 dargestellt. Die Verdrehsicherungen sind dabei als außenliegende Flansche 18, 19 ausgebildet und mit den Stirnseiten des Gehäuses 1 verbunden. Dabei weisen die Flansche 18, 19 axial verlaufende Führungsbahnen 20, 21 auf, in welche entsprechende, an den Spindelhälften 3, 3' angeordnete Führungsnasen 22, 23 rotatorisch formschlüssig eingreifen und somit ein Verdrehen der Spindelhälften 3, 3 gegenüber dem Gehäuse 1 der Aktuatoreinrichtung unterbinden.
Durch die zweigeteilte Ausführung der Gewindespindel 3, 3' sowie durch die außenliegend am Gehäuse 1 angeordneten Verdrehsicherungen 18, 19 ergibt sich einfache Montierbarkeit (sowie ggf. spätere Justierbarkeit bzw. Wartung) der dargestellten Aktuatoreinrichtung, da von jeder Stirnseite des Gehäuses 1 jeweils eine Spindelhälfte 3, 3' in das Gehäuse 1 einfach eingeführt, und in die beiden Gewindebereiche der Spindelmutter 7 (bei 4, 4') eingeschraubt werden kann.
Auch lassen sich auf diese Weise (dank der Zweiteilung der Gewindespindel) Gewindedurchmesser für die Spindelmutter 7 und die Gewindespindel 3, 3' (in den Gewindebereichen 4, 4') realisieren, die kleiner sind als andere, weiter außenliegende Durchmesserbereiche der Spindelhälften 3, 3', wodurch sich die Montage der Aktuatoreinrichtung insgesamt erleichtert. Ferner ergeben sich hierdurch zusätzlich größere Freiheiten bezüglich der Übersetzungsverhältnisse und der erzeugbaren Axialkräfte in den Lenkern 3, 3'.
Die vorliegende Erfindung stellt damit im Ergebnis Linear-Aktuatoreinrichtungen bereit, die sich insbesondere durch kompakten Aufbau, geringe Masse, hohe Modularität und Variabilität, sowie durch niedrige Herstellungskosten auszeichnen.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Rotor, Hohlrotor
3, 3': Gewindespindel, Spindelhälfte
4, 4': Gewindespindel-Gewindebereich
5: Befestigungsflansch
6: Doppelzahnrad
7: Spindelmutter
8, 9: Rotor-Wälzlagerung
10: Rotor-Stirnverzahnung
11, 12: Spindelmutter-Wälzlagerung
13: Lagerzapfen
14: Doppelstirnrad-Wälzlagerung
15: Lenker-Führungshülse
16: Lenker-Führungsbuchse
17: Rotor-Lagerhülse
18, 19: Flansch, Verdrehsicherung
20, 21: Führungsbahn
22, 23: Führungsnase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006048614 [0004]

Claims

Linear-Aktuatoreinrichtung für eine Spurstange oder einen verstellbaren Lenker, die Aktuatoreinrichtung umfassend eine relativ zu einem Gehäuse (1) axial verschiebbare Gewindespindel (3), eine auf der Gewindespindel (3) rotierbar angeordnete Spindelmutter (7), einen Antriebsmotor zum rotatorischen Antrieb der Spindelmutter (7), der Antriebsmotor aufweisend eine Hohlrotoreinheit (2, 8, 9) mit einem Hohlrotor (2) und Lagerungen (8, 9) für den Hohlrotor (2), wobei die Gewindespindel (3) die Hohlrotoreinheit koaxial durchdringt, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils am Außenumfang der Hohlrotoreinheit und der Spindelmutter (7) Stirnradverzahnungen angeordnet sind, wobei die Hohlrotor-Stirnradverzahnung (10) und die Spindelmutter-Stirnradverzahnung über zumindest ein Doppelstirnrad (6) wirkverbunden sind.
Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Doppelstirnräder (6) kreisförmig um die Spindelmutter (7) herum angeordnet sind.
Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Doppelstirnrad (6) auf einem unmittelbar mit dem Gehäuse (1) der Aktuatoreinrichtung verbundenen Zapfen (13) gelagert ist.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlrotor-Lagerung (8, 9) auf der Spindelmutter (7) angeordnet ist.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Hohlrotor-Lagerungen (8, 9) auf der Spindelmutter (7) angeordnet sind.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnradverzahnung (10) der Hohlrotoreinheit als Hülse einstückig mit einer Lagerschale der Hohlrotoreinheit ausgebildet ist.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnradverzahnung (10) der Hohlrotoreinheit, die Stirnradverzahnung der Spindelmutter (7) und/oder zumindest eine der beiden Verzahnungen des Doppelstirnrads (6) austauschbar ausgebildet sind.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (7) im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und zwischen zwei Axialkugellagern (11, 12) angeordnet ist, wobei die Axialkugellager (11, 12) die Lagerungen für die Spindelmutter (7) bilden.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (7) als Kugelumlaufmutter ausgebildet ist.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung eine Verdrehsicherung (18, 19) für die Gewindespindel (3) aufweist, wobei die Verdrehsicherung (18, 19) außerhalb des Gehäuses (1) der Aktuatoreinrichtung angeordnet und vom Gehäuse (1) trennbar ist.
Aktuatoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel zwei Spindelhälften umfasst, wobei jeder Spindelhälfte einer von zwei Gewindebereichen (4, 4') der Spindelmutter zugeordnet ist.
Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spindelhälfte eine Verdrehsicherung (18, 19) zugeordnet ist.
Aktuatoreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spindelhälfte mit dem Motorgehäuse (1) der Aktuatoreinrichtung verbunden ist, wobei die beiden Spindelhälften sowie die zugehörigen Gewindebereiche der Spindelmutter (7) jeweils gegenläufige Gewindedrehrichtungen aufweisen.
Aktuatoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung der zusammenwirkenden Stirnradverzahnungen als Geradverzahnung, Schrägverzahnung oder als Pfeilverzahnung ausgebildet ist.