DE102012221992B4

DE102012221992B4 - Antriebseinrichtung, insbesondere Motor mit Kugel-Gewindetrieb

Info

Publication number: DE102012221992B4
Application number: DE102012221992.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Klöblen; Heinz Leiber
Original assignee: August Steinmeyer GmbH and Co KG
Current assignee: August Steinmeyer GmbH and Co KG
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2032-12-01
Also published as: DE102012221992A1

Abstract

Antriebseinrichtung, mit einem Motor und einem Kugel-Gewindetrieb für eine Spindel wobei zwischen einem Gehäuseteil (2) und einer Mutter (6) des Kugel-Gewindetriebes nur ein Lager (7, 8) angeordnet ist, wobei das Lager ein 4-Punkt-Lager (7,8) ist und ein Innenring (8) des Lagers (7,8) geteilt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (6) und das Lager (7,8) teilintegriert ausgeführt sind, wobei der Innenring (8) des Lagers (7, 8) teilweise von der Mutter (6) des Kugel-Gewindetriebes gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, insbesondere einen Motor, mit Kugel-Gewindetrieb (KGT), gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Trend zur Elektrizifizierung aller Wirtschaftszweige werden immer mehr Elektromotoren (EM) als Stellantriebe eingesetzt. Insbesondere gilt dies für Elektromotoren (EM) mit Spindelantrieb und KGT. Im Kfz, insbesondere bei zukünftigen Bremssystemen, wie zum Beispiel integrierte Systeme und die sogenannte elektromechanische Bremse (EMB), für a) Antriebe der Bremsbeläge und b) Antriebe für Kolben. In beiden Fällen erfolgt eine Lagerung des Rotors und der Spindel.
Aus der DE 197 57 038 A1 ist die typische Verwendung eines integrierenden Vierpunktlagers für das KGT bekannt, wobei der Rotor auf dem KGT gelagert ist. Rotorantrieb und Sensorantrieb sind auf einer Seite des KGT angeordnet.
DE 10 2008 059 862 A1 , DE 10 2010 050 132 A1 , US 5 505 547 A , US 2008/0 297 010 A1 und JP 2006 182 047 A verwenden für Rotor und KGT zwei Lager, wobei der Rotor auf einer Seite eines Lagers und der Sensorantrieb auf der anderen Seite angeordnet ist.
DE 10 2010 050 175 A1 beschreibt eine Kugelgewindemutter mit einer gewindeförmigen Kugellaufbahn und mindestens einer Kugelrückführeinrichtung.
DE 102 58 826 A1 beschreibt eine Antriebseinrichtung mit Wälzköpergewindetrieb.
DE 195 11 287 A1 beschreibt eine elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse.
Aus dem Katalog „Standardliefersortiment“ des Jahres 2005 von SKF sind weitere Kugelgewindetriebe bekannt.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2011 112 515 A1 und der EP 1 363 382 A1 sind Antriebseinrichtungen mit nur einem, nicht einstellbaren Lager bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Antriebseinrichtung mit einem Motor und mit Kugel-Gewindetrieb, insbesondere mit vereinfachter Lagerung zu schaffen.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Antriebseinrichtung, insbesondere ein (Elektro-)Motor mit Kugel-Gewindetrieb mit vereinfachter Lagerung geschaffen. Damit werden in vorteilhafter Weise bezüglich der Lagerung und der Befestigung des Rotors und Antriebselements kleine Radialtoleranzen zwischen Rotor und Stator ermöglicht. Der daraus resultierende kleine Luftspalt ist für den Motorwirkungsgrad von großer Bedeutung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Weitere vorteile der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen ergeben sich aus den nachfolgende Ausführungen.
Es wird ein in die Mutter des KGT integriertes 4-Punktlager vorgeschlagen für die gemeinsame Lagerung von KGT und den Rotor des Motors, wobei auf einer Seite der Lagerung der KGT und auf der anderen Seite ein Abtriebselement vorwiegend für einen Motorpositionssensor eingesetzt wird. Das 4-Punktlager wird vorzugsweise in einen Lagerring aus Stahl eingesetzt oder in diesen integriert. Dies ist vorteilhaft, weil sich unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen Lager aus Stahl und Motorgehäuse aus Aluminium oder Kunststoff nicht auf das Lagerspiel auswirken. Dies ist wichtig, damit der festsitzende Außenring Kippkräfte aufnehmen kann.
Die Aufnahmebohrung im Motorgehäuse kann zusammen mit der Aufnahmebohrung des Stators gefertigt werden, was kleine Toleranzen ermöglicht. Für manche Bauarten von Elektromotoren (EM) ist dieser Lagerring zugleich Rückschluss für den Magnetfluss durch den Rotor. Der Lagerring wird vorzugsweise formschlüssig mit dem Motorgehäuse verbunden.
Der nicht mit 4-Punktlager integrierte Innenring kann über Gewinde zu enger Spieleinstellung mit dem KGT Flansch verbunden werden oder auch gemeinsam mit dem Abtriebselement.
Auch ist eine Lösung ohne Gewinde durch Verschweißen oder Tellerfeder(n) möglich. Diese Lösung hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Innenring radial schwimmend ist und sich besser auf die Kugeln des KGTs einstellt. Durch diese Lösung sind kleine Radialtoleranzen möglich für die Lagerung. Wichtig ist die Befestigung des Rotors am KGT, was ebenfalls in die Radial- und damit Luftspalttoleranzen eingeht.
Der Rotor, welcher das Drehmoment auf die KGT Mutter überträgt, muss mit möglichst kleinen Toleranzen an der Mutter des KGT zentriert werden. Hierzu sind Flansch, Innenbohrung oder mehrere Stege an der Mutter geeignet.
Der Rotor ist vorzugsweise ein Tiefziehteil bei dem die Zentrierflächen zum Außendurchmesser sehr genau sind. Die Befestigung des Rotor muss die Drehmomentübertragung sicherstellen. Hierzu können mindestens zwei Befestigungsschrauben eingesetzt werden, vorzugsweise als Dehnschrauben ausgebildet. Auch ist eine Verstemmung des Rotors vorteilhaft zusammen mit mehreren Stegen an der KGT Mutter. Dies hat den Vorteil, dass der ohnehin genaue Außendurchmesser der KGT Mutter mit entsprechendem Fenster im Rotor genutzt werden kann. Dadurch kann sowohl die tangentiale Fixierung für die Drehmomentübertragung als auch axiale Fixierung über einen konischen Steg ermöglicht werden. Auch kann eine Schraube oder Kerbstift für die axiale Sicherung verwendet werden.
Mit o. g. Lösung kann ein einfacher Aufbau mit kleinen Radialtoleranzen ermöglicht werden.
Bei einem Kolbenantrieb wirken vor allem hohe Axialkräfte. Aber auch Radialkräfte durch die Magnetkräfte am Motor und Spindelschlag, der durch die Ankopplung an Kolben und nicht gezeichnete Drehmomentenabstützung entsteht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung bzw. ihrer vorteilhaften Ausführungen und weitere Merkmale und Vorteile, ergeben sich aus der Zeichnung und ihrer nachfolgenden näheren Beschreibung.
Es zeigen:

1: die Anordnung des KGT mit 4-Punktlagerung und Motor;
1a bis 1c: verschiedene Lösungen zur Fixierung des Innenrings des 4-Punktlagers;
2 bis 2d: Lösungen zur Befestigung des Rotors an der KGT Mutter; und
2c1 und 2c2: Details der Lösung gemäß 2c mit Verstemmen.

1 zeigt den Aufbau eines bürstenlosen Motors mit (Motor-)Stator mit Wicklung 1, der in einer Bohrung des Motorgehäuses 2 eingepresst oder eingeschrumpft ist. Im selben Gehäuse ist ein Lagerring 5 vorzugsweise formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden durch z. B. Verstemmen. Der Lagerring 5 erstreckt sich von seiner Befestigung an der radial verlaufenden Gehäusewandung achsparallel in den Rotor des Motors. Beide Bohrungen für Stator 1 und Lagerring 5 wurden in einer Aufspannung gefertigt mit kleinen Toleranzen für Durchmesser und Exzentrizität. Der Lagerring 5 ist vorzugsweise aus Stahl und nimmt den eingepressten oder eingeschrumpften Außenring 7 eines 4-Punktlagers auf, wobei der Außenring einen festen Sitz haben muss, da vom Rotor 3 des Antriebsmotors oder Spindel 10 Kippkräfte wirken, wobei die Hauptbeanspruchung von ca. 90 % von den axial wirkenden Kräften des Kolbens 21 herrühren. Es kann zweckmäßig sein, dass der Lagerring 5 den magnetischen Rückschluss für den Motor übernimmt. Der Lagerring 5a kann auch durch entsprechendes Härteverfahren mit dem Außenring 7a kombiniert ausgeführt sein (siehe untere Hälfte der 1), so dass der Lagerring gut magnetisch leitend ist. Auch kann der magnetisch leitende Lagerring 5a (siehe untere Hälfte der 1) auf den Außenring 7a aufgepresst werden. Der modifizierte, d.h. verlängerte Außenring 7a wird in das Gehäuse 2 eingepresst oder bei 5c verstemmt. Die KGT-Mutter 6 trägt eine Kugellaufbahn und eine Kugelrückführung 22, die achsparallel oder schräg tangential ausgeführt werden kann entsprechend dem Stand der Technik. Zur Reduzierung der Drehmasse kann die Mutter 6 außerhalb der Kugelrückführung bei 23 ausgespart werden, wobei in der Zeichnung nur ein Ausschnitt dargestellt ist.
Auf der anderen Seite des Lagers ist die Mutter 6 als Flansch 6a ausgebildet, wobei der Übergang gestuft ausgeführt ist, um mit dem Innenringteil 8 den geteilten bzw. getrennten Innenring zu bilden und ein Abtriebselement 9 für einen Motorsensor aufzunehmen. Hierzu hat der Flansch 6a ein Feingewinde zur Spieleinstellung und auf der Außenseite für das Abtriebselement, was z. B. ein Zahnrad zum Antrieb eines Motorpositionsgebers sein kann. Auch ist hierfür ein Polrad denkbar.
Auf der anderen Seite wird auf der Stirnseite der Mutter der Rotor 3 auf einem Flansch 12 zentriert und mit mindestens 2 Schrauben 11, vorzugsweise als Dehnschrauben ausgebildet, befestigt. Ein entsprechendes Anzugsmoment sichert das vom Motor/Rotor 3 zu übertragende Drehmoment. Der Rotor trägt die Permanentmagnete 4, die eingebettet oder geklebt sind.
Von großer Bedeutung sind die gesamten Toleranzketten um einen kleinen Luftspalt SR zwischen Rotor und Stator zu ermöglichen. Hierbei wirken zwei Toleranzketten einmal von der KGT-Mutter 6 über die Zentrierung zum Außendurchmesser des Rotors 3 mit den Permanentmagneten und danach Stator mit Gehäusebohrung. Auf der anderen Seite das 4-Punktlager mit KGT-Mutter 3, Flansch 12 und Lagerring 5 mit Aufnahmebohrung. Im Vergleich zum Stand der Technik beschriebenen 2-fachen Lagerung im linken und rechten Gehäuseteil eine deutliche Verbesserung.
In 1a wirkt das Antriebselement mit Gewinde 9 a direkt auf den Innenring 8. Die Sicherung kann durch Kleben oder selbstsicherndes Gewinde erfolgen. Zwischen Flansch 6a und Innenring 8 besteht ein kleines Spiel, so dass sich der Innenring mit seiner Kugellaufbahn auf die Kugeln ausrichten kann.
In 1b ist das Antriebselement verschweißt, was einen Einsatzstahl für die KGT-Mutter verlangt, da die SchweißStelle weich sein muss.
1c zeigt eine Vorspannung durch ein Federelement z. B. Tellerfeder 13 mit Sicherungsring 14.
2 zeigt die in 1 beschriebene Rotorbefestigung mit Außenzentrierung. 2a zeigt die Zentrierung des Rotors 3 in der Innenbohrung 16 der Mutter. 2b zeigt die Zentrierung des Rotors an mehreren Stegen der KGT-Mutter. Hierzu hat der Rotor als Tiefziehteil ausgestanzte Fenster 20. Diese Lösung ist besonders genau, da der Außendurchmesser der Mutter mit kleinen Toleranzen hergestellt werden kann. Der Rotor mit Fenster zentriert sich am Außendurchmesser, nach innen hat das Fenster ein Spiel zum Steg. 2 c ist eine Fortsetzung der Lösung 2 b mit Steg, vorzugsweise ohne zus. Schraube 11. 2 c 1 zeigt eine Teilansicht (Ausschnitt) auf die Stirnseite des Rotorausschnittes mit Steg. Hier wird gezeigt, wie der Rotor mit Fenster auf dem Außendurchmesser der Mutter zentriert wird und vorzugsweise aufgepresst wird. Das Fenster hat seitlich und nach innen Spiel zum Steg, damit die Herstellungsgenauigkeit des Steges unbedeutend ist. Damit nun das Drehmoment in tangentialer Richtung spielfrei übertragen wird, erfolgt eine Verstemmung des gut dehnbaren Rotors beidseitig des Steges durch entsprechende Eindrückungen 19, damit ist der Rotor spielfrei anliegend am Steg. Damit sich die Verstemmung nicht eine Verformung des Rotors bewirkt, sind entsprechende Fenster ausgestanzt. Diese können auch zum Einpressen des Lagerringes 5 und Gegenhalterung beim Verstemmen 5 a genutzt werden. 2c2 zeigt einen Schnitt durch den Steg 17, der die Verformung der Verstemmung 19 zeigt. Der Steg kann leicht konisch gestaltet werden, damit eine axiale Sicherung neben dem radialen Aufpressen des Rotors auf den Steg des Rotors erfolgt, da die axialen Kräfte auf den Rotor sehr klein sind. Hier kann auch eine entsprechende Rautiefe der Flanke des Steges ausreichen. Zu berücksichtigen ist ebenso ein genügendes seitliches Spiel, wie in 2c1 dargestellt, damit der Rotor 3 auf der Stirnfläche der Mutter 6 komplett aufliegt. Alternativ zur konischen Gestaltung oder dem Aufpressen können auch mindestens zwei Befestigungsschrauben oder Kerb- bzw. Spannstifte mit Kopf verwendet werden.
Bei der in 2d dargestellten Ausführung ist der Rotor 3 auf dem Außendurchmesser der Mutter 6 aufgepresst. Wegen der dünnen Wandung kann die Vorspannung für die Übertragung des Motormomentes nicht ganz ausreichend sein. Deshalb erfolgt eine Verformung des Rotors durch einen Prägestempel 25 oder Verstemmung in eine entsprechende Struktur des Außendurchmessers, z.B. Rändelung oder Verzahnung.
Bezugszeichenliste

1: Motorstator mit Wicklung
2: Motorgehäuse
3: Rotor
4: Permanentmagnet
5: Lagerring
5a: Formschluß mit Motorgehäuse
5c: Verstemmung
6: KGT-Mutter
6a: Flansch mit Gewinde
7: 4-Punkt Lager-Außenring
7a: Außenring
8: Innenring
9: Abtriebselement
10: Spindel
11: Befestigungsschraube für Rotor
12: Flansch an der Mutter
13: Tellerfeder
14: Sicherungsring
15: Zentrierflansch an KGT-Mutter
16: Innenzentrierung
17: Steg an KGT-Mutter
18: Fenster im Rotorflansch
19: Verstemmung
20: Fenster für Steg
21: Kolben
22: Kugelrückführung
23: Gehäuseaussparung
24: Schweißung
25: Prägestempel
SR: Luftspalt Rotor - Stator
S: Spiel

Claims

Antriebseinrichtung, mit einem Motor und einem Kugel-Gewindetrieb für eine Spindel wobei zwischen einem Gehäuseteil (2) und einer Mutter (6) des Kugel-Gewindetriebes nur ein Lager (7, 8) angeordnet ist, wobei das Lager ein 4-Punkt-Lager (7,8) ist und ein Innenring (8) des Lagers (7,8) geteilt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (6) und das Lager (7,8) teilintegriert ausgeführt sind, wobei der Innenring (8) des Lagers (7, 8) teilweise von der Mutter (6) des Kugel-Gewindetriebes gebildet wird.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager, insbesondere mittels seines Außenringes (7), form- oder kraftschlüssig mit dem Gehäuseteil (2) verbunden ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (7,8) mit Spielausgleich an der Mutter (6) angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mutter (6) ein Antriebselement (9) für einen Motorsensor angeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (7,8) mittels des Antriebselementes (9) an der Mutter (6) gehalten ist.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (9) mittels eines Gewindes (6a), eines Sicherungsringes (14) oder mittels Verschweißen (24) an der Mutter (6) befestigt ist.
Antriebseinrichtung mit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagerring (5a) mit dem Aussenring (7a) des Lagers (7,8) kombiniert, insbesondere einstückig, ausgeführt ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (6) ausserhalb einer Kugelrückführung ausgespart ausgeführt ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) des Antriebsmotors über eine Zentrierung, insbesondere mittels Flansch (15) an der Mutter (6) oder mittels Steg (17) an Mutter (6) und Fenster (20) am Rotor (3) oder mittels Flansch oder Innenzentrierung (16) am Rotor (3), mit der Mutter (6) des Kugel-Gewindetriebs verbunden ist.
Lagerung für eine Antriebseinrichtung mit einem Motor und einem Kugelgewindetrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (7, 8) mit geteiltem Innenring (8) an der Mutter (6) des Kugel-Gewindetriebes, form- oder kraftschlüssig befestigt ist.
Lagerung für eine Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mutter (6) zumindest ein weiteres Funktionsteil, insbesondere ein Antriebselement (9) angebracht ist.