-
Die Erfindung betrifft einen Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
-
Ein derartiger Aktuator ist in der
DE 10 2012 208 294 A1 mit einem Getriebemotor beschrieben, der über eine Gewindestange auf einen Hydraulikkolben zur Bremskraftausübung einwirkt. Bei einer selbsthemmenden Gewindesteigung würde die aktuelle Stellung der Gewindestange, und damit über den Kolben auch die aktuelle Bremsbetätigung, selbst bei abgeschaltetem Motor erhalten bleiben. Im Interesse des Wirkungsgrades und ruhigen Laufes wird dort aber auf eine Kugelspindel zurückgegriffen. Bei der tritt keine Selbsthemmung ein, so dass der Motor zum Aufrechterhalten der Bremswirkung ständig im Haltebetrieb bestromt werden müsste. Das wäre etwa auch der Fall, wenn hier eine gewöhnliche Spindel eingesetzt werden würde, deren Gewindesteigung angesichts der Materialpaarung zu hoch für Selbsthemmeffekte ist. Um ein ungewolltes Verlagern der Spindel zu vermeiden, ist in jener Publikation eine lastrichtungsabhängig wirkende Kupplung in Form einer Schlingfeder vorgesehen, die um ein Ende der Kugelspindel herum gewunden und einerseits gegen diese sowie andererseits, mit dem anderen Spiralende, über richtungsabhängig wirkende Mitnehmer gegen das umgebende Bremssattelgehäuse abgestützt ist.
-
Diese Schlingfeder dreht mit, wenn die Kugelspindel vom Getriebemotor her verdreht wird, nämlich zum Verschieben des Kolbens zwecks Anziehens oder Lösens der Bremsbacken. Dagegen schließt diese Kupplung infolge Strammwickelns der Schlingfeder, wenn eine Bremsreaktionskraft, über Druck auf den Kolben, die Kugelspindel samt dem Getriebemotor in Richtung auf ein Lösen der Bremse zu verdrehen sucht. Das ist gewiss ein grundsätzlich interessanter Ansatz, dessen konstruktive Realisierung allerdings recht aufwändig und funktionskritisch ist.
-
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, mit einer weniger aufwändigen Kupplungskonstruktion ein Verdrehen des Getriebes bei abgeschaltetem Getriebemotor zuverlässig zu unterbinden.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmalen gelöst. Danach wird die Kupplung durch eine elektromagnetisch bewirkte Axialverschiebung eines mit der Rotorwelle oder auf der Rotorwelle axial verlagerbaren Kupplungselementes geschaltet; nämlich zum Öffnen der Kupplung außer Eingriff und zum Schließen der Kupplung in kraft- oder formschlüssigen Eingriff mit einem korrespondierenden, axial stationären Kupplungselement verbracht.
-
Dazu kann erfindungsgemäß das getriebeseitige Stirnende einer axial verlagerbar gelagerten Rotorwelle fest mit dem axial verlagerbaren Kupplungselement ausgestattet sein.
-
Zum Schließen der Kupplung und damit zum Blockieren des Getriebes verlagert ein axial wirkendes Druckelement den Rotor des dann stromlosen Motors axial aus der zentralen Betriebsstellung im Stator heraus, bis es zu reib- oder formschlüssigem Eingriff mit dem am benachbarten Gehäuse befestigten, stationären Kupplungselement kommt.
-
Bei Bestromung des Getriebemotors, also im Motorbetrieb, wird der Rotor infolge des Verkürzungsbestrebens des Motormagnetfeldes zwischen Rotor und Stator dem federelastischen Druckelement entgegen axial in jene zentrale Betriebsstellung im Stator zurück verlagert. Damit wird die Kupplung infolge axialen Abhebens der beiden Kupplungselemente voneinander wieder geöffnet, und der Motor kann über das dadurch freigegebene Getriebe unter Lösen oder Anziehen der Bremsbacken auf das Bremssystem einwirken.
-
Nach Abschalten des Motorstromes erfolgt durch das Druckelement wieder die Axialverschiebung des Rotors aus seiner zentralen Betriebsstellung im Stator heraus bis zum axialen Schließen der Kupplung, die nun wieder jedes weitere Verdrehen des in das Bremssystem eingreifenden Getriebes blockiert.
-
Das auf Magnet- beziehungsweise Druckelementkraft beruhende Axialverlagern des Rotors zwischen den Öffnungs- und Schließstellungen der Kupplung kann durch wenigstens einen geschalteten, axial orientierten Elektromagneten an einer, insbesondere an der getriebeseitigen, Motorstirnseite gefördert werden; nämlich in Zusammenwirken mit einem ferromagnetischen Bauteil oder mit einem ebenfalls achsparallel polarisierten Permanent- oder Elektromagneten an dem rotorwellenfesten Kupplungselement.
-
Ein axial stationäres Kupplungselement kann aber auch drehfest auf der Rotorwelle angeordnet sein, dann vorzugsweise zwischen dem Motor und dessen Riemenscheibe oder sonstigen Abtriebsrad als der Eingangsstufe des Getriebes. Das axial verlagerbare Kupplungselement ist dann, relativ zum Motor unverdrehbar, axial verschiebbar auf der Rotorwelle zwischen dem Rotor und dem axial stationären Kupplungselement geführt. Zum Schließen der Kupplung liegt das Druckelement nun zwischen dem Motor und dem axial verlagerbaren Kupplungselement, das mittels des Druckelementes längs der Rotorwelle gegen das wellenfeste Kupplungselement axial angedrückt wird. Zum Öffnen und Offenhalten der Kupplung während des Motorbetriebes wird parallel und vorzugsweise koaxial zum Druckelementweg mittels eines am Motor angeordneten Elektromagneten ein Magnetfeld zu einem Eisenring oder Permanent- beziehungsweise Elektromagneten aufgebaut, der dann an der benachbarten Stirnfläche des unverdrehbar axial verlagerbaren Kupplungselementes angeordnet ist. Das auf Zug gepolte Magnetfeld hebt das axial verlagerbare Kupplungselement unter Spannen des Druckelementes axial vom wellenfesten Kupplungselement ab und öffnet damit die Kupplung, so dass das Getriebe zum Spannen oder Lösen der Bremsbacken in das Bremssystem eingreifen kann.
-
Das Druckelement ist vorzugsweise federelastisch, etwa als konventionelle Feder oder als Gasdruckfeder, ausgelegt, mit reversiblem elektromagnetischen Spannen unter Motorbetrieb und Entspannen zum Kupplungseingriff bei abgeschaltetem Motor. Auch ein externes umpolbares Magnetfeld kommt zum Realisieren der Wirkung des Druckelementes in Betracht. Eine elektrische oder fluidische Betätigung eines Druckelementes hätte den Nachteil, stets in Betrieb sein zu müssen, um bei abgeschaltetem Motor (während eigentlich gerade keine Betriebsenergie verbraucht werden sollte) den Kupplungsschluss zum Vermeiden von Getriebebewegungen aufrechtzuerhalten. Denkbar wäre im Rahmen vorliegender Erfindung aber auch ein Druckelement mit bistabiler Charakteristik; das etwa durch eine Impulsauslösung mit Abschalten des Motors zum Schließen der Kupplung aktiviert und mit Einschalten des Motors aus dieser stromlosen Selbsthaltung wieder gelöst wird.
-
Die Kupplung ist vorteilhafter Weise bei der Rotorwelle und somit hinsichtlich der resultierenden Drehmomenteneinwirkung auf das Bremssystem in günstigster Position, nämlich am Eingang des drehzahluntersetzenden Getriebes, wirksam.
-
Bei den Kupplungselementen kann es sich um Paare von kreisflächenförmigen oder ringförmigen Reibkupplungs-Scheiben oder, zur Oberflächenvergrößerung bei gleichem Durchmesser, von Reibkupplungs-Kegeln mit ebenen oder konzentrisch ineinandergreifend welligen Oberflächenstrukturen handeln. Die Reibkraft zwischen gegeneinander gepressten Oberflächen von Kunststoffspritzgusskörpern ist allerdings schwer vorherzubestimmen und selten konstant. Weil das Getriebe mit Abschalten des Motors arretiert und später mit erneuter Betriebsaufnahme des Getriebemotors sogleich wieder in Drehbewegung versetzt werden soll, können statt Kupplungselementen mit Gleitpaarung auch Kupplungselemente mit Formschlusspaarung eingesetzt werden, die beim Abschalten des Getriebemotors zum Schließen der Kupplung schlagartig wechselseitig axial ineinander eingreifen. Um solche Stoßbeanspruchung des Getriebes zu vermeiden, ist es aber zweckmäßiger, einen Übergang aus der Gleitreibung zu zusätzlichem Formschluss für das Schließen der Kupplung vorzusehen. Dafür können an den Kupplungselementen einander zugewandte Paare von Kugel- und von Hohlkugelkappen ausgeformt sein. Die greifen, gegebenenfalls nach kleinem Gleitdrehwinkel, axial ineinander ein und erbringen so über ihre Flanken zusätzliche Gleitkraftbeiträge für die geschlossene Kupplung.
-
Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung von Varianten eines bevorzugten Realisierungsbeispieles zur Erfindung. In der Zeichnung zeigen, unmaßstäblich auf das Funktionswesentliche abstrahiert skizziert:
-
1 und 2 das Funktionsprinzip der Kupplung mit starrer Anordnung des axial verlagerbaren Kupplungselementes beim Stirnende einer axial verlagerbaren Rotorwelle, bei offener beziehungsweise bei geschlossener Kupplung,
-
3 und 4 in dagegen abgewandelter Ausführungsform das Funktionsprinzip mit längs der Rotorwelle verlagerbarem Kupplungselement, wiederum bei offener beziehungsweise bei geschlossener Kupplung,
-
5 und 6 abgewandelte Beispiele für Paarungen von Reibschluss-Kupplungselementen und
-
7 ein Paar von Kupplungselementen für kombinierten Reib- und Formschluss.
-
Bei einem elektromotorischen Parkbrems-Aktuator 10 gemäß dem in 1 skizzierten Realisierungsbeispiel greift ein hochtouriger Kleinspannungs-Motor 11 über ein mehrstufiges Untersetzungs-Getriebe 12 zum Steigern des Ausgangsdrehmomentes nicht unmittelbar sondern über eine Spindel 13 mit stationärer Spindelmutter 14 in das Bremssystem 15 eines Fahrzeuges ein. In diesem Fall wird die drehfest dem Getriebe 12 nachgeschaltete Spindel 13 axial verlagert, so dass sie unmittelbar einen Bremskolben zum Spannen oder Lösen der Bremsbacken eines Bremssystemes 15 verschieben kann. Andere Eingriffe vom Getriebemotor 11/12 in das Bremssystem 15 erfolgen etwa direkt rotatorisch oder über Gestänge- oder Zugseilkonstruktionen.
-
Wenn bei solchem Eingriff keine Selbsthemmung zum Fixieren der motorisch erzielten Stellung gegeben ist, kann, bei abgeschaltetem Motor 11, eine Bremsreaktionskraft das Getriebe 12 und die Rotorwelle 16, zurückdrehen, also insbesondere das soeben angezogene Bremssystem 15 wieder lösen.
-
Um das zu verhindern, ist beim Motor 11, eingangs des Getriebes 12, eine kleinbauende Kupplung 17 vorgesehen, die (1) bei Betrieb des Motors 11 zum Verdrehen des Getriebes 12 offen, also außer Eingriff ist; die aber bei stromlosem da abgeschaltetem Motor 11 federelastisch druckelementbelastet schließt (2) und dadurch dann ein Verdrehen des Getriebes 12 (in diesem Beispielsfalle einschließlich der Spindel 13) zuverlässig blockiert.
-
Für solches Umschalten der Kupplung 17 ist bei der in 1/2 skizzierten Ausführungsform die Rotorwelle 16 zusammen mit ihrem Rotor 20 innerhalb des Motor-Stators 18 relativ axial verlagerbar gelagert. Bei abgeschaltetem, also unbestromtem Motor 11 wird die Rotorwelle 16 samt Rotor 20 unter dem Einfluss eines axial anliegenden Druckelementes 19 vergleichsweise geringfügig axial aus der zentralen Betriebsstellung im Stator 18 herausgedrückt, nämlich bis zu axialem Schließen der Kupplung 17 auf der dem Druckelement 19 gegenüberliegenden Seite des Motors 11. Für diese Kupplungsfunktion ist die Rotorwelle 16 im Bereiche ihres getriebeseitigen Stirnendes drehstarr mit einem Kupplungselement 21 bestückt, so dass dieses mit der Rotorwelle 15 axial verlagert wird. Über eine relativ kleine freie Distanz axial gegen die Stirn des wellenfesten Kupplungselementes 21 versetzt und mit ihm fluchtend ist ein axial stationäres, getriebegehäusefestes Kupplungselement 22 angeordnet. Zwischen dem Motor 11 und dem ersterwähnten Kupplungselement 21 ist die Rotorwelle 16 drehfest mit ihrem Abtriebsrad 23 (insbesondere Ritzel, Schnecke oder Riemenscheibe) ausgestattet, das den Eintritt in die erste Stufe des Getriebes 12 darstellt. Wie aus der Skizze hervorgeht, kann das im Bereiche des Stirnendes der Rotorwelle 16 gelegene Kupplungselement 21 einteilig mit dem Abtriebsrad 23 gefertigt sein, insbesondere wenn es sich um ein stirnverzahntes Abtriebsrad oder um eine Riemenscheibe handelt.
-
Je nach materialspezifischer und/oder geometrischer Auslegung der zusammenwirkenden Oberflächen der beiden Kupplungselemente 21–22 werden diese, bei unbestromtem da abgeschaltetem Motor 11, zum Schließen der Kupplung 17 von dem axial an der Rotorwelle 16 angreifenden Druckelement 19 bis zum Reib- oder Formschluss zusammengedrückt. Damit ist eine Drehbewegung des mit dem Abtriebsrad 23 beginnenden Getriebezuges 12 zuverlässig blockiert; eine reaktionskraftbedingte Verlagerung der Bremsscheiben im Bremssystem 15 aus der motorisch erreichten Stellung heraus ist deshalb nicht mehr möglich.
-
Beim Motor 11 kann es sich um jede Bauform eines Gleichspannungsmotors handeln, im skizzierten Beispielsfalle mit einem elektromagnetischen Rotor 20 in einem permanentmagnetischen Stator 18. Wenn dieser Motor 11 eingeschaltet wird, wird ein Magnetfeld zwischen Rotor 20 und Stator 18 aufgebaut. Dessen Bestreben, aus energetischen Gründen auf die kürzestmögliche Feldlänge zu schrumpfen, zieht den Rotor 20 mit seiner Rotorwelle 16, der Kraftrichtung des Druckelementes 19 entgegen, axial relativ geringfügig in die etwa mittige Betriebsstellung im Stator 18 zurück. Dadurch wird die Kupplung 17 geöffnet, und der Motor 11 verdreht das Getriebe 12 zum Eingriff in das Bremssystem 15. Wenn mit dem Motorstrom auch das Magnetfeld wieder abgeschaltet wird, verlagert sich der Rotor 20 unter dem Einfluss des Druckelementes 19 wieder axial geringfügig aus der mittigen Betriebsstellung im Motor 11 heraus, bis die Kupplung 17 wieder geschlossen ist und dadurch das Getriebe 12 (samt der ihm gegebenenfalls nachgeschalteten Spindel 13) wieder verdrehfest arretiert wird.
-
Das Druckelement 19 zum Schließen der Kupplung 17 ist in der Prinzipskizze der 1/2 als der Kupplung 17 gegenüber gegen die Rotorwelle 16 axial andrückende, zylindrische oder kegelförmige Schrauben-Druckfeder skizziert. Es kann sich aber auch um eine Gasfeder handeln. Ein axial gedrängterer Aufbau kann sich ergeben, wenn das federelastisch nachgiebige Druckelement 19 als Fluid- oder als Magnetfeld-Kissen, oder gemäß 3/4 als Tellerfeder oder als Wellring-Druckfeder, ausgelegt ist.
-
Ein unter Umständen axial kürzer realisierbares federelastisches Druckelement 19 ist in einer Ausführung des Aktuators 10, wie sie beschränkt auf den Motor 11 mit Kupplung 17 in 3/4 skizziert ist, zwischen dem Stator 18 und einem relativ zur Rotorwelle 16 verdrehbaren aber motorfest geführten, axial verlagerbaren Kupplungselement 21 angeordnet. Die Verdrehsicherung des Kupplungselementes 21 relativ zum Moitor 11 kann dabei längs einer Gehäusebacke erfolgen, oder wie skizziert mittels wenigstens einer motorfesten Längsführung 26. Motorabgelegen, jenseits des so verlagerbaren Kupplungselementes 21, werden das axial stationäre Kupplungselement 22 und das Abtriebsrad 23 drehfest von der Rotorwelle 16 getragen. Auch diese beiden können deshalb, wie skizziert, einstückig ausgebildet sein. Bei abgeschaltetem Motor 11 wird die Kupplung 17 wiederum geschlossen, weil das Druckelement 19 die Kupplungselemente 21–22 axial zu gegenseitiger Anlage bringt.
-
In der Skizze 1/2 ist nicht berücksichtigt, gemäß 3/4 die im Betrieb vom Motorfeld zwischen Rotor 20 und Stator 18 erfolgende Axialverlagerung des Rotors 20 beziehungsweise seiner Rotorwelle 16, dem Druckelement 19 entgegen, durch einen bei Motorbetrieb bestromten, bevorzugt ringförmigen Elektromagneten 24 vor dem kupplungsseitigen Stirnende des Rotors 20 zu fördern. Dieser Elektromagnet 24 wirkt dazu über ein achsparalleles Magnetfeld mit einem Eisenring oder sonstigen magnetisierbaren beziehungsweise ebenfalls elektromagnetischen stationären Körper 25 in der Umgebung des axial stationären Kupplungselementes 22 zusammen. Zum Öffnen der Kupplung 17 ab Einsetzen des Motorbetriebes wird auch der Elektromagnet 24 (und gegebenenfalls zusätzlich ein elektromagnetischer Körper 25) so bestromt, dass die Kupplungselemente 21–22, der Krafteinleitung vom Druckelement 19 entgegen, zuverlässig sofort voneinander abgehoben werden und abgehoben bleiben. Durch vorübergehendes Umpolen der Gleichstromspeisung des Elektromagneten 24 bei Ende des Motorbetriebes kann durch das dann anziehend gepolte Magnetfeld vor dem Elektromagneten 24 die Wirkung des Druckelementes 19 zum Schließen der Kupplung 17 gefördert werden.
-
Im Falle einer Reibschluss-Kupplung 17 lässt sich deren, von den paarweise zusammenwirkenden, im Prinzip ebenen oder kegelförmigen, Flächen der Kupplungselemente 21–22 mitbestimmter, Wirkungsgrad durch eine Reibflächen-Vergrößerung steigern. Gemäß 5 ergibt sich solch eine Reibflächen-Vergrößerung durch korrespondierende Ausbildungen von Kegel- und Hohlkegel-Stümpfen der Kupplungselemente 21 beziehungsweise 22. Auf den kreisscheiben- oder kegelmantelförmigen Anlageflächen können zusätzlich koaxial ineinandergreifende Ringe ausgebildet sein, wie beispielshalber in der Querschnittsskizze der 6 für die Kupplungselemente 21 beziehungsweise 22 angedeutet.
-
Bei gleichen Radien nicht umlaufende Eingriffsstrukturen in den zusammenwirkenden Flächen der Kupplungselemente 21, 22 würden schlagartig einfallende drehstarre Rastkupplungen ergeben. Demgegenüber zu bevorzugen ist eine Kombination aus Reib- und Rastkupplung gemäß 7. Hier verdrehen die Kupplungselemente 21–22 um einen kleinen Winkel unter Gleitreibung, bis für zusätzliche Rastwirkung Kugelkappen in Hohlkugelkappen formschlüssig eingleiten.
-
Ein Parkbrems-Aktuator 10 mit Getriebemotor 11–12 zum Einwirken auf das Bremssystem 15 eines Fahrzeuges weist also erfindungsgemäß zum Festsetzen des Getriebes 12 bei abgeschaltetem Motor 11 bei der Rotorwelle 20 eine Kupplung 17 auf. Ein Kupplungselement 21 kann im Bereiche der Stirn der Rotorwelle 16, also beim Motor-Abtriebsrad 23 am Eingang des Getriebes 12, starr befestigt sein. Bei unbestromtem da abgeschaltetem Motor 11 schiebt ein federelastisch ausgelegtes Druckelement 19 den Rotor 20 aus seiner Betriebsstellung im Zentrum des Stators 18 heraus, bis das Kupplungselement 21 axial gegen ein korrespondierendes, gehäusefestes Kupplungselement 22 anliegt, die Kupplung 17 also geschlossen und deshalb kein Funktionsteil des Aktuators 10 mehr verdrehbar ist. Bei dagegen nicht axial verlagerbarer Rotorwelle 16 ist das Druckelement 19 zum Schließen der Kupplung 17 erfindungsgemäß zwischen dem Stator 18 und dem Kupplungselement 21 angeordnet, das nun, gegenüber dem Stator 18 unverdrehbar geführt, längs der Rotorwelle 16 bis zur Anlage gegen das korrespondierende Kupplungselement 22 verlagerbar ist, welches seinerseits nun starr mit der Rotorwelle 16 verbunden ist. Bei eingeschaltetem Motor 11 wird das längsverlagerbare Kupplungselement 21 mittels elektromagnetischer Feldkraft, der Krafteinleitung des Druckelements 19 entgegen, vom korrespondierenden Kupplungselement 22 abgehoben, so dass das Getriebe 12 von der nun offenen Kupplung 17 zu elektromotorischem Getriebeeingriff in das Bremssystem 15 freigegeben ist. Das Magnetfeld zum Öffnen der Kupplung 17 kann dasjenige zwischen Rotor 20 und Stator 18 während des nun wieder bestromten Motors 11 sein, das den axialverschiebbar gelagerten Rotor 20 unter Stauchen des Druckelementes 19 wieder in seine Betriebsstellung im Zentrum des Stators 18 zurück zieht und dadurch den Kupplungsschluss aufhebt. Zusätzlich oder stattdessen kann für solch Stauchen des Druckelementes 19 während des Motorbetriebes ein Elektromagnetfeld zwischen dem Motor 11 und dem zum Öffnen der Kupplung 17 gegen das Druckelement 19 axial zu verlagernde Kupplungselement 21 aufgebaut werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Aktuator (für 15; mit 11, 12, 13)
- 11
- Motor (für 12–13)
- 12
- Getriebe (zwischen 11 und 13)
- 13
- Spindel (zum Eingriff von 12 nach 15)
- 14
- Spindelmutter (um 13)
- 15
- Bremssystem
- 16
- Rotorwelle (von 11)
- 17
- Kupplung (an 16; zwischen 11 und 12)
- 18
- Stator (von 11)
- 19
- Druckelement (für 21)
- 20
- Rotor (mit 16)
- 21
- axial verlagerbares Kupplungselement (an oder auf 16)
- 22
- axial stationäres Kupplungselement (vor oder an 16)
- 23
- Abtriebsrad (von 11 auf 16)
- 24
- Elektromagnet (der Krafteinleitung von 19 entgegenwirkend)
- 25
- magnetischer Körper (an 21; mit 24 zusammenwirkend)
- 26
- Längsführung (an 11/18; für 21)
-
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 102012208294 A1 [0002]
