DE102013217161A1

DE102013217161A1 - Lineareinheit sowie Verfahren zur Herstellung einer Lineareinheit

Info

Publication number: DE102013217161A1
Application number: DE102013217161.7A
Authority: DE
Inventors: Theo Baukholt; Johannes Görlach; Pierre Schmitt; Kristijan Tarandek
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-03-20
Also published as: KR20150056808A; US9976638B2; US20150240923A1; EP2898233A1; CN104822956A; CN104822956B; WO2014044563A1

Abstract

Ein Lineareinheit (7) zum Aufbringen einer axial wirkenden Kraft mit einem Rotations-Translationsgetriebe (8), insbesondere einem Kugelgewindetrieb, das eine Gewindespindel (1) sowie eine Gewindemutter (2) aufweist, und einem Kraftübertragungsglied (3), welche insbesondere als Druckstange oder Druckrohr ausgebildeten ist, soll dahin gehend verbessert werden, dass weniger Bauteile notwendig sind und die Montage der Lineareinheit möglichst einfach gehalten ist. Dazu sind die Gewindemutter (2) und das Kraftübertragungsglied (3) durch eine formschlüssige, insbesondere spielfreie, Verbindung, insbesondere durch Clinchen, miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lineareinheit zum Aufbringen einer axial wirkenden Kraft mit einem Rotations-Translationsgetriebe, insbesondere einem Kugelgewindetrieb, das eine Gewindespindel sowie eine Gewindemutter aufweist, und einem Kraftübertragungsglied, welches insbesondere als Druckstange oder Druckrohr ausgebildet ist. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lineareinheit.
Oben genannte Lineareinheiten werden insbesondere in „aktiven“ Bremssystemen eingesetzt, in denen unabhängig von oder unterstützend zu der Bremsbetätigung des Fahrers Bremsdruck aufgebaut werden kann. Eine Lineareinheit wandelt dabei beispielsweise eine rotatorische Bewegung einer Gewindespindel in eine translatorische Bewegung einer Gewindemutter. Der dadurch entstehende Hub der Gewindemutter kann dann dazu genutzt werden, einen Kolben zu bewegen und dadurch, insbesondere hydraulisch, Bremsdruck in einem oder mehreren Bremskreisen aufzubauen. Die Spindel kann dabei mit der Welle eines Elektromotors verbunden sein, welcher von einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit (ECU) zum Druckaufbau und/oder -abbau angesteuert wird.
Oben beschriebene Lineareinheiten sind beispielsweise aus der DE 10 2009 019 209 A1 oder der DE 10 2010 039 916 A1 bekannt.
Aus der WO 2011/029812 ist eine Bremsanlage für Kraftfahrzeuge bekannt, welche als Druckbereitstellungseinrichtung eine hydraulische Zylinder-Kolben-Anordnung umfasst, deren Kolben von einem Elektromotor unter Zwischenschaltung eines Rotations-Translationsgetriebes betätigbar ist. In der „Brake-by-wire“-Betriebsart wird der Systemdruck durch diesen Linearaktuator aufgebaut.
Es sind technische Ausgestaltungen von Lineareinheiten bekannt, bei denen die Mutter über einen Adapter bzw. eine Hülse mit dem Profilrohr verbunden wird, wobei die Verbindung zwischen Hülse und Mutter gelasert und die Verbindung zwischen Profilrohr und Hülse verstemmt wird. Bei dem vorbekannten Aufbau sind also mehrere Bauteile und Verbindungen notwendig, um das Profilrohr und die Mutter miteinander zu verbinden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lineareinheit für eine Bremsanlage für Kraftfahrzeuge dahin gehend zu verbessern, dass zu ihrer Herstellung weniger Bauteile als bisher notwendig sind und die Montage der Lineareinheit möglichst einfach gehalten ist. Weiterhin soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren angegeben werden.
In Bezug auf die Lineareinheit wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Gewindemutter und das Kraftübertragungsglied durch eine formschlüssige, insbesondere spielfreie, Verbindung, insbesondere durch Clinchen, miteinander verbunden sind.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung anhand von Figuren.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bekannte Konstruktionen von Lineareinheiten diverse Nachteile aufweisen. Zum einen weisen sie mehrere miteinander zu verbindende Bauteile auf. Zum anderen werden dadurch mehrere Verbindungen zwischen diesen Bauteilen notwendig, wodurch die Konstruktion fehleranfällig werden kann. Die Verbindung zwischen Mutter und Kraftübertragungsglied sollte stabil und zuverlässig sein und dauerhaft hohe Hubbelastungen aushalten können.
Wie nunmehr erkannt wurde, lässt sich diesen Anforderungen genügen durch eine formschlüssige Verbindung zwischen der Gewindemutter und dem Kraftübertragungsglied. Die beiden Komponenten werden also direkt und unmittelbar formschlüssig verbunden. Diese Verbindung dient damit der starren Kopplung der axialen Bewegung von Gewindemutter und Kraftübertragungsglied.
Die Verbindung zwischen der Gewindemutter und dem Kraftübertragungsglied wird vorzugsweise spielfrei ausgebildet. Auf diese Weise wird ein besonders präzises Verfahren eines mit dem Kraftübertragungsglied verbundenen Kolbens ermöglicht. Zudem werden Materialabnutzungen durch Verschieben und gegebenenfalls Reiben der beiden Komponenten gegeneinander vermieden.
Die formschlüssige Verbindung zwischen Gewindemutter und Kraftübertragungsglied erfolgt vorzugsweise durch Clinchen bzw. Durchsetzfügen. Dabei entsteht durch Breiten und/oder Fließpressen eine formschlüssige und nicht mehr lösbare Verbindung.
Alternativ kann die formschlüssige Verbindung auch durch Verstemmen erfolgen, wobei insbesondere das Kraftübertragungsglied plastisch verformt wird.
Vorteilhafterweise wird die Gewindespindel von einem Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator angetrieben, wobei die Gewindemutter nicht drehbar gelagert ist. Mit anderen Worten, die Gewindemutter wird durch ihre Lagerung daran gehindert, sich bei der Rotation der Spindel mitzudrehen. Dadurch wird erreicht, dass sich die Mutter ausschließlich in axialer Richtung, also in Richtung oder Gegenrichtung der Längsachse der Spindel (abhängig vom Drehsinn der Spindel) bewegt. Der Rotor des Elektromotors bzw. eine damit verbundene Welle ist dabei bevorzugt starr und verdrehsicher direkt mit der Spindel verbunden. Der Elektromotor wird dabei bevorzugt von einer Steuer- und Regeleinheit (ECU) bedarfsweise zum Druckaufbau und/oder Druckabbau angesteuert.
Bevorzugt ist die Lineareinheit als ein hydraulischer Aktuator oder eine hydraulische Druckquelle ausgebildet. Dabei ist das Kraftübertragungsglied besonders bevorzugt mit einem Kolben mechanisch verbunden. Der Kolben begrenzt besonders bevorzugt in einer Bohrung einen druckmittelgefüllten Druckraum. Der Kolben ist besonders bevorzugt als hydraulischer Kolben einer Zylinder-Kolben-Anordnung ausgebildet.
Die Lineareinheit kann alternativ dazu auch in einem elektromechanischen Bremssystem eingesetzt werden. Dazu würde dann bedarfsweise der Kolben direkt einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe drücken, wobei auch hier der Elektromotor von einer Steuer- und Regeleinheit angesteuert würde.
Die Gewindemutter umfasst vorzugsweise, insbesondere in einem dem Kraftübertragungsglied zugewandten Bereich, eine Nut. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt insbesondere beim Clinchen, aber auch beim Verstemmen, die Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung, indem beim Zusammenfügen von Kraftübertragungsglied und Gewindemutter das weichere Material des Kraftübertragungsgliedes in die Nut fließt bzw. gedrückt wird. In diesem Bereich wird das Kraftübertragungsglied durch das die Nut umgebende Material der Gewindemutter an einer Bewegung in axialer Richtung gehindert, wodurch sich der Formschluss ergibt.
Das Kraftübertragungslied ist bevorzugt als Profilrohr ausgestaltet. Ein an seiner Oberfläche glatt ausgestaltetes Rohr könnte das durch die rotatorische Bewegung entstehende Drehmoment nicht abstützen.
Die Gewindemutter stützt sich bevorzugt am Kraftübertragungsglied, besonders bevorzugt durch eine formschlüssige Abstützung, gegen ein Verdrehen ab. Durch eine derartige konstruktive Ausgestaltung ist eine Verdrehung der Gewindemutter relativ zum Kraftübertragungsglied gesperrt. Das Kraftübertragungsglied ist dann sowohl in axialer als auch in radialer Richtung mit der Gewindemutter in Formschluss, wodurch eine besonders stabile Verbindung erreicht wird.
Diese Verdrehsicherheit wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass an der Gewindemutter, insbesondere in einem Fügebereich zwischen Gewindemutter und Kraftübertragungsglied, Ausformungen, insbesondere in Form einer Rändelung oder Zahnung, angeordnet sind.
Vorzugsweise füllt das Kraftübertragungsglied bzw. dessen Material bei der Herstellung der formschlüssigen Verbindung von Gewindemutter und Kraftübertragungsglied, insbesondere dem Clinchen, den Bereich der Ausformungen formschlüssig aus. Der Formschluss in radialer Richtung entsteht demnach dadurch, dass während des Fügeprozesses das weichere Material des Kraftübertragungsgliedes in diese Ausformungen fließt.
In Bezug auf das Verfahren zur Herstellung einer Lineareinheit wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Gewindemutter und das Kraftübertragungsglied durch eine formschlüssige, insbesondere spielfreie, Verbindung, insbesondere durch Clinchen, verbunden werden.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch eine formschlüssige Verbindung von Gewindemutter und Kraftübertragungsglied keine Zusatzbauteile, wie beispielsweise eine Hülse, erforderlich sind. Durch den Verzicht auf ein zusätzliches Bauteil werden einerseits Kosten gespart.
Andererseits wird durch die kompakte Bauweise auch der für die Lineareinheit benötigte Bauraum reduziert.
Für die Herstellung der Verbindung muss nur in axialer Richtung gefügt werden, wodurch sich eine besonders einfache Montage ergibt. Diese ist durch die Clinchkraft zudem gut überwachbar. Dies geschieht bevorzugt mit Hilfe eines Kraft/Weg-Diagrammes, in dem die Clinchkraft als Funktion des Weges, den beim Clinchen das Kraftübertragungsglied in Bezug auf die Mutter zurücklegt, sichtbar gemacht wird. In diesem Diagramm lässt sich ein bandartiger Bereich definieren, in dem der Kraft/Weg-Zusammenhang auf einen ordnungsgemäß durchgeführten Clinchvorgang hindeutet.
Für das Kraftübertragungsglied, welches bevorzugt als Profilrohr ausgestaltet ist, ergibt sich eine einfache Formgebung. Es kann beispielsweise als Strangpressprofil mit Endenbearbeitung an einer Drehmaschine gefertigt werden. Die Geometrie an der Gewindemutter kann durch Umformen mit geringer Drehbearbeitung zur Formung einer Nut hergestellt werden. Durch die vorgeschlagene Verbindung von Spindel und Mutter wird eine einfache, stabile und im Fertigungsprozess sehr gut beherrschbare Konfiguration geschaffen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematischer Darstellung:
1 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lineareinheit,
2 einen Längsschnitt durch die Lineareinheit gemäß 1,
3 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lineareinheit in einem Längsschnitt, und
4 einen Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lineareinheit in einem Längsschnitt.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lineareinheit 7 dargestellt. Durch einen nicht dargestellten Elektromotor wird eine Drehbewegung erzeugt, die durch einen Kugelgewindetrieb bzw. ein Rotations-Translationsgetriebe 8 in eine translatorische Bewegung gewandelt wird. Durch diese Bewegung wird ein nicht dargestellter Kolben verschoben, der einen Druckaufbau bzw. Druckabbau bewirkt. Die translatorische Bewegung der Gewindemutter 2 wird also an das Kraftübertragungsglied 3 und dann an den Hydraulikkolben der Kolben-Zylinderanordnung übertragen.
Das Rotations-Translationsgetriebe 8 bzw. der Kugelgewindetrieb dient der Umwandlung der vom Rotor des Elektromotors ausgeführten Drehbewegung in eine translatorische Bewegung des Kraftübertragungsgliedes 3, die zur Betätigung des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Anordnung erforderlich ist. Dabei weist der Kugelgewindetrieb eine Gewindespindel 1, eine mit der Gewindespindel 1 in Eingriff stehende Gewindemutter 2 sowie mehrere zwischen ihnen angeordnete bzw. laufende Kugeln (nicht dargestellt) auf, die z. B. in schraubenlinienförmigen Rillen 10 auf der Oberfläche der Gewindespindel 1 geführt werden. Gemeinsam mit entsprechenden gegenüberliegenden Rillen 11 in der Gewindemutter 2 werden auf diese Weise schraubenförmige Kanäle 12 gebildet, in welchen die Kugeln laufen. Zur Rückführung der Kugeln sind Rückführungskanale 13 vorgesehen.
Die Lineareinheit 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein hydraulischer Aktuator oder eine hydraulische Druckquelle mit einem Kolben ausgebildet. Der Kolben begrenzt in einer Bohrung einen druckmittelgefüllten Druckraum bzw. ist als hydraulischer Kolben einer Zylinder-Kolben-Anordnung ausgebildet. Anstelle des dargestellten Kugelgewindetriebs kann auch ein anderes Rotations-Translationsgetriebe 8, wie beispielsweise ein einfaches Bewegungsgewinde oder ein Rollengewindetrieb, eingesetzt werden.
Bei einer Betätigung der Lineareinheit 7 bzw. einer Bestromung des Elektromotors wird der Rotor des Elektromotors in eine Drehbewegung versetzt, die auf die Gewindespindel 1 übertragen wird. Durch die Rotationsbewegung der Gewindespindel 1 erfolgt eine Verschiebebewegung der Gewindemutter 2 in der 1 nach rechts, bei der das Kraftübertragungsglied 3 und damit der nicht dargestellte Kolben ebenfalls nach rechts verschoben werden, wodurch in einem vom Kolben begrenzten Druckraum ein hydraulischer Druck aufgebaut wird, der über einen Druckanschluss an einen hydraulischen Verbraucher, beispielsweise eine hydraulische Bremsanlage eines Kraftfahrzeuges, weiter geleitet wird.
Das Antriebsmoment des Motors wirkt auf die Spindel bzw. Gewindespindel 1. An der Mutter bzw. Gewindemutter 2 müssen das Reaktionsmoment abgestützt (es muss verhindert werden, dass sich bei Rotation der Gewindespindel 1 auch die Gewindemutter rotatorisch in Bewegung setzt) und die Axialkraft zum Kolben übertragen werden. Beides wird durch ein Kraftübertragungsglied 3, das vorliegend als ein Profilrohr ausgebildet ist, erreicht, welches die Gewindemutter 2 und den Kolben miteinander verbindet.
Das Profilrohr ist vorliegend aus einem Strangpressprofil hergestellt.
Bei der dargestellten Lineareinheit 7 wird auf zusätzliche Bauteile für die Verbindung von Gewindemutter 2 und Kraftübertragungsglied 3 verzichtet. Stattdessen werden diese beiden Teile durch ein Clinchverfahren direkt miteinander verbunden. Dazu wird, wie in der Schnittdarstellung der 2 erkennbar ist, an der Gewindemutter 2 eine radial umlaufende Nut 4 dargestellt, in die beim Fügen durch Aufbringen einer Einpresskraft Material des Profilrohrs 3 fließt. Dadurch entsteht eine formschlüssige Verbindung ohne Spiel, die Axialkräfte, in Grenzen Biegemomente, und das Reaktionsmoment übertragen kann.
Das Profilrohr besteht hierzu aus einem weicheren Material als die Gewindemutter 2, so dass beim Fügeprozess das weichere Material in die Nut 4 der Gewindemutter 2 fließt und dabei die Formgebung der Nut 4 im Wesentlichen erhalten bleibt. Vorliegend sind die Gewindemutter 2 aus Stahl und das als Profilrohr ausgebildete Kraftübertragungsglied 3 aus Aluminium gefertigt.
Das Kraftübertragungsglied 3 ist in einem der Mutter 2 abgewandten Bereich (nicht dargestellt in den 1 bis 4) bezüglich eines Gehäuses der Lineareinheit axial beweglich und gegen ein Verdrehen gesichert geführt. Das Profilrohr ist derart mechanisch an dem Kolben befestigt, dass weder eine relative axiale Bewegung noch eine Verdrehung der beiden Komponenten möglich ist.
Gemäß den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Lineareinheit 7 ist im Fügebereich der beiden Bauteile (Gewindemutter 2 und Kraftübertragungsglied 3) zusätzlich eine formschlüssige Abstützung gegen Verdrehen vorgesehen. Bei der in 3 in einem länglichen Schnitt dargestellten Ausführungsform wird die Abstützung durch Rändel an der Mutter gebildet, d. h. an der Gewindemutter 2 sind sich in einer Axialrichtung 9 erstreckende Ausformungen 5 angeordnet. Die Gewindemutter 2 ist vorliegend also gerändelt. Das Profilrohr 3 füllt diesen Bereich beim Clinchen mit Material formschlüssig aus. Vorteilhafterweise wird diese Geometrie durch Umformen an der Gewindemutter 2 eingebracht; das Profilrohr ist vor dem Verstemmen rotationssymmetrisch ausgebildet.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der 3 sind die Ausformungen 5 im Bereich der Nut 4 an der Mutter angeordnet, bei dem dritten Ausführungsbeispiel der 4 sind die Ausformungen 5 an der Mutter 2 in einem elektromotorseitigen Anschlagsbereich 6 für das Profilrohr angeordnet (siehe auch 1).
Die Gewindemutter 2 kann in diesen Bereichen auch alternativ rolliert sein. Weiterhin kann alternativ dazu die Momentenabstützung auch durch einen klassischen Formschluss, z. B. eine Nase am Profilrohr und eine Tasche an der Mutter erfolgen, wobei hier die Bearbeitung der beiden Komponenten aufwändiger erscheint. Alternativ zu Ausformungen kann auch ein Vieleck an der Mutter vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Gewindespindel
2: Gewindemutter
3: Kraftübertragungsglied
4: Nut
5: Ausformung
6: Anschlagsbereich
7: Lineareinheit
8: Rotations-Translationsgetriebe
9: Axialrichtung
10: Rille
11: Rille
12: Kanal
13: Rückführungskanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009019209 A1 [0003]
DE 102010039916 A1 [0003]
WO 2011/029812 [0004]

Claims

Lineareinheit (7) zum Aufbringen einer axial wirkenden Kraft mit einem Rotations-Translationsgetriebe (8), insbesondere einem Kugelgewindetrieb, das eine Gewindespindel (1) sowie eine Gewindemutter (2) aufweist, und einem Kraftübertragungsglied (3), welche insbesondere als Druckstange oder Druckrohr ausgebildeten ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (2) und das Kraftübertragungsglied (3) durch eine formschlüssige, insbesondere spielfreie, Verbindung, insbesondere durch Clinchen, miteinander verbunden sind.
Lineareinheit (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (1) von einem Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator angetrieben wird und dass die Gewindemutter (2) nicht drehbar gelagert ist.
Lineareinheit (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese als ein hydraulischer Aktuator oder hydraulische Druckquelle ausgebildet ist, wobei das Kraftübertragungsglied (3) auf einen Kolben wirkt, der in einer Bohrung einen druckmittelgefüllten Druckraum begrenzt oder der als hydraulischer Kolben einer Zylinder-Kolben-Anordnung ausgebildet ist.
Lineareinheit (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (2), insbesondere in einem dem Kraftübertragungsglied (3) zugewandten Bereich, eine Nut (4) umfasst.
Lineareinheit (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der formschlüssigen Verbindung von Gewindemutter (2) und Kraftübertragungsglied (3) Material des Kraftübertragungsglieds (3) in die Nut (4) eingedrückt wird.
Lineareinheit (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungslied (3) als Profilrohr ausgestaltet ist.
Lineareinheit (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (2) sich am Kraftübertragungsglied (3), insbesondere durch eine formschlüssige Abstützung, gegen ein Verdrehen abstützt.
Lineareinheit (7) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gewindemutter (2), insbesondere in einem Fügebereich zwischen Gewindemutter und Kraftübertragungsglied, Ausformungen (5), insbesondere in Form einer Rändelung oder einer Zahnung, angeordnet sind.
Lineareinheit (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der formschlüssigen Verbindung von Gewindemutter (2) und Kraftübertragungsglied (3), insbesondere dem Clinchen, das Kraftübertragungsglied (3) den Bereich der Ausformungen (5) formschlüssig ausfüllt.
Verfahren zur Herstellung einer Lineareinheit (7), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Rotations-Translationsgetriebe (8), insbesondere einem Kugelgewindetrieb, das eine Gewindespindel (1) sowie eine Gewindemutter (2) aufweist, und einem Kraftübertragungsglied (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (2) und das Kraftübertragungsglied (3) durch eine formschlüssige, insbesondere spielfreie, Verbindung, insbesondere durch Clinchen, verbunden werden.