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Die Erfindung betrifft ein Planetenwälzgetriebe und einen Aktor mit diesem für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten, von einem Elektromotor drehangetriebenen, axial gehäusefest aufgenommenen Drehbauteil mit einem Gewinde und einem zweiten, gegenüber diesem axial verlagerbaren, drehfest aufgenommenen Drehbauteil mit einem Rillenabschnitt sowie über den Umfang verteilt und verdrehbar in einem Käfig aufgenommenen Planeten mit auf dem Gewinde des ersten Drehbauteils abwälzenden Gewindeabschnitten und auf dem Rillenabschnitt des zweiten Drehbauteils abwälzenden Rillenabschnitten.
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In Kraftfahrzeugen besteht beispielsweise für Betätigungen von im Antriebsstrang angeordneten Einrichtungen in Form von Kupplungen wie Reibungskupplungen, Doppelkupplungen, Trennkupplungen, Bremsen, Parksperren und dergleichen die Aufgabe, einen Drehantrieb mittels eines Elektromotors in eine Linearbewegung zu wandeln. Zur Lösung dieser Aufgabe können Spindeltriebe wie Kugelspindeltriebe, Planetenwälzgetriebe und dergleichen vorgesehen werden. Hierbei wird ein erstes Drehbauteil von dem Elektromotor angetrieben und axial festgelegt, während ein zweites, drehfest gehaltenes, auf diesem mittels eines Gewindes abwälzendes Drehbauteil unter der Drehbewegung des ersten Drehbauteils axial verlagert wird und die entsprechende Einrichtung betätigt. Derartige Spindeltriebe haben einen festen Wirkungsgrad. Ist dieser hoch, so muss zwar wenig Moment zum Bewegen eines mit einem Spindeltrieb ausgestatteten Aktors aufgebracht werden, aber die Halteströme werden teilweise groß, so dass Energie zum Halten einer erwünschten Position aufgebracht werden muss. Dies kann bei Einrichtungen wie Trennkupplungen, die nur selten gegenüber der gewünschten Position bewegt werden, unerwünscht sein. Desweiteren kann ein hoher Wirkungsgrad bedenklich sein, da ein mit einem hohen Wirkungsgrad versehener Aktor bei Stromausfall eine Bewegung ausführen kann, das heißt, die gewünschte Position verlassen kann. Ist der Wirkungsgrad sehr niedrig, so ist ein entsprechend ausgebildeter Aktor zwar selbsthemmend, es müssen jedoch entsprechend hohe Momente zum Bewegen des Aktors aufgebracht werden und ein drehantreibender Elektromotor muss entsprechend größer dimensioniert werden. Um den Spindeltrieb an einer gewünschten Position zu halten, wird in der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2013 203 833.7 eine Sperreinrichtung des Spindeltriebs vorgeschlagen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Planetenwälzgetriebes und eines Aktors mit diesem mit geringen Betätigungskräften und einem selbsthaltenden Betrieb.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
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Das vorgeschlagene Planetenwälzgetriebe ist insbesondere für einen Aktor für ein Kraftfahrzeug zur linearen Betätigung von Einrichtungen, beispielsweise Kupplungen wie Reibungskupplungen in Einfach- oder Doppelkupplungen, Trennkupplungen beispielsweise zur Zu- und Abschaltung von Elektromaschinen, Antriebsaggregaten und dergleichen, Schaltkupplungen zur Schaltung von Gängen in einem Getriebe und dergleichen, Bremsen, Parksperren und dergleichen vorgesehen. Hierbei ist ein erstes Drehbauteil vorgesehen, welches von einem Elektromotor drehangetrieben ist und axial gehäusefest, beispielsweise gegenüber einem Gehäuse eines Aktors, in den das Planetenwälzgetriebe integriert ist, oder dergleichen mittels eines Axiallagers, beispielsweise eines Rillenkugellagers oder dergleichen aufgenommen ist. Das erste Drehbauteil weist hierbei ein Gewinde, einen Gewindeabschnitt oder dergleichen zur Herstellung einer Gewindeverbindung auf. Das Planetenwälzgetriebe weist ein zweites Drehbauteil auf, welches gegenüber dem ersten Drehbauteil axial verlagerbar und drehfest aufgenommen ist. Das zweite Drehbauteil weist einen Rillenabschnitt zur Übertragung einer Drehbewegung ohne axialen Vorschub auf. Zwischen den beiden Drehbauteilen sind über den Umfang verteilt und verdrehbar Planeten in einem Käfig aufgenommen. Die Planeten weisen zumindest einen Rillenabschnitt und zumindest einen Gewindeabschnitt zur Herstellung eines Wälzkontakts einerseits mit dem Gewinde des ersten Drehbauteils und andererseits mit dem oder den Rillenabschnitten des Rillenabschnitts des zweiten Drehbauteils auf. Auf diese Weise kann neben einer Übersetzung im Sinne eines Planetengetriebes zugleich eine Wandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung im Sinne eines Spindeltriebs erfolgen. Um in eine Betätigungsrichtung einer zu betätigenden Einrichtung bei hohen Drehzahlen geringe Betätigungskräfte und entgegen dieser Betätigungsrichtung ein selbsthemmendes Planetengetriebe zu erzielen, ist zwischen dem Käfig und dem zweiten Drehbauteil ein Freilauf angeordnet. Durch den auf diese Weise geschalteten Freilauf ist die Auslegung des Planetengetriebes bei selbsthaltender Funktion weitgehend frei wählbar.
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Das erste Drehbauteil des vorgeschlagenen Planetenwälzgetriebes kann beispielsweise eine axial fest und verdrehbar angeordnete Spindelmutter sein, die von dem Elektromotor drehangetrieben wird. Die innerhalb dieser Spindelmutter drehfest angeordnete Spindel wird dabei mittels der Planeten bei einem Drehantrieb der Spindelmutter axial verlagert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Drehbauteil als Spindel und das zweite Drehbauteil als um die Spindel angeordnete Spindelmutter ausgebildet. Hierbei wird die Spindel direkt mit dem Rotor des Elektromotors bevorzugt koaxial verbunden oder aus dem Rotor einteilig gebildet und von diesem drehangetrieben. Die drehfest gegenüber der Spindel, beispielsweise an einem Gehäuse aufgenommene Spindelmutter verlagert sich bei Drehantrieb der Spindel axial und bildet beziehungsweise enthält oder betätigt eine entsprechende Betätigungsvorrichtung, beispielsweise einen Kupplungsausrücker mit Betätigungslager, einen Kolben eines Geberzylinders eines hydraulischen beziehungsweise hydrostatischen Betätigungssystems oder dergleichen zur Betätigung einer linear zu betätigenden Einrichtung.
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Der zwischen dem Käfig und dem zweiten Drehbauteil angeordnete Freilauf kann beispielsweise als Klinkenfreilauf, Schlingfederfreilauf oder dergleichen ausgebildet sein. In bevorzugter Weise wird der Freilauf als Klemmkörperfreilauf mit Klemmkörpern, beispielsweise Kugeln, Klemmrollen oder dergleichen ausgebildet. Hierbei sind in dem Käfig in Umfangsrichtung betrachtet zwischen den Planeten in Umfangsrichtung keilförmige, gegenüber der Spindelmutter geöffnete Taschen vorgesehen. In diesen Taschen sind radial zwischen Rollbahnen der Spindelmutter und dem Käfig verklemmbare Klemmkörper eingebracht und mittels Energiespeichern in den Spalt zwischen Käfig und Spindelmutter vorgespannt. In eine erste Drehrichtung rollen die Klemmkörper zwischen Käfig und Spindelmutter ab, so dass eine Verdrehung zwischen Käfig und Spindelmutter ermöglicht ist und das Kugelgewinde mit der zwischen Spindel und Spindelmutter mittels der Planeten eingestellten Übersetzung betrieben wird. In der entgegengesetzten Drehrichtung greifen die Klemmkörper zwischen Käfig und Spindelmutter sperrend ein, so dass die die Planeten gegenüber der Spindelmutter drehfest festgelegt werden, so dass Spindel und Spindelmutter unter der eingestellten Steigung des Gewindes zwischen dem Gewinde der Spindel und dem Gewindeabschnitt der Planeten gegeneinander axial mittels einer geringeren und bevorzugt selbsthemmenden Übersetzung verlagert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Freilauf auf axialer Höhe des Gewindes der Spindel angeordnet. Hierbei können sich die in dem Käfig eingebrachten Taschen über den Umfang mit den Gewindeabschnitten abwechseln oder zumindest zwischen über den Umfang angeordneten Gewindeabschnitten angeordnet sein. Es hat sich hierbei weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Planeten jeweils zwei voneinander axial beabstandete Rillenabschnitte aufweisen, zwischen denen jeweils ein Gewindeabschnitt angeordnet ist, so dass die Rillenabschnitte den Gewindeabschnitt beidseitig flankieren. Hierbei ist die Spindelmutter aus zwei beidseitig des Freilaufs angeordneten, miteinander drehfest, beispielsweise mittels eines Gehäuses des Planetenwälzgetriebes verbundener Mutternteilen gebildet ist.
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Die aus den Gewindeabschnitten der Planeten und dem Gewinde des ersten Drehbauteils, beispielsweise der Spindel gebildete Gewindeverbindung ist bevorzugt selbsthemmend ausgebildet. Durch entsprechende Ausbildung der Steigung der Gewindeverbindung erfolgt eine Selbsthemmung dieser, so dass eine gewünschte wie voreingestellte Position des zweiten Drehbauteils gegenüber dem ersten Drehbauteil ohne Bestromung des Elektromotos gehalten werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine zugedrückte Reibungskupplung in ihrer geschlossenen, das eingestellte Drehmoment übertragenden Position gehalten werden, ohne dass der zugehörige Aktor mit dem vorgeschlagenen Planetenwälzgetriebe aktiviert wie bestromt sein muss, wobei gleichzeitig eine hohe Übersetzung des Aktors mit kleinen Betätigungskräften und damit mit einem vergleichsweise klein dimensionierten Elektromotor vorgesehen werden kann.
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Der vorgeschlagene Aktor mit dem vorgeschlagenen Planetenwälzgetriebe weist bevorzugt eine Spindelmutter auf, welche mittels einer Verdrehsicherung verdrehgesichert und axial verlagerbar in einem Aktorgehäuse des Aktors untergebracht ist. Hierbei ist die Spindel koaxial zu einem Rotor eines in axialer Verlängerung des Planetengetriebes angeordneten Elektromotors angeordnet. Im Weiteren kann der Aktor mit einem Geberzylinder mit einem axial verlagerbaren Kolben eine Baueinheit bilden, wobei der Kolben von dem zweiten Drehantriebsteil axial verlagerbar ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten wird die Aufgabe durch Integration eines Freilaufs in das Planetenwälzgetriebe (PWG) gelöst, so dass der Käfig mit den Planeten sich nur in eine Richtung dreht. Damit funktioniert das Planetenwälzgetriebe in einer Drehrichtung beziehungsweise linearen Richtung weiterhin als Planetenwälzgetriebe und in die andere Richtung als Spindelmutter, wodurch ein Betätigungssystem mit dem Planetenwälzgetriebe selbsthaltend wird, ohne dass die Betätigungskräfte erhöht werden. Je nach Bauart des Planetenwälzgetriebes ändert sich dann auch die Steigung. Da die Planeten stehen bleiben, ist bei der Bewegung mit geblocktem Freilauf die Spindelsteigung auch die Steigung des vorgeschlagenen Planetenwälzgetriebes. Ist dieser Effekt erwünscht, so kann die Steigungsänderung entsprechend groß definiert werden. Ist dieser Effekt unerwünscht, so kann das Planetenwälzgetriebe so gebaut werden, dass dessen Steigung der Spindelsteigung entspricht. Der Wirkungsgrad liegt dabei je nach Geometrie vergleichsweise hoch. Die Steigung ergibt sich dabei durch die Kinematik zwischen Spindel und Planeten. In der anderen Betätigungsrichtung funktioniert das Planetenwälzgetriebe als Spindelmutter mit deutlich geringerem Wirkungsgrad. Es findet eine Reibbewegung zwischen den stehenden Planeten und der Spindel statt. Die Steigung entspricht der Spindelsteigung. Das System ist in dieser Richtung – abgesehen von sehr extremen, nicht praktikablen Spindelsteigungen – selbsthemmend. Die Art des Freilaufs ist dabei egal. Es können zum Beispiel Rollen, Klemmkörper oder Ratschen verwendet werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Freilauf in die Lücken zwischen den Planeten integriert. Ebenfalls voreilhaft kann eine Platzierung des Freilaufs ober- oder unterhalb des Käfigs sein.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Planetenwälzgetriebes von einer Stirnseite her,
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2 ein konstruktives Ausführungsbeispiel des Planetenwälzgetriebes im Querschnitt,
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3 eine Seitenansicht des Planetenwälzgetriebes der 2 bei angeschnittenem Gehäuse,
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4 eine Seitenansicht des Planetenwälzgetriebes der 2 bei angeschnittenem Gehäuse und ausgeblendeter Spindelmutter und
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5 den Käfig des Planetenwälzgetriebes der 2 bis 4 in Seitenansicht.
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Die 1 zeigt in schematischer Ansicht das Planetenwälzgetriebe 1 mit dem ersten, von einem nicht dargestellten Elektromotor drehangetriebenen und axial fest angeordneten Drehbauteil 2, welches hier als Spindel 3 dargestellt ist. Um das erste Drehbauteil 2 ist das zweite, axial verlagerte und drehfest angeordnete Drehbauteil 4 angeordnet, welches hier als Spindelmutter 5 ausgebildet ist. Zwischen den Drehbauteilen 2, 4 sind über den Umfang verteilt die Planeten 6 in dem Käfig 7 verdrehbar aufgenommen. Hierbei wälzen die Planeten 6 mittels nicht im Detail dargestellter Gewindeabschnitte auf dem Gewinde 8 des ersten Drehbauteils und mittels der nicht im Detail dargestellten Rillenabschnitte auf den Rillenabschnitten 9 des zweiten Drehbauteils 4 ab. Hierdurch erfolgt bei einem Drehantrieb des ersten Drehbauteils 2 und der durch das Gewinde 8 und die Gewindeabschnitte der Planeten 6 gebildeten Gewindeverbindung 10 eine Wandlung eines Drehantriebs des ersten Drehbauteils 2 in eine lineare Verlagerung des zweiten Drehbauteils 4 und durch die wälzende Verbindung der Rillenabschnitte der Planeten 6 mit den Rillenabschnitten 9 des zweiten Drehbauteils 4 eine Übersetzung im Sinne einer Planetenstufe bei sich drehendem Käfig 7.
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Zwischen dem zweiten Drehbauteil 4 und dem Käfig 7 ist der Freilauf 11 wirksam, so dass bei einer Verdrehung des ersten Drehbauteils 2 entgegen des Uhrzeigersinns der Käfig 7 in Richtung des Uhrzeigersinns dreht und der Freilauf 11 überrollt wird. Das Planetenwälzgetriebe 1 arbeitet hierbei ohne Einschränkung. Dreht sich das erste Drehbauteil 2 in Richtung des Uhrzeigersinns, versucht sich der Käfig 7 gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, wird aber von dem Freilauf 11 gesperrt. Hierdurch sind die Planeten 6 mit dem zweiten Drehbauteil starr verbunden, so dass die Übersetzung nur noch durch die Gewindeverbindung 10 eingestellt ist. Infolge der verminderten Gesamtübersetzung und die erhöhte Reibung der Gewindeverbindung 10 ist das Planetenwälzgetriebe 1 in diese Drehrichtung des ersten Drehbauteils selbsthemmend, so dass eine eingestellte Linearposition des zweiten Drehbauteils 4 gehalten wird, ohne eine Gegenkraft in Form einer haltenden Drehbewegung an dem ersten Drehbauteil 2 bereithalten zu müssen.
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Die 2 zeigt eine konstruktive Ausgestaltung des Planetenwälzgetriebes 1 der 1 im Querschnitt mit der Spindel 3 und der Spindelmutter 5 sowie den zwischen diesen angeordneten Planeten 6. In dem Planetenwälzgetriebe 1 der 2 wird die Spindel 3 drehangetrieben und die Spindelmutter 5 in dem Gehäuse 18 drehfest aufgenommen. Das Gehäuse 18 ist mittels der Verdrehsicherung 19 drehfest und axial verlagerbar in einem nicht dargestellten Aktorgehäuse eines Aktors mit dem Planetenwälzgetriebe 1 oder dergleichen aufgenommen. Die Planeten 6 sind in dem Käfig 7 verdrehbar aufgenommen. Über den Umfang abwechselnd mit den Planeten 6 sind in Umfangsrichtung keilförmig ausgebildete Taschen 12 des als Klemmkörperfreilauf 13 ausgebildeten Freilaufs 11 (1) eingebracht, die nach radial außen offen ausgebildet sind. In den Taschen 12 sind die Klemmkörper 14 untergebracht und mittels der Energiespeicher 15 gegen Rollbahnen 16, 17 des Käfigs 7 und der Spindelmutter 5 radial vorgespannt. Bei einer Drehbewegung der Spindel 3 in Richtung des Uhrzeigersinns drehen die Planeten 6 und damit der Käfig 7 gegen den Uhrzeigersinn, so dass die Klemmkörper 14 entgegen der Wirkung der Energiespeicher 15 in den Taschen 12 auf beiden Rollbahnen 16, 17 abrollen. Hierdurch wird der Klemmkörperfreilauf 13 überrollt. Bei einer Drehrichtungsumkehr ändert sich der gegenläufige Drehsinn der Rollbahnen 16, 17 in einen gleichläufigen Drehsinn, so dass die Klemmkörper 14 in die engen Bereiche der Taschen 12 eingezogen werden und den Käfig 7 gegen die Spindelmutter 5 in ihrer Rotation gegeneinander sperren.
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Die 3 zeigt das Planetenwälzgetriebe 1 der 2 in dreidimensional dargestellter Seitenansicht bei teilweise aufgeschnittenem Gehäuse 18 mit der Verdrehsicherung 19. Die Spindelmutter 5 ist aus den beiden axial voneinander beabstandeten Mutternteilen 20 gebildet, die drehfest mit dem Gehäuse 18 verbunden sind. Der Klemmkörperfreilauf 13 ist axial zwischen den beiden Mutternteilen 20 angeordnet. Die in den Käfig 7 eingebrachten Taschen 12 mit den rollenförmigen Klemmkörpern 14 wechseln über den Umfang mit den Gewindeabschnitten 21 der Planeten 6 ab. Die Gewindeabschnitte wälzen mit dem Gewinde 8 der Spindel 3.
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Die 4 zeigt das Planetenwälzgetriebe 1 ohne die Mutternteile 20 der Spindelmutter 5 (2) in dreidimensional dargestellter Seitenansicht. Hierdurch wird die Sicht auf die Rillenabschnitte 22 frei, die mit den Rillenabschnitten 9 (1) der Spindelmutter 5 wälzen. Die Rillenabschnitte 22 flankieren beidseitig die Gewindeabschnitte 21 der Planeten 6. Der Käfig 7 ist mittels der Tellerfedern 23 in dem Gehäuse 18 axial vorgespannt.
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Die 5 zeigt den Käfig 7 der 2 bis 4 in dreidimensional dargestellter Seitenansicht mit den Taschen 12 und den Ausnehmungen 24 zur Aufnahme der Planeten 6 (2). Zur verdrehbaren, jeweils stirnseitigen Aufnahme der Planeten 6 sind die Lageröffnungen 25 in dem Käfig 7 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetenwälzgetriebe
- 2
- erstes Drehbauteil
- 3
- Spindel
- 4
- zweites Drehbauteil
- 5
- Spindelmutter
- 6
- Planet
- 7
- Käfig
- 8
- Gewinde
- 9
- Rillenabschnitt
- 10
- Gewindeverbindung
- 11
- Freilauf
- 12
- Tasche
- 13
- Klemmkörperfreilauf
- 14
- Klemmkörper
- 15
- Energiespeicher
- 16
- Rollbahn
- 17
- Rollbahn
- 18
- Gehäuse
- 19
- Verdrehsicherung
- 20
- Mutternteil
- 21
- Gewindeabschnitte
- 22
- Rillenabschnitt
- 23
- Tellerfeder
- 24
- Ausnehmung
- 25
- Lageröffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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