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Die Erfindung betrifft einen Aktuator gemäß dem unabhängigen Patentanspruch.
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Derartige Aktuatoren mit Gleichstrom-Kleinspannungsgetriebemotoren finden vielfältig in stationären und mobilen Einrichtungen Einsatz, etwa im Kraftfahrzeug zum Bewegen von Gurtschlössern, von Fenstern oder von Schiebedächern, zum Einstellen von Drosselklappen oder von Fahrer- und Beifahrer-Sitzen und insbesondere zum Festspannen und Lösen von Parkbremsen. Solche am Bordnetz betriebene Aktuatoren können manuell über Schalter oder unmittelbar aus der bordeigenen elektronischen Datenverarbeitung heraus angesteuert werden.
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Die Aktuator-Motore sind kleinbauende hochtourige elektromechanisch oder elektronisch kommutierende Gleichspannungsmaschinen mit nachfolgendem, mehrstufig stark untersetzendem Zahnradgetriebe, um einerseits die vor allem auf hochtourige Komponenten zurückzuführende Geräuschentwicklung zu reduzieren und andererseits ein ausreichendes Drehmoment für den jeweiligen Arbeitseinsatz an der Abtriebswelle des Aktuators zur Verfügung zu stellen. Wie etwa in
DE 10 2005 021 767 B4 oder
DE 10 2010 032 053 A1 näher ausgeführt, umfasst die erste Getriebestufe regelmäßig das Abtriebsritzel auf der Motorwelle und einen (Zahn-)Riemen oder ein Zwischen-Rad mit Zwischenrad-Ritzel. Die letzte Getriebestufe ist zumeist als ein (typisch mehrstufiges) Umlaufrädergetriebe ausgelegt, bei dem die Aktuator-Abtriebswelle drehfest mit dem (letzten) Planetenträger verbunden ist. Bevorzugt sind alle Getriebeachsen im Aktuator parallel zur Motorwelle orientiert, was variable Integrationsmöglichkeiten auf kleinem Raum eröffnet.
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Eine besonders hohe mechanische Belastung im Getriebe erfährt der Verzahnungseingriff vom kleinen Zwischenrad-Ritzel zum großen (Abtriebs-)Rad, weil die hier auftretende Drehzahluntersetzung mit einem großen Drehmomentensprung einhergeht. Entsprechend hoch verschleißgefährdet ist dieser Verzahnungseingriff, mit der Folge steigender Geräuschentwicklung infolge eines mit der Betriebszeit anwachsenden Zahneingriffs-Spieles bis hin zu kurzzeitigen Drehmomentenschwankungen wegen einzelner nicht mehr voll tragender Zähne. Auch wird der Wirkungsgrad des Getriebes verschleißbedingt gemindert, wodurch das für einen bestimmten Einsatz ausgelegte abtriebsseitige Drehmoment schließlich nicht mehr erzielt wird. Bei Einsatz in einem Parkbrems-Aktuator etwa hätte das zur Folge, dass die erforderliche Feststell-Spannkraft schließlich nicht mehr gewährleistet wäre.
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Nach der gattungsbildenden
DE 10 2011 054 956 A1 ist bei einem elektromotorischen Aktuator zur Abhilfe vorgesehen, in einem Getriebegehäuse zwei Aufnahmen für Stifte anzuordnen, die jeder einzeln oder bedarfsweise auch beide mit Doppelzahnrädern bestückt werden können. Deren Ritzel kämmen mit der achsparallelen Geradverzahnung eines mit einem Wellenstumpf versehenen Abtriebs-Rades. Bei geringem zu übertragendem Drehmoment wird nur eines dieser beiden Doppelzahnräder am Ende der Getriebekette eingesetzt. Bei hoher Lastanforderung teilt sich die Drehmomentenübertragung auf zwei Doppelzahnräder auf. Diese erfahren ihren Antrieb vom Motor-Ritzel über die Geradverzahnung eines zweistufigen Getriebes. Das Getriebegehäuse weist eine Tasche zur Aufnahme des Motors auf, der mit seiner ritzelbestückten Welle eine in das Gehäuse eingesenkte Schaltungsplatine, zum Aufbau der Kommutierungssteuerung des Gleichstrommotors, unter radialem Spiel durchragt. Die neben der Schaltungsplatine in den Gehäuse-Aufnahmen als Drehlager für die Doppelzahnräder gehalterten Stifte greifen gegenüberliegend in einen Gehäusedeckel ein, wenn, nach dem Bestücken mit dem Getriebemotor, das Gehäuse mit seinem Deckel verschlossen wird. So sind, sämtlich im Getriebegehäuse, alle Zahnräder der Getriebekette beidseitig und der Motor einseitig gelagert. Das ist allerdings recht raumaufwändig; und die Lagerung sämtlicher rotierend kraftübertragender Funktionselemente, beginnend mit der sehr hochtourigen Motorwelle und dann über die zahlreichen Stirnrad-Kämmungen, in einem einzigen Getriebegehäuse generiert schwer beherrschbare Körperschallprobleme.
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In Erkenntnis solcher Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, im Interesse möglichst kompakt bauenden sowie stabilen und geräuscharmen Langzeitbetriebes die besonders funktionskritischen Verzahnungseingriffe im Zuge des Aktuator-Getriebes kinetisch zu entlasten.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
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Danach kämmt ein kleines Zwischenrad-Ritzel nicht unmittelbar mit dem ihm im Getriebezug folgenden großen Trieb-Rad, sondern vermittels zweier vom Zwischenrad-Ritzel parallel angetriebener, ebenfalls stationär gelagerter Kopplungs-Ritzel; von denen dadurch wieder, infolge der Leistungsverzweigung, jedes nur das etwa halbe hier auftretende Drehmoment auf das von beiden gleichzeitig angetriebene Folge-Rad zu übertragen hat.
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Dieses Prinzip findet auch bei einem schrägverzahnten Hochleistungs-Getriebe nach der
US 2,712,761 A Einsatz, das zwecks Drehmomenten-Steigerung zu exzentrischem Einbau in eine Antriebswelle bestimmt ist.
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Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung sowie erfindungsgemäße Weiterbildungen und Alternativen ergeben sich aus den Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung eines unter Beschränkung auf das Funktionswesentliche etwa maßstabsgerecht verkleinert skizzierten Ausführungsbeispieles für einen Aktuator mit Getriebemotor gemäß der einzigen Figur der Zeichnung.
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In der Zeichnung ist strichpunktiert eine haubenförmige, flächige oder gitterrahmenförmige Fixierplatte 11 symbolisch veranschaulicht, welche die Rad- und Ritzelwellen eines zum Langsamen untersetzenden Getriebes 14 trägt. Für die Aufnahme von beidseitig gelagerten Getriebe-Wellen ist auf der anderen Seite des Getriebes 14 eine entsprechende Fixierplatte vorgesehen (nicht skizziert).
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Die Fixierplatten 11 sind Teile eines gesonderten Getriebe-Gehäuses, das bei hohen Anforderungen an ruhigen Lauf mittels Schwingungsabsorbern körperschallentkoppelt in das hohlkörperähnliche Aktuator-Gehäuse eingebaut wird (in der Zeichnung nicht dargestellt).
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Der Motor 13 (vorzugsweise ein hochtouriger Kleinspannungs-Gleichstrommotor) ist außerhalb des Getriebe-Gehäuses, separat im Aktuator-Gehäuse montiert.
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Zur Vereinfachung der Darstellung ist der (übertrieben kurz skizzierte) Motor 13 in der Zeichnung zusammen mit seinem Getriebe 14 in der Fixierplatte 11 gehaltert. Ein stirnverzahntes Motor-Ritzel 16 ist auf der Motor-Welle 15 gelagert. Das Motor-Ritzel 16 kämmt mit der entsprechenden Stirnverzahnung eines dagegen großen Zwischen-Rades 17, das seinerseits konzentrisch drehfest mit einem hiergegen wiederum kleinen Zwischenrad-Ritzel 18 ausgestattet ist.
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Diese starke Drehzahluntersetzung gleich hinter dem Motor 13 trägt wesentlich zur Verringerung von Geräuschentwicklung bei. Nicht dargestellt ist, dass der Motor 13 selbst ebenfalls schwingungsgedämpft eingebaut ist. Im Übrigen weist das Motor-Ritzel 16 im Interesse einer weiter reduzierten Geräuschentwicklung wie skizziert eine Schrägverzahnung auf, die sich gegenüber einer Geradverzahnung durch eine reduzierte Anzahl an Zähnen und durch sanfteren Verzahnungseingriff auszeichnet.
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Zu weiterer Drehmomentensteigerung infolge Drehzahlminderung im Verlaufe des Aktuator-Getriebezuges 14 soll das Zwischenrad-Ritzel 18 ein dagegen großes Trieb-Rad 19 drehen. Wegen der großen hier zu übertragenden Last ist das Trieb-Rad 19 mit einer axial breiten Stirnverzahnung ausgestattet. Das Rad 19 selbst muss aber nicht derart massiv ausfallen, es ist deshalb flach topfförmig ausgehöhlt. Das ermöglicht es, eine etwaige Folgegetriebestufe wenigstens teilweise in das Rad 19 axial eintauchen zu lassen und dadurch einen schlankeren Gesamtaufbau zu fördern.
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Das Trieb-Rad 19 ist seinerseits drehfest mit einem konzentrischen Abtriebs-Ritzel 20 ausgestattet. Bei diesem kann es sich um ein Kupplungsteil zu einer Aktuator-Abtriebswelle 22 handeln, oder auch schon um die Aktuator-Abtriebswelle 22 selbst; oder erst noch um den Antrieb der erwähnten wenigstens einen weiteren, der Abtriebswelle 22 vorgeschalteten Untersetzungs-Getriebestufe, wie bevorzugt eines Planetengetriebes 23. Für den Antrieb von dessen Planeten (nicht dargestellt) ist das radfeste Triebrad-Ritzel 20 als Sonne verzahnt. Deren Planeten kämmen mit der Innenverzahnung eines stationären, gehäusefesten Ringes, der von der Fixierplatte 11 vorkragend koaxial ins Topfinnere des darum rotierenden Rades 19 eingreift. An den (letzten) Planetenträger ist dann die Abtriebs-Welle 22 drehfest angeschlossen.
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Von den Zähnen des kleinen Zwischenrad-Ritzels 18 muss, zur weiteren Drehmomentensteigerung infolge Drehzahluntersetzung, die gesamte Last auf die Verzahnung des dagegen großen Trieb-Rades 19 übertragen werden. Um den dadurch heraufbeschwörten, betriebsgefährdenden Verschleiß der Verzahnungseingriffe zu mindern, erfolgt diese Lastübertragung nicht direkt vom Zwischenrad-Ritzel 18 auf das Trieb-Rad 19, sondern, unter abermaliger Drehrichtungs-Umkehr, über die gleichzeitigen Verzahnungseingriffe zweier kinematisch parallelgeschalteter Kopplungs-Ritzel 21 (21a und 21b). Deren Zwischenschalten bedingt keinen zusätzlichen Raumbedarf für das Getriebe 14, weil die Kopplungs-Ritzel 21 neben dem Ritzel 18 innerhalb der Projektion des Rades 17, und innerhalb der axialen Bautiefe des Getriebes 14, liegen. Die Kopplungs-Ritzel 21 sind innerhalb besagter Projektion des Zwischen-Rades 17 achsparallel zwischen diesem und der benachbarten Getriebewellen-Fixierplatte 11 an dieser fliegend gelagert; ihre Wellen sind also nur einseitig in diese, in der Zeichnung sichtseitige, Fixierplatte 11 eingespannt.
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Diese Kopplungs-Ritzel 21 kämmen beide gleichzeitig einerseits (antriebseitig) mit dem antreibenden Zwischenrad-Ritzel 18 und andererseits (abtriebseitig) mit dem Trieb-Rad 19. Im Interesse einer Geräuschminderung ist auch hier eine Schrägverzahnung zweckmäßig. Die Verahnungseingriffe der beiden Kopplungs-Ritzel 21a, 21b in das Trieb-Rad 19 sind wie skizziert relativ geringfügig peripher zueinander versetzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kämmen die beiden Kopplungs-Ritzel 21a, 21b mit dem antreibenden Zwischenrad-Ritzel 18 einander gerade fast diametral gegenüber, also gegeneinander um etwa 180° versetzt. Diese Eingriffspositionen sind in gewissen Grenzen konstruktiv variierbar. Denn zum Anpassen des Aktuators 12 an vorgegebene Einbaugegebenheiten ist der Achsabstand zwischen den Zwischen- und Trieb-Rädern 17–19 zu variieren. Das ist nun ohne Eingriff in die Getriebeauslegung im Übrigen möglich, indem die gegenseitigen Achsabstände der Kopplungs-Ritzel 21 durch Verlagern von deren zueinander symmetrischen Verzahnungseingriffen um die Peripherie des Zwischenrad-Ritzels 18 herum entsprechend angepasst werden.
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Jedenfalls muss nun jedes beider Kopplungs-Ritzel 21 zum Antreiben des Trieb-Rades 19 nur etwa die halbe hier zu übertragende Leistung führen, mit entsprechender Minderung der Verzahnungsbelastungen am Zwischenrad-Ritzel 18 und am Trieb-Rad 19. Die dafür anzustrebende gleichmäßige Lastaufteilung zwischen beiden Kopplungs-Ritzeln 21 ist sichergestellt, wenn deren Positionierungen und Zahnflankengeometrien zu stets möglichst vollflächigem Anliegen gegen die Zahnflanken des Trieb-Rades 19 führen. Das wird gefördert, wenn wenigstens die Kopplungs-Ritzel 21 aus einem Material bestehen, das eine gewisse Elastizität (jedenfalls eine größere als Stahl) aufweist; wie etwa ein Sintermetall oder insbesondere ein spritzgießfähiger Kunststoff.
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Der zwangsläufig an den hier beteiligten Zahnflanken auftretende Verschleiß wird durch die Elastizität der an der Leistungsverzweigung beteiligten Verzahnungspartner (18, 19, 21a und 21b) in gewissem Maße ausgeglichen, was zu einem gewissen Ausgleich der Lasten zwischen den beiden Leistungssträngen über die Kopplungsritzel führt; zumal die zunächst gegebenenfalls etwas stärker belastete Verzahnung schließlich stärker verschleißt, was dann bald zu einem Lastausgleich führt.
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Während das erste Ritzel 16 über die Welle 15 des Motors 13 in diesem gelagert ist, sind alle anderen vorstehend erwähnten Räder 17, 19 samt ihren Ritzeln 18, 20 unmittelbar in der skizzierten Getriebe-Fixierplatte 11 gelagert, bei Durchgangswellen auch in einer hinter dem Getriebe 14 gelegenen, damit konstruktiv koppelbaren zweiten Fixierplatte. Das erleichtert eine schwingungsdämpfende, körperschall-entkoppelte Montage des Getriebes 14 im Gehäuse des Aktuators 12 und dessen Einsatz in der späteren Betriebsumgebung, worauf insbesondere beim Einsatz im Kraftfahrzeug zur Geräuschvermeidung großer Wert gelegt wird.
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Bei den Getriebe-Rädern 17, 19 und den Ritzeln 18, 20; 16; 21 handelt es sich, im Interesse der schon erörterten, kinetisch stabilen Verzahnungseingriffe trotz preisgünstiger Massenfertigung, bevorzugt um Kunststoff-Spritzgussteile, aus handelsüblichen Materialien, die insbesondere Anforderungen an hohe Steifigkeit bei niedrigen Reibwerten, thermische Beständigkeit und Dimensionsstabilität für langzeitzuverlässige Verzahnungseingriffe erfüllen. Dabei kann das Motor-Ritzel 16 bei, gegenüber alternativer Ausführung in Metall, Fertigung in Kunststoff-Spritzguss zur Leistungssteigerung eine gewisse Glasfaserverstärkung aufweisen; für die Räder 17, 19 und deren Ritzel 18, 20 einschließlich der beiden parallel tragenden Kopplungs-Ritzel 21 ist solche Verstärkung jedoch regelmäßig nicht erforderlich.
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Schon aus der erfindungsgemäßen Aufteilung des Leistungsflusses über die beiden Kopplungs-Ritzel 21 resultiert trotz höher erzielbaren Ausgangsdrehmomentes die angestrebte Lebensdauerverlängerung, weil die Vergrößerung der Anzahl an Verzahnungseingriffen im Getriebezug zu einer Steigerung des verfügbaren beziehungsweise nutzbaren Verschleißvolumens führt. Andererseits würde selbst der Ausfall eines der Kopplungs-Ritzel 21 noch nicht zum Totalausfall des Untersetzungs-Getriebes 14 im Aktuator 12 führen, weil ja ein Teil der Leistung weiterhin über das andere, noch funktionstüchtige Kopplungs-Ritzel (21a oder 21b) übertragen werden würde.
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So ist ein vibrationsentkoppelter, insbesondere für Einsatz im Kraftfahrzeug zu Anwendungen wie Parkbremsaktivierung, Klappenverstellungen (z. B. Drosselklappe) oder Gurthaspel (Gurtstraffung oder Gurtrückführung) einsetzbarer, kleinbauender aber leistungsstarker elektromotorischer Aktuator 12 mit einem drehzahlmindernden Stirnrad-Getriebe 14 zur Drehmomentensteigerung geschaffen, das erfindungsgemäß zwei stationäre, zueinander parallel angeordnete Kopplungs-Ritzel 21; 21a, 21b aufweist, über die eine Leistungsverzweigung vom Zwischenrad-Ritzel 18 zum Trieb-Rad 19 erfolgt. Alle Räder 17, 19 und Ritzel 18, 20, 21 sind mit einem ihrer Wellenenden in derselben Getriebegehäuse- oder Aktuatorgehäuse-Fixierplatte 11 gelagert, dabei die Kopplungs-Ritzel 21 fliegend zwischen dieser Fixierplatte 11 und dem Zwischen-Rad 17. Die Lagerung des vorzugsweise schrägverzahnten und faserverstärkten Ritzels 16 mit seiner Welle 15 liegt im vibrationsgedämpft drehfest im Aktuator-Gehäuse gehalterten Motor 13. Zweiseitig gelagerte Getriebewellen greifen außerdem in eine weitere Gehäuse-Fixierplatte auf der gegenüberliegenden Seite des hohlkörperähnlichen Getriebegehäuses ein, das vibrationsentkoppelt in das Gehäuse des Aktuators 12 eingebaut ist – wenn nicht etwa bei weniger geräuschkritischen Anwendungen die Getriebewellen direkt im Aktuator-Gehäuse gelagert sind.
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Alle Räder 17, 19 und Ritzel 18, 20, 21 des Getriebes 14 können preisgünstig aber mit hoch präziser Verzahnung im Kunststoff-Spritzguss erstellt sein, erforderlichenfalls faserverstärkt oder / und im Zweikomponenten-Spritzguss mit, den unterschiedlichen mechanischen Anforderungen an ein Rad und sein Ritzel angepassten, unterschiedlichen Kunststoffen. Im Getriebe 14 können aber auch Kunststoff- und Metall-Komponenten gemischt verbaut sein. Insbesondere kann bei einem Kunststoff-Triebrad 19 dessen Kombination mit einem (Sonnen-)Ritzel 20 in Metall/Sinter/MIM-Technologie (Metallpulverspritzguss) zweckmäßig sein, ebenso beim Zwischenrad 17 und seinem Ritzel 18; während gerade für das Zwischenrad 17 auch eine einheitlich metallische Lösung komplett zusammen mit seinem Ritzel 18 in Metall/Sinter/MIM-Technologie in Betracht kommt. Spezifisch für die Fertigung des Motor-Ritzels 16 kann auch Automatenstahl, Messing oder Sintermetall vorteilhaft eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Fixierplatte (Bestandteil des Gehäuses von 14 oder von 12)
- 12
- Aktuator (mit 11, 13 und 14)
- 13
- Motor
- 14
- Getriebe (hinter 13)
- 15
- Welle (von 13)
- 16
- Ritzel (von 13 auf 15)
- 17
- Rad (hinter 16)
- 18
- Ritzel (von 17)
- 19
- Rad (als Trieb hinter 18, vor 23 beziehungsweise 22)
- 20
- Ritzel (an 19, für 23 beziehungsweise 22)
- 21
- Ritzel, 21a und 21b (zur Kopplung von 18 nach 19)
- 22
- Abtriebs-Welle (von 14/12)
- 23
- Planetengetriebe (in 19 um 20, vor 22)
