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Die Erfindung betrifft einen Aktor mit einer Reibeinrichtung unter Verwendung eines Schlingfederelementes und nach dem Oberbegriff des 1. Patentanspruchs, wobei die Reibeinrichtung wenigstens zwei relativ zueinander drehbare Bauteile aufweist und der Aktor insbesondere in einem Getriebe eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.
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Aktoren werden beispielsweise zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeuges eingesetzt und können die Drehbewegung eines Bauteiles in eine Axialbewegung eines weiteren Bauteiles umwandeln. Der Aktor selbst kann dabei jede Art von Linearaktor sein, z. B. PWG-Aktor (PWG = Planetenwälzgewindetrieb), hydraulischer Nehmerzylinder, etc..
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Planetenwälzgewindetriebe (PWG) sind aus einer Spindel, einer Spindelmutter und zwischen diesen über den Umfang angeordneten, in einem Planetenträger aufgenommenen Planetenwälzkörpern gebildet. Hierbei weisen die Spindel, Spindelmutter und Planetenwälzkörper Profilierungen auf, um eine Drehbewegung zwischen Spindel und Spindelmutter zu übertragen, wobei eine der Komponenten – Spindel oder Spindelmutter – drehangetrieben und die andere Komponente bei drehfester Anordnung längs der Längsachse der Spindel um einen der eingestellten Übersetzung entsprechenden Axialweg verlagert wird. Hierbei weisen die Planetenwälzkörper zwei unterschiedliche Profilabschnitte auf, die einerseits mit der Spindel und andererseits mit der Spindelmutter kämmen, wobei die einen Profilabschnitte auf dem Planetenwälzkörper rillenförmig und die anderen Profilabschnitte auf dem Planetenwälzkörper im Regelfall rillenförmig sind und je nach Ausführungsform ein komplementärer Gewindeabschnitt auf der Spindel oder der Spindelmutter und entsprechend der Rillenabschnitt auf der anderen Komponente angeordnet ist. Hierdurch werden gegenüber einer direkten Aufnahme der Spindel auf der Spindelmutter Übersetzungen erzielt, mit denen pro Spindeldrehung bei weniger Vorschub eine höhere Kraft ermöglicht ist.
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Aus der
EP 320 621 A1 ist beispielsweise ein PWG bekannt, bei dem die Spindel ein Gewinde und die Spindelmutter Rillen aufweist, auf denen jeweils Planetenwälzkörper mittels entsprechend komplementär ausgebildeter Profilabschnitte abwälzen. Hierbei wird die axial fest gelagerte und beispielsweise von einem Elektromotor drehangetriebene Spindel gegenüber der drehfest angeordneten Spindelmutter verdreht, so dass die Spindelmutter zwangsweise und durch die reibschlüssige Abwälzung der Planetenkörper in den Rillen der Spindelmutter axial verlagert wird. Hierbei ergibt sich über den Axialweg der Spindelmutter eine zu der Drehzahl der Spindel proportionale Bewegung. Hierzu dreht entsprechend Planetengetrieben der Planetenträger mit den Planetenrollen mit halber Drehzahl oder einem anderen Verhältnis, je nach Auslegung der Durchmesser, der drehenden Komponente, nämlich Spindel oder Spindelmutter.
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Die
DE 10 2010 047 800 A1 zeigt eine Anwendung eines Planetenwälzgetriebes, bei dem ein als Kolben eines Geberzylinders ausgebildetes Aktorteil eines Hydrostataktors axial fest mit der drehfest und axial verlagerbar angeordneten Spindel gekoppelt ist, wobei die axial feste Spindelmutter von einem Elektromotor drehangetrieben wird, so dass bei einer Verdrehung der Spindelmutter Spindel und Spindelmutter gegeneinander entlang des Axialwegs verlagert werden. Da das den Kolben aufnehmende und mit diesem einen Druckraum bildende Zylindergehäuse fest angeordnet ist und die Spindelmutter sich an diesem axial abstützt, baut der Kolben abhängig vom Drehantrieb der Spindelmutter einen Druck beispielsweise zur Betätigung von Kraftfahrzeugkomponenten wie Bremsen, Reibungskupplung und dergleichen auf. Hierbei ist insbesondere bei Reibungskupplungen erwünscht, ein Luftspiel mit geringer Lastanforderung mittels einer hohen Steigung schnell zu überbrücken und im Wirkbereich der Reibungskupplung mittels einer kleinen Steigung hohe Lasten mit einem Elektromotor mit geringer Leistung aufbringen zu können.
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Bei beispielsweise mittels eines Elektromotors angetriebenen wirkungsgradoptimierten Spindeltrieben (bspw. PWG) insbesondere in Aktoren, wie hydrostatischen Kupplungsaktoren (Hydrostatic Clutch Actuator – abgekürzt HCA), die gegen eine Last, beispielsweise eine Kupplungskennlinie arbeiten, besteht ein Problem darin, dass bei einem erforderlichen Halten einer Position ein Haltestrom und somit ein Haltemoment im E-Motor erforderlich ist, da der Spindeltrieb (z. B. bei einem PWG) nicht selbsthemmend ist. Bei einem PWG in einem HCA mit drehfester Hohlradmutter bei angetriebenen Spindel, auf der die Axialbewegung (relativ zur Spindel) abgegriffen wird, erfolgt bei einer idealen Abrollbewegung (wie in einem verzahnten Planetengetriebe/kein Schlupf) eine zusätzliche Untersetzung der Spindelsteigung, diese ist durch variieren von Spindel- und/oder Planetenrollendurchmesser in Grenzen frei wählbar. Ein entscheidender Nachteil derartiger Aktoren besteht darin, dass diese einen permanenten Haltestrom benötigen bzw. bei Stromausfall/Fehlerfall (bspw. Kabelbruch, Steckerabfall) die Position nicht gehalten werden kann. Bei einer durch den Aktor aufgedrückten Kupplung besteht dann die große die Gefahr, dass die Kupplung ungewollt schließt.
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Es ist weiterhin die Verwendung von Schlingfedern beispielsweise für Kupplungen bekannt. Eine Schlingfeder besteht üblicherweise aus einem metallischen Draht, welcher sich in mehreren Windungen um einen zylinderförmigen Teil herum erstreckt. Zwischen dieser Feder und dem zylinderförmigen Teil wirkt bei Drehung des zylinderförmigen Teils eine Reibungskraft. Diese kann durch Anziehen oder Freigeben der Schlingfeder beeinflusst werden.
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Bei einer in der
WO 2015/048961 A2 beschriebenen technischen Lösung der Anmelderin wird eine Baugruppe mit einer Reibeinrichtung mit wenigstens zwei zueinander drehbaren Bauteilen, insbesondere für die Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeugs, vorgeschlagen, bei welcher zwischen den relativ zueinander drehbaren Bauteilen eine bei einer Relativdrehung der Bauteile den Wirkungsgrad/die Reibung beeinflussende Schraubenfeder angeordnet ist. Dabei bildet die Schraubenfeder zumindest bereichsweise eine Schlingfeder, die eine einfache Schlingfeder, eine Doppelschlingfeder oder eine Schling-Torsionsfeder sein kann. Die dabei verwendete Doppelschlingfeder besitzt zwei Wirkbereiche, die axial hintereinander angeordnet sind.
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Eine weitere noch nicht veröffentlichte technische Lösung der Anmelderin beschreibt ebenfalls eine Baugruppe mit einer Reibeinrichtung mit wenigstens zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilen, zwischen denen eine Schlingfeder angeordnet ist, die zwei miteinander gekoppelte Schlingfederbereiche aufweist, wobei bei einer Relativdrehung der Bauteile in der einen Drehrichtung eine geringe Reibung und in der anderen Richtung eine hohe Reibung erzeugbar ist. Dabei erfolgt die Koppelung der beiden Schlingfederbereiche durch ein Verbindungsstück, welches als Hülse oder als Ring ausgebildet ist und die beiden radial ineinander verschachtelten Schlingfederbereiche zueinander positioniert, derart, dass Drehmomente von dem ersten Schlingfederbereich auf den zweiten Schlingfederbereich und umgekehrt übertragbar sind. Die beiden Schlingfederbereiche werden hierbei von zwei verschiedenen Schlingfedern realisiert. Diese Lösung zeichnet sich durch einen geringeren Raumbedarf in axialer Richtung aus. Zudem können bei dieser Ausführung durch die unterschiedlichen Querschnitte/Durchmesser der inneren und äußeren Feder größere Schleppmomentunterschiede realisiert werden. Allerdings besteht hier der Nachteil, dass durch den mehrteiligen Aufbau der Schlingfeder die Montage erschwert wird sowie die Kosten sich aufgrund des Einsatzes des die beiden Schlingfederbereiche verbindenden Verbindungselements erhöhen.
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In einer weiteren noch nicht veröffentlichten technischen Lösung der Anmelderin ist eine Baugruppe mit einer Reibeinrichtung und mit wenigstens zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilen beschrieben, wobei zwischen den relativ zueinander drehbaren Bauteilen ein bei einer Relativdrehung der Bauteile den Wirkungsgrad/die Reibung beeinflussendes Schlingfederelement angeordnet, welches zumindest zwei radial ineinander geschachtelte, einteilig miteinander verbundene, Wirkbereiche aufweist. Der radial innen befindliche Wirkbereich des Schlingfederelementes ist dabei mit seinem Innendurchmesser drehfest oder reibschlüssig mit einem Außendurchmesser des ersten Bauteils und der radial außen befindliche Wirkbereich des Schlingfederelementes mit seinem Außendurchmesser reibschlüssig oder drehfest mit einem Innendurchmesser des zweiten Bauteils wirkverbunden.
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Durch die Verwendung eines gemeinsamen Drahtes für beide Federabschnitte ergibt sich zur Darstellung eines hohen Reibmoments ein radial hoher und axial kurzer Drahtquerschnitt. Bei toleranzbedingt realistischer Überdeckung des Schlingfederabschnitts mit geringer Reibung ergibt sich in diesem Bereich ein ungewollt hohes Reibmoment.
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Ansonsten ist die Verwendung von Schlingfedern noch für die Kupplung zweier Bauteile zur Drehmomentübertragung bekannt, wie sich z. B. aus den Druckschriften
DE 102 16 155 A1 und
DE 10 2012 011 998 A1 ergibt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Aktor mit einer Reibeinrichtung unter Verwendung eines Schlingfederelementes zu entwickeln, wobei das Schlingfederelement eine einfache Schlingfedergeometrie aufweist und das Verhältnis des Schleppmoments erhöht.
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Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten und neunten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Aktor mit einer Reibeinrichtung weist wenigstens ein Schlingfederelement auf und wenigstens zwei relativ zueinander drehbare Bauteile, wobei zwischen den relativ zueinander drehbaren Bauteilen das bei einer Relativdrehung der Bauteile den Wirkungsgrad/die Reibung beeinflussendes Schlingfederelement angeordnet ist. Das Schlingfederelement weist zumindest zwei miteinander verbundene Wirkbereiche auf, wobei wenigstens einer der beiden Wirkbereiche des Schlingfederelements eine Unterstützungsfeder am Innendurchmesser oder am Außendurchmesser aufweist, wobei die Unterstützungsfeder bevorzugt im sperrenden Bereich des Schlingfederelements angeordnet ist.
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Ein erster Wirkbereich der Schlingfeder bildet mit einer Nabe einen Kontaktbereich und ein zweiter Wirkbereich bildet einen Kontaktbereich mit einer Welle. Bei einem hohen gewünschten Reibmoment auf der Welle wird die Unterstützungsfeder außerhalb des Schlingfederelements im Wirkbereich über der Welle liegend verbaut, wird ein hohes Reibmoment in der Nabe gewünscht, ist die Unterstützungsfeder in dem Schlingfederelement im Wirkbereich innerhalb der Nabe montiert.
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Die Unterstützungsfeder kann in Bezug auf das Schlingfederelement synchron oder nicht synchron verbaut werden, wobei die synchron verbaute Unterstützungsfeder vorzugsweise ein Profil aufweist, welches mit einem darauf abgestimmten Profil des Schlingfederelements in Wirkverbindung steht.
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Bei nicht synchronisierten Systemen aus Unterstützungsfeder und Schlingfederelement wird vorzugsweise eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Unterstützungsfeder und Schlingfeder gewählt.
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Der Windungssinn der Unterstützungsfeder entspricht insbesondere dem Windungssinn des Schlingfederelements. Für eine Kostenreduzierung sind des Weiteren der Querschnitt der Bänder des Schlingfederelements und der Unterstützungsfeder identisch.
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Der erste Wirkbereiche und der zweite Wirkbereich weisen wenigstens zwei axial getrennte Bereiche mit unterschiedlichen Reibmomenten auf, wobei der erste Wirkbereich ein höheres Reibmoment und der zweite Wirkbereich ein geringeres Reibmoment bewirken.
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Da der Bandquerschnitt des Schlingfederelements auf das benötigte Reibmoment im zweiten Wirkbereich ausgelegt ist und dieser Querschnitt für den ersten Wirkbereich zu niedrig ist, wird mittels der Unterstützungsfeder das Reibmoment im ersten Wirkbereich erhöht.
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Das Schlingfederelement weißt folgende Merkmale auf:
- – im ersten Wirkbereich ist das Schlingfederelement, welches aus Federdraht besteht, auf einen größeren Durchmesser gewickelt, als im Bereich für das geringere Reibmoment im zweiten Wirkbereich und/oder
- – im zweiten Wirkbereich für das geringere Reibmoment ist eine größere Anzahl an Windungen als im ersten Wirkbereich für das höhere Reibmoment vorhanden.
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Für eine kostengünstige Fertigung und einfache Montage ist die Unterstützungsfeder in Form einer einfachen Schraubenfeder ausgeführt und weißt an ihrem inneren oder äußeren Bandende eine Montagehilfe auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein. Dabei zeigen:
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1 ein Aktor mit PWG und erfindungsgemäßem Schlingfederelement,
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2 eine Detailansicht eines eingebauten Schlingfederelements mit erfindungsgemäßer Unterstützungsfeder,
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3 ein Schlingfederelement mit synchron verbauter Unterstützungsfeder,
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4 eine Unterstützungsfeder für die synchrone Montage,
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5 ein Schlingfederelement mit nicht synchron verbauter Unterstützungsfeder
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6 eine Unterstützungsfeder mit innen liegender Montagehilfe.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Aktor mit Planetenwälzgewindetrieb (PWG) 1 dargestellt, welcher eine Spindel 2 und ein Hohlrad 3 aufweist, zwischen denen Planetenrollen 4 kämmen. Das Hohlrad 3 (Hülse) ist an seinem Außendurchmesser, der als Welle wirkt, mittels eines Schlingfederelements 5 in Form einer Doppelschlingfeder mit einer Nabe 6 wirkverbunden. 2 zeigt die Prinzipdarstellung aus Hohlrad 3 und Nabe 6, zwischen denen ein Schlingfederelement 5 angeordnet ist.
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Gemäß 2 weist das Schlingfederelement 5 einen ersten Wirkbereich A mit einem Kontaktbereich mit der Nabe 6 und einen zweiten Wirkbereich B mit einem Kontaktbereich mit dem Hohlrad 3 auf, wobei der erste Wirkbereich A mit deinem Außendurchmesser dA den Innendurchmesser D6 der Nabe berührt und mit diesem in einer ersten Drehrichtung kraftschlüssig verbunden ist. Der zweite Wirkbereich B liegt mit seinem Innendurchmesser DB auf dem Außendurchmesser d3 des Hohlrades 3 auf und umschließt diesen. Entlang des ersten Wirkbereiches A ist radial innen liegend eine Unterstützungsfeder 7 angeordnet, welche synchron zu dem Schlingfederelement 5 verbaut ist. Dabei sind der Windungssinn des Schlingfederelements 5 und der Unterstützungsfeder 7 identisch. Die Unterstützungsfeder 7 liegt vor dem Hohlrad 3, wobei der Innendurchmesser D7 der Unterstützungsfeder kleiner als der Außendurchmesser d3 der Welle ist.
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Die Unterstützungsfeder 7 erhöht das Reibmoment mit der Nabe 6 im ersten Wirkbereich A. In Folge dessen kann der Bandquerschnitt des Schlingfederelements 5 auf ein niedriges Reibmoment im Wirkbereich B ausgelegt werden.
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Der Außendurchmesser des Schlingfederelements 1 ist im ersten Wirkbereich A größer als im zweiten Wirkbereich B. Im Gegensatz dazu weist der zweite Wirkbereich B mehr Windungen der Schlingfeder 1 auf, als der erste Wirkbereich A.
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Das in 1 und 2 verbaute Schlingfederelement 5 wird detailliert in 3 dargestellt. Die Unterstützungsfeder 7 ist im Bereich A synchron in das Schlingfederelement 5 eingebaut, wobei der Windungssinn identisch ist und keine Überlappung der einzelnen Windungen vorliegt. Die Unterstützungsfeder 7 weist gemäß 4 eine Erhöhung 7.1 umfangsseitig an jeder Windung auf, wobei diese mit einer umlaufenden Nut 5.1 am Innendurchmesser DA des ersten Wirkbereichs A korrespondiert.
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Es können auch anderweitige kraft- oder formschlüssige Verbindungen zwischen dem Schlingfederelement 5 und der Unterstützungsfeder 7 gewählt werden.
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Eine nicht synchronisierte Unterstützungsfeder 7, die in einem ersten Wirkbereich A eines Schlingfederelements 5 sitzt, ist in 5 dargestellt. Die einzelnen Windungen des Schlingfederelements 5 und der Unterstützungsfeder 7 überlappen sich im Wirkbereich A. Die Verbindung zwischen Schlingfederelement 5 und Unterstützungsfeder 7 erfolgt mittels einer kraftschlüssigen Verbindung und auf ein ineinandergreifendes Profil wird verzichtet. Auch in dieser Darstellung weist der erste Wirkbereich A des Schlingfederelementes 5 einen größeren Durchmesser der Wicklungen auf und der zweite Wirkbereich B weist im Gegensatz zum Wirkbereich A mehr Wicklungen auf, die im verbauten Zustand mit dem Hohlrad (hier nicht dargestellt) in Wirkverbindung stehen.
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6 zeigt eine Variante einer Unterstützungsfeder, welche eine Montagehilfe 7.2 an ihrem inneren Bandende aufweist. Dabei ist das Band in Form eines Hakens in einem engeren Radius umgeformt.
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Das im Ausführungsbeispiel beschriebene System kann auch derart gestaltet werden, dass ein niedriges Moment in der Hülse (Nabe 6) und ein hohes Moment auf die Welle (Hohlrad 3) wirkt. Die Unterstützungsfeder 7 wird dann außerhalb um das Schlingfederelement 5 im Wirkbereich B zum Hohlrad 3 verbaut um im Wirkbereich B das Reibmoment zu erhöhen.
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Aus Kostengründen sind die Bandquerschnitte des Schlingfederelements 5 und der Unterstützungsfeder 7 identisch. Des Weiteren eignet sich als Unterstützungsfeder 7 eine einfache Schraubenfeder.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetenwälzgewindetrieb
- 2
- Spindel
- 3
- Hohlrad
- d3
- Außendurchmesser der Welle
- 4
- Planetenrollen
- 5
- Schlingfederelement
- 5.1
- Nut
- 6
- Nabe
- D6
- Innendurchmesser Nabe
- 7
- Unterstützungsfeder
- 7.1
- Erhöhung
- 7.2
- Montagehilfe
- d7
- Außendurchmesser der Unterstützungsfeder
- D7
- Innendurchmesser der Unterstützungsfeder
- A
- erster Wirkbereich
- dA
- Außendurchmesser des ersten Wirkbereichs
- DA
- Innendurchmesser des ersten Wirkbereichs
- B
- zweiter Wirkbereich
- dB
- Außendurchmesser des zweiten Wirkbereichs
- DB
- Innendurchmesser des zweiten Wirkbereichs
