DE102016206576B3

DE102016206576B3 - Spindelantrieb und Aktuator mit Spindelantrieb

Info

Publication number: DE102016206576B3
Application number: DE102016206576.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Starke; Miguel de Carvalho; Gerrit Seevers; Christoph Dobbelhoff
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2036-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb, umfassend eine ein Spindelgewinde aufweisende Spindel (33), eine ein Muttergewinde aufweisende Spindelmutter (31), wobei das Spindel- und das Muttergewinde als Bewegungsgewinde (32) ausgebildet sind und die Spindel (31) und die in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter (31) über das Bewegungsgewinde (32) miteinander in Eingriff stehen und wobei die Spindel (33) durch eine Verdrehsicherung an einer Drehbewegung gehindert und in Bezug auf die Spindelmutter (31) axial verschiebbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Spindel (33), die eine Spindelachse (a) aufweist, mindestens einen in einem Gleitlager (34) geführten Lagerabschnitt aufweist und dass der mindestens eine Lagerabschnitt als Exzenter (33a) mit einer Exzenterachse (b), welche um eine Exzentrizität (e) gegenüber der Spindelachse (a) versetzt ist, ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb für einen Aktuator, insbesondere für eine Lenkung, vorzugsweise eine Hinterachslenkung sowie einer Spindel in einem Spindelantrieb für einen solchen Aktuator nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Spindelantriebe sind bekannt; sie umfassen in der Regel eine Spindel und eine Spindelmutter, welche über ein Bewegungsgewinde miteinander in Eingriff stehen, wobei durch einen Drehantrieb der Spindelmutter eine Axialbewegung der Spindel erzeugt wird. Hierzu muss die Spindel durch geeignete Mittel am Verdrehen gehindert werden, d. h. eine Verdrehsicherung aufweisen.
Es ist auch bekannt, Spindelantriebe in Aktuatoren, auch Stellmotoren genannt, für die Hinterachslenkung von Kraftfahrzeugen einzusetzen. Gemäß der DE 10 2014 206 934 A1 ist ein Stellmotor mit einem Spindelantrieb, umfassend eine axial verschiebbare Spindel und eine Spindelmutter, offenbart. Die Spindelmutter ist in dem Gehäuse des Aktuators gelagert und wird über einen Riementrieb von einem Elektromotor angetrieben. Aufgrund des als Trapezgewinde ausgebildeten Bewegungsgewindes wird die Spindel, welche in gehäuseseitigen Lagern geführt ist und eine Verdrehsicherung aufweist, in axialer Richtung verschoben und wirkt über je eine Gelenkverbindung gleichzeitig auf die Lenkung beider Hinterräder. Der Aktuator, der etwa mittig in Bezug auf die Hinterräder im Fahrzeug angeordnet ist, wirkt somit nach zwei Seiten oder zweifach. Für die Hinterachslenkung sind andererseits auch einfach wirkende Aktuatoren bekannt, welche nur nach einer Seite, d. h. nur auf ein Rad wirken und daher in Radnähe angeordnet sind.
Durch die DE 10 2013 107 827 A1 wurde ein einfach wirkender Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges mit einem elektrisch angetriebenen Spindelantrieb bekannt. Der Spindelantrieb umfasst eine gehäuseseitig gelagerte, über einen Riementrieb antreibbare Spindelmutter sowie eine über ein Bewegungsgewinde mit der Spindelmutter in Eingriff stehende Spindel, welche eine Axialbewegung ausführt und eine Verdrehsicherung aufweist. Die Verdrehsicherung ist als gehäuseseitig abgestütztes Gleitlager ausgebildet, welches einen als Polygonprofil ausgebildeten Abschnitt der Spindel, in diesem Bereich auch Schubstange genannt, aufnimmt. Aufgrund des Polygonprofils der Schubstange und der Lageröffnung des Gleitlagers wird ein Formschluss erreicht und ein Verdrehen der Schubstange respektive der Spindel verhindert, jedoch eine Axialbewegung zugelassen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Spindelantrieb und einen Aktuator sowie einer damit in funktionellem Zusammenhang stehenden Spindel, weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf eine notwendige Verdrehsicherung und deren Herstellkosten.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spindel mindestens einen, in mindestens einem Gleitlager aufgenommenen Gleitlagerabschnitt aufweist und dass der mindestens eine Gleitlagerabschnitt als Exzenter mit einer Exzenterachse ausgebildet ist, welche gegenüber der Spindelachse um eine Exzentrizität versetzt ist. Die Spindel weist vorzugsweise einen Gleitlagerabschnitt an einem Ende oder zwei Gleitlagerabschnitte an sich gegenüber liegenden Enden auf, d. h. für einen einfach oder nur nach einer Seite wirkenden oder für einen doppelt, d. h. nach beiden Seiten wirkenden Spindelantrieb auf. Durch die exzentrische Lagerung der Spindel wird der Vorteil einer einfachen Verdrehsicherung gegenüber dem Aktuator erreicht. Das exzentrisch angeordnete Gleitlager verhindert eine Drehbewegung der Spindel in dem Aktuator bzw. dessen Gehäuse, lässt jedoch eine Längs- oder Axialbewegung zu, d. h. das Gleitlager wirkt als Schiebelager und aufgrund der Exzentrizität ebenfalls als Verdrehsicherung gegenüber dem Aktuator bzw. dessen Gehäuse.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Exzenter als kreiszylindrischer Abschnitt oder Wellenabschnitt ausgebildet und koaxial in einer Lagerbohrung des Gleitlagers aufgenommen; die Achsen der Lagerbohrung und des Exzenters fallen also zusammen. Aufgrund der kreiszylindrischen, d. h. einfach herstellbaren Flächen des Exzenters einerseits und der Lagerbohrung andererseits ergeben sich geringe Herstellkosten, insbesondere im Vergleich zu den bekannten formschlüssigen Verdrehsicherungen. Darüber hinaus ist keinerlei Umfangsspiel zwischen dem Exzenter und dem Gleitlager vorhanden, wie dies beim Stand der Technik bei bekannten formschlüssigen Verdrehsicherungen der Fall ist. Daraus resultiert auch eine geringere Geräuschentwicklung der erfindungsgemäßen Verdrehsicherung.
Nach weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind der Exzenter und die Spindel einstückig oder mehrteilig ausgebildet. Bei der einstückigen Variante sind Spindel und Exzenter aus einem Stück, z. B. einem Rohling durch spangebende Bearbeitung herstellbar. Bei der mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen Variante kann der Exzenter Teil eines Zapfens bzw. Aufschraubzapfens oder einer Schubstange sein, welche jeweils dreh- und schubfest mit der Spindel verbunden ist. In diesem Fall ist die Spindel zumindest in zwei Abschnitte gegliedert, wobei ein erster Teil einen in der Spindelmutter axial verschiebbaren Gewindeabschnitt und ein zweiter Teil den Gleitlagerabschnitt mit der exzentrischen Verdrehsicherung bilden. Durch die dreh- und schubfeste Verbindung werden Dreh- und Axialbewegungen der Spindel spielfrei auf den Zapfen oder die Schubstange übertragen. Aus der Bauform mit zwei Abschnitten können sich auch fertigungstechnische Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Herstellung des Exzenters ergeben.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Aktuator, auch Stellmotor genannt, für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges ein Spindelantrieb der vorgenannten Art vorgesehen. Die erfindungsgemäße Verdrehsicherung in Form eines auf der Spindel angeordneten Exzenters wird in das Gehäuse eines Aktuators integriert, wobei das den Exzenter aufnehmende Gleitlager im Gehäuse des Aktuators abgestützt ist. Das mindestens eine Gleitlager ist gehäusefest angeordnet, insbesondere form- und/oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden, so dass ein Verdrehen des Gleitlagers gegenüber dem Gehäuse vermieden wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spindelmutter drehbar im Gehäuse gelagert, insbesondere mittels eines oder mehrerer Rollen-, Kugel- oder Gleitlager oder aus Kombinationen dieser Lagerarten, und von einem Antriebsmotor, vorzugsweise einem Elektromotor antreibbar. Bevorzugt erfolgt der Antrieb – aufgrund der Versetzung der Motorachse gegenüber der Spindelachse – über einen Riementrieb auf die Spindelmutter. Damit wird ein dynamischer und geräuscharmer Antrieb erreicht. Es ist aber auch ein Räderantrieb mittels Zahnräder, gegebenenfalls mittels einer Zwischenstufe möglich.
Die Erfindung betrifft ebenso eine Spindel in dem vorgenannten Spindelantrieb, die in dem oben beschriebenen Aktuator zum Einsatz kommt. Die Spindel weist eine Spindelachse auf, die sich dadurch auszeichnet, dass die Spindel mindestens einen Gleitlagerabschnitt aufweist, wobei der mindestens eine Gleitlagerabschnitt als Exzenter mit einer Exzenterachse, welche um eine Exzentrizität gegenüber der Spindelachse versetzt ist, ausgebildet ist.
Bevorzugt weist die Spindel ein Trapezwinde aufweist, wobei die Spindel an ihren äußeren, der Lagerung, insbesondere der Gleitlagerung, dienenden Bereichen glattwandig, insbesondere zylindrisch ausgebildet ist, und das Gewinde zwischen diesen äußeren Bereichen ausgebildet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
1 einen einfach wirkenden Aktuator für eine Hinterachslenkung,
2 einen zweifach wirkenden Aktuator für eine Hinterachslenkung,
3 einen Axialschnitt einer Spindel mit erfindungsgemäßer Verdrehsicherung durch einen Exzenter,
3a eine Ansicht des Exzenters in axialer Richtung und
3b eine isometrische Darstellung der Spindel.
1 zeigt in einem Längschnitt den Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten einfach, d. h. heißt lediglich auf ein Rad wirkenden, elektrisch antreibbaren Aktuators 1 für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges. Der Aktuator 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse 2 auf, in welchem ein Spindelantrieb 3, welcher eine Spindelmutter 4 und eine mit der Spindelmutter 4 in Eingriff stehende, axial verschiebbare Spindel 5 umfasst, angeordnet ist. Die Spindel 5 weist ein Spindel- oder Außengewinde 5a und die Mutter 4 ein Mutter- oder Innengewinde 4a auf, welche als Bewegungsgewinde, vorzugsweise als Trapezgewinde ausgebildet sind. Die Spindelmutter 4, welche über zwei Wälzlager 6, 7 drehbar gegenüber dem Gehäuse 2 abgestützt ist, wird über einen Riementrieb 8 von einem Elektromotor 9 angetrieben. Das Gehäuse 2 umfasst drei Gehäuseteile, nämlich einen mittleren Gehäuseteil 2a, in welchem die Spindelmutter 4 gelagert ist, einen fahrzeugseitigen Teil 2b, über welchen der Aktuator 1 gelenkig am Fahrzeug befestigt ist, und einen radseitigen Gehäuseteil 2c, an dessen Stirnseite ein Gleitlager 10 angeordnet ist. Die Spindel 5 weist ein stirnseitiges Ende 5b auf, welches dreh- und schubfest mit einem Aufschraubzapfen 11 verbunden ist. Der Aufschraubzapfen 11 weist einen Gleitlagerabschnitt (ohne Bezugszahl) auf, der in dem Gleitlager 10 geführt ist. An dem aus dem Gehäuse 2c herausragenden Ende 11a des Aufschraubzapfens 11 ist über einen Gelenkzapfen 12a ein Gelenk 12 befestigt, welches über ein nicht dargestelltes Lenkgestänge, z. B. eine Spurstange oder auch direkt mit einem lenkbaren Hinterrad des Kraftfahrzeuges verbunden werden kann, welches mittels eines Radträgers drehbar und lenkbar am Fahrzeugaufbau gelagert ist. Der aus dem Gehäuse 2c herausragende äußere Teil 11a des Aufschraubzapfens 11 ist durch eine flexible Dichtung, ausgebildet als Faltenbalg 13, abgedichtet, der einerseits das Gehäuse 2c und andererseits den Gelenkzapfen 12a umschließt. Das Gleitlager 10 und der im Gleitlager 10 verschiebbare Gleitlagerabschnitt des Aufschraubzapfens 11 weisen eine Verdrehsicherung auf, die hier nicht dargestellt ist.
2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten doppelt oder nach zwei Seiten wirkenden Aktuator 20, der ähnlich aufgebaut ist wie der einfach wirkende Aktuator 1 gemäß 1 und den gleichen elektrischen Antrieb aufweist. Im Unterschied zum einfach wirkenden Aktuator 1 sind an beiden Stirnenden 21a, 21b der Spindel 21 Schubstangen bzw. Aufschraubzapfen 22, 23 befestigt, welche jeweils mit einem Gelenk 24, 25 verbunden ist. Das Gehäuse 26 ist somit an beiden Stirnseiten offen für den Durchtritt der beiden in Gleitlagern 27, 28 geführten Aufschraubzapfen 22, 23. Der Aktuator 20 wird vorzugsweise mittig zwischen den Hinterrädern am Fahrzeugaufbau befestigt und wirkt über die beiden Aufschraubzapfen 22, 23 und die Gelenke 24, 25 gleichzeitig jeweils auf die beiden an Radträgern gelagerten Hinterräder.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Spindelantrieb 30, der dem Spindelantrieb 3 in 1 im Wesentlichen entspricht und für einen Aktuator gemäß 1 oder 2 verwendbar ist. Der Spindelantrieb 30 umfasst eine Spindelmutter 31, welche über ein Bewegungsgewinde 32 mit einer Spindel 33, welche der Spindel 5 mit dem Aufschraubzapfen 11 in 1 entspricht, in Eingriff steht. Die Spindel 33 weist eine Längsachse a und einen Außendurchmesser d1 auf. Die Spindel 33 weist ferner einen Gleitlagerabschnitt 33a auf, welcher als Exzenter 33a mit einem Außendurchmesser d2 und einer Exzenterachse b, welche um die Exzentrizität e gegenüber der Spindelachse a versetzt ist, ausgebildet ist. Der Exzenter 33a ist in einer Bohrung eines gehäuseseitig abgestützten Gleitlagers 34 aufgenommen und in Richtung der Spindelachse a geführt. Das Gleitlager 34 entspricht dem Gleitlager 10 in 1 oder den Gleitlagern 27, 28 in 2. In die Spindel 33, die stirnseitig im Bereich des Exzenters 33a eine Sacklochgewindebohrung 35, koaxial zur Spindelachse a, aufweist, kann – ähnlich wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 – ein Zapfen für ein Gelenk eingeschraubt werden.
3a zeigt eine Ansicht in axialer Richtung auf den Exzenter 33a und das Gleitlager 34, wobei der Versatz der Achsen durch die Exzentrizität e gekennzeichnet ist.
3b zeigt eine isometrische Ansicht der Spindel 33 mit Exzenter 33a (ohne Gleitlager 34) und der Spindelmutter 31.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Exzenter 33a einstückig mit der Spindel 33 ausgebildet. Der Exzenter 33a hat die Wirkung einer Verdrehsicherung, d. h. er verhindert bei einem Antrieb der Spindel 33 durch die Spindelmutter 31 eine Drehbewegung der Spindel 33 um ihre Längs- oder Spindelachse a. Der Exzenter 33a stützt sich in Drehrichtung gegenüber dem drehfest im Gehäuse des Aktuators (1, 2) angeordneten Gleitlager 34 ab.
Abweichend von der Darstellung in 3, 3a, 3b, können die Spindel 33 und der Exzenter 33a – ähnlich wie in den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 – auch mehrteilig ausgebildet sein, z. B. durch Fügen mit einer Schubstange (vgl. 1), welche als Exzenter ausgebildet sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Gehäuse
2a: mittlerer Gehäuseteil
2b: fahrzeugseitiger Gehäuseteil
2c: radseitiger Gehäuseteil
3: Spindelantrieb
4: Spindelmutter
4a: Muttergewinde
5: Spindel
5a: Spindelgewinde
5b: Spindelende
6: Wälzlager
7: Wälzlager
8: Riementrieb
9: Elektromotor
10: Gleitlager
11: Aufschraubzapfen
11a: äußerer Teil
11b: innerer Teil
12: Gelenk
12a: Gelenkzapfen
13: Faltenbalg
20: Aktuator
21: Spindel
21a: Spindelende
21b: Spindelende
22: Schubstange
23: Schubstange
24: Gelenk
25: Gelenk
26: Gehäuse
27: Gleitlager
28: Gleitlager
30: Spindelantrieb
31: Spindelmutter
32: Bewegungsgewinde
33: Spindel
33a: Exzenter
34: Gleitlager
35: Gewindesacklochbohrung
a: Spindelachse
b: Exzenterachse
d1: Durchmesser Spindel
d2: Durchmesser Exzenter
e: Exzentrizität

Claims

Spindelantrieb für einen Aktuator, insbesondere für eine Lenkung, vorzugsweise eine Hinterachslenkung, umfassend – eine ein Spindelgewinde (5a) aufweisende Spindel (5, 33), die eine Spindelachse (a) aufweist, – eine ein Muttergewinde (4a) aufweisende Spindelmutter (4, 31), – wobei das Spindel- und das Muttergewinde (5a, 4a) als Bewegungsgewinde (32) ausgebildet sind und – die Spindel (5, 31) und die in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter (4, 31) über das Bewegungsgewinde (32) miteinander in Eingriff stehen und – wobei die Spindel (5, 33) durch eine Verdrehsicherung an einer Drehbewegung gegenüber dem Aktuator gehindert und in Bezug auf die Spindelmutter (4, 31) axial verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (33), mindestens einen in einem Gleitlager (34) geführten Lagerabschnitt aufweist, und dass der mindestens eine Lagerabschnitt als Exzenter (33a) mit einer Exzenterachse (b), welche um eine Exzentrizität (e) gegenüber der Spindelachse (a) versetzt ist, ausgebildet ist, wobei das Gleitlager als Schiebelager wirkt und aufgrund der Exzentrizität ebenfalls als Verdrehsicherung gegenüber dem Aktuator wirkt.
Spindelantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (34) eine Lagerbohrung aufweist und der Exzenter (33a), der als kreiszylindrischer oder polygonaler Abschnitt ausgebildet ist, in der Lagerbohrung koaxial angeordnet ist.
Spindelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (33a) einstückig oder mehrteilig mit der Spindel (33) ausgebildet ist.
Aktuator für eine Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung, eines Kraftfahrzeuges, umfassend einen Spindelantrieb (3, 30), ein Gehäuse (2), einen Antriebsmotor (9) und mindestens ein vom Spindelantrieb (3, 30) axial verschiebbares Stellglied (5, 11), dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelantrieb (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (31) drehbar im Gehäuse gelagert und vom Antriebsmotor (9) antreibbar ist.
Aktuator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gleitlager (34) gehäusefest angeordnet ist, insbesondere form- und/oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist.
Spindel in einem Spindelantrieb nach Anspruch 1 bis 3 für einen Aktuator nach Anspruch 4 bis 6 mit einer Spindelachse (a), dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (33) mindestens einen Gleitlagerabschnitt aufweist, wobei der mindestens eine Gleitlagerabschnitt als Exzenter (33a) mit einer Exzenterachse (b), welche um eine Exzentrizität (e) gegenüber der Spindelachse (a) versetzt ist, ausgebildet ist
Spindel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel ein Trapezgewinde aufweist, wobei die Spindel (33) an ihren äußeren, der Lagerung dienenden Bereichen glattwandig, insbesondere zylindrisch ausgebildet ist, und das Gewinde zwischen diesen äußeren Bereichen ausgebildet ist.