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Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinheit für ein Automatikgetriebe (vorzugsweise ein PRND-Automatikgetriebesystems) eines Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses oder landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges, mit einem Spindelantrieb sowie einem, mit einem verschiebbar gelagerten Schiebeelement des Spindelantriebs gekoppelten Hebelmechanismus, wobei ein mit einem Betätigungshebel (des Hebelmechanismus) drehfest verbundener Übertragungshebel des Hebelmechanismus einerseits an einem gehäusefesten Bereich (der Betätigungseinheit) schwenkbar gelagert ist, andererseits eine Kulissenbahn aufweist, die so ausgebildet ist und in die das Schiebeelement derart eingreift, dass eine Verschiebebewegung des Schiebeelementes eine Schwenkbewegung des Übertragungshebels bewirkt. Desweiteren betrifft die Erfindung einen Aktor für ein Automatikgetriebe, mit einer Betätigungseinheit sowie einer den Spindelantrieb der Betätigungseinheit antreibenden Antriebseinheit.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ausführungen von gattungsgemäßen Betätigungseinheiten, die vorzugsweise in Getriebeaktoren eingesetzt sind, bekannt. Eine derartige Betätigungseinheit ist etwa der Anmelderin aus einem internen Stand der Technik bekannt, der noch nicht veröffentlicht ist, jedoch bereits als
deutsche Patentanmeldung am 23.11.2015 unter dem Aktenzeichen 10 2015 223 025.5 beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht worden ist, bekannt. Hierin ist eine Betätigungseinheit für ein Automatikgetriebe offenbart, die eine mechanische Kinematik zum Verstellen einer Betätigungseinrichtung für das Automatikgetriebe jedenfalls aufweist.
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Desweiteren sind aus dem Stand der Technik Betätigungsaktoren bekannt, die über ihren Betätigungsbereich hinweg eine Betätigungskraft als Ausgangsgröße mit konstanter Kraftkennlinie aufweisen. Das bedeutet, dass die mittels eines solchen Betätigungsaktors zum Schalten eines Getriebes ausgeübte Betätigungskraft unabhängig vom jeweiligen Verstellweg ist und das Getriebe stets mit einer Betätigungskraft von konstanter und jeweils gleicher Höhe betätigt wird. Dies ist aus den nachfolgend aufgeführten Gründen mit Nachteilen verbunden.
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Ein Aktor für ein Automatikgetriebe muss dessen Schaltstellungen oder Getriebezustände (bei PRND-Automatikgetriebesystem) P (park / Parksperre), R (reverse / Rückwärtsgang), N (neutral / Leerlauf) und D (drive / Fahrprogramm) sowie ggf. weitere Fahrstufen, wie z.B. S für Sportprogramme, etc., abdecken und in der jeweils gewünschten Art und Weise schalten können. Einerseits liegt das zum Ein- und vor allem Auslegen der Parksperre erforderliche Niveau der Betätigungskraft üblicherweise deutlich über dem zum Ein- und Auslegen der Fahrstufen (Zustände oder Gänge) R, N und D sowie ggf. zusätzlich vorhandener Fahrstufen. Grund dafür ist, dass die in der Regel selbsthemmend ausgelegte Parksperre, z.B. bei im Gefälle abgestelltem Fahrzeug, unter hoher Kraft auslegbar sein muss. Andererseits ist für den Übergang von P nach D aus Komfortgründen eine maximal erlaubte Zeit gesetzt. Als Folge sind zum Ein- bzw. Auslegen der jeweiligen Schaltstufen unterschiedlich erforderliche Betätigungskräfte und Betätigungsgeschwindigkeiten.
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Bei einem bekannten in einem Aktor eingesetzten Motor mit konstanter Kraftkennlinie ist es von Nachteil, dass dieser eine hohe Belastungsfähigkeit besitzen muss, um die zum Ein- und Auslegen der Parksperre P erforderlich hohe Betätigungskraft bei gleichzeitig schnellem Schaltverhalten zur Verfügung stellen zu können. Wird der Aktor / Motor mit einer solch hohen Leistungsfähigkeit verwendet, ist zum Ein- und Auslegen der übrigen Schaltstufen R, N und D ein deutlicher Kraftüberschuss vorhanden, welcher nicht genutzt werden kann. Damit der Aktor die Dynamikanforderungen erfüllen kann, wird folglich ein großer und energetisch überdimensionierter Aktor / Motor benötigt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und einen Aktor samt Betätigungseinheit zur Verfügung zu stellen, deren motorische Antriebsleistung möglichst über den gesamten Schaltweg genutzt werden soll. Desweiteren soll die Betriebssicherheit weiter verbessert werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Übertragungshebel als eine Kurvenscheibe ausgebildet ist, wobei die Kulissenbahn mittels einer in ihrer Länge beidseitig begrenzten Langlochkontur ausgestaltet ist.
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Dadurch wird eine Betätigungseinheit zur Verfügung gestellt, die besonders hinsichtlich des Verschleißes robust ausgestaltet ist. Weiterhin ist eine besonders sichere und stabile Führung des Schiebeelementes an dem Übertragungshebel umgesetzt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demzufolge ist es auch vorteilhaft, wenn die Kulissenbahn einen ersten gekrümmten Langlochbereich sowie einen, schräg zu dem ersten Langlochbereich verlaufenden, zweiten gekrümmten Langlochbereich aufweist. Die Langlochkontur wird somit zumindest durch zwei Langlochbereiche ausgestaltet. Die Kulissenbahn ist dadurch besonders einfach entlang ihrer Erstreckung in verschiedene Übersetzungsbereiche unterteilt.
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In diesem Zusammenhang ist es auch zweckmäßig, wenn der erste Langlochbereich (im Längsverlauf / in der Erstreckung der Kulissenbahn betrachtet) benachbart zu dem zweiten Langlochbereich angeordnet ist / unmittelbar benachbart an diesen anschließt. Dadurch ist die Kurvenscheibe besonders kompakt ausgebildet.
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Desweiteren ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn die beiden Langlochbereiche durch einen Knickbereich / Knick aneinander anschließen / miteinander verbunden sind. Dadurch wird das Hebelverhältnis an einer konkreten Schwenkposition des Übertragungshebels, zum Umsetzen der Parksperre, geändert.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Langlochkontur / die Langlochbereiche in Form eines Durchgangsloches ausgestaltet ist / sind. Dadurch kann die Kulissenbahn besonders geschickt in die Kurvenscheibe eingebracht werden. Vorzugsweise ist die Kulissenbahn durch ein Stanzverfahren und/oder ein Fräsverfahren hergestellt. In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn der Übertragungshebel / die Kurvenscheibe aus einem kaltumformtechnisch bearbeitbaren Metallwerkstoff / Metallblech hergestellt ist. Dadurch wird die Herstellung der Betätigungseinheit deutlich vereinfacht.
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Verläuft die Kulissenbahn in einer Erstreckungsebene, zu der vorzugsweise eine Schwenkachse des Übertragungshebels normal ausgerichtet ist, sind die auf dem Spindelantrieb sowie den Hebelmechanismus wirkenden Kräfte gezielt einachsig ausgerichtet und es ist eine robuste Bauweise der Betätigungseinheit vorhanden.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn die Kulissenbahn derart ausgestaltet ist, dass je eine Schwenkendposition des Übertragungshebels (in Form eines Anschlags) durch ein Ende der Langlochkontur vorgegeben ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Schiebeelement nicht über die Endpositionen hinaus verschiebbar ist.
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Weist das Schiebeelement eine Führungsrolle auf, die entlang der Kulissenbahn (verfahrbar / wälzend) geführt ist, ist eine dauerfeste Wirkverbindung zwischen dem Schiebeelement und dem Übertragungshebel umgesetzt.
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In diesem Zusammenhang ist es auch zweckmäßig, wenn die Kulissenbahn in einer Erstreckungsebene verläuft, zu der eine Rotationsachse der Führungsrolle normal ausgerichtet / verlaufend ist. Dadurch wird die Robustheit der Betätigungseinheit weiter verbessert.
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Desweiteren betrifft die Erfindung einen Aktor für ein Automatikgetriebe, insbesondere eines PRND-Automatikgetriebesystems, mit einer Betätigungseinheit nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sowie einer den Spindelantrieb der Betätigungseinheit antreibenden Antriebseinheit. Dadurch ist auch der gesamte Aktor besonders effizient arbeitend.
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In Bezug auf den Aktor ist es zudem auch von Vorteil, wenn die Antriebseinheit einen Elektromotor aufweist, der über ein Getriebe, vorzugsweise eine Zahnradstufe, mit dem Spindelantrieb bewegungsgekoppelt ist. Dadurch ist das Übersetzungsverhältnis der bestehenden Motoren geschickt auf die Anwendung als Getriebeaktor / Kupplungsaktor ausgelegt.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein insbesondere axial kurzbauender Aktor / Aktuator umgesetzt, der eine Nockenscheibe (Kurvenscheibe) zum Vorsehen einer nichtlinearen Betätigungskraft für ein PRND-Getriebeschaltsystem aufweist. Der als mechanischer Getriebe- und/oder Kupplungsaktor ausgeführte Aktor ist besonders kompakt mit einem Spindelantrieb ausgeführt, der parallel zu dem Motor des Aktors angeordnet ist. Dabei wird Drehmoment nicht direkt über die Spindelmutter (das Spindelelement) übertragen, sondern die Spindelmutter wirkt auf die Nockenscheibe, die wiederum eine nichtlineare Betätigungskraft, die auf das Getriebesystem (über den Betätigungshebel) wirkt, erzeugt. Somit ist eine besonders variable Übersetzung in Form einer Kurvenbahn zur optimierten Aufteilung von Kraft und Weg innerhalb des Aktors umgesetzt.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines teilweise dargestellten erfindungsgemäßen Aktors samt Betätigungseinheit gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei ein Übertragungshebel eines Hebelmechanismus der Betätigungseinheit sowie dessen Kulissenbahn in ihrer eine Erstreckung gut erkennbar sind,
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2 eine perspektivische Darstellung des Aktors nach 1, der wie auch bereits in 1 ohne Gehäuse abgebildet ist,
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3 eine Draufsicht auf den Aktor nach 1 und 2, in der eine Spindelwelle und ein entlang dieser Spindelwelle verschiebbares Schiebeelement eines Spindelantriebs in ihrer Anordnung gut zu erkennen sind, und
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4 eine Vorderansicht des Aktors nach 1 bis 3, in der die Anordnung des Elektromotors zwischen zwei Übertragungshebeln des Hebelmechanismus gut ersichtlich ist.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In
2 ist zunächst besonders gut der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Aktors
15 erkennbar. Der nachfolgend näher beschriebene Aktor
15 sowie die hierin enthaltene Betätigungseinheit
1 sind prinzipiell wie der in der noch nicht veröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2015 223 025.5 vom 23.11.2015 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel (
5 bis
8) beschriebene Aktor und deren Betätigungseinheiten ausgestaltet sowie funktionierend. Der mit dieser bereits eingereichten Patentanmeldung enthaltene Text gilt deshalb als hierin integriert.
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Die Betätigungseinheit 1 des erfindungsgemäßen Aktors 15 weist einen Spindelantrieb 2 sowie einen Hebelmechanismus 4 auf. Der Spindelantrieb 2 weist wiederum eine Spindelwelle 19 sowie eine hierauf verschiebbar angeordnete Spindelmutter, die als Schiebeelement 3 bezeichnet ist. Auf einem Außengewinde der Spindelwelle 19 ist das Schiebeelement 3 gemäß der typischen Ausbildung eines Spindeltriebs verschiebbar geführt. Durch Verdrehung der Spindelwelle 19 wird insbesondere das Schiebeelement 3 in eine erste axiale Richtung oder eine, zu dieser ersten Richtung entgegengesetzte, zweite axiale Richtung verschoben.
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Der Spindelantrieb 2 wirkt mit einer Antriebseinheit 16 des Aktors 15 zusammen, die einen Elektromotor 17 aufweist. Der Elektromotor 17, wie in 1 auch besonders gut erkennbar, ist mit einer Rotationswelle 20 ausgestattet, die drehfest mit einem Rotor des Elektromotors 17 verbunden ist und aus einem Gehäuse 21 des Elektromotors 17 stirnseitig herausragt. Die Rotationswelle 20 wird auf übliche Weise im Betrieb von einem Stator des Elektromotors 17, der hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt ist, angetrieben. Die Rotationswelle 20 ist parallel zur Spindelwelle 19 ausgerichtet. Die Rotationswelle 20 ist wiederum mittels einer Getriebestufe in Form einer Zahnradstufe 18 mit der Spindelwelle 19 wirkverbunden. Ein an der Rotationswelle 20 drehfest angeordnetes erstes Zahnrad 22 in Form eines Stirnrades ist mit einem größeren zweiten Zahnrad 23 der Zahnradstufe 18, wiederum in Form eines Stirnrades, in Eingriff. Das zweite Zahnrad 23 ist weiter drehfest mit der Spindelwelle 19 verbunden. Die ein Getriebe ausbildende Zahnradstufe 18 ist Teil der Antriebseinheit 16.
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Wie dann wiederum in 2 gut zu erkennen ist, ist das Schiebeelement 3 im Wesentlichen als Schiebewagen / Spindelwagen ausgebildet, der in axialer Richtung / Längsrichtung der Spindelwelle 19 verschiebbar ist. Dieses Schiebeelement 3 ist unmittelbar mit dem Hebelmechanismus 4 gekoppelt. Der Hebelmechanismus 4 weist einen Übertragungshebel 6 sowie einen Betätigungshebel 5 auf. Der Betätigungshebel 5 dient im Betrieb auf übliche Weise dem Ein- und Auslegen der jeweiligen Zustände / der Gänge eines Getriebes und/oder einer Kupplung, hier insbesondere zum Einlegen der P-, N-, D- oder R-Stellung des Automatikgetriebes.
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Der Betätigungshebel 5 ist um eine Schwenkachse 12 verschwenkbar gelagert. Die Schwenkachse 12 ist insbesondere durch zwei koaxiale Zapfen ausgebildet, die im Betrieb in einem hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Gehäuse, in einem gehäusefesten Bereich, rotatorisch gelagert sind. Somit ist der Betätigungshebel 5 im Betrieb verschwenkbar um diese Schwenkachse 12 gelagert. Drehbar um diese Schwenkachse 12 herum, sind auch zwei Übertragungshebel 6 des Hebelmechanismus 4 angeordnet. Die Übertragungshebel 6 sind drehfest mit dem Betätigungshebel 5 verbunden. Die beiden Übertragungshebel 6 sind im Wesentlichen gleich ausgestaltet und jeweils auf einer Seite zu der Spindelwelle 19 und dem Schiebeelement 3 angeordnet. Die beiden Übertragungshebel 6 sind mit den Bezugszeichen 6a, 6b unterschieden.
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Jeder Übertragungshebel 6; 6a, 6b ist drehfest mit dem Betätigungshebel 5 verbunden, sodass ein Verschwenken des Übertragungshebels 6 wiederum auch unmittelbar ein Verschwenken des Betätigungshebels 5 bedeutet. Jeder Übertragungshebel 6 ist im Bereich eines Zapfens um die Schwenkachse 12 schwenkbar gelagert. Desweiteren steht jeder Übertragungshebel 6; 6a, 6b mit dem Schiebeelement 3 in Wirkzusammenhang. Das Schiebeelement 3 weist zu diesem Zwecke je Übertragungshebel 6; 6a, 6b eine Führungsrolle 13 auf. Die Führungsrolle 13 ist wiederum auf einer Rotationsachse 14 an dem Schiebeelement 3 frei drehbar gelagert, wobei diese Rotationsachse 14 senkrecht zur axialen Richtung / Längsachse der Spindelwelle 19 ausgerichtet ist. Jede Führungsrolle 13 ragt in eine Kulissenbahn 7 des jeweiligen Übertragungshebels 6; 6a, 6b hinein und ist entlang dieser Kulissenbahn 7 abrollbar / verschiebbar. Somit ist eine erste Führungsrolle 13a in einer Kulissenbahn 7 eines ersten Übertragungshebels 6a und eine zweite Führungsrolle 13b in einer Kulissenbahn 7 eines zweiten Übertragungshebels 6b aufgenommen. Die Führungsrollen 13; 13a, 13b sind so in der jeweiligen Kulissenbahn 7 aufgenommen, dass eine axiale Verschiebung des Schiebeelementes 3 ein gemeinsames Verschwenken der Übertragungshebel 6 um den gleichen Drehwinkel bewirkt.
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Wie beispielhaft an dem ersten Übertragungshebel 6a nach 1 erkennbar, was jedoch genauso für den zweiten Übertragungshebel 6b zutrifft, ist dieser als Kulissenscheibe / Kurvenscheibe ausgebildet, die die Kulissenbahn 7 definiert. Die Kurvenscheibe ist aus einem Metallblech, nämlich einem Stahlblech, ausgeformt. Die Kulissenbahn 7 ist wiederum mittels einer in ihrer Länge beidseitig begrenzten Langlochkontur 8 ausgestaltet. Durch die Ausbildung der Langlochkontur 8 ist somit jedes Ende der Kulissenbahn 7 mit einem definierten Anschlag versehen / abgeschlossen. Somit ist durch die Langlochkontur 8 ein geschlossenes Langloch in Form eines Durchgangsloches ausgestaltet, in das die Führungsrolle 13 eingreift.
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Insbesondere weist die Kulissenbahn 7 einen ersten gekrümmten Langlochbereich 9 und einen, schräg zu dem ersten Langlochbereich 9 verlaufenden, zweiten gekrümmten Langlochbereich 10 auf. Die beiden Langlochbereiche 9 und 10 sind schräg zueinander angeordnet und mittels eines Knickbereiches 11 voneinander geometrisch abgegrenzt. Der Übergang zwischen den Langlochbereichen 9, 10 ist somit entlang der Kulissenbahn 7 gesehen nicht allmählich, sondern abrupt in Form eines Sprunges 24 ausgestaltet. Die beiden Langlochbereiche 9 und 10 schließen folglich benachbart aneinander an.
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In 1 ist der Hebelmechanismus 4 in einer ersten Endposition dargestellt, wobei die Führungsrollen 13a, 13b jeweils an einem ersten Ende / Endbereich der Langlochkontur 8 anliegen. Um den Betätigungshebel 5 zum Umschalten des Automatikgetriebes in Bezug auf 1 im Uhrzeigersinn zu verschwenken, wird durch den Elektromotor 17 die Spindelwelle 19 so verdreht, dass sich das Schiebeelement 3 nach links verschieben lässt. Dadurch kommt es zu einem Heranziehen des Schiebeelementes 3 in Richtung der Zahnradstufe 18 und einem Entlangrollen der Führungsrolle 13 an der Kulissenbahn 7 hin zu einem dem ersten Ende entgegengesetzten zweiten Ende / Endbereich. Hierbei wird je nach zu schaltender Stellung des Automatikgetriebes zunächst die gekrümmt verlaufende, erste Teilbahn, in Form des ersten Langlochbereiches 9 der Langlochkontur 8 durchfahren und danach, nach Durchfahren des Knickbereiches 11 schließlich auch die zweite Teilbahn in Form des zweite Langlochbereichs 10. In jedem Schwenkzustand der Übertragungshebel 6 ist die Spindelwelle 19 nicht genau senkrecht zu den Seitenkanten der Kulissenbahn angeordnet, sodass die Führungsrollen 13 verklemmungsfrei zu den Übertragungshebeln 6 bewegen lassen.
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In anderen Worten ausgedrückt, treibt in dem erfindungsgemäßen Aktor 15 ein Elektromotor 17 über eine Zahnradstufe 18 achsparallel eine Spindel (Spindelwelle 19) an. Die einstufige Übersetzung von Rotation in Linearbewegung (z.B. durch Planetenwälzgetriebe, Kugelgewindetrieb, „einfache“ Bewegungsgewinde-Mutter) betätigt direkt einen Betätigungswagen (Betätigungselement 3), welcher seinerseits vorzugsweise über Rollen (Führungsrollen 13) auf eine schwenkbare Kurvenscheibe 6; 6a, 6b drückt. Die Lagerungsachse 12 der Kurvenscheibe 6 schneidet erfindungsgemäß die Bewegungsebene der Rollenachse (Längsachse der Spindelwelle 19) des Betätigungswagens (Schiebeelementes 3). Durch diese Anordnung erzeugt die Spindelkraft selbst keinerlei Drehmoment auf die Kurvenscheibe 6 (Hebellänge Null). Lediglich der wirksame Konturwinkel der Kurvenscheibe 6 erzeugt eine Tangentialkraft bezüglich der Kurvenscheibe 6 und dadurch ein Drehmoment. Somit wird sehr einfach eine an die Lastkennline angepasste Kontur 8 berechnet und gefertigt, so dass der Elektromotor 17 über den gesamten Betätigungsweg optimal genutzt wird. Auch Beschleunigungs- und Reibungswiderstände können in die Kurvenkontur 8 mit einfließen. Ein einfacher Hebel, welcher starr mit der Kurvenscheibe 6 verbunden ist, kann genutzt werden um, z.B. über ein Pleuel, auf den Betätigungshebel 5 des Getriebes zu wirken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Betätigungseinheit
- 2
- Spindelantrieb
- 3
- Schiebeelement
- 4
- Hebelmechanismus
- 5
- Betätigungshebel
- 6
- Übertragungshebel
- 6a
- erster Übertragungshebel
- 6b
- zweiter Übertragungshebel
- 7
- Kulissenbahn
- 8
- Langlochkontur
- 9
- erster Langlochbereich
- 10
- zweiter Langlochbereich
- 11
- Knickbereich
- 12
- Schwenkachse
- 13
- Führungsrolle
- 13a
- erste Führungsrolle
- 13b
- zweite Führungsrolle
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Aktor
- 16
- Antriebseinheit
- 17
- Elektromotor
- 18
- Zahnradstufe
- 19
- Spindelwelle
- 20
- Rotationswelle
- 21
- Gehäuse
- 22
- erstes Zahnrad
- 23
- zweites Zahnrad
- 24
- Sprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015223025 [0002, 0028]
