-
Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb für einen Aktuator mit einer Spindel und einer Spindelmutter, einen Aktuator sowie einer Hinterachslenkung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
-
Durch die
DE 10 2014 206 934 A1 der Anmelderin wurde ein zweifach wirkender Aktuator, auch Stellmotor oder kurz Steller genannt, für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges bekannt. Der Aktuator ist mittig am Achsträger des Kraftfahrzeuges befestigt und wirkt gleichzeitig auf die Lenkung der beiden Hinterräder. Der Aktuator weist einen Spindelantrieb, bestehend aus Spindel und Spindelmutter, auf, welche drehbar im Gehäuse gelagert und axial fixiert ist. Die Spindelmutter wird über einen Elektromotor angetrieben und bewirkt eine Axialverschiebung der Spindel nach der einen oder anderen Seite. Die Spindel weist einen etwa mittig angeordneten Gewindeabschnitt mit einem Bewegungsgewinde, welches in Eingriff mit der Spindelmutter steht, sowie zwei Spindelenden auf, welche jeweils mit Lagerhülsen verbunden sind, die ihrerseits gleitend im Gehäuse geführt sind. An den Lagerhülsen, auch Aufschraubzapfen genannt, sind Gelenkgabeln für eine Verbindung mit einem Lenkgestänge angeordnet. Bekannt sind auch einfach wirkende Aktuatoren, auch Einzelsteller genannt, welche jeweils nur auf die Lenkung eines einzelnen Hinterrades wirken.
-
Ein Problem, welches bei Spindelantrieben mit einem Bewegungsgewinde, insbesondere einem Trapezgewinde auftritt, ist ein Axialspiel zwischen den Flanken des Spindelgewindes und des Muttergewindes und/oder ein Radialspiel durch Verschiebung der Achsen von Spindel- und Muttergewinde.
-
Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist der Spindel des Spindelantriebs für einen Aktuator, insbesondere einer Hinterachslenkung, eine Dämpfungseinrichtung zugeordnet, welche das Axial- und/oder das Radialspiel der Spindel in der Spindelmutter dämpft. Die Dämpfungseinrichtung umfasst einerseits einen mit der Spindel verbundenen, sich in Richtung der Spindelachse erstreckenden Verdrängungskörper sowie andererseits einen ortfest angeordneten, ein Kompressions- und/oder Verdrängungsmedium aufweisenden Hohlkörper mit einer Aufnahmeöffnung, in welcher der Verdrängungskörper in axialer Richtung verschiebbar ist, wobei gleichzeitig eine Kompression und/oder eine Verdrängung des Kompressions- und/oder Verdrängungsmediums in radialer Richtung erfolgt. Unter Kompressionsmedium wird hier ein kompressibles oder komprimierbares Medium, z. B. ein Gas verstanden, während unter einem Verdrängungsmedium ein nicht kompressibles Medium, z. B. eine Flüssigkeit verstanden wird, welche durch einen anderen festen Körper verdrängbar ist. Das Kompressions- und das Verdrängungsmedium werden auch als Dämpfungsmedium bezeichnet. Der Hohlkörper kann das Dämpfungsmedium enthalten, z. B. in einer Hülle oder einem flexiblen Behälter, oder er besteht vollständig aus dem Dämpfungsmedium. Durch die Axialbewegung des Verdrängungskörpers, der schub- und drehfest mit der Spindel verbunden ist, wird eine der Axialbewegung entgegen gerichtete Widerstandkraft, auch Dämpfungskraft genannt, erzeugt, welche einem Axialspiel, dem sog. Flankenspiel entgegenwirkt, d. h. das Axialspiel dämpft. Da der Verdrängungskörper spielfrei in der Aufnahmeöffnung des Hohlkörpers aufgenommen ist, erfolgt gleichzeitig eine Dämpfung eines Radialspiels der Spindel.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahmeöffnung zylindrisch ausgebildet. Dies hat zur Folge, dass sich eine konstante, vom Weg unabhängige Dämpfungskraft ergibt, weil der Verdrängungskörper durch einen konstanten, radial erweiterbaren Querschnitt gedrückt wird.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahmeöffnung konisch ausgebildet. Dies hat zur Folge, dass sich in einer Richtung, d. h. der mit abnehmendem Durchmesser eine ansteigende Dämpfungskraft und in der entgegengesetzten Richtung, d. h. der mit zunehmendem Durchmesser eine abnehmende Dämpfungskraft ergibt.
-
Alternativ ist auch eine Kombination der vorgenannten Varianten möglich, z. B. außen konisch und mittig zylindrisch, so dass zu den Enden des Hohlkörpers eine höhere Dämpfungskraft vorliegt als in einem mittigen Bereich.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verdrängungskörper als Dorn mit mindestens einer wulstartigen Verdickung, d. h. als eine Art Aufweitdorn ausgebildet. Der Dorn weist einen vorderen als Führungsteil ausgebildeten, zylindrischen Abschnitt auf, an welchen sich die wulstartige Verdickung anschließt. Letztere kann als einfache Verdickung ausgebildet sein oder auch mehrere ringartige, hintereinander angeordnete Verdickungen aufweisen. Zwischen dem Führungsteil und dem Maximum der Verdickung befindet sich ein Übergangsabschnitt, in welchem der Durchmesser des Dorns kontinuierlich ansteigt, beispielsweise konisch oder parabolisch. Aus einem Kräftedreieck, welches durch eine Normalkraft sowie deren Axial- und Radialkomponente gebildet wird, erkennt man, dass die Axialkomponente die Dämpfungskraft bildet.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Verdickung ein radiales Übermaß gegenüber der Aufnahmeöffnung auf, d. h. der maximale Durchmesser der Verdickung oder des Ringwulstes ist wesentlich größer als der nicht erweiterte Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung. Der Umfang der Aufnahmeöffnung ist flexibel und dehnbar ausgebildet, so dass eine radiale Verdrängung oder Aufweitung möglich ist.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine Verdickung ein symmetrisches Profil – in Bezug auf eine radiale Mittelebene – auf. Dies bedeutet, dass die Dämpfungskraft in beiden Richtungen betragsmäßig die gleiche ist.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Kompressions- und/oder Verdrängungsmedium als mikrozelliger, geschäumter Kunststoff und besonders bevorzugt als Polyurethan-Elastomer ausgebildet. Durch die im Kunststoff, vorzugsweise in dem Polyurethan-Elastomer eingeschlossenen Hohlräume, auch Mikrozellen genannt, in welchen ein Fluid, z. B. ein Gas, eingeschlossen ist, wird das Dämpfungsmedium, respektive der Hohlkörper kompressibel, d. h. das Volumen kann verkleinert und aufgrund elastischer Rückstellkräfte vergrößert werden.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Kompressions- und/oder Verdrängungsmedium respektive das Dämpfungsmedium aus einer Vielzahl von kugelförmigen, festen Teilchen, welche untereinander nicht verbunden, sondern gegeneinander verschiebbar sind und aneinander gleiten. Die Kügelchen liegen somit als eine Art Schüttung vor, welche in einem geeigneten Behälter – mit elastischer Aufnahmeöffnung – oder einer flexiblen Hülle aufgenommen sind. Beim Eindringen des Dorns in die Aufnahmeöffnung werden die Kügelchen in radialer Richtung „verdrängt”, d. h. verschoben. Auch hierbei entsteht eine in axialer Richtung wirkende Dämpfungskraft, welche über den Verschiebeweg in beiden Richtungen konstant bleibt.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlkörper als Hohlzylinder ausgebildet, wobei der Raum zwischen dem Innenzylinder und dem Außenzylinder mit dem Kompressions- und/oder Verdrängungsmedium gefüllt ist.
-
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Aktuator mit einem derartigen Spindelantrieb vorgesehen, dass die Spindelmutter drehbar im Gehäuse gelagert und axial fixiert ist, während der Hohlkörper koaxial zur Spindelachse im Gehäuse fixiert ist und somit den „passiven” oder ortsfest angeordneten Teil der Dämpfungseinrichtung bildet. Der mit der Spindel verbundene Verdrängungskörper bildet den „aktiven”, d. h. beweglichen Teil der Dämpfungseinrichtung.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verdrängungskörper stirnseitig an einem Ende der Spindel befestigt, d. h. er bildet eine Verlängerung der Spindel in Richtung der Spindelachse. Damit werden die Bewegungen der Spindel, insbesondere ein etwaiges Axial- und/oder Radialspiel direkt auf den Verdrängungskörper übertragen, dessen Bewegung erfindungsgemäß gedämpft wird.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Ende der Spindel mit einem Aufschraubzapfen, d. h. einem in einem gehäuseseitigen Gleitlager geführten Lagerzapfen verbunden, wobei der Aufschraubzapfen als Verdrängungskörper ausgebildet ist, welcher mit dem gehäuseseitig angeordneten Hohlkörper als Dämpfungseinrichtung zusammenwirkt.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf dem Umfang des Aufschraubzapfens mindestens eine wulstartige Verdickung angeordnet, welche vorzugsweise aus einzelnen Ringwülsten besteht. Damit kann die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung bei einem Minimum von zusätzlichem Bauraum in einem Aktuator mit Spindelantrieb untergebracht werden, wobei ein Axial- und/oder Radialspiel unterbunden wird. Die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung kann sowohl bei einfach wirkenden Aktuatoren als auch bei doppelt oder zweiseitig wirkenden Aktuatoren eingesetzt werden.
-
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 eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung in schematischer Darstellung,
-
2 einen als Einfachsteller ausgebildeten Aktuator mit erfindungsgemäßer Dämpfungseinrichtung und
-
3 einen als Zweifachfachsteller ausgebildeten Aktuator mit einer abgewandelten erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung.
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 1, welche einen ortsfest angeordneten Hohlkörper 2 mit einer Aufnahmeöffnung 3 und einen als Verdrängungskörper 4 ausgebildeten Dorn 4 umfasst, welcher in der Aufnahmeöffnung 3 in axialer Richtung, entsprechend den beiden Pfeilen P1, P2, verschiebbar ist. Der Hohlkörper 2 enthält in einer ersten Variante ein komprimierbares Dämpfungsmedium 5, auch Kompressionsmedium 5 genannt, welches beispielsweise ein Gas oder ein Mikrozellen aufweisender, geschäumter Kunststoff, vorzugsweise ein Polyurethan-Elastomer sein kann. Da in den Mikrozellen des Kunststoffes ein Gas eingeschlossen ist, ist das Kompressionsmedium 5 komprimierbar, d. h. in seinem Volumen reduzierbar. In einer zweiten Variante enthält der Hohlkörper 2 ein nicht komprimierbares, d. h. ein verdrängbares Dämpfungsmedium 6, auch Verdrängungsmedium 6 genannt, welches – wie in der Zeichnung angedeutet – aus einer Vielzahl von kugelförmigen, festen Teilchen bestehen kann, welche aneinander gleiten und gegeneinander verschiebbar sind. Das Kompressionsmedium 5 oder das Verdrängungsmedium 6 können – je nach Konsistenz – in einem Behälter 7, welcher vorzugsweise als zylindrischer Behälter 7 ausgebildet ist, aufgenommen werden. Die Aufnahmeöffnung 3 ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und weist eine in radialer Richtung dehnbare Wandung 3a auf, in welcher der Verdrängungskörper 4 verschiebbar ist. Der Dorn 4 weist eine wulstartige Verdickung 4a auf, an welche sich stirnseitig ein zylindrisch ausgebildeter Führungsabschnitt 4b und andererseits ein zylindrisch ausgebildeter Schaft 4c anschließen. Der Führungsabschnitt 4b und der Schaft 4c entsprechen in ihren Durchmessern dem Durchmesser der Aufnahmeöffnung 3, während die wulstartige Verdickung 4a einen wesentlich größeren Durchmesser als die Aufnahmeöffnung 3 aufweist, d. h. sie weist ein erhebliches Übermaß ü gegenüber der Aufnahmeöffnung 3 und dem Schaft 4c auf. Die wulstartige Verdickung 4a ist in Bezug auf eine gedachte radiale Mittelebene symmetrisch ausgebildet, d. h. sie weist zu beiden Seiten das gleiche Profil und die gleiche Neigung auf. Durch eine Bewegung des Verdrängungskörpers 4 in axialer Richtung wird das Kompressionsmedium 5 in radialer Richtung komprimiert oder das Verdrängungsmedium 6 in radialer Richtung verdrängt. Bei einer Verschiebung des Verdrängungskörpers 4 in Richtung des Pfeils P1 wirkt an der schräg verlaufenden Oberfläche des Ringwulstes 4a eine Normalkraft N, welche sich aus einer Radialkomponente R und einer Axialkomponente A entsprechend dem dargestellten Kräftedreieck zusammensetzt. Die Axialkomponente A wirkt der Bewegung des Verdrängungskörpers 4 in Richtung des Pfeils P1 entgegen, während die Radialkomponente R einer Radialbewegung des Verdrängungskörpers 4, also senkrecht zur Pfeilrichtung P1 entgegenwirkt. Die Axialkomponente A wird auch als axiale Dämpfungskraft A bezeichnet.
-
2 zeigt den Einbau einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung 21 in einem nicht vollständig dargestellten Aktuator 20, welcher als Einfachsteller ausgebildet und für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist. Teile der Dämpfungseinrichtung 21, welche denen der Dämpfungseinrichtung 1 gemäß 1 entsprechen, sind in 2 mit gleichen, jedoch um 20 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet. Die Dämpfungseinrichtung 21 umfasst einerseits einen Hohlkörper 22 mit einer zylindrisch ausgebildeten, eine Zylinderachse a aufweisenden Aufnahmeöffnung 23 sowie einen Verdrängungskörper 24, welcher in Axialrichtung a in der Aufnahmeöffnung 23 verschiebbar ist. Der Verdrängungskörper 24 weist zwei sich über den Umfang erstreckende Ringwülste 24a auf, welche in reibschlüssigem Eingriff mit dem Hohlkörper 22 stehen. Der Hohlkörper 22, welcher als Hohlzylinder oder Buchse ausgebildet ist, besteht hier vorzugsweise aus einem geschäumten, Mikrozellen aufweisenden Polyurethan-Elastomer. Der Hohlkörper 22 stellt somit einen festen Körper dar, der jedoch aufgrund seiner gasgefüllten Zellen komprimierbar ist.
-
Der Aktuator 20 entspricht – mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung 21 – dem bekannten Stand der Technik, auf den hiermit verwiesen wird. Der teilweise dargestellte Aktuator 20 weist ein Gehäuse 28 sowie einen Spindelantrieb 29 mit einer gehäuseseitig gelagerten Spindelmutter 29a und einer mit der Spindelmutter 29a Ober ein Trapezgewinde (ohne Bezugszahl) in Eingriff stehenden Spindel 29b auf. Der Verdrängungskörper 24 ist stirnseitig mit der Spindel 29b fest verbunden, so dass die Axialbewegungen der Spindel 29b direkt auf den Verdrängungskörper 24 übertragen werden. Der Hohlkörper 22 ist in einer zylindrischen Bohrung 28a des Gehäuses 28 aufgenommen und in axialer Richtung a fixiert. Aufgrund der oben im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung werden somit ein Axial- und auch ein Radialspiel des Spindelantriebes 29 durch die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 21 gedämpft.
-
3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Dämpfungseinrichtung
31, welche in einen nicht vollständig dargestellten Aktuator
30 eingebaut ist, welcher als doppelt wirkender Steller ausgebildet ist, wie er in dem eingangs genannten Stand der Technik, der
DE 10 2014 206 934 A1 der Anmelderin, beschrieben ist. Analoge oder gleiche Teile der Dämpfungseinrichtung
31 sind mit gleichen, jedoch um 30 erhöhten Bezugsziffern gegenüber der Dämpfungseinrichtung
1 gemäß
1 bezeichnet. Der Aktuator
30 weist ein Gehäuse
38 und einen Spindelantrieb
39 auf, welcher eine gehäuseseitig gelagerte Spindelmutter
39a und eine mit der Spindelmutter
39a in Eingriff stehende Spindel
39b aufweist. Das in der Zeichnung linke Ende der Spindel
39b ist dreh- und schubfest in einer Bohrung eines Aufschraubzapfens
34 aufgenommen, welcher teilweise als Verdrängungskörper ausgebildet ist. Der Aufschraubzapfen
34, welcher auf nicht dargestellte Weise mit einem Lenkgestänge eines Hinterrades verbunden werden kann, ist in einem gehäuseseitigen Gleitlager
38a geführt. Auf dem zylindrisch ausgebildeten Umfang des Aufschraubzapfens
34 sind zwei Ringwülste
34a angeordnet, welche mit einem im Gehäuse
38 fixierten Hohlkörper
32 in Eingriff stehen. Die beiden Ringwülste
34a auf dem Aufschraubzapfen
34 bilden mit dem Hohlkörper
32, welcher ein Dämpfungsmedium der oben beschriebenen Art aufweist oder enthält, die Dämpfungseinrichtung
31. Bewegungen der Spindel
39b, insbesondere auch ein Axial- oder Radialspiel werden direkt auf den Aufschraubzapfen
34 und die integrierten Ringwülste
34a übertragen, wobei die erfindungsgemäße Dämpfungswirkung im Zusammenwirken mit dem Hohlkörper
32, der vorzugsweise aus einem Polyurethan-Elastomer hergestellt ist, erzielt wird.
-
Wie erwähnt, ist der Aktuator 30, welcher für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird, zweifach wirkend, d. h. er weist auf seiner nicht dargestellten Seite einen spiegelsymmetrisch angeordneten zweiten Aufschraubzapfen, entsprechend dem ersten Aufschraubzapfen 34, auf. Für diesen zweiten Aufschraubzapfen kann in analoger Weise ebenfalls eine Dämpfungseinrichtung, entsprechend der Dämpfungseinrichtung 31, vorgesehen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Dämpfungseinrichtung
- 2
- Hohlkörper
- 3
- Aufnahmeöffnung
- 3a
- dehnbare Wandung
- 4
- Dorn/Verdrängungskörper
- 4a
- wulstartige Verdickung
- 4b
- Führungsabschnitt
- 4c
- Schaft
- 5
- Kompressionsmedium
- 6
- Verdrängungsmedium
- 7
- Behälter
- 20
- Aktuator (einfach)
- 21
- Dämpfungseinrichtung
- 22
- Hohlkörper
- 23
- Aufnahmeöffnung
- 24
- Verdrängungskörper
- 24a
- Ringwulst
- 28
- Gehäuse
- 28a
- Gehäusebohrung
- 29
- Spindelantrieb
- 29a
- Spindelmutter
- 29b
- Spindel
- 30
- Aktuator (zweifach)
- 31
- Dämpfungseinrichtung
- 32
- Hohlkörper
- 33
- Aufnahmeöffnung
- 34
- Aufschraubzapfen/Verdrängungskörper
- 34a
- Ringwulst
- 38
- Gehäuse
- 38a
- Gleitlager
- 39
- Spindelantrieb
- 39a
- Spindelmutter
- 39b
- Spindel
- a
- Spindelachse
- A
- Axialkomponente
- N
- Normalkraft
- R
- Radialkomponente
- P1
- Bewegungsrichtung
- P2
- Bewegungsrichtung
- ü
- Übermaß
