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Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Hinterachslenkung mit einem Spindelantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus der
CN103148080 A ist ein Spindelantrieb bekannt, der einen Aktuator mit einer Brems- und Feststelleinrichtung aufweist, welche durch Piezo-Elemente aktivierbar sind. Im seinem Normalbetrieb ist die Spindelmutter schwergängig und muss durch Aktivierung der Piezo-Elemente zunächst gelöst werden. Der Spindelantrieb weist im Normalbetrieb einen hohen Reibungskoeffizienten und damit schlechten Wirkungsgrad auf.
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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 ist über einen Riementrieb von einem Elektromotor antreibbar und bewirkt eine Axialverschiebung der Spindel, welche am Verdrehen gehindert ist, d. h. eine Verdrehsicherung aufweist. 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 - z. B. durch die
DE 10 2013 107 827 A1 - einfach wirkende Aktuatoren, auch Einzelsteller genannt, welche jeweils nur auf die Lenkung eines Hinterrades wirken.
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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.
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Die ältere Anmeldung der Anmelderin gemäß der nachveröffentlichten
DE 10 2015 224 775 A1 befasst sich mit dem Problem des Axialspiels mittels eines Spannelements, ausgebildet als lose Mutter mit einem Innengewinde. Die lose Mutter wird auf das Spindelgewinde aufgeschraubt und über ein Federelement derart verspannt, dass ein Axialspiel unterbunden wird. Aufgrund des mechanischen Federelements, vorzugsweise einer Tellerfeder, werden das Muttergewinde der Spindelmutter und das Spindelgewinde der Spindel ständig gegeneinander verspannt, was mit einer erhöhten Reibung einhergeht.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Aktuator der eingangs genannten Art eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung vorgesehen, welche durch mindestens ein Piezo-Element aktiviert oder deaktiviert und in Eingriff oder außer Eingriff mit der Spindel gebracht werden kann. Das Piezo-Element hat die Eigenschaft, dass es sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung in einer Richtung vergrößert, d. h. einen Stellweg ausübt. Dieser Stellweg des Piezo-Elements oder auch mehrerer hintereinander geschalteter Piezo-Elemente wird für die Aktivierung oder Deaktivierung der Brems- und/oder Feststelleinrichtung genutzt. Bei Aktivierung wird eine Brems- oder eine Feststellkraft auf die Spindel ausgeübt. Durch die Verwendung von Piezo-Elementen wird der Vorteil erreicht, dass die Spindel bedarfsweise oder temporär abgebremst oder festgesetzt wird. Dies ist insbesondere in der Ruhestellung der Spindel, also wenn die Spindel nicht verstellt wird, von Vorteil. Bei einer Stellbewegung der Spindel, also bei einem Drehantrieb durch die Spindelmutter wird die Brems- und/oder Feststelleinrichtung deaktiviert, d. h. es wirken keine Brems- oder Feststellkräfte auf die Spindel, so dass diese mit einem geringeren Energieaufwand in axialer Richtung verschoben werden kann.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brems- oder Feststelleinrichtung in die Spindelmutter integriert. Dies bedeutet, dass sich die Reaktionskräfte der auf die Spindel wirkenden Brems- oder Feststellkräfte an der Spindelmutter abstützen. Ebenso sind die Piezo-Elemente in der Spindelmutter angeordnet, womit Bauraumvorteile erreicht werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Brems- und/oder Feststelleinrichtung als Backenbremse mit mindestens einer Bremsbacke ausgebildet. Dabei ist die Bremsbacke - vorzugsweise kommen zwei sich diametral gegenüberliegende Bremsbacken zum Einsatz - radial in Richtung der Spindelachse zustellbar. Die Zustellung wird über die Aktivierung der Piezo-Elemente bewirkt. Damit wird eine Verklemmung der Spindel erreicht, die somit in ihrer Position, insbesondere ihrer Ruheposition fixiert ist und beispielsweise nicht „wandern“ kann.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Backenbremse vorgesehen, welche nicht in der Spindelmutter, sondern axial versetzt zur Spindelmutter im Aktuator angeordnet ist und sich somit gegenüber dem Aktuator bzw. dem Aktuatorgehäuse abstützt. Aufgrund dieser Anordnung ergeben sich weitergehende Möglichkeiten und Freiheiten in der Gestaltung der Brems- und/oder Feststelleinrichtung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Brems- und/oder Feststelleinrichtung eine Vielzahl von auf dem Umfang angeordneten Piezo-Elementen, welche als Ringsegmente ausgebildet und zu einem geschlossenen Ring miteinander verbunden sind. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung stirnseitig und stoffschlüssig, beispielsweise durch Verklebung. Bei Aktivierung der Piezo-Elemente dehnen sich diese in Umfangsrichtung aus, wodurch der Durchmesser des Ringes zunimmt und kein Reibkontakt mit der Spindel stattfindet. Bei Deaktivierung, d. h. im stromlosen Zustand verringert der Ring seinen Durchmesser und umschließt reibschlüssig die Spindel. Dadurch wird - je nach Auslegung - ein Brems- oder ein Feststelleffekt erreicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Brems- und/oder Feststelleinrichtung als geteilte Spindelmutter mit zwei Mutterhälften ausgebildet, wobei das mindestens eine Piezo-Element zwischen den Mutterhälften angeordnet ist und eine Axialkraft auf beide Mutterhälften ausübt. Dadurch werden die Mutterhälften, welche jeweils ein mit dem Spindelgewinde in Eingriff stehendes Muttergewinde aufweisen, gegenüber dem Spindelgewinde verspannt, wodurch das Axialspiel herausgenommen wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Mutterhälften in Drehrichtung miteinander gekoppelt, beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung in Form einer Klauenkupplung, während sie in Axialrichtung entkoppelt sind, d. h. Relativbewegungen in axialer Richtung zueinander ausführen können.
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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 einen Spindelantrieb mit einer in die Spindelmutter integrierten Backenbremse (erstes Ausführungsbeispiel),
- 2 einen Spindelantrieb mit ringförmig angeordneten Piezo-Elementen (zweites Ausführungsbeispiel),
- 3 einen Spindelantrieb mit einer gegenüber der Spindelmutter axial versetzt angeordneten Brems- und/oder Feststelleinrichtung und
- 4 einen Spindelantrieb mit einer geteilten Spindelmutter.
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1 zeigt einen Spindelantrieb 1 in einer Ansicht in axialer Richtung. Der Spindelantrieb 1, auch Gewindetrieb 1 genannt, umfasst eine in Drehrichtung, dargestellt durch einen Pfeil D, antreibbare Spindelmutter 2 sowie eine Spindel 3, welche einen Mittelpunkt M und eine durch den Mittelpunkt M verlaufende Spindelachse a aufweist. Die Spindelmutter 2 steht über ein nicht dargestelltes Trapezgewinde mit der Spindel 3 in Eingriff. Die Spindel 3 ist - was nicht dargestellt ist - am Verdrehen gehindert und bewegt sich somit bei Antrieb durch die Spindelmutter 2 in axialer Richtung. Die Spindel 3 wirkt als Stellglied und ist auf nicht dargestellte Weise mit einem Lenkgestänge einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges verbunden. Der Spindelantrieb 1 ist somit eine Komponente eines Aktuators, wie er im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist.
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Erfindungsgemäß weist der Spindelantrieb 1 eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung 4, auch kurz Einrichtung 4 genannt, auf, welche zwei sich diametral gegenüber liegende Bremsbacken 5, 6 sowie diesen zugeordnete Piezo-Elemente 7, 8 umfasst. Unter dem Begriff Piezo-Element kann ein einzelnes Piezo-Element oder ein Paket von mehreren hintereinander geschalteten Piezo-Elementen verstanden werden, wobei sich deren Stellwege addieren. Die Einrichtung 4 ist in die Spindelmutter 2 integriert, wobei sich die Reaktionskräfte der Piezo-Elemente 7, 8 an der Spindelmutter 2, dargestellt durch Widerlager 7a, 8a, abstützen. Die Piezo-Elemente 7, 8 werden zur Aktivierung der Einrichtung 4 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, wodurch die Bremsbacken 5, 6 in radialer Richtung, d. h. in Richtung auf die Spindelachse a zugestellt werden und in Reibkontakt mit dem Umfang der Spindel 3 kommen. Dadurch wird eine Brems- oder Haltekraft auf die Spindel 3 ausgeübt, welche somit an einer Axialbewegung gehindert ist. Ein Axialspiel zwischen Spindel 3 und Spindelmutter 2, welche in der Regel im Aktuatorgehäuse (nicht dargestellt) fixiert ist, wird somit unterbunden. Das Festsetzen der Spindel 3 erfolgt in der Regel in der Ruheposition der Spindel 3, d. h. wenn eine bestimmte Position, z. B. der Lenkwinkel der Hinterräder gehalten werden soll. Zur Deaktivierung der Piezo-Elemente 7, 8 wird die Spannung abgeschaltet, wodurch sich die Piezo-Elemente 7, 8 in radialer Richtung zurückstellen. Der Reibkontakt zwischen den Bremsbacken 5, 6 und der Spindel 3 ist damit unterbrochen, so dass die Spindel 3 mit einem relativ geringen Energieaufwand verstellt werden kann.
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2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Spindelantrieb 11, ebenfalls in einer Ansicht in axialer Richtung. Der Spindelantrieb 11 umfasst - analog zum Spindelantrieb 1 gemäß 1 - eine in Drehrichtung D antreibbare Spindelmutter 12 und eine mit der Spindelmutter 12 über ein Bewegungsgewinde in Eingriff stehende Spindel 13. Eine Brems- und Feststelleinrichtung 14, im Folgenden kurz Einrichtung 14 genannt, ist in die Spindelmutter 12 integriert und umfasst eine Mehrzahl von auf dem Umfang der Spindel 13 angeordneten Piezo-Elementen 15, welche als Ringsegmente ausgebildet und stirnseitig miteinander zu einem geschlossenen Ring verbunden sind. Die stirnseitigen Verbindungsbereiche sind mit der Bezugszahl 16 bezeichnet und können als stoffschlüssige Verbindung, vorzugsweise als Klebeverbindung zwischen den einzelnen Piezo-Elementen 15 ausgebildet sein. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung dehnen sich die einzelnen Piezo-Elemente 15 in Umfangsrichtung aus, was durch Doppelpfeile F schematisch dargestellt ist. Die Doppelpfeile F symbolisieren somit auch Druckkräfte, welche in Umfangsrichtung wirken und zu einer Vergrößerung des Ringdurchmessers führen. Die Folge hiervon ist, dass sich zwischen dem Ring von Piezo-Elementen 15 und dem Umfang der Spindel 3 ein Ringspalt ergibt und eine Reibwirkung oder Kraftschluss aufgehoben wird. Da die Einrichtung 14 in die Spindelmutter 12 integriert ist, stützen sich die Piezo-Elemente 15 innerhalb der Spindelmutter 12 ab. Um eine Brems- und/oder Feststellwirkung zu erzeugen, werden die Piezo-Elemente 15 deaktiviert, d. h. es liegt keine elektrische Spannung an, die Einrichtung 14 befindet sich in stromlosem Zustand. Dadurch verkleinert sich der Ringdurchmesser, was zu einem reibschlüssigen Kontakt mit dem Umfang der Spindel 13 führt. Die Spindel 13 ist somit in Bezug auf eine Axialbewegung abgebremst oder festgesetzt mit der Folge, dass ein Axialspiel unterbunden ist.
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3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Spindelantrieb 21 mit einer in einem nicht dargestellten Aktuator gelagerten Spindelmutter 22, welche über ein Bewegungsgewinde mit einer axial verschiebbaren Spindel 23 in Eingriff steht. Der Spindelantrieb 21 weist eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung 24, im Folgenden kurz Einrichtung 24 genannt, auf, welche in axialer Richtung gegenüber der Spindelmutter 22 versetzt angeordnet ist und ein Paket von einzelnen Piezo-Elementen 25 aufweist. Die Piezo-Elemente 25 stützen sich an einem schematisch dargestellten Gehäuse 26 des Aktuators ab und üben bei Aktivierung, d. h. Anlegen einer elektrischen Spannung eine Radialkraft R auf die Spindel 23 aus. Ähnlich wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann zwischen den Piezo-Elementen 25 und dem Umfang der Spindel 23 eine Bremsbacke (nicht dargestellt) oder ein ähnliches Bremselement angeordnet sein, welches zu einer Klemm-, Brems- und/oder Feststellkraft führt. Die Spindel 23 ist an ihrem der Spindelmutter 22 abgewandten Ende gleitend im Gehäuse 26 (angedeutet durch eine Schraffur) geführt und abgestützt. Die Einrichtung 24 bewirkt somit auch eine Unterbindung eines Axialspiels im Spindelantrieb 21. Abweichend von der zeichnerischen Darstellung können auch mehr als ein Paket von Piezo-Elementen 25 auf dem Umfang angeordnet sein, sodass keine Biegebeanspruchung in der Spindel 23 auftritt. Ein etwaiges „Wandern“ der Spindel 23 aufgrund von dynamischen Einflüssen, die von den Hinterrädern des Fahrzeuges ausgehen und über das Lenkgestänge auf den Aktuator übertragen werden, kann somit wirksam verhindert werden.
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4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Spindelantrieb 31, welcher eine geteilte Spindelmutter 32, umfassend eine erste Mutterhälfte 32a und eine zweite Mutterhälfte 32b, sowie eine Spindel 33 aufweist. Beide Mutterhälften 32a, 32b, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht identisch ausgebildet sind, weisen jeweils ein Mutter- oder Innengewinde (ohne Bezugszahl) auf, welches mit dem Spindelgewinde (ohne Bezugszahl) der Spindel 33 in Eingriff steht. Zwischen den beiden Mutterhälften 32a, 32b ist eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung 34, im Folgenden kurz Einrichtung 34 genannt, ausgebildet als Piezo-Aktorelement 35, angeordnet. Die Einrichtung 34 kann ein oder mehrere zu einem Stapel angeordnete Piezo-Elemente 35 umfassen, welche sich bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung in Axialrichtung der Spindel 33 ausdehnen, so dass auf die beiden Mutterhälften 32a, 32b jeweils eine Axialkraft, dargestellt durch einen Doppelpfeil A, ausgeübt wird. Dies führt zu einer Spreizung oder einem Auseinanderdrücken der beiden Mutterhälften 32a, 32b und somit zu einer Verspannung der in Eingriff befindlichen Gewinde der Spindelmutter 32 und der Spindel 33. Ein Axialspiel kann somit durch Aktivierung der Einrichtung 34 unterbunden oder durch Deaktivierung zugelassen werden. Wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen ist eine Festsetzung oder Fixierung der Spindel 33 insbesondere in deren Ruheposition von Vorteil.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelantrieb
- 2
- Spindelmutter
- 3
- Spindel
- 4
- Brems- und/oder Feststelleinrichtung (Einrichtung)
- 5
- erste Bremsbacke
- 6
- zweite Bremsbacke
- 7
- erstes Piezo-Element
- 7a
- Widerlager
- 8
- zweites Piezo-Element
- 8a
- Widerlager
- 11
- Spindelantrieb
- 12
- Spindelmutter
- 13
- Spindel
- 14
- Brems- und/oder Feststelleinrichtung (Einrichtung)
- 15
- Piezo-Element
- 16
- Verbindungsbereich
- 21
- Spindelantrieb
- 22
- Spindelmutter
- 23
- Spindel
- 24
- Brems- und/oder Feststelleinrichtung (Einrichtung)
- 25
- Piezo-Element
- 26
- Gehäuse
- 31
- Spindelantrieb
- 32
- Spindelmutter, geteilt
- 32a
- erste Mutterhälfte
- 32b
- zweite Mutterhälfte
- 33
- Spindel
- 34
- Brems- und/oder Feststelleinrichtung (Einrichtung)
- 35
- Piezo-Element
- a
- Spindelachse
- A
- Axial kraft
- D
- Drehrichtung
- F
- Umfangskraft
- M
- Mittelpunkt
- R
- Radialkraft
