DE102016212408B4

DE102016212408B4 - Aktuator für eine Hinterachslenkung

Info

Publication number: DE102016212408B4
Application number: DE102016212408.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Moeller; Thomas Gohmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: DE102016212408A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Hinterachslenkung mit einem Spindelantrieb (1), umfassend eine axial verschiebbare, ein Spindelgewinde (3a) aufweisende Spindel (3) sowie eine ein Muttergewinde (2a) aufweisende Spindelmutter (2), welche im Aktuator axial fixiert und in Drehrichtung antreibbar ist, wobei das Spindelgewinde (3a) und das Muttergewinde (2a) durch ein Spannelement (4) in Längsrichtung der Spindel (3) gegeneinander verspannt sind. Es wird vorgeschlagen, dass das Spannelement (4) ein Außengewinde (4a) aufweist, welches mit dem Muttergewinde (2a) der Spindelmutter (2) in Eingriff steht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Hinterachslenkung mit einem Spindelantrieb, umfassend eine axial verschiebbare, ein Spindelgewinde aufweisende Spindel sowie eine ein Muttergewinde aufweisende Spindelmutter, welche im Aktuator axial fixiert und in Drehrichtung antreibbar ist, wobei das Spindelgewinde und das Muttergewinde durch ein Spannelement in Längsrichtung der Spindel gegeneinander verspannbar sind.
In der älteren Anmeldung der Anmelderin gemäß der nachveröffentlichten DE 10 2015 224 775 A1 ist ein Aktuator für eine Hinterachslenkung mit einem Spindelantrieb, umfassend eine in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter und eine mit der Spindelmutter in Eingriff stehende, axial verschiebbare Spindel, offenbart. Auf der Spindel ist ein Spannelement in Form einer losen Mutter angeordnet, welche mit dem Spindelgewinde in Eingriff steht und eine Verspannung von Spindel- und Muttergewinde bewirkt. Das Spannelement ist in axialer Richtung in einer mit der Spindelmutter verbundenen Hülse geführt und über Klauen in Drehrichtung mit der Spindelmutter gekoppelt. Zwischen dem Spannelement und der Hülse ist ein als Tellerfeder ausgebildetes Druckfederelement angeordnet, welches eine permanente Verspannung bewirkt.
Aus der DE 10 2010 021 536 A1 ist ein Spindelantrieb mit einer Gewindespindel bekannt, auf der ein aus zwei axial nebeneinander liegenden Gewindemuttern bestehendes Gewindeelement sitzt. Die Gewindemuttern sind drehfest miteinander verbunden und begrenzt axial relativ zueinander verschiebbar. Beide Gewindemuttern sind durch wenigstens ein federndes Druckelement gegeneinander belastet. Dadurch wird ein Flankenspiel zwischen den Gewindemuttern und der Gewindespindel vermieden.
Ausgehend von der vorgenannten DE 10 2010 021 536 A1 , bezweckt die Erfindung eine weitere Ausbildung und Verbesserung eines Aktuators für eine Hinterachslenkung mit einem Spindelantrieb.
Die Erfindung umfasst die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Spannelement ein Außengewinde aufweist, welches mit dem Muttergewinde der Spindelmutter in Eingriff steht. Das Spannelement stützt sich somit über den Gewindeeingriff an der Spindelmutter ab.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spannelement in Drehrichtung mit der Spindel gekoppelt, in Axialrichtung dagegen verschiebbar gegenüber der Spindel angeordnet. Das Spannelement wird somit von der Spindel in Drehrichtung mitgenommen, während es in Axialrichtung eine Relativbewegung in Bezug auf die Spindel ausführen kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Spindel und das Spannelement miteinander fluchtende Längsbohrungen auf, in welchen Führungsstifte angeordnet sind, welche bevorzugt fest in den Längs- oder Sacklochbohrungen der Spindel, dagegen gleitend in den Längsbohrungen des Spannelements angeordnet sind.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das Spannelement und die Spindel über mindestens ein Druckfederelement, vorzugsweise eine Schraubenfeder gegeneinander verspannt. Vorzugsweise ist die Druckfeder im Inneren der Spindel und koaxial zur Spindelachse angeordnet und geführt. Einerseits stützt sich die Druckfeder am Boden einer Sacklochbohrung in der Spindel und andererseits am Boden einer fluchtend angeordneten Sacklochbohrung in dem Spannelement ab. Das als Schraubenfeder ausgebildete Druckfederelement ist somit raumsparend innerhalb der Spindel und des Spannelements angeordnet. Damit wird weder in radialer noch in axialer Richtung zusätzlicher Bauraum für das Druckfederelement beansprucht. Es ergibt sich somit ein geschlossener Kraftfluss vom Druckfederelement über das Spannelement, das Außengewinde des Spannelements auf die Spindelmutter und von der Spindelmutter über das Spindelgewinde auf die Spindel. Durch das mechanische Druckfederelement ergibt sich eine permanente Verspannung zwischen Spindel- und Muttergewinde, d. h. ein Axial- oder Flankenspiel sowie etwaige damit einhergehende akustische Auffälligkeiten werden dauerhaft unterbunden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Verspannung zwischen Spindel- und Muttergewinde über ein Piezo-Stellelement, welches bedarfsweise durch Anlegen einer elektrischen Spannung einstellbar ist. Damit wird der Vorteil erreicht, dass eine Verspannung variabel je nach Bedarf des Aktuators erzeugt werden kann. Vorteilhafterweise wird die Verspannung während der Ruhephase des Aktuators aktiviert, so dass ein etwaiges Flankenspiel und damit einhergehende akustische Auffälligkeiten unterbunden werden. Ein allmähliches oder schlagartiges Abbremsen bzw. Arretieren der Spindel in seiner Bewegung ist damit ebenfalls möglich. Andererseits ist es von Vorteil, die Verspannung beim Verstellen der Spindel zu reduzieren oder vollständig abzuschalten, damit die Reibung zwischen Spindel- und Muttergewinde reduziert und damit auch die Antriebsleistung des Spindelantriebs vermindert werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Piezo-Stellelement als Scheibe ausgebildet, welche zwischen der Stirnfläche der Spindel und dem Spannelement angeordnet ist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung nimmt die Scheibendicke, gemessen in axialer Richtung, zu, wodurch sich die Verspannung des Spindelantriebes ergibt: einerseits werden die Flanken des Spindelgewindes gegen die Flanken des Muttergewindes, und andererseits werden die Flanken des Außengewindes des Spannelements gegen die Flanken des Muttergewindes gedrückt, so dass sich eine Zugbeanspruchung innerhalb der Spindelmutter ergibt. Die Ausdehnung in axialer Richtung ist durch die Höhe der an das Piezoelement angelegten Spannung variierbar. Auch kann die axiale Erstreckung durch Stapeln mehrerer Scheiben von Piezoelementen erhöht werden (Piezostack oder Piezostapel genannt).
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Piezo-Stellelement über Führungsstifte in axialer Richtung geführt und gleichzeitig in Drehrichtung mit der Spindel und dem Spannelement gekoppelt. Die Führungsstifte sind dabei in Längsbohrungen – ähnlich der Ausführungsform mit mechanischem Druckfederelement – angeordnet. Somit ergibt sich auch bei dieser Lösung eine raumsparende Anordnung.
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 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Spindelantrieb mit permanenter mechanischer Verspannung und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Spindelantrieb mit variabler Verspannung durch ein Piezo-Stellelement.
1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Spindelantrieb 1, auch Gewindetrieb 1 genannt, welcher für einen nicht dargestellten Aktuator verwendbar ist. Aufbau und Funktion eines solchen Aktuators, insbesondere für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges sind in der DE 10 2014 206 934 A1 der Anmelderin beschrieben und dargestellt. Der Spindelantrieb 1 umfasst eine Spindelmutter 2 mit einem Muttergewinde 2a sowie eine Spindel 3 mit einem Spindelgewinde 3a, welches mit dem Muttergewinde 2a in Eingriff steht. Die Spindelmutter 2 ist, was nicht dargestellt ist, jedoch aus der DE 10 2014 206 934 A1 der Anmelderin hervorgeht, in einem Aktuatorgehäuse drehbar gelagert, axial fixiert und in Drehrichtung elektromotorisch antreibbar. Die Spindel 3, welche aufgrund einer Drehung der Spindelmutter 2 in Axialrichtung verschiebbar ist, fungiert als Stellglied zur Verstellung des Lenk- oder Spurwinkels der Hinterräder eines Kraftfahrzeuges. Ein Spannelement 4, welches als in der gezeigten Ausführung als Scheibe ausgebildet ist und ein Außengewinde 4a aufweist, ist in die Spindelmutter 2 eingeschraubt und steht mit dem Muttergewinde 2a in Eingriff. Das Spannelement 4 ist über mindestens zwei Führungsstifte 5, 6 in Drehrichtung mit der Spindel 3 gekoppelt, in Axialrichtung jedoch gegenüber der Spindel 3 verschiebbar angeordnet. In der Spindel 3 sind eine erste, koaxial angeordnete Sacklochbohrung 7 sowie zwei weitere, achsparallel angeordnete Sacklochbohrungen 8, 9 angeordnet, in welchen die Führungsstifte 5, 6 angeordnet und axial fixiert sind. Fluchtend zu der ersten Sacklochbohrung 7, ist in dem Spannelement 4 eine weitere Sacklochbohrung 10 angeordnet, während fluchtend zu den weiteren Sacklochbohrungen 8, 9 Längsbohrungen 11, 12 zur gleitenden Aufnahme der Führungsstifte 5, 6 vorgesehen sind. Ein als Schraubenfeder 13 ausgebildetes Druckfederelement 13, welches in den Sacklochbohrungen 7, 10 aufgenommen ist, stützt sich einerseits in axialer Richtung gegenüber der Spindel 3 und andererseits gegenüber dem Spannelement 4 ab. Die von der Schraubenfeder 13 erzeugte Axialkraft stützt sich einerseits über das Außengewinde 4a am Muttergewinde 3a, d. h. der Spindelmutter 3 und andererseits über das Spindelgewinde 3a am Muttergewinde 2a, d. h. der Spindelmutter 2 ab. Dadurch wird ein Flankenspiel zwischen Spindelgewinde 3a und Muttergewinde 2a unterbunden. Aufgrund der Spannkraft der Schraubenfeder 13 ergibt sich somit eine permanente Anlage der Flanken des Spindel- und Muttergewindes 3a, 2a, welche vorzugsweise als Trapezgewinde ausgebildet sind. Anstelle der dargestellten Schraubenfeder 13 sind auch andere Druckfederelemente möglich, beispielsweise eine oder mehrere Tellerfedern, welche zwischen den Stirnflächen der Spindel 3 und des Spannelements 4 angeordnet werden können. Gleichzeitig könnte die mechanische Koppelung des Spannelements 4 mit der Spindel 3 über ein mechanisches Kopplungselement, welches koaxial angeordnet ist, übernommen werden. Die axiale Erstreckung des Spannelements ist an die Ausbildung der Spindelmutter 2 bzw. der Länge des Muttergewindes 2a angepasst. Statt einer Scheibe kann das Spannelement 4 auch als ein Zylinder mit Außengewinde ausgebildet sein.
2 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Spindelantrieb 101, bei welchem gleiche oder analoge Teile wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet sind. Der Spindelantrieb 101 umfasst eine Spindelmutter 102 mit einem Muttergewinde 102a sowie eine Spindel 103 mit einem Spindelgewinde 103a, welches mit dem Muttergewinde 102a in Eingriff steht. Ein Spannelement 104, welches als Scheibe ausgebildet ist und ein Außengewinde 104a aufweist, steht mit dem Muttergewinde 102a in Eingriff und ist über Führungsstifte 105, 106 in Drehrichtung mit der Spindel 103 gekoppelt, jedoch axial verschieblich gegenüber der Spindel 103 angeordnet. Zwischen dem Spannelement 104 und der Stirnfläche der Spindel 103 ist ein Piezo-Stellelement 113, welche als Scheibe mit Längsbohrungen (ohne Bezugszahlen) ausgebildet ist, angeordnet, durch die Führungsstifte 105, 106 in axialer Richtung geführt und in Drehrichtung mit der Spindel 103 und dem Spannelement 104 gekoppelt. Das Piezo-Stellelement 113, kann – was nicht dargestellt ist – mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, was eine Veränderung der Dicke – in axialer Richtung gemessen – zur Folge hat. Durch diese elektrisch aktivierte Ausdehnung des Piezo-Elements 113 werden die Spindel 103 und das Spannelement 104 derart auseinander gedrückt, dass die Flanken des Außengewindes 104a des Spannelements 104 an den Flanken des Muttergewindes 102a und die Flanken des Spindelgewindes 103a an den Flanken des Muttergewindes 102a anliegen. Dadurch werden ein Axial- oder Flankenspiel sowie etwaige damit verbundene Geräusche beim Betrieb der Spindelmutter in Zusammenspiel mit der Spindel unterbunden. Das Piezo-Stellelement 113 kann somit intermittierend, abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand des Aktuators, aktiviert werden. Dabei ist beispielsweise eine Verspannung des Spindelantriebes 101 im Ruhezustand von Vorteil, während bei einer Verstellung der Spindel 103 eine reduzierte oder abgeschaltete Verspannung von Vorteil ist.
Bei den vorgenannten Bohrungen kann es sich auch um Löcher handeln, die z. B. mittels Erodieren oder anderen bekannten Verfahren eingebracht werden.
Bezugszeichenliste

1: Spindelantrieb
2: Spindelmutter
2a: Muttergewinde
3: Spindel
3a: Spindelgewinde
4: Spannelement
4a: Außengewinde
5: Führungsstift
6: Führungsstift
7: Sacklochbohrung, koaxial
8: Sacklochbohrung, achsparallel
9: Sacklochbohrung, achsparallel
10: Sacklochbohrung, koaxial
11: Längsbohrung
12: Längsbohrung
13: Schraubenfeder
101: Spindelantrieb
102: Spindelmutter
102a: Muttergewinde
103: Spindel
103a: Spindelgewinde
104: Spannelement
104a: Außengewinde
105: Führungsstift
106: Führungsstift
107: Sacklochbohrung, koaxial
108: Sacklochbohrung, achsparallel
109: Sacklochbohrung, achsparallel
110: Sacklochbohrung, koaxial
111: Längsbohrung
112: Längsbohrung
113: Piezo-Stellelement

Claims

Aktuator für eine Hinterachslenkung mit einem Spindelantrieb (1, 101), umfassend eine axial verschiebbare, ein Spindelgewinde (3a, 103a) aufweisende Spindel (3, 103) sowie eine ein Muttergewinde (2a, 102a) aufweisende Spindelmutter (2, 102), welche im Aktuator axial fixiert und in Drehrichtung antreibbar ist, wobei das Spindelgewinde (3a, 103a) und das Muttergewinde (2a, 102a) durch ein Spannelement (4, 104) in Längsrichtung der Spindel (3, 103) gegeneinander verspannt sind und wobei das Spannelement (4, 104) ein Außengewinde (4a, 104a) aufweist, welches mit dem Muttergewinde (2a, 102a) der Spindelmutter (2, 102) in Eingriff steht.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (4, 104) in Drehrichtung mit der Spindel (3, 103) gekoppelt und in Axialrichtung verschiebbar gegenüber der Spindel (3, 103) angeordnet ist.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnende der Spindel (3, 103) und das Spannelement (4, 104) jeweils mindestens zwei fluchtende Längsbohrungen (8, 9, 11, 12) aufweisen und dass in den Längsbohrungen (8, 9, 11, 12) Führungsstifte (5, 6, 105, 106) angeordnet sind.
Aktuator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (4) und die Spindel (3) über mindestens ein Druckfederelement (13) gegeneinander verspannt sind.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfederelement (13) als Schraubenfeder ausgebildet ist.
Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnende der Spindel (3) und ein Stirnende des Spannelements (4) jeweils koaxial angeordnete Sacklochbohrungen (7, 10) zur Aufnahme der Schraubenfeder (13) aufweisen.
Aktuator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (104) und die Spindel (103) über ein Piezo-Stellelement (113) verspannbar sind.
Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Stellelement (113) als Scheibe ausgebildet ist, welche zwischen dem Stirnende der Spindel (103) und dem Spannelement (104) angeordnet ist.
Aktuator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezo-Stellelement (113) Längsbohrungen zur Aufnahme von Führungsstiften (105, 106) aufweist.