DE102017011397A1

DE102017011397A1 - Aktuator mit umkehrbarer Drehrichtung

Info

Publication number: DE102017011397A1
Application number: DE102017011397.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dettenberger; Daniel Motzet
Original assignee: Oechsler AG
Current assignee: Oechsler AG
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: DE102017011397B4; CN109899475B; US10738857B2; CN109899475A; US20190178347A1

Abstract

Bei einem Aktuator (11) mit umsteuerbarem Motor (16) vor einem Untersetzungs-Getriebe (14) lässt sich dieses kinetisch, geometrisch und werkstofftechnisch optimieren, wenn gemäß dem unterschiedlichen Drehmomentenbedarf zum Zuspannen und zum Aufspannen etwa einer elektromotorischen Parkbremse drehrichtungsabhängig unterschiedliche Untersetzungen wirksam werden. Dafür wirken zwei unterschiedlich bemessene, etwa mit einem abgestuften Motor-Ritzel (17) kämmende Zwischenräder (18.1, 18.2) der Untersetzungs-Getriebe (14.1, 14.2) über gegensinnig wirkende Freiläufe (22; 24) auf eine gemeinsame Getriebewelle (20). Je nach der Drehrichtung des Motors (16) rotiert dadurch die Getriebewelle (20) bei unterschiedlichen Drehzahlen, entsprechend unterschiedliche Drehmomente liefernd.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Unter einem Aktuator wird in vorliegendem Zusammenhang die Kombination eines, insbesondere kleinbauenden hochtourigen, umsteuerbaren Elektro-Motors mit einem Untersetzungs-Getriebe zur Drehmomentenbeeinflussung eines Aktuator-Abtriebes verstanden, welcher etwa die Form einer Welle oder eines Zahn- oder Riemenrades aufweist. Dieser Abtrieb kann eine Nutzfunktion betreiben, im Falle von Komfortfunktionen im Kraftfahrzeug etwa einen Fensterheber, einen Gurtschloßbringer (vgl. DE 10 2015 006 118 A1 ) oder insbesondere eine elektromotorisch betriebene Parkbremse (vgl. DE 10 2009 007 887 B3 und DE 10 2015 008 568 A1 ).
Solchen Nutzfunktionen ist gemein, dass je nach Bewegungsrichtung unterschiedliche Lasten zu beherrschen sind, etwa zum Spannen oder zum Lockern eines Gurtes beziehungsweise zum Zuspannen oder zum Aufspannen eines Bremskolbens.
In Zusammenhang damit liegt vorliegender Erfindung die Überlegung zugrunde, dass es vorteilhaft wäre, wenn der Aktuator an seinem Abtrieb drehrichtungsabhängig zwei Drehmomente zur Verfügung stellte; nämlich - etwa bezogen auf die Parkbremse - einerseits ein höheres Drehmoment für kräftiges Zuspannen und andererseits zu raschem Aufspannen mit einer dagegen höheren Drehzahl bei entsprechend reduziertem Drehmoment. Darauf aufbauend liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, die Kinetik des Zuspann- und Aufspannablaufes mittels solcher Aktuatoren zu verbessern.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das Zusammenwirken der im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Danach kann das Aktuator-Getriebe je nach der momentanen Lastgegebenheit, also drehrichtungsabhängig, mit unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen arbeiten; nämlich mit hoher Untersetzung für hohes resultierendes Drehmoment etwa zu vergleichsweise langsamem aber kräftigem Zuspannen und in umgekehrter Aktuator-Drehrichtung mit niedrigerer Drehzahluntersetzung für wünschenswert schnelleres Aufspannen, bei welchem vom Aktuator-Drehmoment insbesondere nur Haftreibungserscheinungen innerhalb der Nutzfunktion zu überwinden sind.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt ein drehrichtungsabhängiges Umschalten zwischen zwei auf unterschiedliche Untersetzungen ausgelegten Getrieben mittels zweier gegensinnig wirksamer Freiläufe zwischen einer beiden Getrieben gemeinsamen Getriebewelle einerseits und andererseits zwei Zwischenrädern bei unterschiedlichen Untersetzungsverhältnissen. Dadurch werden immer beide Zwischenräder angetrieben, aber nur eines überträgt infolge seines in dieser Drehrichtung sperrenden Freilaufes ein Drehmoment auf die Getriebewelle: während bei dieser Drehrichtung das andere Zwischenrad infolge offenen Freilaufes ohne Kopplung an die Getriebewelle frei mitläuft.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung rührt daher, dass insbesondere die Zwischenräder der beiden Getriebe etwa hinsichtlich Materials und Zahngeometrien für drehrichtungsabhängig unterschiedliche Beanspruchungen ausgelegt und somit optimiert werden können. Denn je nach der Drehrichtung wird das eine, stark untersetzende Getriebe immer nur stark und im Wechsel damit das andere, schwächer untersetzende Getriebe immer nur schwächer mechanisch belastet.
Zwischen den Zwischenrädern und der ihnen gemeinsamen Getriebewelle können die etwa bei Fahrrädern anzutreffenden, radial wenig auftragenden Nadel-Freiläufe eingesetzt werden. Insoweit beim Aktuator um die Getriebewelle herum genügend Einbauraum verfügbar ist, wird hier zweckmäßigerweise auf den preisgünstigeren Typus je eines Klemmkörper-Freilaufes für jede der beiden alternativen Drehrichtungen der Zwischenräder zurückgegriffen. Solch ein Klemmkörper-Freilauf wird gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung, für die auch selbständiger Schutz beansprucht wird, als im Querschnitt sichelähnlicher Exzenter ausgelegt.
Der jeweilige Exzenter liegt in einem Ringraum zwischen der Getriebewelle und dem Zugeordneten der beiden Zwischenräder. Ein sich verjüngendes Ende dieses Exzenters ist biegeweich am Zwischenrad festgelegt. Zum gegenüberliegenden, freien Stirnende hin - die Getriebewelle teilweise umschlingend - nimmt der Querschnitt des Exzenters zu. Dieser Freilauf sperrt, wenn der sichelartige Exzenter von seinem Zwischenrad, der Getriebewelle gegenüber, auf Stauchen beansprucht wird. Denn dadurch verkeilt der Exzenter sich im Ringraum zwischen dem Zwischenrad und der Getriebewelle, und die Getriebewelle wird vom Zwischenrad mitgedreht. Der Freilauf öffnet wieder, wenn der Exzenter vom Zwischenrad relativ zur Getriebewelle zurückbewegt wird und dadurch von der Getriebewelle abhebt. Ein in dieser Rückdrehrichtung gegen die Stirn des Exzenters zur Anlage gelangender Anschlag beim Zwischenrad fördert und stabilisiert das Abheben des nun entspannten Exzenters von der Getriebewelle. Die Getriebewelle wäre jetzt frei verdrehbar, wenn sie nicht vom gegensinnig orientierten Exzenter des anderen Zwischenrades mit diesem verkeilt wäre, wo sie folglich nun in Rückdrehrichtung mitgenommen wird.
Zusätzliche Weiterbildungen und Abwandlungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung von bevorzugten Realisierungsbeispielen zur Erfindung. In der Zeichnung zeigt, auf das Funktionswesentliche abstrahiert und nicht maßstabsgerecht skizziert,

1 bei in die Zeichenebene verlagerten Funktionsteilen einen Aktuator mit geöffnetem Umgehäuse im Axial-Längsschnitt,
2 im Querschnitt einen Klemmkörper-Freilauf mit sichelförmigem Exzenter in Sperr- oder Mitnahmekopplung vom Zwischenrad zur Getriebewelle und
3 den Klemmkörper-Freilauf gemäß 2 in geöffneter oder Freigabestellung.

Der erfindungsgemäß ausgelegte Aktuator 11 weist bei diesem Realisierungsbeispiel, innerhalb eines Umgehäuses 12, miteinander wirkverbunden einen Antrieb 13, zwei Getriebe 14 (14.1 und 14.2) und einen Abtrieb 15 auf. Für den Antrieb 13 ist beispielsweise ein drehrichtungs-umsteuerbarer hochtouriger Gleichstrom-Motor 16 mit mechanischer oder vorzugsweise elektronischer Kommutierung vorgesehen. Mit einer dem Motor 16 nachfolgenden Untersetzungsstufe, oder wie skizziert direkt mit dessen Ritzel 17, stehen für unterschiedliche Untersetzungsverhältnisse zwei stirnverzahnte Zwischenräder 18 (18.1 und 18.2) unterschiedlicher Durchmesser in Eingriff, die Funktionsteile der beiden Getriebe 14.1 beziehungsweise 14.2 sind. Wie skizziert ist der Durchmesser dieses Ritzel 17 in Axialrichtung derart radial abgestuft, dass bei zueinander parallelen Antriebs- und Getriebewellen 19, 20 sein kleinerer Durchmesser mit dem größeren Zwischenrad 18.1 für stärkere Untersetzung kämmt, und für dagegen schwächere Untersetzung das kleinere Zwischenrad 18.2 mit dem größeren Durchmesser des Ritzels 17. Die so über die Zwischenräder 18 mit dem Ritzel 17 drehverbundene Getriebewelle 20 treibt den Abtrieb 15, erforderlichenfalls zu weiterer Drehmomentensteigerung über ein weiteres Untersetzungs-Getriebe, das hier als ein- oder mehrstufiges Planetengetriebe 21 ausgelegt ist.
Der Antrieb der Zwischenräder 18 kann aber auch, statt direkt vom Motor-Ritzel 17, über eine vorgelagerte Getriebestufe erfolgen. Ob dem Abtrieb 15 eine weitere Getriebestufe, insbesondere ein ein- oder mehrstufiges Planetengetriebe, vorgeschaltet wird, ist lastabhängig zu entscheiden.
Wegen ihrer gemeinsamen Verzahnung mit beispielsweise dem Antriebs-Ritzel 17 werden beide Zwischenräder 18.1 und 18.2 stets in untereinander gleicher Drehrichtung angetrieben. Aber je nach dieser momentanen Drehrichtung steht nur das eine oder nur das adere der beiden Zwischenräder 18.1, 18.2 in Drehverbindung mit der Getriebewelle 20. Denn die Kopplung erfolgt hier über Freiläufe 22 (22.1 und 22.2), die zueinander gegensinnig zwischen den Zwischenrädern 18.1, 18.2 und der gemeinsamen Getriebewelle 20 eingefügt sind. Wenn also etwa, in der momentanen Drehrichtung des Ritzel 17, über das Zwischenrad 18.1 der Freilauf 22.1 in Sperr-Richtung belastet wird, besteht hier für diese Drehrichtung eine drehfeste Verbindung zur Getriebewelle 20, und diese wird vom Zwischenrad 18.1 mitgenommen - während beim anderen Zwischenrad 18.2 der Freilauf 22.2 in dieser Drehrichtung frei dreht; und umgekehrt.
So tritt abhängig von der Drehrichtung des Ritzels 17 entweder das eine oder das andere der beiden Getriebe 14.1 / 14.2 in Aktion, um etwa die Nutzfunktion 23 langsam aber mit hohem Drehmoment zuzuspannen oder - nach Drehrichtungsumkehr - mit schwächerem Drehmoment bei desto höherer Drehzahl wieder aufzuspannen.
Da diese Aufspann-Drehrichtung immer mit, gegenüber dem Zuspannen, geringerem erforderlichem Drehmoment einhergeht, kann das Getriebe 14.2 für, infolge höherer Ausgangsdrehzahl, geringeres zu übertragendes Drehmoment ausgelegt werden, mit entsprechend angepasster Geometrie seiner miteinander kämmenden Verzahnungen und diese auch etwa erstellt aus weniger hoch belastbaren Werkstoffen; verglichen mit dem Getriebe 14.1 zum Einbringen von hoher Zuspannkraft in die Nutzfunktion 23.
Preisgünstiger als der Einbau zweier paralleler, gegensinnig orientierter handelsüblicher Nadel-Freiläufe gemäß 1 ist für die drehrichtungsabhängige Getriebeübersetzung im Aktuator 11 der Einsatz zweier axial gegeneinander versetzter, gegensinnig orientierter Klemmkörper-Freiläufe 24 in der jeweiligen Nabe 25 jedes der Zwischenräder 18; von denen in der Schnittebene der 2 / 3 nur eines erfasst ist. Der Außendurchmesser der Getriebewelle 20 ist wesentlich kleiner als der Innendurchmesser einem axialen Durchgang 26 in der von der Getriebewelle 20 durchsetzten Nabe 25, die ein- oder mehrteilig mit ihrem Zwischenrad 18.1 ausgebildet ist. In dem dadurch freigehaltenen axialen Ringraum 27 zwischen Getriebewelle 20 und Nabe 25 ist als Klemmkörper ein im Kunststoff-Spritzguss erstellter Exzenter 28 angeordnet, der die Getriebewelle 20 mit zunehmender radialer Dicke sichelförmig umschließt. Dessen dünnes Stirnende 29 ist an der Innenwandung des Durchganges 26 des ebenfalls im Kunststoff-Spritzguss erstellten Zwischenrades 18 beziehungsweise dessen Nabe 25 festgelegt, etwa damit stoffschlüssig verbunden oder einstückig angespritzt. Von dieser Anlenkung aus steigt die radiale Abmessung des Exzenters 28 in Richtung auf dessen gegenüberliegendes, freies Stirnende 32 an.
Wenn das Zwischenrad 18 in dem Sinne relativ zur Getriebewelle 20 verdreht wird, dass der sichelförmig gebogen sich erstreckende Exzenter 28 infolge Reibschlusses mit der Mantelfläche der Getriebewelle 20 auf Stauchen beansprucht wird (2), verklemmt er sich im Ringraum 27 zwischen dem Durchgang 26 und der Getriebewelle 20; mit der Folge, dass die Getriebewelle 20 vom Zwischenrad 18 mitgedreht wird.
Wenn dagegen (3) infolge entgegengesetzter Drehrichtung des Zwischenrades 18 der Exzenter 28 im Ringraum 27 auf Zug beansprucht wird, dann löst sich dadurch die erwähnte Verklemmung im Ringraum 27, und die kraftschlüssige Verbindung vom Zwischenrad 18 zur Getriebewelle 20 ist aufgehoben. Allerdings wird nun die Getriebewelle 20 in dieser umgekehrten Drehrichtung vom anderen der beiden Zwischenräder 18 mitgenommen, das längs der Getriebewelle 20 axial versetzt (deshalb hinter der Zeichenebene) mit einem Klemmkörper-Freilauf (24) in umgekehrter Wirkrichtung bestückt ist; dessen Exzenter (28) verkeilt nun seinerseits im Ringraum (27) infolge Stauchbeanspruchung in der nunmehrigen Drehrichtung, in der dadurch die Getriebewelle 20 nun vom anderen Zwischenrad (18) mitgenommen wird.
In der Zeichnung ist berücksichtig, dass es zweckmäßig ist, die Zwischenräder 18 je mit einem mitdrehenden Anschlag 31 zu versehen, der beim auf Zug beanspruchten und deshalb im Ringraum 27 gelösten Exzenter 28 gegen dessen dickeres, freies Stirnende 32 in Anlage gerät. Durch den Andruck wird der Innenbogen des sichelförmigen Exzenters 28 von der Mantelfläche der Getriebewelle 20 abgehoben, um hier den bisherigen Mitnahme Reibschluß nun beim Rückdrehen zuverlässig aufzuheben. Wie skizziert ist der dafür vorgesehene Anschlag 31 zweckmäßigerweise einfach als zentrifugale Ausbuchtung des Durchganges 26 und damit des Ringraumes 27 relativ dicht vor dem freien Stirnende 32 des Exzenters 28 ausgebildet, das sich bei Freigabe-Drehbewegung des Zwischenrades 18 gegen die Schulter 33 der Ausbuchtung peripher abstützt.
Das Getriebe 14 hinter dem umsteuerbaren Antrieb zweier Zwischenräder 18 lässt sich also erfindungsgemäß kinetisch, geometrisch und werkstofftechnisch optimieren, indem gemäß dem unterschiedlichen Drehmomentenbedarf zum Zuspannen und zum Aufspannen einer Nutzfunktion 23 wie einer elektromotorischen Parkbremse drehrichtungsabhängig unterschiedliche Untersetzungen wirksam werden. Dafür wirken zwei unterschiedlich bemessene, etwa mit einem abgestuften Motor-Ritzel 17 in Eingriff stehende Untersetzungs-Getriebe 14.1, 14.2 über ihnen gegensinnig zugeordnete Nadel- oder Klemmkörper-Freiläufe 22.1, 22.2; 24.1, 24.2 auf eine gemeinsame Getriebewelle 20. Je nach der Drehrichtung des Aktuator-Motors 16 oder dergleichen Antriebes wird dadurch die auf den Abtrieb 15 wirkende Getriebewelle 20 mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben, die deshalb entsprechend unterschiedliche Drehmomente liefern. Weil nicht mehr dasselbe Getriebe in beiden Drehrichtungen gleichermaßen wirkt, in der Auslegung allein bestimmt durch den Zuspann-Drehmomentenbedarf, kann nun auch der Ablauf des Aufspannens optimiert, nämlich beschleunigt werden. Dadurch kann ein leistungsschwächerer und deshalb preiswerterer Antrieb, etwa ein umsteuerbarer Motor 16, der mit gegensinnigen Freiläufen 22 einer gemeinsamen Getriebewelle 20 gegenüber ausgestatteten Zwischenräder 18 für sowohl einerseits kräftiges da langsameres Zuspannen als auch andererseits besonders rasches Aufspannen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

11: Aktuator
12: Umgehäuse (von 11)
13: Antrieb (in 11)
14: (Stirnrad-)Getriebe (in 11)
15: Abtrieb (von 11)
16: Motor (von 13, vor 14)
17: Ritzel (von 16)
18: Zwischenräder (von 14)
19: Antriebswelle (von 13)
20: Getriebewelle (von 14)
21: Planetengetriebe (nach 14)
22: (Nadel-)Freiläufe (zwischen 18 25 und 20)
23: Nutzfunktion (hinter 11)
24: (Klemmkörper-)Freiläufe (zwischen 18 / 25 und 20)
25: Nabe (von 18)
26: Bohrung (in 25 / 18)
27: Ringraum (innerhalb 26 gegenüber 20)
28: Exzenter (an 25 / 18 in 27)
29: (festes) Stirnende (von 28, an 25 / 18)
30: -
31: Anschlag (bei 25 / 27 für 32)
32: (freies) Stirnende (von 28)
33: Schulter (an 31 für 32)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015006118 A1 [0001]
DE 102009007887 B3 [0001]
DE 102015008568 A1 [0001]

Claims

Aktuator (11) mit drehrichtungs-umkehrbarem Antrieb (13) und drehzahl-untersetzendem Getriebe (14) zum Abtrieb (15) auf eine Nutzfunktion (23), dadurch gekennzeichnet, dass für jede beider Drehrichtungen ein Getriebe (14.1, 14.2) vorgesehen ist, die über gegenläufige Freiläufe (22.1, 22.2; 24.1, 24.2) mit dem Abtrieb (15) drehrichtungsabhängig drehverbunden sind.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Getriebe (14.1, 14.2) unterschiedliche Untersetzungen aufweisen.
Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Freiläufe (22.1, 22.2; 24.1, 24.2) gegenläufig zwischen zwei Zwischenrädern (18.1, 18.2) und einer gemeinsamen Getriebewelle (20) angeordnet sind.
Aktuator nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden axial gegeneinander längs der Getriebewelle (20) versetzten Zwischenräder (18.1, 18.2) unterschiedlicher Durchmesser mit einem in Axialrichtung durchmesser-abgestuften Antriebsrad kämmen.
Aktuator nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräder (18.1 / 18.2) hinsichtlich Materialien und / oder Zahngeometrien den an der Getriebewelle (20) drehrichtungsabhängig unterschiedlich übertragbaren Drehmomenten angepasst sind.
Aktuator nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebewelle (20) wenigstens ein weiteres Getriebe vor dem Abtrieb (15) antreibt.
Aktuator nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Getriebe ein ein- oder mehrstufiges Planetengetriebe (21) ist.
Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (13) mit einem umsteuerbaren Gleichstrom-Motor (16) ausgestattet ist, dessen abgestuftes Ritzel (17) mit beiden Zwischenrädern (18.1, 18.2) kämmt.
Aktuator nach einem der vorabgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zwischenrädern (18) und der Getriebewelle (20) Nadel-Freiläufe (22) oder Klemmkörper-Freiläufe (24) eingesetzt sind.
Aktuator nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ringraum (27) zwischen dem Zwischenrad (18) oder seiner Nabe (25) und der Getriebewelle (20) als Klemmkörper ein die Getriebewelle (20) sichelartig umschlingender Exzenter (28) angeordnet ist, der mit einem Stirnende (32) flexibel an das Zwischenrad (18) beziehungsweise seine Nabe (25) angeschlossen ist.