-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gewindetrieb zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mittels einer Spindelstange, der in der Lage ist, eine auf die Spindelstange wirkende, axiale Kraft zu bestimmen.
-
Die Druckschrift
US 7,482,717 B2 betrifft einen Linearaktuator mit einem integralen Permanentmagnet und einem bürstenlosen Motor, der in der Lage ist, eine axiale Selbsteinstellung der Rotorposition innerhalb des Stators zur Feldabschwächung vorzunehmen.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine axiale Kraft zu bestimmen, die auf eine Spindelstange eines Gewindetriebes wirkt.
-
Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch einen Gewindetrieb gelöst, mit einer axial verschiebbaren Spindelstange, die mit einem Federelement an einem Gehäuseteil abgestützt ist; einem Geber zum Bestimmen einer axialen Verschiebung der Spindelstange; und einer Berechnungseinheit zum Bestimmen einer axialen Kraft auf die Spindelstange auf Basis der bestimmten axialen Verschiebung der Spindelstange und einer Kennlinie des Federelements. Die axiale Kraft auf die Spindelstange kann anhand der Kennlinie bestimmt werden, die eine Verschiebung in Relation zu einer wirkenden Kraft setzt. Durch den Gewindetrieb wird der technische Vorteil erreicht, dass sich eine axiale Kraft auf die Spindelstange auf technisch effiziente Weise bestimmen lässt.
-
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes wird das Federelement durch eine Spiralfeder, eine Flachdrahtfeder oder durch Elastomerkugeln gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass konstruktiv einfache Mittel zum Erzeugen einer Gegenkraft verwendet werden können.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes umfasst das Gehäuseteil eine zylindrische Aussparung zum Aufnehmen des Federelements. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Federelement seitlich abgestützt wird.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes umfasst das Gehäuseteil einen Anschlag zum Begrenzen einer axialen Verschiebung der Spindelstange. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Beschädigung des Federelements bei zu hohen axialen Kräften verhindert wird.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes umfasst die Spindelstange zumindest ein Kugellager, das gegenüber dem Gehäuseteil verschiebbar ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spindelstange auf einfache Weise sowohl drehbar als auch verschiebbar gelagert werden kann.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes stützt sich das Federelement an dem Kugellager ab. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Axialkraft effizient auf das Federelement übertragen werden kann.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes ist das Kugellager zwischen einem Gewinde der Spindelstange und einem Rotor auf der Spindelstange angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine stabile verschiebbare Lagerung der Spindelstange erreicht wird.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes ist das Kugellager ein Schrägkugellager. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Lagerung radial und axial in beide Richtungen belastbar ist.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes ist das Kugellager zwischen dem Rotor und dem Geber angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine stabile verschiebbare Lagerung der Spindelstange erreicht wird.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes ist das Kugellager ein Rillenkugellager. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine leichtgängige Lagerung der Spindelstange erreicht wird.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes umfasst der Gewindetrieb ein zweites Federelement, das in dem Gehäuseteil in der entgegengesetzten Richtung abgestützt ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich nicht nur Druckkräfte, sondern auch Zugkräfte in axialer Richtung bestimmen lassen.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes weist das zweite Federelement die gleiche Federkonstante wie das erste Federelement auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich eine Bestimmung der Zugkraft vereinfacht.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes stützt sich das zweite Federelement an dem Kugellager ab. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass eine Axialkraft effizient auf das Federelement übertragen werden kann.
-
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Gewindetriebes wird das zweite Federelement durch eine Spiralfeder, eine Flachdrahtfeder oder durch Elastomerkugeln gebildet. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass konstruktiv einfache Mittel zum Erzeugen einer Gegenkraft verwendet werden können.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Kraft auf eine Spindelstange eines Gewindetriebes gelöst, mit den Schritten eines axialen Verschiebens einer Spindelstange, die mit einem Federelement an einem Gehäuseteil abgestützt ist; eines Bestimmens der axialen Verschiebung der Spindelstange mittels eines Gebers; und eines Bestimmens einer axialen Kraft auf die Spindelstange auf Basis der bestimmten axialen Verschiebung der Spindelstange und einer Kennlinie des Federelements. Durch das Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile wie durch den Gewindetrieb nach dem ersten Aspekt erreicht.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
-
Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht durch einen Gewindetrieb;
- 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht durch den Gewindetrieb;
- 3 eine Querschnittsansicht durch einen weiteren Gewindetrieb; und
- 4 ein Blockdiagramm eines Verfahrens.
-
1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Gewindetrieb 100. Der Gewindetrieb 100 dient zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mittels einer Spindelstange 103. Zu diesem Zweck wird die Spindelstange 103 mittels eines Elektromotors 127 gedreht, so dass sich die drehfeste Spindelmutter 125 auf dem Gewinde 117 der Spindelstange 103 in axialer Richtung verschieben kann.
-
Der Elektromotor 127 ist ein Servomotor, dessen Rotor 119 direkt auf die Spindelstange 103 des Gewindetriebs 100 aufgepresst ist. Die Spindelstange 103 ist in dem Elektromotor 127 über ein zweireihiges Schrägkugellager 115 auf der einen Seite des Rotors 119 und ein Rillenkugellager 121 auf der anderen Seite des Rotors 119 gelagert. Das zweireihige Schrägkugellager 115 entspricht zwei einreihigen Schrägkugellagern in O-Anordnung. Das Schrägkugellager 115 ist radial und axial in beide Richtungen belastbar und verschiebt sich zusammen mit der Spindelstange 103.
-
Das Schrägkugellager 115 ist so verbaut, dass sich der Lageraußenring in axialer Richtung in einem Gehäuseteil 107 verschieben lässt. Hinter dem Schrägkugellager 115 ist zusätzlich ein Federelement 105-1 verbaut, dass zwischen dem Schrägkugellager 115 und dem Gehäuseteil 107 angeordnet ist. Dadurch kann sich die Spindelstange 103 in axialer Richtung verschieben. Die mögliche Verschiebung der Spindelstange 103 in axialer Richtung beträgt beispielsweise 0,3 bis 0,5 mm. Durch den geringen Verschiebungsweg ergibt sich der technische Vorteil, dass sich die Spindelmutter 125 auch bei Einwirken von axialen Kräften relativ genau positionieren lässt. Die maximale Verschiebung der Spindelstange 103 kann durch jeweilige Anschläge begrenzt werden.
-
Um den Elektromotor 127 zu betreiben wird ein Geber 109 verwendet. Durch den Einsatz des Gebers 109 kann sowohl der Drehwinkel als auch die axiale Verschiebung der Spindelstange 103 bestimmt werden. Der Geber 109 verfügt über ein Gehäuse, in dem eine Auswerteelektronik untergebracht ist. Die Maßverkörperung - auch Codescheibe genannt - ist auf der Spindelstange 103 gelagert und kann sich axial und radial mit der Spindelstange 103 bewegen. Der Drehwinkel der Spindelstange 103 wird über die Codescheibe bestimmt. Die axiale Verschiebung der Spindelstange 103 kann beispielsweise durch den Geber 109 durch ein induktives Messprinzip anhand eines Magnetfeldes bestimmt werden. Im Allgemeinen kann jedoch auch jedes andere Messverfahren verwendet werden, das zur Erfassung einer Verschiebung der Spindelstange 103 geeignet ist. Die axiale Bewegung wird durch den Abstand der Auswerteelektronik begrenzt.
-
In Verbindung mit dem Federelement 105-1 kann anhand der axialen Verschiebung der Spindelstange 103 und der bekannten Kennlinie des Federelements 105-1 direkt auf die an der Spindelmutter 125 anstehende Axialkraft zurückgerechnet werden. Vorteilhaft ist es, ein Federelement 105-1 mit linearer Kennlinie einzusetzen. In diesem Fall ergibt sich zwischen der Verschiebung der Spindelstange 103 und der Axialkraft ein linearer Zusammenhang auf Basis der bekannten Federkonstante. Das Federelement 105-1 kann beispielsweise durch eine Spiralfeder, eine Flachdrahtfeder oder durch Elastomerkugeln gebildet sein.
-
Ein Motorflansch dient als Gehäuseteil 107, das das Schrägkugellager 115 und das Federelement 105-1 aufnimmt. Zu diesem Zweck ist in dem Gehäuseteil 107, eine ring- oder zylinderförmige Aussparung 123 gebildet, in die das Federelement 105-1 eingelegt wird. Das Schrägkugellager 115 kann sich innerhalb des Gehäuseteils 107 in axialer Richtung verschieben. Weiter umfasst das Gehäuseteil 107 einen Bund, der als axialer Anschlag 113 für das Schrägkugellager 115 dient, damit die maximale, axial zulässige Auslenkung der Spindelstange 103 nicht überschritten wird.
-
Zum Berechnen der Axialkraft umfasst der Gewindetrieb 100 eine Berechnungseinheit 111, die die Daten der axialen Verschiebung verwendet, um anhand der vorgespeicherten Federkonstante oder einer vorgespeicherten Kennlinie die Axialkraft zu berechnen. Die Berechnungseinheit 111 umfasst beispielsweise einen Prozessor und einen digitalen Speicher, in dem die Federkonstante oder die Kennlinie abgelegt sind. Mittels eines vorgegebenen Computerprogramms kann die Axialkraft berechnet werden. Die Berechnungseinheit 111 kann jedoch auch durch eine festverdrahtete elektronische Schaltung gebildet sein, die eine Multiplizierschaltung zum Multiplizieren mit der Federkonstante umfasst.
-
2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht durch den Gewindetrieb 100. Je nach wirkender Axialkraft verschiebt sich das Schrägkugellager 115 in der einen oder anderen Richtung innerhalb des Gehäuseteils 107. Dabei wird im Gleichgewicht je nach Lage des Schrägkugellagers 115 eine Gegenkraft durch das Federelement 105-1 ausgeübt, die die Axialkraft auf die Spindelstange 103 kompensiert. Da die Federkonstante des Federelements 105-1 bekannt ist, kann die gemessene Verschiebung der Spindelstange verwendet werden, um die wirkende Axialkraft zu berechnen.
-
3 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen weiteren Gewindetrieb 100. Durch Hinzufügen eines zusätzlichen Federelements 105-2 vor dem Schrägkugellager 115, kann das System erweitert werden, damit sowohl Zug- als auch Druckkräfte in axialer Richtung gemessen werden können. Das Messprinzip in der Zugrichtung ist identisch zum Messprinzip in der Druckrichtung.
-
In der Zugrichtung wird ebenfalls eine Verschiebung der Spindelstange in axialer Richtung bestimmt, anhand der die Zugkraft mittels der Kennlinie des Federelements 105-2 berechnet werden kann. Wirkt keine Axialkraft auf die Spindelstange 103 befindet sich diese in einer Nulllage.
-
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Axialkraft auf die Spindelstange 103 des Gewindetriebes 100. Das Verfahren umfasst den Schritt S101 eines axialen Verschiebens der Spindelstange 103, die mit einem Federelement 105-1 an einem Gehäuseteil 107 abgestützt ist. In Schritt S102 wird die axialen Verschiebung der Spindelstange 103 mittels des Gebers 109 bestimmt. In Schritt S103 wird schließlich die axiale Kraft auf die Spindelstange 103 auf Basis der bestimmten axialen Verschiebung und einer Federkonstante oder Kennlinie des Federelements 105-1 bestimmt.
-
Die axiale Verschiebung der Spindelstange 103 wird im Betrieb über den Geber 109 gemessen, um damit direkt auf eine Axialkraft zurückzurechnen. Das Schrägkugellager 115 ist durch das Federelement 105-1 abgestützt, um damit den Arbeitspunkt für die Kraftmessung anzupassen. Eine Anpassung des Arbeitspunkts der axialen Messeinrichtung oder eine Anpassung der axialen Steifigkeit kann durch zusätzliche Federelemente erfolgen.
-
Das Federelement 105-1 kann hierbei auch so abgestimmt werden, dass anstelle einer Kraftmessung eine Berührungserkennung ermöglicht wird. Die Verwendung eines rotativen Gebers 109 mit zusätzlicher Axialmessfunktion dient daher zur Bestimmung axialer Kräfte in Verbindung mit einem oder mehreren elastisch verformbaren Federelementen 105-1 und 105-2, deren elastische Eigenschaften bekannt sind.
-
Das verformbares Federelement 105-1 und 105-2 kann hierbei auch durch das Schrägkugellager 115 selbst und dessen axiale Lagersteifigkeit gebildet sein. Die Beschränkung der Verschiebung kann in beiden Richtungen durch axiale Anschläge erfolgen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Gewindetrieb
- 103
- Spindelstange
- 105
- Federelement
- 107
- Gehäuseteil
- 109
- Geber
- 111
- Berechnungseinheit
- 113
- Anschlag
- 115
- Schrägkugellager
- 117
- Gewinde
- 119
- Rotor
- 121
- Rillenkugellager
- 123
- Aussparung
- 125
- Spindelmutter
- 127
- Elektromotor
