DE102017109046B3

DE102017109046B3 - Einrichtung zur Niveauverstellung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017109046B3
Application number: DE102017109046.0A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Breton; Christian Harkort; Markus Holzberger; Sebastian Sommerkorn; Kilian Marsing
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: US20200049242A1; CN110573773B; JP2020509964A; US11111989B2; JP6884223B2; WO2018196903A1; KR20190141675A; KR102534676B1; CN110573773A

Abstract

Eine Einrichtung zur Niveauverstellung für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Kugelgewindetrieb (2) mit einer Gewindespindel (3) und einer über Wälzkörper (5), nämlich Kugeln, mit dieser zusammenwirkenden Spindelmutter (4), welche mittels eines Elektromotors (9) antreibbar und mittels zweier Axialpendellager (11) gegenüber einem Gehäuse (6), welches gegenüber der Gewindespindel (3) verschiebbar ist, gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine einen Kugelgewindetrieb aufweisende Einrichtung zur Niveauverstellung eines Kraftfahrzeugs.
Eine mit einem Kugelgewindetrieb arbeitende Einrichtung zur Niveauverstellung eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der WO 2017/016556 A1 bekannt. Diese Einrichtung weist eine Mutter sowie eine mit dieser über Wälzkörper zusammenwirkende Spindel auf, in welche eine Adapterhülse eingesetzt ist, die die Spindel axial abstützt. Die Adapterhülse weist einen radial nach innen gerichteten Flansch auf, welcher an einem Zylinder einer Kolben-Zylinder-Einheit abgestützt ist. Wenigstens ein elastisches Element ist zur akustischen Entkopplung der Adapterhülse vom Zylinder vorgesehen.
Eine weitere Vorrichtung zur Höhenverstellung eines Fahrzeugaufbaus ist in der DE 10 2014 206 142 A1 offenbart. Diese Vorrichtung umfasst ein Bewegungsgewinde, dessen Gewindeteile durch eine schaltbare Verriegelungseinrichtung überbrückbar sind, um den Wirkeingriff zwischen den Gewindeteilen des Bewegungsgewindes vor hohen mechanischen Belastungen zu schützen.
Ein aus der DE 10 2013 222 648 A1 bekanntes aktives Radaufhängungselement, welches mit einem Kugelgewindetrieb arbeitet und der Verstellung einer eine Fahrwerksfeder abstützenden Federaufnahme dient, weist eine zusätzliche Kompensationsfeder auf, welche sich ebenfalls an der Federaufnahme abstützt.
Eine aus der DE 10 2009 058 026 A1 bekannte Vorrichtung zur Höhenverstellung eines Fahrzeugaufbaus arbeitet mit einem Stellmittel, welches mindestens drei um eine Federlängsachse gleichmäßig verteilt angeordnete, miteinander über ein Kraftübertragungsmittel bewegungsgekoppelte Linearführungen umfasst. Die Linearführungen sind hierbei zur Führung eines Auflagetellers oder Federtellers ausgebildet.
Ein aus der DE 10 2008 021 861 A1 bekannter Fahrwerksaktuator umfasst zusätzlich zu einem Kugelgewindetrieb eine Bremseinrichtung, welche ein einer Mutterdrehung oder Spindeldrehung entgegenwirkendes Reibmoment aufbaut.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Niveauverstellvorrichtung für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welche sich durch einen besonders robusten, beanspruchungsgerechten Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zur Niveauverstellung für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1. Diese Einrichtung, das heißt Niveauverstellvorrichtung, umfasst einen Kugelgewindetrieb, welcher in prinzipiell bekanntem Grundaufbau eine Gewindespindel, eine Spindelmutter, sowie zwischen der Gewindespindel und der Spindelmutter abrollende Wälzkörper aufweist. Zum Antrieb des Kugelgewindetriebs ist ein Elektromotor vorgesehen, welcher direkt oder indirekt, das heißt entweder im Sinne eines elektrischen Direktantriebs oder über ein Getriebe, die Spindelmutter in Rotation versetzt. Durch die Rotation der Spindelmutter wird ein Gehäuse der Niveauverstellvorrichtung gegenüber der Gewindespindel linear verlagert. Zur Lagerung der Spindelmutter in dem Gehäuse sind zwei Axialpendellager vorgesehen. Zumindest eines dieser Axialpendellager ist im Kraftfluss zwischen der Gewindespindel und dem Gehäuse angeordnet. Die Gewindespindel ist in bevorzugter Einbausituation axial fest über eine innenliegende Adapterhülse mit einem Dämpfer oder einem Fahrzeugaufbau, das heißt einer Karosserie und/oder einem Rahmen, eines Kraftfahrzeugs verbunden. Die Höhenverstellung ist realisierbar, indem die Spindelmutter mit Lagerung, das heißt Anordnung aus zwei Axialpendellagern, und Gehäuse einschließlich eines Federtellers axial bewegt wird.
Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus von Axialpendellagern wird beispielhaft auf die Dokumente WO 2008/125088 A2 , WO 2014/029390 A1 , EP 1 286 883 B1 und DE 10 2011 075 972 A1 verwiesen. Von der Anmelderin werden Axialpendellager beispielsweise unter den Bezeichnungen 29412-E und 29318-E angeboten.
Aufgrund der Axialpendellager ist die Baugruppe, welche die Gewindespindel und die Spindelmutter umfasst, als Ganzes in Relation zu dem Gehäuse verschwenkbar.
Hierbei kann eine komplette Baugruppe, welche neben dem Gehäuse und dem Federteller auch einen Motor, insbesondere Elektromotor, und ein Getriebe umfasst, als Ganzes gegenüber der Spindelmutter schwenkbar sein.
Eine geometrische Schwenkachse, welche nicht durch die Mittelachse einer Welle oder eines sonstigen Maschinenelementes gegeben ist, kann hierbei orthogonal zur Mittelachse des Kugelgewindetriebs ausgerichtet sein. Dank dieser Verschwenkbarkeit werden Verspannungen innerhalb der Niveauverstellvorrichtung beim Betrieb des Kraftfahrzeugs unter jeglichen Betriebsbedingungen vermieden. Eine spannungsfreie Verschwenkbarkeit ist erzielbar, indem die beiden Axialpendellager einen gemeinsamen Drehpunkt aufweisen, um welche die Spindelmutter und mit dieser auch die Gewindespindel relativ zum Gehäuse verschwenkbar ist. Die Vermeidung von Verspannungen zwischen der Gewindespindel und der Spindelmutter wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs und der gesamten Niveauverstellvorrichtung aus. Von besonderer Bedeutung ist die mit Hilfe der Axialpendellager erzielten Vermeidung von auf die Spindelmutter wirkenden Kippmomenten, welche die Lebensdauer der Niveauverstellvorrichtung beeinträchtigen könnten.
Durch die Schwenkbewegung, das heißt Pendelbewegung, welche jedes der beiden Axialpendellager ermöglicht, wird die gehäuseseitige Lagerscheibe des betreffe Axialpendellagers gegenüber der zugehörigen wellenseitigen, das heißt spindelseitigen, Lagerscheibe - im Querschnitt betrachtet - derart verschwenkt, dass ein Bogen eines Kreises beschrieben wird, welcher in einer Ebene liegt, in der auch die Mittelachse des Kugelgewindetriebs liegt. Räumlich betrachtet beschreiben die möglichen Bewegungen der gehäuseseitigen Lagerscheibe eine Kugel, deren Mittelpunkt in der Mittelachse der Gewindespindel liegt.
Das Zusammenfallen der Mittelpunkte der beiden durch die Schwenkbewegungen der Axialpendellager beschriebenen Kreise impliziert, dass die Radien dieser Kreise nicht identisch sind, das heißt die beiden Axialpendellager sich zumindest hinsichtlich der Geometrie ihrer Lagerscheiben voneinander unterscheiden. Die Geometrie der Wälzkörper beider Axialpendellager kann dagegen einheitlich sein.
Die Verschwenkbarkeit der Spindelmutter zusammen mit der Gewindespindel gegenüber dem Gehäuse ist in bevorzugter Ausgestaltung durch ein zwischen der Gewindespindel und dem Gehäuse wirksames Gleitlagerelement begrenzt. Der freigegebene Verschwenkwinkel zwischen der Gewindespindel und dem Gehäuse beträgt vorzugsweise mindestens 1,2 Grad. Während des Betriebs des Kugelgewindetriebs tritt typischerweise keine Schwenkbewegung auf. Vielmehr verbleibt das Axialpendellager in der Regel in einer einmal eingenommenen, spannungsfreien Einstellung. Durch Anschlag der Gewindespindel am Gleitlagerelement ist der genannte Verschwenkwinkel vorzugsweise auf höchstens 5 Grad begrenzt. Es ist von Vorteil, den Schwenkwinkel möglichst klein zu halten, solange keine Kippmomente in den Kugelgewindetrieb eingeleitet werden.
Werden beim Betrieb des Kraftfahrzeugs Gewichtskräfte über den Kugelgewindetrieb der Niveauverstellvorrichtung abgestützt, so ist hauptsächlich eines der beiden Axialpendellager durch Axialkräfte belastet. Wird dagegen mittels einer Blockiervorrichtung der ansonsten durch den Kugelgewindetrieb laufende Kraftfluss umgangen, wie prinzipiell beispielsweise aus der DE 10 2014 206 142 A1 bekannt, so befindet sich die Spindelmutter in einem zumindest näherungsweise lastfreien Zustand. Um beide Axialpendellager auch in diesem Zustand definiert zu führen, ist vorzugsweise eines der Axialpendellager durch ein Vorspannelement mit einer Kraft in Axialrichtung beaufschlagt. Anstelle eines Vorspannelementes könnte auch eine nicht federnde Einstellscheibe verwendet werden.
Bei den Axialpendellagern der Niveauverstellvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um Axialpendelkugellager. Alternativ sind Axialpendelrollenlager in der Niveauverstellvorrichtung verwendbar. In beiden Fällen kann das Axialpendellager entweder als einreihiges oder als mehrreihiges Pendellager ausgebildet sein. Die Einrichtung zur Niveauverstellung kann zusätzlich zur reinen Verstellfunktion auch die Funktion einer Niveauregulierung umfassen. Die Niveauverstellvorrichtung ist für Personenkraftfahrzeuge ebenso wie für Nutzfahrzeuge geeignet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 eine Niveauverstellvorrichtung für ein Kraftfahrzeug in einer schematisierten Schnittdarstellung,
2 ein Axialpendellager der Niveauverstellvorrichtung nach 1 in grob schematisierter Darstellung.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Einrichtung zur Niveauverstellung für ein Kraftfahrzeug, kurz als Niveauverstellvorrichtung bezeichnet, umfasst einen Kugelgewindetrieb 2 mit einer Gewindespindel 3 und einer Spindelmutter 4, wobei zwischen der Gewindespindel 3 und der Spindelmutter 4 Kugeln als Wälzkörper 5 abrollen. Die Gewindespindel 3 ist innerhalb eines Gehäuses 6 linear verlagerbar und zugleich in Relation zum Gehäuse 6 verschwenkbar, wobei die Verschwenkung der Gewindespindel 3 gegenüber dem Gehäuse 6 durch ein Gleitlagerelement 7, welches die Gewindespindel 3 ringförmig umgibt, begrenzt ist. Beim Betrieb des Kraftfahrzeugs ist das Gehäuse 6 geringen, jedoch nicht vernachlässigbaren Schwenkbewegungen um die Gewindespindel 3, welche mit dem Fahrzeugaufbau verbunden ist, ausgesetzt.
Die Spindelmutter 4 ist im Gehäuse 6 rotierbar und zugleich axial fest gelagert, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Ein Elektromotor 9, welcher im Ausführungsbeispiel außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet ist, treibt die Spindelmutter 4 über ein Getriebe 8, nämlich ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Zahnradgetriebes, welches innerhalb des Gehäuses 6 angeordnet ist, an. Statt des Zahnradgetriebes 8 könnte auch ein Getriebe sonstiger Bauart, beispielsweise ein Riemengetriebe, zum Einsatz kommen. Die den Elektromotor 9 mit dem Getriebe 8 kuppelnde Motorwelle ist mit 10 bezeichnet. Die Motorwelle 10 entfällt in alternativen Ausgestaltungen, in denen die Gewindespindel 3 direkt elektrisch angetrieben und der Rotor des Elektromotors 9 als ringförmiger Rotor direkt mit der Gewindespindel 3 verbunden ist.
Zur Lagerung der Spindelmutter 4 im Gehäuse 6 sind zwei Axialpendellager 11 vorgesehen, welche jeweils zwei Lagerscheiben 12, 13, sowie zwischen den Lagerscheiben 12, 13 abrollende Kugeln 14 aufweisen. Bei den Axialpendellagern 11 handelt es sich um mehrreihige Axialpendelkugellager. Die Lagerscheibe 12 eines jeden Axialpendellagers 11 wird auch als wellenseitige Lagerscheibe - kurz: Wellenscheibe - bezeichnet. Bei der Lagerscheibe 13 handelt es sich um die gehäuseseitige Lagerscheibe, das heißt Gehäusescheibe.
Bei einer Höhenverstellung des Aufbaus des die Niveauverstellvorrichtung 1 aufweisenden Kraftfahrzeugs wird das Niveau des Gehäuses 6 verstellt, während die Gewindespindel 3 ortsfest ist. Ein nur andeutungsweise dargestellter, oberhalb des Gehäuses 6 fest mit diesem verbundener Federteller stützt eine nicht dargestellte Fahrwerksfeder ab, wobei die Längsachse der Fahrwerksfeder in der Regel nicht mit der Mittelachse des Kugelgewindetriebs 2 zusammenfällt.
Eine Federkraft F_F wird in das Gehäuse 6 eingeleitet, wobei zwischen der Längsachse der Gewindespindel 3, das heißt der Mittelachse des Kugelgewindetriebs 2, und der Richtung des Kraftvektors F_F ein Winkel α_F eingeschlossen ist. In 1 ist dieser Winkel α_F übertrieben groß dargestellt. Durch die Kraft F_F wird, bezogen auf die Anordnung nach 1, das obere der beiden Axialpendellager 11 belastet. Um bei einer gewählten Niveaueinstellung des Fahrwerks diese Belastung zu vermeiden, existiert eine nicht dargestellte Blockiervorrichtung, welche mehrere Einstellniveaus aufweist und den Kraftfluss durch die Wälzkörper 5 umgeht. In diesem entlasteten Zustand der beiden Axialpendellager 11 wird eine Vorspannkraft durch eine, bezogen auf die Anordnung nach 1, unterhalb des unteren Axialpendellagers 11 angeordnete, das heißt zwischen dessen Lagerscheibe 13 und das Gehäuse 6 geschaltete Vorspannscheibe 15, allgemein als Vorspannelement bezeichnet, erzeugt. Auf diese Weise sind die Wälzkörper 5 stets spielfrei zwischen den Lagerscheiben 12, 13 der Axialpendellager 11 angeordnet.
Jedes Axialpendellager 11 ist um eine geomerische Schwenkachse kippbar, welche orthogonal zur Mittelachse des Kugelgewindetriebs 2 ausgerichtet ist. Die Kipprichtung ist in 1 mit KR bezeichnet und durch einen gekrümmten Pfeil angedeutet, welcher in der Schwenkebene liegt. Die Schwenkbarkeit bedeutet, dass die beiden Lagerscheiben 12, 13 eines jeden Axialpendellagers 11 relativ zueinander schwenkbar sind, wobei die entsprechende Schwenkachse als Mittelpunkt M oder Drehpunkt bezeichnet ist. Die Drehpunkte M beider Axialpendellager 11 fallen, wie aus 1 hervorgeht, zusammen, was durch eine unterschiedliche, aus 1 nicht hervorgehende Bauart der Axialpendellager 11 ermöglicht wird. Die Verschwenkung des Gehäuses 6 in Relation zur Gewindespindel 3, welche durch die beiden Axialpendellager 11 ermöglicht wird, ist mittels des Gleitlagerelementes 7 auf einen Schwenkwinkel von nicht mehr als 5 Grad begrenzt.
Innerhalb dieses Schwenkbereichs ist das zur Betätigung des Kugelgewindetriebs 2 vom Elektromotor 9 zu erzeugende Drehmoment unabhängig von der Ausrichtung der Gewindespindel 3 relativ zum Gehäuse 6. Die Funktion einer nicht dargestellten Blockiervorrichtung, mit welcher diskrete Einstellungen des Niveauverstellvorrichtung 1 unter Umgehung des durch die Wälzkörper 5 laufenden Kraftflusses festlegbar sind , ist unabhängig von der mittels der Axialpendellager 11 hergestellten Verschwenkbarkeit des Gehäuses 6 gegeben.
Bezugszeichenliste

1: Niveauverstellvorrichtung
2: Kugelgewindetrieb
3: Gewindespindel
4: Spindelmutter
5: Wälzkörper
6: Gehäuse
7: Gleitlagerelement
8: Getriebe
9: Elektromotor
10: Motorwelle
11: Axialpendellager
12: Lagerscheibe
13: Lagerscheibe
14: Kugel
15: Vorspannelement
α_F: Winkel
F_F: Federkraft
HV: Höhenverstellung
KR: Kipprichtung
M: Mittelpunkt, Drehpunkt

Claims

Einrichtung zur Niveauverstellung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Kugelgewindetrieb (2) mit einer Gewindespindel (3) und einer über Wälzkörper (5), nämlich Kugeln, mit dieser zusammenwirkenden Spindelmutter (4), welche mittels eines Elektromotors (9) antreibbar und mittels zweier Axialpendellager (11) gegenüber einem Gehäuse (6), welches gegenüber der Gewindespindel (3) verschiebbar ist, gelagert ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Axialpendellager (11) einen gemeinsamen Drehpunkt (M) aufweisen, um welchen die Spindelmutter (4) zusammen mit der Gewindespindel (3) relativ zum Gehäuse (6) verschwenkbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkung der Spindelmutter (4) zusammen mit der Gewindespindel (3) gegenüber dem Gehäuse (6) durch ein zwischen der Gewindespindel (3) und dem Gehäuse (6) wirksames Gleitlagerelement (7) begrenzt ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Gleitlagerelement (7) eine Verschwenkung zwischen der Gewindespindel (3) und dem Gehäuse (6) bis zu einem Winkel von mindestens 1,2 Grad freigegeben ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkung zwischen der Gewindespindel (3) und dem Gehäuse (6) auf einen Winkel von maximal 5 Grad begrenzt ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein auf ein Axialpendellager (11) wirkendes Vorspannelement (15).
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (9) über ein Getriebe (8) mit der Spindelmutter (4) zusammenwirkt.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Getriebe (8) ein Zahnradgetriebe vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialpendellager (11) als Axialpendelkugellager ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialpendellager (11) als mehrreihige Pendellager ausgebildet sind.