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Die Erfindung betrifft ein eine mehrteilige Mutter und eine Vorspanneinrichtung aufweisendes Planetenwälzgetriebe, das heißt einen Planetenwälzgewindetrieb, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Planetenwälzgetriebes.
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Ein Planetenwälzgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 011 820 A1 bekannt. Dieser Planetenwälzgewindetrieb umfasst eine Mutter, die zwei axial - innerhalb bestimmter Grenzen - zueinander bewegliche Mutterteile aufweist. Eine Vorspanneinrichtung des bekannten Planetenwälzgetriebes umfasst ein Federelement, welches eine in Axialrichtung wirkende Kraft auf eines der Mutterteile ausübt, um die beiden Mutterteile zusammenzudrücken, und sich hierbei an einem Kupplungsteil, welches fest mit einer die Mutterteile umgebenden Hülse verbunden ist, abstützt.
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Ein weiterer Planetenwälzgewindetrieb mit Vorspannmitteln ist zum Beispiel aus der
DE 10 2008 008 013 B3 bekannt. Die Vorspannmittel sollen dafür sorgen, dass Profilierungen der Wälzkörper, das heißt Planeten, des Planetenwälzgewindetriebs spielfrei an einer Innenprofilierung einer Mutter und an einer Außenprofilierung einer Spindel anliegen.
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Ein Planetenwälzgetriebe kann grundsätzlich entweder selbsthemmend oder nicht selbsthemmend ausgelegt werden. Die Selbsthemmung ist insbesondere von der Gewindesteigung der Spindel des Planetenwälzgetriebes sowie von der Vorspannung innerhalb des Planetenwälzgetriebes abhängig. Bei elektromechanischen Aktuatoren, welche mit einem Planetenwälzgetriebe arbeiten, kann es sinnvoll sein, jede beliebige Position durch Selbsthemmung des Planetenwälzgetriebes zu halten.
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Eine Selbsthemmung eines Getriebes ist gleichbedeutend mit einem Wirkungsgrad des Getriebes von weniger als 50%. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass Getriebe mit einem hohen Wirkungsgrad keine Selbsthemmung aufweisen. Von daher besteht ein Zielkonflikt zwischen einem hohen Getriebewirkungsgrad auf der einen Seite und einer Selbsthemmung des Getriebes auf der anderen Seite.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes Planetenwälzgetriebe anzugeben, welches diesen Zielkonflikt auflöst.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Planetenwälzgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Planetenwälzgetriebes gemäß Anspruch 9 gelöst. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Planetenwälzgetriebe, und umgekehrt.
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Das Planetenwälzgetriebe weist in prinzipiell bekannter Grundkonzeption eine mehrteilige Mutter auf, welche eine ein- oder mehrgängige Gewindespindel umgibt, wobei zwischen der Mutter und der Gewindespindel mehrere Planeten abrollen. Jeder Planet weist Endabschnitte auf, die in der Mutter geführt sind. Hierbei kontaktieren verschiedene Endabschnitte eines Planeten verschiedene Mutterelemente, welche durch eine Vorspanneinrichtung gegeneinander verspannt sind. Ein Mittelabschnitt eines jeden Planeten hat dagegen keinen Kontakt zu den Mutterelementen, sondern lediglich zur Gewindespindel. Durch die auf die Mutterelemente wirkende Vorspanneinrichtung ist auch die Vorspannung zwischen Planeten und Gewindespindel beeinflussbar. Erfindungsgemäß umfasst die Vorspanneinrichtung mindestens einen Piezo-Aktor.
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Ein Piezo-Aktor ist in der Lage, ein elektrisches Signal in eine Abmessungsänderung umzusetzen. Zum technischen Hintergrund wird beispielhaft auf die Dokumente
DE 10 2010 035 264 A1 und
DE 10 2010 035 265 A1 verwiesen.
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Im Fall des Planetenwälzgetriebes ermöglicht der mindestens eine Piezo-Aktor eine Umschaltung zwischen einem selbsthemmenden Betrieb und einem nicht selbsthemmenden Betrieb des Planetenwälzgetriebes. Vorzugsweise umfasst das Planetenwälzgetriebe zusätzlich zur piezoelektrischen Vorspanneinrichtung mindestens ein Federelement. Vorzugsweise wirkt dieses Federelement als Druckfeder. Hierbei sind sowohl Ausgestaltungen möglich, in welchen die Mutterelemente durch das Federelement voneinander weg gedrückt werden, als auch Ausgestaltungen, in denen das Federelement im Sinne einer Verringerung des Abstandes zwischen den Mutterelementen wirkt.
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Beispielsweise ist das Federelement axial zwischen zwei Mutterhälften, das heißt Mutterelementen, der Mutter des Planetenwälzgetriebes angeordnet, wobei es die Mittelabschnitte sämtlicher Planeten ringförmig umgibt. Das Federelement ist hierbei zum Beispiel als Tellerfeder oder als Tellerfederpaket ausgebildet. Der mindestens eine Piezo-Aktor ist in einem solchen Fall vorzugsweise asymmetrisch -was die Axialrichtung des Planetenwälzgetriebes betrifft - in Relation zu den Mutterelementen im Planetenwälzgetriebe angeordnet. Hierbei ist das Piezoelement oder eine Anordnung aus mehreren Piezoelementen vorzugsweise zwischen eine Stirnseite eines Mutterelementes und eine Anlagefläche eines die Mutterelemente umgebenden Drucksattels gespannt.
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In einer alternativen Ausgestaltung, in welcher die Mutterelemente von außen durch die Druckkraft eines Federelementes oder durch mehrere Federelemente belastet werden und damit im Sinne einer Kompression der Mutterelemente vorbelastet sind, sind vorzugsweise mehrere Piezo-Aktoren in einem Ringraum zwischen den Mutterelementen angeordnet. Der Ringraum umschließt hierbei die Anordnung sämtlicher Planeten, vorzugsweise die Mittelabschnitte der Planeten. In jedem Mutterelement sind auf den einander zugewandten Stirnseiten der Mutterelemente vorzugsweise gleichförmig am Umfang verteilte Aussparungen ausgebildet, in welche jeweils ein Piezo-Aktor eingreift. Die Umfangsabschnitte zwischen den Aussparungen können eine Anschlagfunktion haben, mit der der Verschiebeweg der Mutterelemente in einer Richtung begrenzt ist. In der entgegengesetzten Richtung, das heißt bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den Mutterelementen, ist der Verschiebeweg zwischen den Mutterelementen beispielsweise durch einen Drucksattel oder durch ein die Mutterelemente umgebendes Gehäuse, welches als Hülse ausgeführt sein kann, begrenzt.
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Das die Mutterelemente umgebende Gehäuse wirkt in einer abgewandelten Ausführungsform als Zugfeder, welche an den äußeren Stirnseiten der beiden Mutterelemente angreift und damit die Mutterelemente aufeinander zu zieht. Ein zusätzliches, gesondertes Federelement ist in dieser Ausführungsform, in welcher das Gehäuse selbst als Federelement wirkt, nicht vorgesehen.
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Unabhängig von der geometrischen Gestaltung des Piezo-Aktors, welcher ein einzelnes Piezoelement oder mehrere Piezoelemente umfassen kann, sowie der Federanordnung, welche ebenfalls ein- oder mehrteilig ausgeführt sein kann, ist das Planetenwälzgetriebe vorzugsweise derart aufgebaut, dass die maximale Vorspannung bei minimaler Ausdehnung des Piezo-Aktors gegeben ist. Eine Ausdehnung des Piezo-Aktors wirkt somit der durch die Federanordnung bewirkten Vorspannung entgegen. Hierbei ist in bevorzugter Auslegung des Planetenwälzgetriebes stets eine Vorspannung mit gleichbleibendem Vorzeichen gegeben. Ein Vorzeichenwechsel der Vorspannung ist damit ebenso wie ein vorspannungsfreier Zustand des Planetenwälzgetriebes ausgeschlossen.
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Durch Aktivierung des Piezo-Aktors wird in vorteilhafter Ausgestaltung ein nicht selbsthemmender Zustand des Planetenwälzgetriebes eingenommen. Ansonsten befindet sich das Planetenwälzgetriebe vorzugsweise in selbsthemmendem Zustand. Die Umschaltung zwischen nicht selbsthemmendem und selbsthemmendem Zustand ist reversibel und vorzugsweise mit geringer Hysterese oder praktisch ohne Hysterese durchführbar. Theoretisch sind auch Auslegungen des Planetenwälzgetriebes möglich, in welchen durch Betätigung des Piezo-Aktors eine im Grundzustand geringe Vorspannung des Planetenwälzgetriebes erhöht wird. Die Erhöhung der Vorspannung kann insbesondere vorgenommen werden, um die Maximalbeträge der durch das Planetenwälzgetriebe übertragbaren Kräfte und Momente zu erhöhen.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch einen piezoelektrischen Aktor jederzeit, das heißt typischerweise auch während der Vorschubbewegung der Gewindespindel, eine Umschaltung zwischen einem selbsthemmenden und einem nicht selbsthemmenden Betrieb eines Planetenwälzgetriebes möglich ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem rotativ angetriebenen Element des Planetenwälzgetriebes um die Mutter. Alternativ kann auch die Gewindespindel des Planetenwälzgetriebes als rotierendes Antriebselement vorgesehen sein.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer schematisierten Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Planetenwälzgetriebes,
- 2 das Planetenwälzgetriebe nach 1 in Explosionsdarstellung,
- 3 in grob schematisierter Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Planetenwälzgetriebes.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein Planetenwälzgetriebe 1 umfasst eine mehrteilige Mutter 2 und eine Gewindespindel 3, kurz auch als Spindel bezeichnet, wobei die Mutter 2 als rotierendes Antriebselement des Planetenwälzgetriebes 1 fungiert und die Spindel 3 beim Betrieb des Planetenwälzgetriebes 1 einen Vorschub erfährt, wobei sie in an sich bekannter Weise verdrehgesichert ist. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus sowie der Funktion des Planetenwälzgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Die Mutter 2 umfasst zwei Mutterelemente 4, 5, welche ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als Mutterhälften bezeichnet werden. Die Mutterhälften 4, 5 sind durch eine Vorspanneinrichtung 6 in Axialrichtung des Planetenwälzgetriebes 1 gegeneinander vorgespannt. Die Mittelachse der Mutter 2 und damit auch der Gewindespindel 3 sowie des gesamten Planetenwälzgetriebes 1 ist mit M bezeichnet.
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Die Vorspanneinrichtung 6 umfasst ein lediglich in 3 dargestelltes Federelement 7 als passives Element sowie einen Piezo-Aktor 8 als aktives Element, wobei der Piezo-Aktor 8 der Wirkung des Federelementes 7 entgegenwirkt. Mögliche Abmessungsänderungen des Piezo-Aktors 8 in Längsrichtung des Planetenwälzgetriebes 1 sind in 1 durch einen Doppelpfeil veranschaulicht.
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Zwischen der Mutter 2 und der Gewindespindel 3 sind mehrere Planeten 9 angeordnet. Jeder Planet 9 weist einen Mittelabschnitt 10 auf, der die Gewindespindel 3 kontaktiert. Hierbei wirkt eine Profilierung 11 eines jeden Planeten 9 mit dem mit 12 bezeichneten Gewinde der Spindel 3 zusammen. Im Unterschied zum Gewinde 12 weist die Profilierung 11 keine Steigung auf. Dies heißt, dass es sich bei der Profilierung 11 lediglich um umlaufende Rillen handelt. Die um den Umfang der Gewindespindel 3 verteilten Planeten 9 sind in Axialrichtung der Spindel 3 entsprechend der Steigung des Gewindes 12 etwas gegeneinander versetzt.
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In nicht dargestellten, modifizierten Ausgestaltungen weisen Profilierungen der Planeten 9 eine Steigung auf, was die Möglichkeit des Sperrens des Planetenwälzgetriebes 1 auch in dieser Ausgestaltung bietet.
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An den Mittelabschnitt 10 eines jeden Planeten 9 schließen beidseitig Endabschnitte 13, 14 an, welche rillenförmige Profilierungen 15 aufweisen, die - ebenso wie die Profilierung 11 - keine Gewindesteigung aufweisen, sondern lediglich als Rillen ausgebildet sind. Jeder Endabschnitt 13, 14 kontaktiert eine der Mutterhälften 5, 4, wobei er in Innenprofilierungen 16 der Mutterhälften 4, 4 eingreift. Auch die Innenprofilierungen 16 sind als ringförmige Profilierungen ohne Steigung ausgebildet.
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Die durch die Vorspanneinrichtung 6 erzeugte Axialkraft zwischen den Mutterhälften 4, 5 sorgt dafür, dass Kräfte und Momente zwischen der Mutter 2 und den Planeten 9 übertragbar sind. Aufgrund der schräggestellten Flanken der Profilierungen 15 sowie der Innenprofilierung 16 werden Axialkräfte zwischen den Mutterhälften 4, 5 in Radialkräfte - bezogen auf die Mittelachse M - umgesetzt, welche die Planeten 9 gegen die Gewindespindel 3 drücken. Damit wird durch die Einstellung der Vorspanneinrichtung 6 auch die Kraftübertragung sowie Reibung zwischen den Planeten 9 und der Gewindespindel 3 beeinflusst. Insbesondere ist es möglich, durch Betätigung des Piezo-Aktors 8 zwischen einem selbsthemmenden und einem nicht selbsthemmenden Betrieb des Planetenwälzgetriebes 1 umzuschalten.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 ist der Piezo-Aktor 8 aus mehreren Piezoelementen 17 aufgebaut, welche sich in einem Ringraum befinden, der die Planeten 9 - genauer: deren Mittelabschnitte 10 - umschließt. Nicht dargestellte Federelemente 7 können sich in diesem Fall an den äußeren Stirnseiten der Mutterhälften 4, 5 befinden. Alternativ kann ein nicht dargestelltes, die Planeten 9 sowie die Mutterhälften 4, 5 umschließendes Gehäuse, welches eine Komponente der Mutter 2 darstellt, als Zugfeder, das heißt als Federelement 7, ausgebildet sein, welches die Mutterhälften 4, 5 auf einander zu zieht.
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Jedes Piezoelement 17 des Planetenwälzgetriebes 1 nach 1 greift in Aussparungen 18, 19 ein, die an den inneren Stirnseiten der Mutterelemente 4, 5 gebildet sind. Anschlussleitungen der Piezoelemente 17 sind mit 20 bezeichnet. Die Umfangsabschnitte zwischen den Aussparungen 18, 19 fungieren als Anschlagflächen 21, welche den Verschiebeweg zwischen den Mutterhälften 4, 5 in einer Richtung begrenzen. In der Gegenrichtung ist der Verschiebeweg durch das in den 1 und 2 nicht dargestellte Gehäuse des Planetenwälzgetriebes 1 begrenzt.
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In der Ausgestaltung nach 3 ist ein solches Gehäuse mit 22 bezeichnet. Das Gehäuse 22, welches der Mutter 2 zuzurechnen ist, übernimmt die Funktion eines Drucksattels, an welchem sich der Piezo-Aktor 8 abstützt. Im Gegensatz zur Ausgestaltung nach den 1 und 2 ist der Piezo-Aktor 8 in diesem Fall dazu vorgesehen, den Abstand zwischen den Mutterhälften 4, 5 zu verringern. Das dem Piezo-Aktor 8 entgegenwirkende Federelement 7 ist im Fall von 3 als Tellerfeder ausgebildet und in einen Ringraum zwischen den Mutterelementen 4, 5 eingelegt. Die Vorspannung zwischen den Mutterhälften 4, 5 ist maximal, wenn der Piezo-Aktor 8 die minimale Ausdehnung in Axialrichtung, bezogen auf die Mittelachse M, hat.
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Durch Expansion des Piezo-Aktors 8 kann die Vorspannung reduziert, jedoch nicht aufgehoben werden. Durch diese Variation der Vorspannung ist, ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2, jederzeit ein Übergang zwischen einem selbsthemmenden und einem nicht selbsthemmenden Betrieb des Planetenwälzgetriebes 1 möglich, wobei bei Ausfall der Energieversorgung des Piezo-Aktors 8 automatisch der selbsthemmende Zustand eingenommen wird, soweit er nicht ohnehin bereits eingestellt war.
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Das Gehäuse 22 der Anordnung nach 3 ist, ebenso wie ein nicht dargestelltes Gehäuse der Anordnung nach den 1 und 2, beispielsweise durch einen Riemen- oder Kettentrieb antreibbar. Zu diesem Zweck kann das Gehäuse 22 fest mit einem Riemen- beziehungsweise Kettenrad verbunden sein. Ebenso kann ein Riemenrad als integraler Bestandteil des Gehäuses 2 ausgebildet sein. Alternativ ist ein Antrieb des Gehäuses 22 über ein Zahnradgetriebe möglich. Ebenso ist ein elektrischer Direktantrieb, das heißt getriebeloser Antrieb, des Gehäuses 22 realisierbar, wobei das Gehäuse 22 in diesem Fall beispielsweise mit einem Hohlrotor eines Elektromotors verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planetenwälzgetriebe
- 2
- Mutter
- 3
- Spindel, Gewindespindel
- 4
- Mutterelement, Mutterhälfte
- 5
- Mutterelement, Mutterhälfte
- 6
- Vorspanneinrichtung
- 7
- Federelement
- 8
- Piezo-Aktor
- 9
- Planet
- 10
- Mittelabschnitt
- 11
- Profilierung
- 12
- Gewinde
- 13
- Endabschnitt
- 14
- Endabschnitt
- 15
- Profilierung
- 16
- Innenprofilierung
- 17
- Piezoelement
- 18
- Aussparung
- 19
- Aussparung
- 20
- Anschlussleitung
- 21
- Anschlagfläche
- 22
- Gehäuse, Drucksattel
- M
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010011820 A1 [0002]
- DE 102008008013 B3 [0003]
- DE 102010035264 A1 [0009]
- DE 102010035265 A1 [0009]
