DE102017128520B4 - Aktuator - Google Patents

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Abstract

Aktuator (1) mit einem Gehäuseelement (2) und einem teils im Gehäuseelement (2) angeordneten Spindelelement (3), wobei das Spindelelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) in eine translatorische Richtung (T) verschiebbar ist, wobei das Spindelelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) eine zentrale Lage (Z) und zwei beiderseits der zentralen Lage (Z) angeordnete seitliche Lagen (S) einnehmen kann, wobei im Gehäuseelement (2) ein Antriebsmotor (4) angeordnet ist, der ein Getriebe antreibt, wobei das Getriebe mit dem Spindelelement (3) in Eingriff steht, um das Spindelelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe umfasst:- ein erstes Getriebeelement (5), das ein erstes Mutterelement (6) umfasst, wobei über mindestens ein erstes Übertragungselement (7) die Bewegung des ersten Mutterelements (6) auf das Spindelelement (3) übertragen wird,- ein zweites Getriebeelement (8), das ein zweites Mutterelement (9) umfasst, wobei über mindestens ein zweites Übertragungselement (10) die Bewegung des zweiten Mutterelements (9) auf das Spindelelement (3) übertragen wird, wobei die beiden Mutterelemente (6, 9) gemeinsam vom Antriebsmotor (4) angetrieben werden, und wobei das Gewinde (11) des Spindelelements (3) in dem Bereich, in dem es mit dem zweiten Mutterelement (9) zusammenwirkt, so ausgebildet ist, dass das Spiel zwischen dem zweiten Mutterelement (9) und dem Spindelelement (3) im Bereich der zentralen Lage (Z) kleiner ist, als im Bereich der seitlichen Lagen (S).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit einem Gehäuseelement und einem teils im Gehäuseelement angeordneten Spindelelement, wobei das Spindelelement relativ zum Gehäuseelement in eine translatorische Richtung verschiebbar ist, wobei das Spindelelement relativ zum Gehäuseelement eine zentrale Lage und zwei beiderseits der zentralen Lage angeordnete seitliche Lagen einnehmen kann, wobei im Gehäuseelement ein Antriebsmotor angeordnet ist, der ein Getriebe antreibt, wobei das Getriebe mit dem Spindelelement in Eingriff steht, um das Spindelelement relativ zum Gehäuseelement zu verschieben.
  • Ein Aktuator dieser Art ist beispielsweise in der DE 10 2005 023 250 A1 beschrieben. Dieser elektromechanische Aktuator ist vorgesehen, um bestimmte Stellbewegungen in einem Fahrzeug vorzunehmen. Hiernach umfasst der Aktuator ein Gehäuse, in dem eine Spindel translatorisch verschieblich gelagert ist, wobei für die translatorische Bewegung der Spindel relativ zum Gehäuse ein Kugelgewindetrieb eingesetzt wird. Damit in einer gewünschten relativen Lage keine weitere Verschiebung zwischen Gehäuse und Spindel möglich ist, ist bei der genannten Lösung eine Brems- oder Arretiereinheit vorgesehen, die hier als beidseitig schaltbarer Freilauf ausgebildet ist und so die genannte Positionssicherung des Aktuators bewerkstelligt.
  • Nachteilig ist bei der vorbekannten Lösung, dass ein relativ hoher Aufwand getrieben werden muss, um die genannte Brems- bzw. Arretierfunktion zu realisieren.
  • Aus DE 10 2015 224 775 A1 ist ein Aktuator nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Das Spindelgewinde und das Muttergewinde sind durch ein Spannelement in Längsrichtung der Spindel gegeneinander verspannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Aktuator vorzuschlagen, bei dem in einfacher und kostengünstiger Weise die Brems- bzw. Arretiereinheit verwirklicht ist. Der Aktuator soll also mit einfachen und kostengünstigen Mitteln mit der genannten Brems- bzw. Arretiereinheit versehen werden, die das Spindelelement bei Bedarf unbeweglich zum Gehäuseelement hält. Dabei liegt auch ein Augenmerk darauf, dass die Brems- bzw. Arretiereinheit keinen Stick-Slip-Effekt aufweist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe umfasst:
    • - ein erstes Getriebeelement, das ein vom Antriebsmotor drehangetriebenes erstes Mutterelement umfasst, wobei über mindestens ein erstes Übertragungselement die Bewegung des ersten Mutterelements auf das Spindelelement übertragen wird,
    • - ein zweites Getriebeelement, das ein vom Antriebsmotor drehangetriebenes zweites Mutterelement umfasst, wobei über mindestens ein zweites Übertragungselement die Bewegung des zweiten Mutterelements auf das Spindelelement übertragen wird,
    wobei beide Getriebeelemente parallel zueinander arbeiten, indem die beiden Mutterelemente drehfest, also starr, miteinander verbunden sind, und wobei die beiden Getriebeelemente unterschiedlich ausgestaltet sind.
  • Das erste Getriebeelement hat dabei bevorzugt einen höheren Wirkungsgrad als das zweite Getriebeelement.
  • Das erste Getriebeelement ist bevorzugt als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet. Alternativ kommt hier gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auch ein Kugelgewindetrieb in Frage.
  • Das zweite Getriebeelement ist ein Gewindetrieb, insbesondere ein Trapezgewindetrieb. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gewinde der Gewindespindel in dem Bereich, in dem es mit dem zweiten Mutterelement zusammenwirkt, in der zentralen Lage anders ausgebildet ist als in den seitlichen Lagen. Das (Gewinde)Spiel zwischen der zweiten Gewindemutter und der Gewindespindel ist im Bereich der zentralen Lage kleiner, als im Bereich der seitlichen Lagen.
  • Bevorzugt werden das erste Mutterelement und das zweite Mutterelement von einem gemeinsamen Hülsenelement getragen bzw. sind die Mutterelemente in ein gemeinsames Hülsenelement eingearbeitet.
  • Das Hülsenelement wird bevorzugt über einen Riementrieb vom Antriebsmotor angetrieben.
  • Das Spindelelement kann als einteiliges oder zweiteiliges Bauteil ausgebildet sein.
  • Der Aktuator ist vorzugsweise Bestandteil einer Lenkung, insbesondere einer Hinterachslenkung, oder einer Vorrichtung zur Verstellung des Sturzes eines Rades eines Fahrzeugs.
  • Demgemäß werden vom (elektrischen) Antriebsmotor zwei Mutterelemente angetrieben, welche die gemeinsame Gewindespindel antreiben. Die Gewindearten bzw. Ausführungsformen der Getriebe und somit auch die Ausführungsformen der Gewindemuttern und der Gewindespindel können hierbei beliebig gewählt werden. Wesentlich ist lediglich, dass die beiden genannten Getriebe nicht identisch ausgebildet sind; beide Getriebeelemente arbeiten parallel zueinander und sind unterschiedlich ausgestaltet.
  • Nach einer bevorzugten Lösung verfügt der vorgeschlagene Aktuator also über einen ersten Gewindetrieb mit einem guten (hohen) Wirkungsgrad und über einen zweiten Gewindetrieb mit einem schlechteren (niedrigeren) Wirkungsgrad. Die beiden Gewindetriebe sind dabei im Aktuator so zueinander angeordnet, dass der Gewindetrieb mit dem schlechteren Wirkungsgrad bevorzugt in der Mittelposition (Zentralposition) des Aktuators in Eingriff kommt. Aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades des zweiten Gewindetriebs kann eine angefahrene Position vom Aktuator ohne ein Haltemoment vom Elektromotor und damit ohne ein separates Brems- oder Arretierelement gehalten werden. Außerhalb der Mittelposition (Zentralposition), also in den genannten seitlichen Lagen, ist vorzugsweise nur der Gewindetrieb mit dem höheren Wirkungsgrad in Eingriff, wodurch der Aktuator in diesem Bereich über einen guten Wirkungsgrad verfügt.
  • Der vorgeschlagene Aktuator, insbesondere ausgebildet als elektromechanischer Aktuator, kann bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um eine elektromechanische Lenkung, insbesondere eine Hinterachslenkung, zu betätigen. Gleichermaßen kann der Aktuator auch eingesetzt werden, um eine aktive Sturzverstellung eines Rades an einem Kraftfahrzeug zu bewerkstelligen. Bei den genannten Anwendungen handelt es sich um bevorzugte Einsatzfälle der vorgeschlagenen Lösung.
  • In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
    • 1 in perspektivischer, geschnittener Darstellung einen elektromechanischen Aktuator, der in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, und
    • 2 einen Radialschnitt durch den Aktuator gemäß 1.
  • In den Figuren ist ein Aktuator 1 dargestellt, der zur Betätigung eines (nicht dargestellten) Bauteils eines Kraftfahrzeugs dient, beispielsweise eines Hinterachs-Lenksystems. Der Aktuator 1 weist ein Gehäuseelement 2 auf, welches von einem Spindelelement 3 durchsetzt wird; das Spindelelement 3 kann sich relativ zum Gehäuseelement 2 in eine translatorische Richtung T bewegen. Das Spindelelement 3 ist mittels zweier Lager 16 relativ zum Gehäuseelement 2 translatorisch verschieblich gelagert.
  • Hierfür ist im Gehäuseelement 2 ein elektrischer Antriebsmotor 4 angeordnet, der zwei Getriebeelemente 5 und 6, nämlich ein erstes Getriebeelement 5 in Form eines Planetenwälzgewindetriebs und ein zweites Getriebeelement in Form eines Trapezgewindetriebs, antreibt. Der Antriebsmotor 4 ist mit einem Ritzel 14 versehen, mit dem ein Riementrieb 13 angetrieben wird.
  • Der Riementrieb 13 umfasst ein Riemenrad 15, welches mit einem Hülsenelement 12 drehfest verbunden ist. Das Riemenrad 15 ist im Gehäuseelement 2 drehbar gelagert. Das Hülsenelement 12 ist mit dem Riemenrad 15 (formschlüssig oder reibschlüssig) drehfest verbunden.
  • Die beiden Getriebeelemente 5 und 8 arbeiten dabei parallel zueinander und sind gleichzeitig im Eingriff zwischen dem Antriebsmotor 4 und dem Spindelelement 3. Beide Getriebeelemente 5, 8 sind allerdings unterschiedlich ausgestaltet.
  • Im Ausführungsbeispiel ist das erste Getriebeelement 5, wie erwähnt, als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet, wobei ein erstes Mutterelement 6 vom Riemenrad 15 angetrieben wird und über erste Übertragungselemente 7 in Form von Planeten mit dem Spindelelement 3 in Eingriff stehen.
  • Das zweite Getriebeelement 8 ist als Trapezgewindetrieb ausgebildet, wonach ein zweites Mutterelement 9 in Form einer Gewindemutter mit einem Gewinde 11 der Gewindespindel 3 über ein zweites Übertragungselement 10 in Form eines Trapezgewindes in Eingriff steht und somit eine Drehung des zweiten Mutterelements 9 auf das Spindelelement 3 überträgt.
  • Im Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, dass das erste Getriebeelement 5 in Form des Planetenwälzgewindetriebs über den gesamten Arbeitsbereich eine Verstellbewegung des Spindelelements 3 relativ zum Gehäuseelement 2 in translatorische Richtung T mit gleichbleibend hohem Wirkungsgrad bewerkstelligt.
  • In 2 ist für das Spindelelement 3 im Bereich des zweiten Getriebeelements 8 eine zentrale Lage Z und hieran beidseitig angrenzende seitliche Lagen S markiert, d. h. das Spindelelement 3 kann sich relativ zum Gehäuseelement 2 ausgehend von einer mittleren (zentralen) Lage Z in beiden Richtungen seitlich bewegen, um in den markierten seitlichen Lagen S zu liegen zu kommen.
  • Für das erste Getriebeelement 5 gilt, dass über die gesamte Erstreckung der Bereiche Z und S gleichbleibende geometrische Verhältnisse vorliegen. Unabhängig von der translatorischen Verschiebung des Spindelelements 3 relativ zum Gehäuseelement 2 liegt also ein konstanter, hoher Wirkungsgrad für das erste Getriebeelement 5 vor, da unabhängig von der relativen Stellung zwischen erstem Mutterelement 6 und Spindelelement 3 gleichbleibende Abwälzverhältnisse im Planetenwälzgewindetrieb gegeben sind.
  • Indes ist für das zweite Getriebeelement 8, d. h. für den Trapezgewindetrieb, eine andere Situation vorgesehen. Hier ist vorgesehen, dass in der zentralen Lage Z zwischen dem zweiten Mutterelement 9 und dem Gewinde 11 des Spindelelements 3 ein geringes Spiel vorliegt, so dass in diesem Bereich Selbsthemmung vorliegt (Wirkungsgrad kleiner oder gleich 50 %).
  • In den beiden seitlichen Lagen S ist jedoch das Spiel zwischen dem zweiten Mutterelement 9 und dem Gewinde 11 des Spindelelements 3 deutlich vergrößert, so dass hier die Bewegungsübertragung nur durch das erste Getriebeelement 5, also durch den Planetenwälzgewindetrieb, erfolgt.
  • Demgemäß ist das zweite Getriebeelement 8 in Form des Trapezgewindetriebs mit einem über die axiale Erstreckung variablen Gewindespiel zwischen der Gewindemutter 9 und der Gewindespindel 3 versehen, so dass sich also das Spiel über den Verfahrweg des Aktuators ändert.
  • Das Gewindespiel ist in der Mittelposition (d. h. in der zentralen Lage Z) des Aktuators 1 sehr gering, hingegen außerhalb der Mittelposition, d. h. in den zeitlichen Lagen S) sehr groß. Das große Gewindespiel ist namentlich außerhalb der Mittellage so groß, dass die Gewindespindel 3 mit ihrem Gewinde 11 und das zweite Mutterelement 9 nicht im Eingriff stehen und die Last alleine durch das erste Getriebeelement 5 übertragen wird.
  • Auf einem innenliegenden zylindrischen Abschnitt weist das Hülsenelement 12 die Gewindeabschnitte auf, die als erstes und zweites Mutterelement 6 bzw. 9 fungieren. Das Spindelelement 3 ist im Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet; es kann allerdings auch zweiteilig (oder mehrteilig) ausgebildet sein.
  • Das Spindelelement 3 ist jeweils an den Enden über ein (nicht dargestelltes) Fahrwerksbauteil mit dem Fahrwerk eines Fahrzeugs verbunden. Durch die beschriebene Anordnung wird eine Arretierung des Aktuators 1 in der zentralen Lage Z erreicht. In dieser Mittelposition befindet sich der Trapezgewindetrieb 8 und der Planetenwälzgewindetrieb 5 im Eingriff; aufgrund der Selbsthemmung des Trapezgewindetriebs wird die Position des Spindelelements 3 relativ zum Gehäuseelement 2 ohne weitere Maßnahmen gehalten.
  • Außerhalb der zentralen Lage Z, also in den seitlichen Lagen S, ist infolge des vergrößerten Spiels der Trapezgewindetrieb nicht im Eingriff und der Aktuator 1 verfügt über einen hohen Wirkungsgrad, da nur der Planetenwälzgewindetrieb im Eingriff ist.
  • Aufgrund der beschriebenen Anordnung kann gegenüber einer Anordnung mit einem Spindeltrieb mit Trapezgewinde ein Antriebsmotor mit einer geringeren elektrischen Leistung verbaut werden, da im dynamischen Stellbereich des Aktuators 1 nur der Planetenwälzgewindetrieb im Eingriff ist (der Wirkungsgrad eines Planetenwälzgewindetriebs liegt zumeist zwischen 60 % und 70 %, derjenige eines Trapezgewindetriebs mit Selbsthemmung unterhalb von 50 %).
  • Das Hülsenelement 12 kann in seinem inneren zylindrischen Bereich mit separat angeordneten und drehfest verbundenen Mutterelementen für jedes Gewinde versehen sein, so dass eine mehrteilige Ausgestaltung vorliegt.
    • 1
    Aktuator
    2
    Gehäuseelement
    3
    Spindelelement
    4
    Antriebsmotor
    5
    erstes Getriebeelement (Planetenwälzgewindetrieb / Kugelgewindetrieb)
    6
    erstes Mutterelement
    7
    erstes Übertragungselement (Planeten)
    8
    zweites Getriebeelement (Gewindetrieb, Trapezgewindetrieb)
    9
    zweites Mutterelement (Gewindemutter)
    10
    zweites Übertragungselement
    11
    Gewinde der Gewindespindel / des Spindelelements
    12
    Hülsenelement
    13
    Riementrieb
    14
    Ritzel
    15
    Riemenrad
    16
    Lager
    T
    translatorische Richtung
    Z
    zentrale Lage
    S
    seitliche Lage

Claims (11)

  1. Aktuator (1) mit einem Gehäuseelement (2) und einem teils im Gehäuseelement (2) angeordneten Spindelelement (3), wobei das Spindelelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) in eine translatorische Richtung (T) verschiebbar ist, wobei das Spindelelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) eine zentrale Lage (Z) und zwei beiderseits der zentralen Lage (Z) angeordnete seitliche Lagen (S) einnehmen kann, wobei im Gehäuseelement (2) ein Antriebsmotor (4) angeordnet ist, der ein Getriebe antreibt, wobei das Getriebe mit dem Spindelelement (3) in Eingriff steht, um das Spindelelement (3) relativ zum Gehäuseelement (2) zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe umfasst: - ein erstes Getriebeelement (5), das ein erstes Mutterelement (6) umfasst, wobei über mindestens ein erstes Übertragungselement (7) die Bewegung des ersten Mutterelements (6) auf das Spindelelement (3) übertragen wird, - ein zweites Getriebeelement (8), das ein zweites Mutterelement (9) umfasst, wobei über mindestens ein zweites Übertragungselement (10) die Bewegung des zweiten Mutterelements (9) auf das Spindelelement (3) übertragen wird, wobei die beiden Mutterelemente (6, 9) gemeinsam vom Antriebsmotor (4) angetrieben werden, und wobei das Gewinde (11) des Spindelelements (3) in dem Bereich, in dem es mit dem zweiten Mutterelement (9) zusammenwirkt, so ausgebildet ist, dass das Spiel zwischen dem zweiten Mutterelement (9) und dem Spindelelement (3) im Bereich der zentralen Lage (Z) kleiner ist, als im Bereich der seitlichen Lagen (S).
  2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Getriebeelement (5) ein Wälzgewindetrieb und das zweite Getriebeelement (8) ein Gleitgewindetrieb ist.
  3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Mutterelemente (6, 9) drehfest miteinander verbunden sind.
  4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Getriebeelement (5) einen höheren Wirkungsgrad aufweist als das zweite Getriebeelement (8).
  5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Getriebeelement (8) in der zentralen Lage (Z) Selbsthemmung aufweist und in den seitlichen Lagen (S) keine Selbsthemmung aufweist.
  6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Getriebeelement (5) ein Planetenwälzgewindetrieb oder ein Kugelgewindetrieb ist.
  7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Getriebeelement (8) ein Trapezgewindetrieb ist.
  8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mutterelement (6) und das zweite Mutterelement (9) von einem gemeinsamen Hülsenelement (12) getragen werden oder in ein gemeinsames Hülsenelement (12) eingearbeitet sind.
  9. Aktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenelement (12) über einen Riementrieb (13) vom Antriebsmotor (4) angetrieben wird.
  10. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelelement (3) als einteiliges oder zweiteiliges Bauteil ausgebildet ist.
  11. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er Bestandteil einer Lenkung, insbesondere einer Hinterachslenkung, oder einer Vorrichtung zur Verstellung des Sturzes eines Rades eines Fahrzeugs ist.
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