DE102017128521A1 - Planetenwälzgetriebe - Google Patents

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Abstract

Ein Planetenwälzgetriebe weist verschiedene Wälzpartner (2,3,4) auf, nämlich eine Spindel (2), mehrere auf der Spindel (2) abrollende Planeten (3), sowie eine Mutter (3), in welcher die Planeten (3) geführt sind, wobei mindestens einer der Wälzpartner (2,3,4) einen Polymerwerkstoff umfasst und inhomogen zusammengesetzt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein für die Verwendung in einem elektromechanischen Aktuator geeignetes Planetenwälzgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiges Planetenwälzgetriebe ist beispielsweise aus der DE 195 16 199 A1 bekannt. Das bekannte Planetenwälzgetriebe umfasst verschiedene Wälzpartner, nämlich eine als Gewindespindel ausgeführte Spindel, mehrere Wälz- oder Rollkörper, das heißt Planeten, sowie eine Mutter, welche zusammenfassend als Kraftübertragungselemente bezeichnet werden. Hierbei können Kraftübertragungselemente aus verformbarem Material, insbesondere polymerem Material, hergestellt sein. Weiterhin wird in der DE 195 16 199 A1 die Fertigung von Kraftübertragungselementen aus Kupfer vorgeschlagen.
  • In der Wälzlagertechnik ist die Verwendung kraftübertragender Komponenten, welche Kunststoff aufweisen, zum Beispiel aus den Dokumenten DE 10 2013 216 745 B4 , WO 2013/007789 A1 , DE 10 2015 211 125 A1 sowie WO 2017/012620 A1 bekannt. In allen genannten Fällen weisen die betreffenden Wälzlagerkomponenten einen in sich uneinheitlichen, das heißt inhomogenen Aufbau auf. Der inhomogene Aufbau ist insbesondere durch eine ein- oder mehrlagige Beschichtung eines Kunststoffteils gegeben.
  • Die Dissertation „Zur Tragfähigkeitssteigerung thermoplastischer Zahnräder mit Füllstoffen" (Jan Rösler, TU Berlin, 2005) führt als mögliche Füll- oder Verstärkungsstoffe unter anderem Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern, sowie PTFE auf. Zur Reibungsminderung werden neben PTFE auch Polyethylen, Graphit, Silikonöl sowie Molybdändisulfid vorgeschlagen. Als mögliche Zusätze zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit werden Silber sowie Cu-Sn-Legierungen genannt.
  • Der Ersatz metallischer Komponenten in Getrieben durch Komponenten, welche komplett aus Kunststoff gefertigt sind oder Kunststoff enthalten, bringt spezifische Vor- und Nachteile mit sich. Neben rationellen Fertigungsmethoden können insbesondere schmierungstechnische Vorteile, bis hin zu einem Entfall einer konventionellen Fett- oder Ölschmierung, zu verzeichnen sein.
  • Aus den genannten Gründen haben sich Getriebe mit aus Kunststoff gefertigten Komponenten in zahlreichen Anwendungsgebieten mit mäßiger Beanspruchung, etwa bei Haushaltsgeräten oder bei kleineren Stellantrieben, auch in der Automobiltechnik, bewährt. Für mechanisch besonders hoch belastete Teile in Maschinenelementen wie Wälzlagern, Kugelgewindetrieben oder Planetenwälzgetrieben kommen dagegen in aller Regel metallische Werkstoffe, vereinzelt auch keramische Werkstoffe, zum Einsatz.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Planetenwälzgetriebe mit mindestens einer Kunststoffkomponente gegenüber dem Stand der Technik dahingehend weiterzuentwickeln, dass ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Fertigungsaufwand einerseits und Bauraumbedarf, mechanischer Belastbarkeit sowie Lebensdauer andererseits gegeben ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Planetenwälzgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Planetenwälzgetriebe weist in an sich bekannter Grundkonzeption verschiedene Wälzpartner auf, worunter eine Spindel, das heißt Gewindespindel, mehrere auf der Spindel abrollende Planeten, sowie eine Mutter, in der die Planeten abrollen, verstanden werden. Mindestens einer der drei genannten Wälzpartner weist eine inhomogene Zusammensetzung auf, wobei er einen Polymerwerkstoff enthält.
  • Eine inhomogene Zusammensetzung kann durch eine geometrisch nicht definierte Mischung verschiedener Werkstoffe, insbesondere durch eine Einmischung eines partikelförmig vorliegenden Zusatzstoffes in einen Grundwerkstoff, gegeben sein. Ebenso kann eine inhomogene Zusammensetzung vorliegen, indem in verschiedenen, geometrisch definierten Volumenbereichen des betreffenden Wälzpartners unterschiedliche Werkstoffe vorliegen. Dies ist beispielsweise bei einem geschichteten Aufbau des Wälzpartners gegeben. Hierbei kann insbesondere ein Kernbereich des Wälzpartners hinsichtlich seiner mechanischen Belastbarkeit optimiert sein, während die gesamte Oberfläche oder zumindest ein Oberflächenabschnitt des Wälzpartners durch einen primär hinsichtlich der reibungs- und/oder verschleißtechnischen Eigenschaften ausgewählten Werkstoff gebildet ist.
  • Innerhalb des Planetenwälzgetriebes kann entweder lediglich ein einzelner Wälzpartner, das heißt die Spindel oder die Planeten oder die Mutter, oder genau zwei der genannten Wälzpartner, das heißt entweder die Spindel und die Mutter oder die Spindel und die Planeten oder die Planeten und die Mutter, oder alle drei Typen von Wälzpartnern eine inhomogene, einen Polymerwerkstoff umfassende Zusammensetzung aufweisen. Im Vergleich zu vollständig aus metallischen Bauteilen gebildeten Getrieben hat das erfindungsgemäße Planetenwälzgetriebe aufgrund des mindestens einen inhomogen zusammengesetzten, eine Polymerwerkstoff umfassenden Wälzpartners den Vorteil einer geringeren Masse, womit auch geringere Trägheitsmomente verbunden sind. Hinzu kommen typische fertigungs- und reibungstechnische Vorteile aus Kunststoff gefertigter Komponenten, wobei im Vergleich zu metallischen Komponenten gegebene Nachteile, was die mechanische Belastbarkeit betrifft, in ausreichendem Maße durch den inhomogenen Aufbau des nicht komplett metallischen Wälzpartners kompensiert werden.
  • Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist der inhomogen zusammengesetzte Wälzpartner keine metallischen Bestandteile auf. Die Inhomogenität ist beispielsweise durch faserförmige Füllstoffe gegeben. Beispielhaft sind Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern zu nennen. Im Vergleich zu nicht faserverstärkten Kunststoffen sind damit, wie prinzipiell zum Beispiel aus dem Bereich Wälzlagerkäfige bekannt, die Steifigkeit, die Zugfestigkeit, die Warmformbeständigkeit sowie die Biegewechelfestigkeit steigerbar, während die Schlagzähigkeit verringert werden kann. Zum technischen Hintergrund wird beispielhaft auf die WO 2011/006856 A2 hingewiesen.
  • Des Weiteren ist es möglich, denjenigen Wälzpartner, welcher einen Polymerwerkstoff enthält, mit einem Schmierstoffzusatz zu versehen. Bei dem im Polymerwerkstoff verteilten Schmierstoffzusatz kann es sich beispielsweise um PTFE, PE, Graphit, Silkonöl oder MoS2 handeln. Auch eine Kombination eines Schmierstoffzusatzes mit einer Faserverstärkung innerhalb ein und desselben Wälzpartners ist möglich.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht eine Ummantelung eines Kunststoffgrundkörpers des Wälzpartners durch eine metallische Beschichtung vor. Sofern eine solche metallische Beschichtung geschlossen ist, stellt sie einen wirksamen Schutz gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und damit gegen Aufquellen des Grundkörpers dar. In jedem Fall sind durch eine metallische Beschichtung verschleißtechnische Vorteile gegenüber einem Wälzpartner ohne metallische Oberfläche erzielbar.
  • Unabhängig davon, inwieweit der Wälzpartner metallische Bestandteile enthält und welche Anzahl an Typen von Polymerwerkstoffen vorhanden sind, sind Vorteile erzielbar, indem mindestens ein definierter Volumenbereich des Wälzpartners nachgiebige, insbesondere gummielastische, Eigenschaften besitzt. Durch solche partiell gummielastische Eigenschaften, welche rationell beispielsweise durch Zweikomponenten - Spritzguss realisierbar sind, können insbesondere Toleranzschwankungen ausgeglichen und zugleich eine Vorspannung in das Planetenwälzgetriebe eingebracht werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der inhomogen zusammengesetzte Wälzpartner in Form eines Planeten des Planetenwälzgetriebes einen bolzenförmigen, von Polymerwerkstoff umgebenen Metallkern auf. Der bolzenförmige Metallkern erstreckt sich vorzugsweise über den größten Teil der gesamten, in Axialrichtung des Planetenwälzgetriebes zu messenden Länge des Planeten. Um eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Metallkern und der nicht metallischen Ummantelung zu gewährleisten, kann der Metallkern eine Oberflächenstrukturierung, beispielsweise in Form einer Riffelung, aufweisen.
  • Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist der inhomogen zusammengesetzte Planet zusätzlich zu einem Metallkern verschiedene Polymerwerkstoffe auf, welche sich hinsichtlich ihrer elastischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. Hierbei weist der Planet vorzugsweise mindestens einen Volumenbereich erhöhter elastischer Nachgiebigkeit aufweist, welcher den Metallkern hülsenförmig umgibt und sowohl von der Spindel als auch von der Mutter beabstandet ist. Vorzugsweise befindet sich jeweils ein hülsenförmiger Bereich erhöhter elastischer Nachgiebigkeit an den beiden Enden des Planeten, wobei jeder dieser Bereiche von einem profilierten Endabschnitt umgeben ist, der die Mutter kontaktiert, und wobei sich zwischen den profilierten Endabschnitten, von diesen beabstandet, ein profilierter Mittelabschnitt befindet, der die Spindel kontaktiert, sich bis zum Metallkern erstreckt und aus dem gleichen Polymerwerkstoff wie die profilierten Endabschnitte gefertigt ist.
  • Die hülsenförmigen Bereiche, welche sich an den beiden Enden des Planeten befinden, sind optional jeweils durch einen Boden abgeschlossen, welcher eine stirnseitige Oberfläche des Planeten bildet und dem insgesamt hülsenförmigen Bereich eine Topfform verleiht. Unabhängig vom Vorhandensein eines solchen Bodens sind die beiden hülsenförmigen Bereiche erhöhter elastischer Nachgiebigkeit vorzugsweise als einziges Vorspannmittel zur Erzeugung einer Vorspannung zwischen den Wälzpartnern des Planetenwälzgetriebes vorgesehen.
  • Das Planetenwälzgetriebe ist unter anderem in einem Aktuator eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise zum Antrieb einer Heckklappe, verwendbar.
  • Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
    • 1 ein Planetenwälzgetriebe mit aus Kunststoff gefertigten Planeten,
    • 2 ein Planetenwälzgetriebe mit Planeten, welche jeweils einen Metallkern sowie eine Kunststoffummantelung in sich einheitlicher Zusammensetzung aufweisen,
    • 3 ein Planetenwälzgetriebe mit Planeten, welche jeweils einen Metallkern sowie verschiedene nicht metallische Komponenten aufweisen.
  • Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Planetenwälzgetriebe weist drei verschiedene Wälzpartner 2, 3, 4, nämlich eine Gewindespindel 2, kurz auch als Spindel bezeichnet, eine Mehrzahl an Planeten 3, sowie eine mehrteilige Mutter 4 auf. Die Mutter 4 umfasst zwei Mutternringe 5, 6, welche durch ein weiteres, nicht dargestelltes Teil zusammengehalten sind. Ein aus Kunststoff gefertigter Käfig 7 hält die Planeten 3 auf ihrem Orbit und ist zusammen mit den Mutternringen 5, 6 in dem weiteren, nicht dargestellten Teil gehalten. Dieses Teil ist, beispielsweise über einen Riementrieb oder mittels eines elektrischen Direktantriebs, antreibbar, womit eine Rotation der Mutter 4 in eine Vorschubbewegung der Spindel 2 umgesetzt wird. Prinzipiell ist in umgekehrter Weise auch eine Verschiebung der Mutter 4 durch einen rotativen Antrieb der Spindel 2 möglich, wobei in diesem Fall die Mutter 4 innerhalb einer Umgebungskonstruktion verdrehgesichert ist.
  • Die Planeten 3 weisen in allen Ausführungsformen eine inhomogene Zusammensetzung auf, auf welche im Folgenden näher eingegangen wird. Die Spindel 2 ist ebenso wie die Mutternringe 5, 6 aus Metall gefertigt.
  • Im Ausführungsbeispiel nach 1 enthalten die Planeten 3 verstärkende Fasern 8. Die Fasern 8 können Kohlenstoff enthalten und isotrop oder anisotrop in den Planeten 3 verteilt sein. Zusätzlich ist in diesem Ausführungsbeispiel Schmierstoff 9 in jedem Planeten 3 verteilt. Bei dem Schmierstoff 9 handelt es sich beispielsweise um einen Festschmierstoff wie Graphit oder Molybdändisulfid.
  • Die Ausführungsbeispiele nach den 2 und 3 unterscheiden sich vom Ausführungsbeispiel 1 grundsätzlich dadurch, dass jeder Planet 3 einen von Kunststoff, das heißt Polymerwerkstoff, ummantelten Metallkern 10 aufweist. Der bolzenförmige Metallkern 10 erstreckt sich über den größten Teil der Länge eines jeden Planeten 3 und überlappt in Axialrichtung mit beiden Mutternringen 5, 6. In nicht dargestellter Weise kann der Metallkern 10 eine geriffelte Oberfläche aufweisen, mit welcher eine besonders feste Verbindung mit dem umgebenden Kunststoff hergestellt ist. Im Fall von 2 ist der den Metallkern 10 umgebende Kunststoff in sich einheitlich, das heißt homogen, aufgebaut.
  • Im Unterschied hierzu ist im Ausführungsbeispiel nach 3 der Metallkern 10 von unterschiedlichen nicht metallischen Komponenten umgeben. Zum einen sind hülsenförmige Volumenbereiche 11 erkennbar, welche sich an den beiden Enden des Metallkerns 10 befinden. Die hülsenförmigen Volumenbereiche 11 weisen eine im Vergleich zu sämtlichen übrigen Abschnitten des Planeten 3 erhöhte elastische Nachgiebigkeit auf. Die mechanischen Eigenschaften des Planeten 3 sind in den hülsenförmigen Volumenbereichen 11 als gummielastisch zu charakterisieren. Jeder hülsenförmige Volumenbereich 11 kontaktiert den Metallkern 10, jedoch keine Außenumfangsfläche des Planeten 3.
  • Sowohl in der Mitte als auch an den beiden Enden des Planeten 3 ist dessen Außenumfangsfläche durch einen Polymerwerkstoff gebildet, welcher im Vergleich zu dem gummielastischen Werkstoff, welcher die hülsenförmigen Volumenbereiche 11 ausfüllt, eine verminderte elastische Nachgiebigkeit und eine erhöhte Oberflächenhärte aufweist. Hierbei sind zwei Endabschnitte 12 und ein Mittelabschnitt 17 aus dem selben Polymerwerkstoff gefertigt, wobei die Endabschnitte 12 vom Mittelabschnitt 17 beabstandet sind.
  • Die Endabschnitte 12 weisen jeweils eine Endprofilierung 13 in Form von Rillen ohne Steigung auf, die in eine Mutternprofilierung 14 entsprechender Gestalt, die durch einen Mutternring 5, 6 gebildet ist, eingreift. Von dem mit 19 bezeichneten Gewindegang der Spindel 2 ist die Endprofilierung 13 dagegen abgehoben.
  • Zwischen den beiden Endabschnitten 12 und dem Mittelabschnitt 17 sind ringförmige Bereiche gebildet, in welchen jeweils ein Flansch 16, der dem hülsenförmigen Volumenbereich 11 zuzurechnen ist, erkennbar ist. Die Flansche 16 leisten einen signifikanten Beitrag zur elastischen Verlagerbarkeit zwischen den einzelnen Wälzpartnern 2, 3, 4 und damit zur Vorspannung innerhalb des Planetenwälzgetriebes 1. Aufgrund dieser Vorspannung sind weitere Mittel zur Erzeugung einer Vorspannung, etwa die Mutternringe 5, 6 gegeneinander vorspannende Mittel, entbehrlich.
  • Die hülsenförmigen, elastisch besonders nachgiebigen Volumenbereiche 11 sind an den Stirnseiten des Planeten 3, wie aus 3 hervorgeht, jeweils durch einen Boden 15 abgeschlossen, womit insgesamt jeweils eine Topfform dieser Volumenbereiche 11 gegeben ist. Der axial zwischen den Volumenbereichen 11 liegende Mittelabschnitt 17 weist eine Mittenprofilierung 18 auf, welche in Form einzelner Rillen in den Gewindegang 19 eingreift. Entsprechend der Steigung des Gewindegangs 19 sind die einzelnen Planeten 3 etwas in Axialrichtung gegeneinander versetzt. Dies gilt, ebenso wie die Zusammenwirkung zwischen den Profilierungen 13, 18 der Planeten 3 einerseits und den Profilierungen 14, 18 der Mutter 4 beziehungsweise der Spindel 2 andererseits, auch für die Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Planetenwälzgetriebe
    2
    Spindel
    3
    Planet
    4
    Mutter
    5
    Mutternring
    6
    Mutternring
    7
    Käfig
    8
    Faser
    9
    Schmierstoff
    10
    Metallkern
    11
    hülsenförmiger Volumenbereich
    12
    Endabschnitt
    13
    Endprofilierung
    14
    Mutterprofilierung
    15
    Boden
    16
    Flansch
    17
    Mittelabschnitt
    18
    Mittenprofilierung
    19
    Gewindegang
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19516199 A1 [0002]
    • DE 102013216745 B4 [0003]
    • WO 2013/007789 A1 [0003]
    • DE 102015211125 A1 [0003]
    • WO 2017/012620 A1 [0003]
    • WO 2011/006856 A2 [0011]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Zur Tragfähigkeitssteigerung thermoplastischer Zahnräder mit Füllstoffen“ (Jan Rösler, TU Berlin, 2005) [0004]

Claims (10)

  1. Planetenwälzgetriebe mit verschiedenen Wälzpartnern (2,3,4), nämlich einer Spindel (2), mehreren auf der Spindel (2) abrollenden Planeten (3), sowie einer Mutter (3), in welcher die Planeten (3) geführt sind, wobei mindestens einer der Wälzpartner (2,3,4) einen Polymerwerkstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wälzpartner (2,3,4) eine inhomogene Zusammensetzung aufweist.
  2. Planetenwälzgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Zusammensetzung des Wälzpartners (2,3,4) in Form eines faserverstärkten Kunststoffs gegeben ist.
  3. Planetenwälzgetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inhomogene Zusammensetzung des Wälzpartners (2,3,4) in Form eines Schmierstoffzusatzes (9) gegeben ist.
  4. Planetenwälzgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzpartner (2,3,4) als zumindest partiell metallisiertes Kunststoffteil ausgebildet ist.
  5. Planetenwälzgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planeten (3) jeweils eine inhomogene Zusammensetzung aufweisen.
  6. Planetenwälzgetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Planet (3) einen bolzenförmigen, von Polymerwerkstoff umgebenen Metallkern (10) aufweist.
  7. Planetenwälzgetriebe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Planet (3) verschiedene Polymerwerkstoffe aufweist, welche sich hinsichtlich ihrer elastischen Eigenschaften voneinander unterscheiden.
  8. Planetenwälzgetriebe nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Planet (3) mindestens einen Volumenbereich (11) erhöhter elastischer Nachgiebigkeit aufweist, welcher den Metallkern (10) hülsenförmig umgibt und sowohl von der Spindel (2) als auch von der Mutter (4) beabstandet ist.
  9. Planetenwälzgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeweils ein hülsenförmiger Volumenbereich (11) erhöhter elastischer Nachgiebigkeit an den beiden Enden des Planeten (3) befindet, wobei jeder dieser Bereiche (11) von einem profilierten Endabschnitt (12) umgeben ist, der die Mutter (4) kontaktiert, und wobei sich zwischen den profilierten Endabschnitten (12), von diesen beabstandet, ein profilierter Mittelabschnitt (17) befindet, der die Spindel (2) kontaktiert, sich bis zum Metallkern (10) erstreckt und aus dem gleichen Polymerwerkstoff wie die profilierten Endabschnitte (12) gefertigt ist.
  10. Planetenwälzgetriebe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden hülsenförmigen Volumenbereiche (11) erhöhter elastischer Nachgiebigkeit als einzige Vorspannmittel zur Erzeugung einer Vorspannung zwischen den Wälzpartnern (2,3,4) vorgesehen sind.
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