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Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Hinterachslenkung sowie eine Lenkung eines Kraftfahrzeuges nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Durch die
DE 10 2015 206 455 A1 der Anmelderin wurde ein Aktuator für eine Hinterradlenkung eines Kraftfahrzeuges mit einem Spindelantrieb bekannt, welcher eine gehäuseseitig gelagerte Spindelmutter sowie eine mit der Spindelmutter in Eingriff stehende Spindel aufweist. Die in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter ist gegenüber dem Gehäuse über zwei gegeneinander angestellte Schrägkugellager radial und axial abgestützt. Es ist auch bekannt, dass die Spindelmutter nur über ein Wälzlager gegenüber dem Gehäuse gelagert ist, insbesondere durch ein Vierpunktlager, welches sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnehmen kann.
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Ein Problem bei derartigen Lagerungen besteht in thermisch bedingten Ausdehnungen der Lager einerseits und des Gehäuses andererseits. Das Gehäuse des Aktuators besteht in der Regel aus einem Aluminiumwerkstoff, insbesondere einem Aluminiumguss, während das Wälzlager, insbesondere dessen Außenring und auch die Spindelmutter aus Stahl bestehen. Beide Werkstoffe haben unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten, wobei der von Aluminium etwa das Zweifache des Ausdehnungskoeffizienten von Stahl beträgt. Bei bekannten Lagerungen wird der Außenring des Wälzlagers, beispielsweise eines Rillen- oder Vierpunktlagers in eine entsprechende Aussparung, z.B. Bohrung des Gehäuses eingepresst, d. h. der Außenring des Lagers weist nach der Montage bei Normaltemperatur einen definierten Presssitz auf. Steigt während des Betriebes des Aktuators die Temperatur im Lager und im Gehäuse, so dehnt sich das Aluminiumgehäuse etwa um das Zweifache gegenüber dem Außenring des Lagers aus, was bei ca. 60 Grad Celsius Materialtemperatur zu einem Abheben der Gehäusebohrung gegenüber dem Außenring führt, d. h. zu einem Radialspiel, was nicht erwünscht ist. Kühlen sich dagegen Lager und Gehäuse ab, so schrumpft die Gehäusebohrung stärker als der Außendurchmesser des Lagerrings mit der Folge, dass der anfänglich bei der Montage installierte Presssitz erheblich verstärkt wird, was dazu führt, dass zwischen dem Außenring des Lagers und den Wälzkörpern eine unzulässig hohe Pressung auftritt, welche zu einer Beschädigung des Lagers führen kann.
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Die Erfindung verbessert die Lagerung der Spindelmutter bei einem Aktuator der eingangs genannten Art, insbesondere im Hinblick auf die im Betrieb auftretenden Temperaturverhältnisse.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der Gehäusebohrung und dem Außenring des Lagers bei dessen Montage eine Spielpassung vorgesehen ist, d. h. das Lager kann mit seinem Außenring ohne Pressung, sondern mit einem leichten Radialspiel in die Gehäusebohrung eingelegt werden. Spielpassung bedeutet gemäß den einschlägigen DIN-Normen, dass zwischen dem Außendurchmesser des Wälzlagers und dem Durchmesser der Gehäusebohrung ein Mindestspiel besteht. Mit der Spielpassung wird insbesondere der Vorteil erreicht, dass bei einer Abkühlung von Lager und Gehäuse keine unzulässige Pressung der Wälzkörper auftritt und demzufolge erhöhte Schleppmomente oder sogar eine Beschädigung des Lagers vermieden werden. Die Spielpassung ist so ausgelegt, dass bei einer Abkühlung bis etwa Minus 40 Grad Celsius eine unzulässige Pressung der Wälzkörper vermieden wird.
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Wenn hier von einer Bohrung gesprochen wird, so ist damit eine zylindrische Aussparung in Form eines Loches, insbesondere auch Sackloches gemeint. Es ist bekannt, dass Löcher spanend zum Beispiel durch Bohren oder Fräsen hergestellt werden können.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Spielpassung für den Lagersitz vorgesehen, d. h. der Durchmesser der Bohrung hat stets Übermaß, während der Durchmesser des Außenringes stets Untermaß aufweist. Daraus resultiert ein Mindestspiel bei Normaltemperatur von etwa 20 Grad Celsius.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der tolerierte Lagersitz, d. h. der tolerierte Durchmesser der Gehäusebohrung nicht über die gesamte Breite des Lagersitzes, d. h. die gesamte Breite des Außenringes. Vielmehr ist für diesen tolerierten Bereich nur ein erster Teilbereich, d. h. ein Bruchteil der Gesamtbreite, beispielsweise 10 bis 20 Prozent vorgesehen. Dieser tolerierte Bereich mit der Spielpassung bildet eine Zentrierung des Lagers im Gehäuse.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der restliche, d. h. nicht als Spielpassung tolerierte Teilbereich des Lagersitzes einen radialen Freistich auf, d. h. in diesem zweiten Teilbereich ist ein wesentlich über das Mindestspiel der Spielpassung hinausgehendes Radialspiel vorgesehen. Die Aufteilung der Breite des Lagersitzes in einen tolerierten Teilbereich und in einen Teilbereich mit radialem Freistich hat in erster Linie fertigungstechnische Vorteile, weil der beispielsweise auf H7 tolerierte Teilbereich der Gehäusebohrung nicht über die gesamte Breite, sondern nur über einen relativ geringen Teil spangebend bearbeitet werden muss. Man wird vorzugsweise zuerst den radialen Freistich und anschließend den tolerierten Bohrungsbereich herstellen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt das Radialspiel im Bereich des Freistiches etwa 0,2 bis 0,5 mm, d. h. dieser Bereich liegt deutlich über dem Mindestspiel einer bevorzugten Spielpassung.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Wälzlager als Rillenkugellager oder besonders bevorzugt als Vierpunktlager ausgebildet. Letzteres zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass auch relativ hohe Axialkräfte und Kippmomente aufgenommen werden können, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn für die Lagerung der Spindelmutter nur ein Wälzlager vorgesehen ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Außenring des Wälzlagers, insbesondere des Vierpunktlagers, in einer axialen Richtung durch Umformung des Gehäusematerials um den Außenring herum fixiert. Dass Gehäusematerial, bevorzugt ein Aluminiumwerkstoff, wird durch so genanntes Verrollen, d. h. einen kontinuierlichen mechanischen Umformprozess in radialer Richtung nach innen verdrängt, so dass es zur spielfreien Anlage am Außenring, d. h. insbesondere im Bereich des Außenradius und der Stirnseite des Außenringes kommt. Die gegenüberliegende Seite des Außenringes kann beispielsweise durch einen axialen Anschlag im Gehäuse, vorzugsweise einen Absatz im Gehäuse gebildet werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Innenring des Wälzlagers, der einteilig oder bei einem Vierpunktlager auch zweiteilig ausgebildet sein kann, in beiden axialen Richtungen auf der Spindelmutter fixiert. In diesem Falle sind die Ausdehnungskoeffizienten von Innenring und Spindelmutter gleich.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Lenkung, vorzugsweise eine Hinterachslenkung, mit einem Aktuator ausgebildet wie zuvor beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
- 1 einen Aktuator einer Hinterachslenkung mit Spindelantrieb und
- 2 die Lagerung der Spindelmutter mittels Vierpunktlager im Gehäuse.
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1 zeigt einen Aktuator 1 einer Hinterachslenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse 2, welches fahrzeugseitig befestigt ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Spindelantrieb 3 angeordnet, welcher eine axial verschiebbare Spindel 4 und eine in Drehrichtung antreibbare, mit der Spindel 4 in Eingriff stehende Spindelmutter 5 aufweist. Die Spindelmutter 5 ist über einen Zugmitteltrieb 6 von einem Elektromotor 7 in Drehrichtung antreibbar, über ein Wälzlager 8 drehbar im Gehäuse 2 abgestützt und in beiden axialen Richtungen fixiert. Die Spindel 4 ist an beiden Enden mit gehäuseseitig geführten Aufschraubzapfen 9, 10 verbunden, die ihrerseits mit außerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Gelenkzapfen 11, 12 verbunden sind. Der Aktuator 1 ist als so genannter Zentralsteller ausgebildet, d. h. mittig im Fahrzeug angeordnet und wirkt gleichzeitig auf die Lenkung beider Hinterräder.
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Das Wälzlager 8 sowie seine Anordnung im Gehäuse 2 und auf der Spindelmutter 5 ist vergrößert und detailliert in 2 dargestellt.
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2 zeigt das als Vierpunktlager 8 ausgebildete Wälzlager, einen Ausschnitt des Gehäuses 2 (1) sowie der Spindelmutter 5. Das Vierpunktlager 8 weist einen Außenring 8a mit einem Außendurchmesser d, sowie einen geteilten Innenring 8b auf, welcher in beiden axialen Richtungen auf der Spindelmutter 5 fixiert ist. Zwischen Außenring 8a und Innenring 8b sind kugelförmige Wälzkörper 8c angeordnet, welche sich an vier Punkten (nicht dargestellt) an Außen- und Innenring 8a, 8b abstützen; das Vierpunktlager 8 ist handelsüblich. Das Gehäuse 2 weist eine Bohrung 13 auf, welche als Stufenbohrung der Breite B ausgebildet ist, einen tolerierten Durchmesser D über einen axialen Teilbereich B1 und einen vergrößerten Durchmesser über einen Teilbereich B2, genannt radialer Freistich 14, aufweist. Die Summe der Teilbereiche B1 und B2 ergibt die Gesamtbreite B des Vierpunktlagers 8 bzw. die des Lagersitzes im Gehäuse 2. Das Vierpunktlager 8 ist im Gehäuse 2 axial fixiert, und zwar einerseits durch einen gehäuseseitigen Absatz oder Anschlag 2a sowie andererseits durch eine Verrollung 2b, d. h. eine Umformung des Gehäusematerials, welches vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff besteht, um den Außenring 8a, insbesondere dessen Stirnseite. Andere axiale Fixierungen des Außenringes 8a im Gehäuse 2 sind möglich.
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Wie bereits erwähnt, besteht das Gehäuse 2, insbesondere auch im Bereich der Gehäusebohrung 13 aus einem Aluminiumwerkstoff, während das Wälzlager 8 und die Spindelmutter 5 aus Stahl hergestellt sind. Die Temperaturausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Stahl sind bekanntlich verschieden und verhalten sich etwa wie 2 : 1, d. h. das Gehäuse 2 dehnt sich bei gleichem Temperaturanstieg um das Doppelte wie der Außenring 8a bzw. das Wälzlager 8 und die Spindelmutter 5 aus. Dies führt zu den eingangs zum Stand der Technik erläuterten Problemen. Diese Problematik rührt u. a. daher, dass das Wälzlager, insbesondere dessen Außenring beim Stand der Technik durch einen Presssitz mit der Gehäusebohrung gefügt wird, d. h. der Außenring hat bezüglich seines Außendurchmessers ein Übermaß gegenüber dem Durchmesser der Gehäusebohrung. Erfindungsgemäß erfolgt die Montage des Wälz- oder Vierpunktlagers 8 mittels einer Spielpassung zwischen dem Außenring 8a und der Gehäusebohrung 13, d. h. in dem Teilbereich B1, welcher den tolerierten Durchmesser D aufweist. Der Außendurchmesser d des Außenringes 8a ist entsprechend einer Spielpassung toleriert, welche vorzugsweise die Paarung H7/f6 aufweist. Der Bohrungsdurchmesser D (H7) weist daher ein Übermaß auf, und der Durchmesser d (f6) des Außenringes 8a weist ein Untermaß auf, so dass immer ein (positives) Mindestspiel gegeben ist. Die Spielpassung im Teilbereich B1 dient vornehmlich der Zentrierung des Außenringes 8a gegenüber dem Gehäuse 2. Der Freistich 14, welcher einen Radialspalt s von vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm bildet, hat in erster Linie fertigungstechnische Gründe, weil die tolerierte Bohrung 13 mit dem Durchmesser D dadurch mit geringerem Aufwand herstellbar ist. Man könnte daher auch für die gesamte Breite B des Lagersitzes bzw. der Bohrung 13 den tolerierten Durchmesser D vorsehen.
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Die Wirkung der Spielpassung zwischen Außenring 8a und Gehäusebohrung 13 ist Folgende: Erwärmen sich Gehäuse 2, Wälzlager 8 und Spindelmutter 5, so dehnt sich das Gehäuse 2 stärker aus als der Außenring 8a, wodurch sich das Mindestspiel der Spielpassung vergrößert. Erfolgt andererseits eine Abkühlung, beispielsweise bis Minus 40 Grad Celsius, so verringert sich das anfängliche Mindestspiel, was bis zu einem leichten Presssitz führen kann. Allerdings ist die Spielpassung derart bemessen, dass die Pressung kein unzulässiges Maß annimmt, vielmehr ist durch die Wahl der Spielpassung sichergestellt, dass kein erhöhter Druck auf die Wälzkörper 8c des Vierpunktlagers 8 erfolgt, wodurch erhöhte Schleppmomente vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Anschlag
- 2b
- Verrollung
- 3
- Spindelantrieb
- 4
- Spindel
- 5
- Spindelmutter
- 6
- Zugmitteltrieb
- 7
- Elektromotor
- 8
- Wälz-/Vierpunktlager
- 8a
- Außenring
- 8b
- Innenring
- 8c
- Wälzkörper
- 9
- erster Aufschraubzapfen
- 10
- zweiter Aufschraubzapfen
- 11
- erster Gelenkzapfen
- 12
- zweiter Gelenkzapfen
- 13
- Gehäusebohrung/Lagersitz
- 14
- radialer Freistich
- B
- Lagerbreite
- B1
- erster Teilbereich
- B2
- zweiter Teilbereich
- D
- Durchmesser Gehäusebohrung
- d
- Durchmesser Außenring
- s
- Radialspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206455 A1 [0002]
