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Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator, insbesondere für ein Bremssystem eines Kraftfahrzeuges, umfassend einen elektrischen Motor, einen Kolben, einen Kugelgewindetrieb umfassend Spindel und Mutter zur Umwandlung der rotatorischen Bewegung des Motors in eine translatorische Bewegung des Kolbens, wobei wenigstens ein Kopplungselement vorgesehen ist zur Drehmomentübertragung von der Mutter auf den Kolben. Sie betrifft weiterhin ein Bremssystem.
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Aus dem Stand der Technik sind Linearaktuatoren bekannt, welche mit Hilfe eines Kugelgewindetriebes mit einer Spindel und einer rotatorisch darauf gelagerten Mutter die rotatorische Bewegung des elektrischen Motors in eine translatorische Bewegung eines in einem Zylinder gelagerten Kolbens umwandeln. Der Kolben begrenzt dabei insbesondere einen hydraulischen Druckraum im Zylinder. Ein derartiger Linearaktuator kann vorteilhaft in hydraulischen By-Wire-Bremssystemen eingesetzt werden, in denen er als Druckbereitstellungseinrichtung fungiert und bedarfsweise Bremsdruck in hydraulischen Radbremsen aufbaut.
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Der elektrische Motor erzeugt dabei eine rotatorische Bewegung und ein Drehmoment, welche mittels eines Kopplungselementes auf die Spindel übertragen werden. Das Kopplungselement erfüllt dabei noch eine weitere Aufgabe: es kompensiert die winkelmäßige Abweichung bzw. Dezentrierung zwischen der Motorachse und der Achse der Spindel.
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Die Mutter ist rotatorisch und translatorisch gegenüber dem Kolben befestigt bzw. fixiert und ermöglicht bzw. kompensiert eine gewisse Neigung bzw. Verkippung zwischen der Achse der Mutter und der Achse des Kolbens. Ein zweites Kopplungselement überträgt Drehmoment von der Mutter auf den Kolben und kompensiert auch eine Dezentrierung zwischen diesen beiden Komponenten. Mit Hilfe einer Drehsicherung wird eine Rotation des Kolbens gegenüber dem Zylinder verhindert, so dass sich der Kolben in Bezug auf den Zylinder nur translatorisch bewegen kann.
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Das zweite Kopplungselement ist gewöhnlich aus einem elastischen Material, insbesondere Gummi bzw. einer Gummimischung, gefertigt. Das Kopplungselement überträgt Drehmoment und eine Axiallast zwischen den Komponenten, zwischen denen es angeordnet ist. Das Gummimaterial des zweiten Kopplungselementes ändert im Laufe der Betriebszeit seine mechanischen Eigenschaften. Es wird brüchig und ist nach ein paar Jahren nicht mehr einsatzfähig aufgrund von umweltbedingten Einflüssen wie Temperaturänderungen, Wasser, Salz, Verschmutzung, Vibrationen, Materialermüdung etc. Darüber hinaus kann es von chemischen Stoffen, denen es ausgesetzt wird, verändert werden. Es ermöglicht nur eine geringe Abweichung der beiden Achsen.
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Ein weiterer Nachteil sind die große Dimensionierung des Kopplungselements und der anfallende Bauraum, die aus der geforderten Funktionalität. Axiallast und Drehmoment zu übermitteln, resultieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Linearaktuator dahingehend zu verbessern, dass das Kopplungselement langlebiger und zuverlässiger ist bei gleichzeitiger optimierter Übertragung von Drehmoment und Axiallast. Weiterhin soll ein entsprechendes Bremssystem angegeben werden.
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In Bezug auf den Linearaktuator wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Kopplungselement als eine in einer Schleife geschlossene metallene Feder ausgebildet ist, welche an ihrer Innenseite mit der Mutter und an ihrer Außenseite mit dem Kolben in Kontakt steht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein die Lebenszeit eines Linearaktuators wesentlich begrenzendes Element das gummiartige Kopplungselement zwischen Mutter und Kolben ist. Es ist daher wünschenswert ist, bei diesem Kopplungselement die Haltbarkeit zu erhöhen, wobei gleichzeitig auch seine Funktionalität zur Übertragung von Drehmoment zwischen Mutter und Kolben optimiert werden sollte.
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Wie nunmehr erkannt wurde, kann dies erreicht werden, indem das Kopplungselement als wenigstens eine metallene, schleifenförmige Feder ausgebildet ist, die zwischen Mutter und Kolben angeordnet ist.
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Der Begriff „metallene“ umfasst dabei Metalle als auch Metalllegierungen wie beispielsweise Stahl.
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Vorteilhafterweise ist die jeweilige Feder sternförmig ausgebildet mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, welche sich ausgehend von einem inneren Radius radial nach außen erstrecken.
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Bevorzugt weist die jeweilige Feder zwischen sechs und zehn, insbesondere acht Vorsprünge auf.
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Vorteilhafterweise weist zumindest ein, insbesondere jeder, Vorsprung in einem ersten Bereich zwei Flanken auf, die in einem zweiten Bereich sich symmetrisch radial nach außen verjüngen und in einem dritten Bereich in zwei Flanken münden, die radial nach außen verlaufen und in einem abgerundeten Bereich münden.
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Bevorzugt steht die Feder am inneren Radius mit der Mutter in Kontakt und wobei der abgerundete Bereich mit dem Kolben in Kontakt steht. Am inneren Radius sind bevorzugt Abrundungen bzw. abgerundete Bereiche gebildet, die von Ausnehmungen bzw. Mulden in der Mutter aufgenommen werden.
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Der Kolben weist vorteilhafterweise an seiner Innenseite eine Mehrzahl von Mulden auf, in denen im montierten Zustand zumindest teilweise die Vorsprünge aufgenommen werden.
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Die Spindel weist an ihrer Außenseite bevorzugt eine Vielzahl von Mulden auf, in denen im montierten Zustand die Feder in Bereichen zwischen den Vorsprüngen aufgenommen wird.
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Bevorzugt sind zwei Federn vorsehen, die in Beug auf eine gemeinsam Achse ausgerichtet sind.
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Die jeweilige Feder ist bevorzugt aus Stahl gefertigt.
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In Bezug auf das Bremssystem wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit zumindest einem oben beschriebenen Linearaktuator.
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Bevorzugt wird der Linearaktuator in einem Bremssystem eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Insbesondere umfasst das Bremssystem eine Druckbereitstellungseinrichtung zum aktiven Druckaufbau in den Radbremsen. Bevorzugt weist das Bremssystem wenigstens zwei hydraulisch betätigbare Radbremsen auf, die hydraulisch trennbar mit dem Linearaktuator verbunden ist. Das Bremssystem ist bevorzugt als Brake-by-Wire-Bremssystem ausgebildet, bei dem der Bremswunsch des Fahrers erfasst wird und in Abhängigkeit von dem erfassten Bremswunsch ein Systemdruck in einem hydraulischen Druckraum des Linearaktuators aufgebaut wird, der als Bremsdruck in den hydraulischen Radbremsen zum Aufbau eines Bremsmomentes führt. Der Linearaktuator kann auch in einem Lenksystem eingesetzt werden.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die Verwendung des schleifenförmigen Kopplungselementes ein zuverlässiger Linearaktuator mit hoher Lebenszeit bereitgestellt wird. Der Linearaktuator weist nur eine geringe Anzahl an Bauteilen auf, so dass ein geringer Montageaufwand und geringer Instandsetzungsaufwand resultieren. Der Linearaktuator kann bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten verwendet werden und vergrößert Drehmoment und Axiallast. Das Kopplungselement wirkt zusätzlich als Schockabsorbierer bzw. Stoßdämpfer zwischen Kolben und Mutter, wodurch der Verschleiß der Verdrehsicherung für den Kolben reduziert wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Kopplungselementes für einen Linearaktuator in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 2 das Kopplungselement gemäß 1 in einer Draufsicht;
- 3 einen Linearaktuator mit einem Gehäuse, einem Kolben, einem Kugelgewindetrieb mit einer Mutter, einer Spindel und mit einem Kopplungselement gemäß 1 in einer bevorzugten Ausführungsform;
- 4 den Kolben des Linearaktuators gemäß 3;
- 5 den Kugelgewindetrieb des Linearaktuators gemäß 3;
- 6 den Linearaktuator gemäß 3 in einer Explosionszeichnung; und
- 7 den Linearaktuator gemäß 3 in einem teilweisen Schnitt.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ein in 1 dargestelltes Kopplungselement 17 in einer bevorzugten Ausführungsform ist aus Metall bzw. einer Metalllegierung gefertigt, insbesondere aus Stahl. Es ist als Feder 17a und schleifenförmig ausgebildet, d.h. es ist im Wesentlichen bzw. gemittelt ringförmig ausgebildet, so dass sein Querschnitt im Wesentlichen entlang eines gedachten Kreises verläuft. Die Formgebung der kreisförmig umlaufenden Kontur ist sternförmig, wie in 2 in einer Draufsicht gut zu erkennen ist. Die Feder 17a weist acht Vorsprünge 9 auf, die sich von einem (gedachten) inneren Radius 10 radial nach außen erstrecken, wobei jeder Vorsprung 9 in einem ersten Bereich 10a zwei Flanken 11 aufweist, die jeweils in einem zweiten Bereich 12 bzw. Deformationsbereich sich symmetrisch radial nach außen verjüngen und jeweils in einem dritten Bereich 13 in zwei Flanken 21 münden, die radial nach außen in einen abgerundeten Bereich 22 münden. Die Feder 17a weist einen radial äußeren Bereich 24 und einen radial inneren 25 Bereich auf. Am inneren 25 Bereich bzw. inneren Radius 10 steht die Feder 17a im montierten Zustand mit der Mutter 6 des Linearaktuators 1 (siehe 3) in Kontakt. Der abgerundete Bereich 22 des jeweiligen Vorsprungs 9 im radial äußeren Bereich 24 steht im montierten Zustand mit einem Kolben 5 in Kontakt.
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Die Feder 17a hat elastische Eigenschaften und reagiert bei Verformungen elastisch. Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung der Feder 17a als Kopplungselement 17 gegenüber bekannten Lösungen ist, dass eine Mutter 6 (siehe 3) nicht in direktem physikalischem Kontakt mit dem Kolben 5 steht. Drehmoment und Axiallast werden vollständig mit Hilfe der Feder 17a von der Mutter 6 auf den Kolben 5 übertragen. Am inneren Radius 10 weist die Feder 17a jeweils Abrundungen 22a auf.
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In 3 ist ein Schnitt durch einen Linearaktuator 1 dargestellt. Der Linearaktuator 1 umfasst ein Gehäuse 30, das bereichsweise als Zylinder 32 ausgebildet ist und in dem der Kolben 5 axial verfahrbar angeordnet ist. Der Linearaktuator 1 umfasst einen Elektromotor 7, dessen rotatorische Bewegung mit Hilfe eines Rotations-Translationsgetriebes 34 in eine translatorische Bewegung des Kolbens 5 umgewandelt wird. Das Rotations-Translationsgetriebe 34 ist bevorzugt als Kugelgewindetrieb 37 ausgebildet mit einer Spindel 2 und der auf der Spindel 2 rotatorisch gelagerten Mutter 6. Die Spindel 2 ist rotatorisch mit der Motorwelle fest verbunden, so dass eine Rotation der Motorwelle zu einer Rotation der Spindel 2 führt. Die Mutter 6 bzw. Spindelmutter ist drehgesichert auf der Spindel gelagert, so dass eine Rotation der Spindel zu einer axialen Bewegung der Mutter 6 führt. Dazu kann direkt eine Verdrehsicherung für die Mutter vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist eine Verdrehsicherung für den Kolben vorgesehen, durch die auch eine Rotation der Mutter über die Kopplung des Kolbens mit der Mutter verhindert wird.
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In der 3 ist dargestellt, in welche Richtungen bzw. Orientierungen die jeweilige Feder 17a die relativen Bewegungen zwischen Mutter 6 und Kolben 5 blockiert. Die jeweilige Feder 17a blockiert eine translatorische Bewegung zwischen der Mutter 6 und dem Kolben in drei zueinander orthogonalen Richtungen 42, 44, 46 sowie die relative Rotationsbewegung 50 in axialer Richtung. Die jeweilige Feder 17a erlaubt der Mutter 6, sich innerhalb des Kolbens 5 gegenüber einer axialen Achse zu neigen bzw. sich rotatorisch auszurichten in zwei Rotationsrichtungen 54, 58. Diese Neigung, die gewöhnlich nur ein paar Grad umfasst, genügt, um räumlich Abweichungen und Achsverschiebungen zwischen Kolben 5 und Spindel 2 auszugleichen.
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In 4 ist der Kolben 5 perspektivisch dargestellt. Ein inneres Profil des Kolbens 5 weist zwei Reihen mit radial nach außen hervorstehenden Taschen 31 auf, in denen im montierten Zustand die runden Bereiche 22 der Vorsprünge 9 der jeweiligen Feder 17a aufgenommen werden. Der Kolben 5 ist in einem inneren Bereich 14 konisch geformt, um die Verformung der ersten Feder 17a zu erlauben. Eine Blockierungsnut 33 ist um das Kolbeninnere gefertigt.
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In 5 ist der Kugelgewindetrieb 37 umfassend Spindel 2 und Mutter 6 dargestellt. Die Mutter 6 weist Ausnehmungen 14a auf, die im montierten Zustand die Abrundungen 22a der Feder 17a aufnehmen. Die Mutter 6 ist in einem äußeren Bereich 15 fassförmig, um eine Rotation innerhalb des Kolbens 5 zu ermöglichen.
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Der in 6 dargestellte Linearaktuator 1 wird bevorzugt auf folgende Weise zusammengebaut: Eine erste Feder 17a wird zusammengestaucht und in den Kolben 5 geschoben. Sie wird entspannt, wobei ihre radial äußeren runden Bereiche 22 von den Taschen 31 aufgenommen werden. Der Kugelgewindetrieb 37 wird in den Kolben 5 geschoben und innerhalb der Feder 17a derart angeordnet, dass die Ausnehmungen 14a der Mutter die Abrundungen 22a der Feder 17a aufnehmen.
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Dann wird eine zweite Feder 17a in den Kolben 5 eingeführt und auf die oben beschrieben Weise mit zweiten Reihen von Taschen 31 am Kolben 5 und Ausnehmungen 14a an der Mutter 6 in Eingriff gebracht. Schließlich wird ein Haltering 18 in der Nut 33 des Kolbens 5 angeordnet, der eine axiale Bewegung des Kugelgewindetriebs 37 in dem Kolben 5 verhindert.
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Je nach konkreter Anwendung können die beschriebenen Komponenten unterschiedlich ausgebildet werden. Der Radius der Fassform des äußeren Bereichs 15 der Mutter 6 wird bevorzugt gewählt abhängig von dem maximalen Neigungswinkel, der benötigt wird. Material und Dicke der Federn 17a, abgerundete Bereiche 22 und Abrundungen 22a sowie Bereiche 12 bzw. Deformationsbereiche der jeweiligen Feder 17a können bedarfsweise gewählt werden. Die Federn 17a müssen dick genug sein, um die gesamte Axiallast übertragen zu können und ein Berühren von Mutter 6 und Kolben 5 zuverlässig zu verhindern. Die gesamte von der Mutter 6 hervorgerufene Axiallast wird mit Hilfe der Federn 17a auf den Kolben 5 übertragen. Dabei soll ein physikalischer Kontakt zwischen Kugelgewindetrieb 27 und Kolben 5 vermieden werden. Die Bereiche 12 bzw. Deformationsbereiche der Federn wirken gewissermaßen als Stoßdämpfer zwischen Mutter 6 und Kolben 5. Dadurch werden Schäden an Mutter 6 und Kolben 5 aufgrund von Stößen bzw. Bewegungen mit hohen Beschleunigungen vermieden.
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Wenn die Kolbenachse und die Spindelachse voneinander abweichen durch eine Abweichung A wie in 7 dargestellt, wird durch die Flexibilität der jeweiligen Feder 17a als Verbindungsglied ein Verschleiß des Kolbens 5 bzw. der Zylinderwand verhindert.
