DE102017214284A1

DE102017214284A1 - Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102017214284A1
Application number: DE102017214284.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dobbelhoff; Marc Ruhstorfer; Marc Wiesenthal; Gerrit Seevers; Miguel de Carvalho
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: DE102017214284B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator (1) für eine Hinterachslenkung mit einem in einem Gehäuse (2) aufgenommenen Spindelantrieb (3), welcher eine ein Spindelgewinde (4a) und eine Spindelachse (a) aufweisende Spindel (4) und eine ein Muttergewinde (5a) aufweisende Spindelmutter (5) umfasst, wobei das Spindelgewinde (4a) und das Muttergewinde (5a) miteinander in Eingriff stehen, die Spindelmutter (5) in Drehrichtung antreibbar und die Spindel (4) in Richtung der Spindelachse (a) verschiebbar ist und wobei eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung (11) vorgesehen ist, welche in Eingriff oder außer Eingriff mit der Spindel (4) gebracht werden kann und durch einen Elektromagneten (12) aktivierbar oder deaktivierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Hinterachslenkung mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Spindelantrieb, welcher eine ein Spindelgewinde und eine Spindelachse aufweisende Spindel und eine ein Muttergewinde aufweisende Spindelmutter umfasst, wobei das Spindelgewinde und das Muttergewinde miteinander in Eingriff stehen, die Spindelmutter in Drehrichtung antreibbar und die Spindel in Richtung der Spindelachse verschiebbar und wobei eine Brems- und/oder Festsstelleinrichtung vorgesehen ist, welche in Eingriff oder außer Eingriff mit der Spindel gebracht werden kann.
Aktuatoren für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges sind bekannt, z. B. durch die DE 10 2014 2006 934 A1 als zentral angeordnete, zweifach wirkende Steller oder durch die DE 10 2013 107 827 A1 als einfach wirkende Steller, auch Einzelsteller genannt.
Ein Problem, welches bei Spindelantrieben mit einem Bewegungsgewinde, insbesondere mit einem Trapezgewinde auftritt, ist ein Axialspiel zwischen den Flanken des Spindelgewindes und des Muttergewindes und/oder ein Radialspiel durch Verschiebung der Achsen von Spindel- und Muttergewinde.
In der älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2016 212 396.3 wurde dieses Problem durch eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung gelöst, welche in Eingriff oder außer Eingriff mit der Spindel gebracht werden kann und durch Piezo-Elemente aktivierbar oder deaktivierbar ist. Dabei wird die zum Bremsen oder Feststellen der Spindel erforderliche Kraft durch die Piezo-Elemente aufgebracht.
Die Erfindung bezweckt eine weitere Verbesserung der Spielminimierung bei einem Spindelantrieb mit Bewegungsgewinde.
Die Erfindung umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungemäß ist vorgesehen, dass die Brems- und/oder Feststelleinrichtung, im Folgenden auch kurz Einrichtung genannt, durch einen Elektromagneten aktivierbar oder deaktivierbar ist, d. h. die Brems- und/oder Feststellwirkung in Bezug auf die Spindel wird durch Bestromung oder Abschalten der Bestromung des Elektromagneten erreicht. Der für diesen Zweck benötigte Elektromagnet, auch Hubmagnet genannt, ist ein handelsübliches, robustes Bauteil und kann in dem vorhandenen Bauraum des Aktuators verbaut werden. Der Elektromagnet bringt die erforderliche Kraft zum Abbremsen oder Festellen der Spindel auf. Damit wird das Flankenspiel zwischen Spindelgewinde und Muttergewinde weitestgehend beseitigt, und zwar im nicht aktivierten Zustand des Aktuators. Soll der Aktuator dagegen eine Stellbewegung ausführen, was durch einen Antrieb der Spindelmutter und eine Axialverschiebung der Spindel erfolgt, so wird der Elektromagnet deaktiviert und die Bremswirkung auf die Spindel aufgehoben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Elektromagnet eine Spule mit einer Spulenachse und einen in Richtung der Spulenachse innerhalb der Spule verschiebbaren Tauchanker auf, wobei die Spulenachse senkrecht zur Spindelachse angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Elektromagneten wird einseitig eine Radialkraft oder Querkraft auf die Spindel ausgeübt, die jedoch ausreichend für ein Abbremsen oder Feststellen der Spindel ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Tauchanker mit einem Betätigungsglied verbunden, welches zwischen Tauchanker und Spindel angeordnet ist. Das Betätigungsglied stellt somit eine mechanische Verlängerung des Tauchankers in Richtung Spindel dar und überbrückt den Abstand zwischen Tauchanker und Spindelumfang. Das Betätigungsglied kann - im Gegensatz zum Tauchanker - aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt sein, welches an den Verwendungszweck angepasst ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist am freien Ende des Betätigungsgliedes, d. h. dem der Spindel zugewandten Ende ein Reibelement angeordnet, welches beispielsweise aus Teflon hergestellt sein kann. Das Reibelement bildet bei Aktivierung des Elektromagneten, d. h. bei seiner Bestromung einen reibschlüssigen Kontakt mit der Oberfläche der Spindel, bremst somit die Bewegung der Spindel in Axialrichtung und übt eine Radialkraft auf die Spindel aus, welche zu einer Reduzierung des Radialspiels führt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromagnet innerhalb des Gehäuses des Aktuators aufgenommen, so dass die bei der Aktivierung des Magneten, d. h. der Bewegung des Tauchankers in Richtung der Spulenachse auftretenden Reaktionskräfte in das Gehäuse des Aktuators eingeleitet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Spindel in einem gehäuseseitigen Gleitlager geführt, und der Elektromotor sowie die Spulenachse sind im Zwischenraum zwischen dem Gleitlager und der Spindelmutter angeordnet. Damit wird dieser Bauraum für die Unterbringung des Elektromagneten respektive der Brems- und/oder Feststelleinrichtung genutzt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Aktuator als Einzelsteller oder mit anderen Worten einfach wirkender Steller ausgebildet, welcher bei einer Stellbewegung der Spindel nur auf ein Hinterrad der Hinterachse wirkt. Der Einzelsteller ist über ein gehäuseseitiges Lager am Fahrzeug abgestützt, während die Spindel über ein Verbindungsstück mit einem Spurlenker des Hinterrades verbunden ist. Alternativ ist der Aktuator als Zentralsteller ausgebildet, welcher beide Räder einer Hinterachse zugeordnet ist und diese zu lenken vermag. Der Zentralsteller ist ebenfalls am Fahrzeug abgestützt, jedoch ist dessen Spindel gleichzeitig mit Spurlenker bzw. Radträgern beider Räder einer Achse verbunden, so dass beide Räder gleichzeitig gelenkt werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

1 einen Ausschnitt eines Aktuator mit einer erfindungsgemäßen Brems- und/oder Feststelleinrichtung mittels eines Elektromagneten,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung mittels eines MRE-Elements und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung mit einem koaxial zur Spindelachse angeordneten Elektromagneten.

1 zeigt einen teilweise dargestellten Aktuator 1, ausgebildet als Einzelsteller 1, welcher vorzugsweise für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist. Der Aktuator 1 weist ein Gehäuse 2 auf mit einem Spindelantrieb 3, umfassend eine Spindel 4 mit einer Spindelachse a und eine drehbar im Gehäuse 2 gelagerte Spindelmutter 5, welche von einem Elektromotor 6 über einen Zugmitteltrieb 7 antreibbar ist. Die Spindel 4 weist ein Spindelgewinde 4a und die Spindelmutter 5 ein Muttergewinde 5a auf, welches mit dem Spindelgewinde 4a in Eingriff steht. Der Aktuator 1 ist über ein als Gummilager 8 ausgebildetes Lager 8 gegenüber dem nicht dargestellten Fahrzeug, z. B. einem Hilfsrahmen abgestützt. Die Spindel 4 ist gegenüber dem Gehäuse 2 über ein Gleitlager 9 abgestützt und geführt. Das äußere Ende der Spindel 4 ist mit einem Verbindungsglied 10, ausgebildet als Aufschraubzapfen 10, verbunden, welcher seinerseits mit einem beweglichen Teil eines nicht dargestellten Fahrwerks, insbesondere einem Spurlenker und/oder einem Radträger verbunden werden kann.
Erfindungsgemäß ist innerhalb des Gehäuses 2 des Aktuators 1 eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung 11, im Folgenden auch kurz Einrichtung 11 genannt, angeordnet, welche einen Elektromagneten 12, umfassend eine Spule 12a und einen Tauchanker 12b, aufweist. Der Elektromagnet 12, der fest im Gehäuse 2 angeordnet und als Hubmagnet ausgebildet ist, weist eine Spulenachse b auf, welche senkrecht zur Spindelachse a angeordnet ist, d. h. der Tauchanker 12b bewegt sich in Richtung der Spulenachse b. Der Tauchanker 12b ist stirnseitig mit einem Betätigungsglied 13, ausgebildet als Stift oder Stößel 13, verbunden, an dessen äußerem Stirnende ein Reibelement 14, vorzugsweise aus Teflon befestigt ist. Das Reibelement 14 bildet bedarfsweise mit der Oberfläche der Spindel 4 einen Reibkontakt, d. h. eine Reibpaarung. Die daraus resultierende Reib- oder Haltekraft ergibt sich aus der in radialer Richtung, d. h. in Richtung der Spulenachse b wirkenden Magnetkraft (Anpresskraft) und dem Reibwert der Reibpaarung zwischen dem Reibelement 14 und der Oberfläche der Spindel 4. Der Tauchanker 12b und das Betätigungsglied 13 können auch einstückig ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 14 wirkt folgendermaßen: Bei nicht aktiviertem Aktuator 1, d. h. bei stehender Spindel 4 wird der Elektromagnet 12 bestromt, und der Tauchanker 12a wird in Richtung auf die Spindel 4 verschoben. Dabei kommt das Reibelement 14 in Kontakt mit der Oberfläche der Spindel 4 und übt auf diese eine Radial- oder Querkraft aus, was zur Folge hat, dass ein Radialspiel zwischen Spindelgewinde 4a und Muttergewinde 5a minimiert wird. Die aus der Anpresskraft resultierende Reibkraft wirkt ferner als Haltekraft und verhindert eine Axialbewegung der Spindel, wodurch ein Axialspiel zwischen Spindelgewinde 4a und Muttergewinde 5a gedämpft wird. Die Reibungskraft wirkt somit als Dämpfungskraft. Soll eine Stellbewegung des Aktuators 1 eingeleitet werden, wird die Spindelmutter 5 in Drehung versetzt, und die Spindel 4, welche an einer Verdrehung gehindert ist, führt eine Axialbewegung aus. In diesem Falle wird der reibschlüssige Kontakt gelöst, indem die Bestromung des Elektromagneten 12 abgeschaltet und der Tauchanker 12a, z.B. durch eine nicht dargestellte Rückstellfeder nach oben, d. h. weg von der Spindel 4 bewegt wird. Damit erfährt die Spindel 4 keinen zusätzlichen Widerstand mehr.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Aktuator 20, der eine alternative Brems- und/oder Feststelleinrichtung 21, im Folgenden auch kurz Einrichtung 21 genannt, aufweist. Gleiche Teile des Aktuators 20 und des Aktuators 1 gemäß 1 sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Man erkennt, dass der Grundaufbau des Aktuators 20 der gleiche wie der des Aktuators 1 ist. Die Einrichtung 21 umfasst einen gehäusefest angeordneten Elektromagneten 22 mit einer koaxial zur Achse a der Spindel 4 angeordneten Spule 22a. An den Stirnseiten der Spule 22a sind ringförmige Reib- oder Bremselemente 23, 24 angeordnet, welche aus einem magnetorheologischen Elastomer, kurz MRE, bestehen. MRE-Elemente sind durch den Stand der Technik bekannt, z. B. durch die WO 2013/064621 A1 , welche eine adaptive Feststell- und Lösevorrichtung und deren Verwendung zum gesteuerten Blockieren bzw. Freigeben beweglicher Bauteile offenbart. Die Druckschrift zeigt in einer ersten Ausgestaltung eine Feststell- und Lösevorrichtung, die auf einem kraftschlüssigen Prinzip beruht: Ringförmig ausgebildete Formkörper aus einem MRE sind stirnseitig von einer Spule angeordnet, welche von einer Stange durchsetzt wird. Bei Bestromung der Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, welches die MRE-Formkörper durchdringt und dadurch eine Vergrößerung des Volumens, insbesondere des Durchmessers bewirkt. Diese Durchmesservergrößerung wird zum Abbremsen einer Bewegung der Stange benutzt. Auf dem gleichen Prinzip beruht die Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung 21 und der Reib- oder MRE-Elemente 23, 24, welche bei Bestromung der Spule 22a sich in ihrem Innendurchmesser derart verringern, dass sie in Kontakt mit dem Umfang der Spindel 4 kommen und diese abbremsen. Die Brems- oder Haltefunktion der Einrichtung 21 ist in 2 dargestellt, d. h. 2 zeigt die Spindel 4 abgebremst. Der Vorgang ist reversibel, d. h. bei Abschaltung der Bestromung ziehen sich die MRE-Elemente 23, 24 wieder zusammen, d. h. sie vergrößern ihren Innendurchmesser und geben damit die Bewegung der Spindel 4 frei. Das Abbremsen der Spindel erfolgt - wie im vorherigen Ausführungsbeispiel gemäß 1 - bei nicht aktiviertem Aktuator 20, d. h. bei fest stehender Spindel 4. Damit wird ein Axialspiel zwischen Spindelgewinde 4a und Muttergewinde 5a vermieden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Aktuator 30, bei welchem gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen wie in 1 und 2 bezeichnet sind. Der Aktuator 30 weist eine alternative Brems- und/oder Feststellenrichtung 31 auf, welche einen gehäusefest angeordneten Elektromagneten 32 mit einer koaxial zur Achse a der Spindel 4 angeordneten Spule 32a aufweist, welche von der Spindel 4 durchsetzt wird. Auf einer Stirnseite der Spule 32a ist eine ringförmige Ankerplatte 33 angeordnet, welche fest mit der Spindel 4 verbunden ist und gegenüber der Stirnseite der Spule 32a bei nicht bestromter Spule einen Luftspalt bildet. Bei Bestromung der Spule 32a wird die Ankerplatte 33 in axiale Richtung, dargestellt durch die Pfeile P, in Richtung auf die Spule 32a bewegt, d. h. vom Magnetfeld der Spule 32a angezogen. Mit der Ankerplatte 33 wird die Spindel 4 in dieselbe Richtung bewegt, so dass ein Axialspiel zwischen Spindelgewinde 4a und Muttergewinde 5a durch Verklemmen unterbunden wird.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Gehäuse
3: Spindelantrieb
4: Spindel
4a: Spindelgewinde
5: Spindelmutter
5a: Muttergewinde
6: Elektromotor
7: Zugmitteltrieb
8: Gummilager
9: Gleitlager
10: Einschraubzapfen
11: Brems- und/oder Feststelleinrichtung
12: Elektromagnet
12a: Spule
12b: Tauchanker
13: Betätigungsglied
14: Reibelement
20: Aktuator
21: Brems- und/oder Feststelleinrichtung
22: Elektromagnet
22a: Spule
23: erstes MRE-Element
24: zweites MRE-Element
30: Aktuator
31: Brems- und/oder Feststelleinrichtung
32: Elektromagnet
32a: Spule
33: Ankerplatte
a: Spindelachse
b: Spulenachse
P: Anzugsrichtung

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 1020142006934 A1 [0002]
DE 102013107827 A1 [0002]
WO 2013/064621 A1 [0018]

Claims

Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs mit einem in einem Gehäuse (2) aufgenommenen Spindelantrieb (3), welcher eine ein Spindelgewinde (4a) und eine Spindelachse (a) aufweisende Spindel (4) und eine ein Muttergewinde (5a) aufweisende Spindelmutter (5) umfasst, wobei das Spindelgewinde (4a) und das Muttergewinde (5a) miteinander in Eingriff stehen, die Spindelmutter (5) in Drehrichtung antreibbar und die Spindel (4) in Richtung der Spindelachse (a) verschiebbar ist und wobei eine Brems- und/oder Feststelleinrichtung (11) vorgesehen ist, welche in Eingriff oder außer Eingriff mit der Spindel (4) gebracht werden kann und durch einen Elektromagneten (12) aktivierbar oder deaktivierbar ist.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (12) eine Spule (12a) mit einer Spulenachse (b) und einen in Richtung der Spulenachse (b) verschiebbaren Tauchanker (12b) aufweist, und dass die Spulenachse (b) senkrecht zur Spindelachse (a) angeordnet ist.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Tauchanker (12b) ein Betätigungsglied (13) verbunden ist, welches in Richtung der Spulenachse (b) zustellbar ist.
Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des Betätigungsgliedes (13) ein Reibelement (14) angeordnet ist, welches bei Aktivierung des Elektromagneten (12) einen reibschlüssigen Kontakt mit der Oberfläche der Spindel (4) bildet.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (12) innerhalb des Gehäuses (2) des Aktuators (1) angeordnet ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (4) in einem gehäuseseitigen Gleitlager (9) geführt ist und dass der Elektromagnet (12) und die Spulenachse (b) zwischen dem Gleitlager (9) und der Spindelmutter (5) angeordnet sind.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als Einzelsteller (1) ausgebildet und einem Hinterrad der Hinterachse zugeordnet ist oder als Zentralsteller ausgebildet ist, welcher beide Räder einer Hinterachse zugeordnet ist.