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Die Erfindung betrifft einen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Verwendung des Aktuators.
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Durch die
DE 10 2014 206 934 A1 wurde ein Stellmotor, auch Aktuator oder kurz Steller genannt, für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges bekannt. Der Aktuator ist mittig am Achsträger des Kraftfahrzeuges befestigt und wirkt gleichzeitig auf die Lenkung der beiden Hinterräder. Der Aktuator weist einen Spindelantrieb, bestehend aus Spindel und Spindelmutter, auf, welche drehbar im Gehäuse gelagert und axial fixiert ist. Die Spindelmutter wird über einen Elektromotor angetrieben und bewirkt eine Axialverschiebung der Spindel nach der einen oder anderen Seite. Die Spindel weist einen etwa mittig angeordneten Gewindeabschnitt mit einem Bewegungsgewinde, welches in Eingriff mit der Spindelmutter steht, sowie zwei konisch ausgebildete Spindelenden auf, welche jeweils über eine Gewindehülse mit einer Lagerhülse verbunden sind, die ihrerseits gleitend im Gehäuse geführt sind. An den Lagerhülsen, im Folgenden auch Lagerzapfen genannt, sind Gelenkgabeln für eine Verbindung mit einem Lenkgestänge angeordnet. Ein Problem bei derartigen Aktuatoren kann dann auftreten, wenn Querkräfte auf die Gelenkgabeln und damit auch auf die Lagerzapfen wirken, wobei die Querkräfte Biegemomente auf die Spindel ausüben können, so dass es für die Spindel zu einer erhöhten Beanspruchung kommt.
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In der
DE 10 2016 200 101 A1 wurde zur Lösung des vorgenannten Problems bereits vorgeschlagen, dass die Spindel, die direkt mit dem Lagerzapfen verbunden ist, zur Verminderung von Biegebeanspruchungen einen biegeweichen Abschnitt aufweist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Aktuator einer Lenkung bzw. den Spindelantrieb, insbesondere die Spindel und deren Anbindung an die Gelenkgabel beanspruchungsgerechter zu gestalten.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Aktuator eine Lenkung, ein Gehäuse sowie einen im Gehäuse angeordneten Spindelantrieb auf. Der Spindelantrieb weist eine mit einer Spindelmutter in Eingriff stehende Spindel mit mindestens einem Befestigungsende auf. Des Weiteren mindestens einen verschiebbar im Gehäuse angeordneten Lagerzapfen, der mit dem mindestens einen Befestigungsende der Spindel verbunden ist. Mindestens ein Gelenkverbindungsstück ist vorgesehen, welches außerhalb des Gehäuses angeordnet und mit dem mindestens einen Lagerzapfen verbunden ist, wobei innerhalb des Lagerzapfens, welcher hohl ausgebildet ist, ein Verbindungsglied angeordnet ist, welches einerseits mit der Spindel und andererseits mit dem Gelenkverbindungsstück verbunden ist. Die Spindel ist somit nicht - wie beim Stand der Technik - über den Lagerzapfen mit dem Gelenkverbindungsstück, insbesondere einer Gelenkgabel verbunden, sondern mittelbar über das Verbindungsglied, welches beanspruchungsgerecht gestaltet werden kann. Insbesondere kann das Verbindungsglied hinsichtlich seiner konstruktiven Ausbildung an erhöhte Biegebeanspruchungen angepasst werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsglied einen biegeweichen Bereich auf, welcher vorzugsweise als Querschnittsverengung oder Einschnürung ausgebildet ist. Es ergibt sich somit für das Verbindungsglied, welches gegenüber dem Stand der Technik ein zusätzliches Bauteil darstellt, eine „Soll-Biegestelle“, in welcher bei Auftreten von Biegemomenten, welche über die Gelenkgabel eingeleitet werden, eine Biegung zugelassen wird. Dadurch werden die Beanspruchungen, insbesondere im Randfaserbereich reduziert, wodurch auch die Lebensdauer des Verbindungsgliedes erhöht wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Querschnittsverengung als Ringnut, vorzugsweise mit einer Halbkreisform ausgebildet, wodurch der Querschnitt kontinuierlich verringert wird und Spannungsspitzen vermieden werden. Eine solche Ringnut kann z.B. durch Umformen mittels eines Rundprofils hergestellt werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lagerzapfen topfförmig ausgebildet, d. h. er weist einen Boden und einen zylindrischen Mantel auf und ist an der dem Boden gegenüberliegenden Seite offen. Von der offenen Seite her kann das Verbindungsglied in den Mantel eingesetzt werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Boden einen Durchbruch oder eine Durchgangsbohrung auf, in welcher die Spindel, vorzugsweise mit einem Presssitz aufgenommen ist. Die Spindel durchsetzt den Durchbruch und ragt mit ihrem ein Gewinde aufweisenden Befestigungsende in den Hohlraum des Lagerzapfens hinein.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsglied ein erstes Gewindesackloch auf, in welches das Befestigungsende der Spindel eingeschraubt ist. Damit ist eine feste Verbindung zwischen der Spindel und dem Verbindungsglied hergestellt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsglied, koaxial zum ersten Gewindesackloch, ein zweites Gewindesackloch, auf, in welches ein Befestigungsbolzen einschraubbar ist, welcher das Gelenkverbindungsstück mit dem Verbindungsglied verbindet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Gewindesackloch einen Ringflansch auf, d. h. eine etwa kreisringförmige ebene Auflagefläche, welche mit einer entsprechenden Auflagefläche des Gelenkverbindungsstücks verspannt ist. Diese Verbindung zwischen Ringflansch und Gelenkverbindungsstück respektive Gelenkgabel mittels des Befestigungsbolzens ist derart ausgebildet, dass nicht nur Zug- und Druckkräfte in axialer Richtung, sondern insbesondere auch Biegemomente übertragen werden können. Die Biegemomente resultieren aus der Krafteinleitung über das Gelenkverbindungsstück, vorzugsweise durch eine Gelenkgabel, die mit einem Lenkgestänge verbunden ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Verbindungsglied und dem Gelenkverbindungsstück einerseits und dem Mantel des Lagerzapfens andererseits ein Spiel sowohl in radialer als auch in axialer Richtung belassen. Damit wird erreicht, dass das von der Gelenkgabel ausgehende Biegemoment ausschließlich in das Verbindungsglied, und nicht in den Mantel des Lagerzapfens eingeleitet wird, der somit nicht auf Biegung beansprucht wird. Das Verbindungsglied einschließlich Gelenkverbindungsstück und der Mantel des Lagerzapfens sind also bezüglich der Biegebeanspruchung entkoppelt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lagerzapfen, insbesondere dessen Mantel biegesteif ausgebildet. Damit wird erreicht, dass zwischen dem Außenumfang des Lagerzapfens, welcher in einem Gleitlager des Gehäuses geführt wird, ein konstantes Lagerspiel aufrechterhalten wird und keine Klemmung eintritt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Spindel im Bereich zwischen dem Boden des Lagerzapfens und dem Verbindungsglied respektive ihrem eingeschraubten Befestigungsende eine Kerbe oder leichte Querschnittsverengung auf, wodurch eine weitere biegeweiche Stelle, allerdings in der Spindel geschaffen wird. In diesem Bereich wird also ebenfalls eine kontrollierte Biegung zugelassen, um damit die Beanspruchungen zu reduzieren.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der vorgenannte Aktuator einer Lenkung bevorzugt in einer steer-by-wire-Lenkung, vorzugsweise in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges verwendet. Da die Hinterachslenkung im Kraftfahrzeug ein sicherheitsrelevantes System darstellt, wirken sich eine erhöhte Bruchsicherheit und eine verlängerte Lebensdauer von Spindel und Verbindungsglied besonders vorteilhaft aus. Steer-by-wire-Lenkungen werden bevorzugt elektromechanisch betrieben und haben keine direkte bzw. unmittelbare mechanische Verbindung zum Lenkrad des Fahrers. Die Lenkung wird über einen oder mehrere Aktuatoren ermöglicht, welche aufgrund elektrischer Steuersignale die Lenkbewegung erzeugen. Da das Lenken quasi über ein Kabel erfolgt wird von steer-by-wire gesprochen. Eine fehlerfreie Funktion des Aktuators der Lenkung ist daher über die gesamte Fahrzeuglebensdauer zu gewährleisten. Der Begriff Kabel ist in diesem Zusammenhang lediglich als ein Synonym zu verstehen, da die Lenk- bzw. Steuersignale auch über ein Bussystem, wie z.B. CAN-Bus, oder zumindest zum Teil auch drahtlos übertragen werden können.
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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 für ein Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik und
- 2 eine erfindungsgemäße Anordnung von Spindel, Lagerzapfen und Gelenkgabel eines Aktuators.
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1 zeigt einen bekannten Aktuator 1, auch Stellmotor 1 genannt, mit einem Gehäuse 2, welches an einem Achsträger eines Kraftfahrzeuges befestigt ist und zwei diametral zueinander angeordnete Gelenkgabeln 3, 4, allgemein auch als Gelenkverbindungsstücke 3, 4 bezeichnet, zur Verbindung mit nicht dargestellten Spurlenkern aufweist. Der Aktuator 1 umfasst einen Spindelantrieb mit einer axial verschiebbaren Spindel 5, welche über eine Spindelmutter 6 von einem Elektromotor 7 antreibbar, d. h. verstellbar ist. Die Spindel 5 weist im Bereich der Spindelmutter 6 ein als Trapezgewinde ausgebildetes, selbsthemmendes Bewegungsgewinde 5a auf, welches mit einem entsprechenden Innengewinde 6a der Spindelmutter 6 in Eingriff steht. Bei Rotation der Spindelmutter 6 führt die Spindel 5, welche auf nicht dargestellte Weise am Verdrehen gehindert ist, eine Axialbewegung (in der Zeichnung) nach rechts oder links aus. Die Spindel 5 weist zwei entgegengesetzte Spindel- oder Befestigungsenden 8, 9 auf, welche ihrerseits fest mit Lagerzapfen 10, 11 verbunden sind. Die Lagerzapfen 10, 11 sind gehäuseseitig in Gleitlagern 12, 13 geführt und mittels Schraubbolzen 14, 15 mit den beiden Gelenkgabeln 3, 4 verbunden.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Lagerzapfen 110 für einen Aktuator einer Hinterachslenkung für ein Kraftfahrzeug. Gleiche oder analoge Teile in 2 sind mit gleichen, jedoch um 100 erhöhten Bezugszahlen wie in 1 bezeichnet. Der Lagerzapfen 110 ist topfförmig ausgebildet und weist einen Topfboden 110a, im Folgenden kurz Boden 110a genannt, sowie einen zylindrischen Mantel 110b auf, welcher einen Innen- oder Hohlraum 116 aufweist und in einem gehäuseseitigen Gleitlager 112 geführt ist. Im Boden 110a ist ein Durchbruch 117 angeordnet, welcher von einer Spindel 105 durchsetzt wird. Die Spindel 105 weist ein Befestigungsende 108 mit einem Gewinde 108a auf. Ein als Gelenkgabel 104 ausgebildetes Gelenkverbindungsstück 104 ist teilweise, d. h. in seinem Befestigungsbereich dargestellt - die Gelenkgabel 104 bildet den Anschluss an ein nicht dargestelltes Lenkgestänge für ein Hinterrad des Kraftfahrzeuges. Die Gelenkgabel 104 weist eine Durchgangsbohrung 104a auf, welche von einem Befestigungsbolzen 114 durchsetzt wird.
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Innerhalb des Hohlraumes 116 ist ein Verbindungsglied 118 angeordnet, welches in koaxialer Anordnung ein erstes Gewindesackloch 119 und auf dem entgegengesetzten Ende ein zweites Gewindesackloch 120 aufweist. Das Verbindungsglied 118 weist an seinem stirnseitigen Ende im Bereich des zweiten Gewindesackloches 120 einen Ringflansch 121 mit einer etwa kreisringförmig ausgebildeten Auflagefläche 121a auf. Zwischen der ersten Sacklochbohrung 119 und dem zweiten Gewindesackloch 120 weist das Verbindungsglied 118 einen biegeweichen Bereich 122 auf, welcher gegenüber den benachbarten Bereichen einen verminderten Durchmesser und ein vermindertes Flächenträgheitsmoment aufweist. Der biegeweiche Bereich 122 ist als Einschnürung oder umlaufende Kerbe mit einem etwa halbkreisförmigen Profil ausgebildet, so dass eine allmähliche Durchmesserverringerung erreicht wird. Das Verbindungsglied 118 ist einerseits mit dem Befestigungsende 108 der Spindel 105 und andererseits mittels des Befestigungsbolzens 114 mit der Gelenkgabel 104 verbunden. Dabei ist der Befestigungsbereich 108 in das erste Gewindesackloch 119 eingeschraubt. Die Spindel 105 ist in der Durchgangsbohrung 117 des Bodens 110a bevorzugt mit einem Presssitz aufgenommen, sodass zwischen Spindel 105 und Lagerzapfen 110 ein Reib- oder Kraftschluss besteht. Zwischen dem Boden 110a und dem Gewinde 108a weist die Spindel 105 eine umlaufende, gerundete Kerbe 105a auf, welche als biegeweiche Stelle wirkt. Die Gelenkgabel 104 ist über den Schraubbolzen 114 mit der Auflagefläche 121a des Ringflansches 121 fest verspannt, so dass sich eine biegesteife Verbindung ergibt. Gleichzeitig ist zwischen dem Ringflansch 121 und dem Mantel 110b ein Radialspiel s1 sowie zwischen der Stirnseite des Mantels 110b und der Gelenkgabel 104 ein Axialspiel s2 belassen. Das Radialspiel s1 und das Axialspiel s2 haben die Wirkung, dass von der Gelenkgabel 104 eingeleitete Biegemomente ausschließlich über den Ringflansch 121 in das Verbindungsglied 118 übertragen und dort abgebaut werden, insbesondere in dem biegeweichen Bereich 122 und - auch in geringerem Maße in der Kerbe 105a der Spindel 105. Der Mantel 110b, der vorzugsweise biegesteif ausgebildet ist, ist somit bezüglich einer Biegebeanspruchung vom Verbindungsglied 118 entkoppelt, so dass zwischen dem Außenumfang des Mantels 110b und dem gehäuseseitigen Gleitlager 112 keine Verkippung oder Verklemmung auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Gehäuse
- 3
- Gelenkgabel
- 4
- Gelenkgabel
- 5
- Spindel
- 5a
- Trapezgewinde
- 6
- Spindelmutter
- 6a
- Trapezgewinde
- 7
- Elektromotor
- 8
- Spindelende
- 9
- Spindelende
- 10
- Lagerzapfen
- 11
- Lagerzapfen
- 12
- Gleitlager
- 13
- Gleitlager
- 14
- Schraubbolzen
- 15
- Schraubbolzen
- 104
- Gelenkgabel
- 104a
- Durchgangsbohrung
- 105
- Spindel
- 105a
- Kerbe
- 108
- Befestigungsende
- 108a
- Gewinde
- 110
- Lagerzapfen
- 110a
- Boden
- 110b
- Mantel
- 112
- Gleitlager
- 114
- Schraubbolzen
- 116
- Hohlraum
- 117
- Durchbruch
- 118
- Verbindungsglied
- 119
- erstes Gewindesackloch
- 120
- zweites Gewindesackloch
- 121
- Ringflansch
- 121a
- Auflagefläche
- 122
- biegeweicher Bereich
- s1
- Radialspiel
- s2
- Axialspiel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206934 A1 [0002]
- DE 102016200101 A1 [0003]
