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Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb sowie einen Aktuator nach den unabhängigen Patentansprüchen.
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Durch die
DE 10 2015 224 781 A1 wurde ein Spindelantrieb und ein Aktuator mit einem solchen Spindelantrieb bekannt, wobei der Spindelantrieb eine Spindel mit Spindelgewinde sowie eine Mutter mit Muttergewinde aufweist, welches mit dem Spindelgewinde in Eingriff steht. Die Spindelmutter ist in Drehrichtung antreibbar und in einem Aktuatorgehäuse gelagert, während die Spindel axial verschiebbar ist und als Stellglied des Aktuators wirkt. Das Spindel- und Muttergewinde ist als Bewegungsgewinde, vorzugsweise als Trapezgewinde ausgebildet und wird durch einen Schmierstoff, welcher innerhalb der Spindelmutter deponierbar ist, geschmiert. Insbesondere bei Verwendung des Spindelantriebes in einem Aktuator, welcher ein geschlossenes Gehäuse aufweist, ist es wichtig, dass der Schmierstoff innerhalb der Spindelmutter, d. h. im Bereich des Muttergewindes verbleibt und nicht infolge der ständigen Axialbewegung der Spindel nach außen austritt. Hierfür ist ein Abstreifelement vorgesehen, welches als Filzabstreifer ausgebildet ist. Das Abstreifelement weist einen Filzkörper in einem Gehäuse auf, welches in einer Bohrung der Spindelmutter aufgenommen und verpresst ist. Die innere Oberfläche des Filzkörpers befindet sich in Eingriff mit dem Spindelgewinde, so dass ein Abstreifeffekt und damit eine Dichtwirkung erzielt werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass weitere Potenziale in Bezug auf die Schmierung eines Spindelantriebes ausgeschöpft werden.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Spindelantrieb für einen Aktuator einer Lenkung, umfasst eine ein Spindelgewinde aufweisende Spindel und eine ein Muttergewinde aufweisende Spindelmutter, wobei das Spindelgewinde und das Muttergewinde als Bewegungsgewinde ausgebildet sind. Die in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter ist ortsfest gelagert. Mit der axial verschiebbaren Spindel steht die Spindelmutter über das Bewegungsgewinde in Eingriff, wobei zwischen der Spindelmutter und dem Spindelgewinde mindestens ein Abstreifelement angeordnet ist
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Spindelantrieb für einen vorzugsweise elektromotorisch betriebenen Aktuator einer Lenkung, vorzugsweise einer Steer-by-wire-Lenkung, höchst vorzugsweise einer Hinterachslenkung, vorgesehen, dass im Bereich der Stirnseiten der Spindelmutter jeweils eine Ringnut zur Aufnahme und Fixierung eines Abstreifelements angeordnet ist. Zwischen der Ringnut und der benachbarten Stirnseite ist an zumindest einer Stirnseite ein konischer Abschnitt angeordnet, dessen Durchmesser sich in Richtung des axial äußeren Endes der Stirnseite vergrößert. Die Ringnut ist, vorzugsweise durch Span gebende Bearbeitung, in die Spindelmutter eingearbeitet. Der konische Abschnitt bildet einen Einführkonus als Montagehilfe für das Einführen und Einsetzen des Abstreifelements, welches von der Stirnseite her über den Einführkonus in axialer Richtung bei gleichzeitiger temporärer radialer Stauchung in die Ringnut gepresst wird. Das Abstreifelement ist damit in der Ringnut fixiert, d. h. es sind keine weiteren Fixiermittel, z. B. ein Stützring oder ein Dichtungsgehäuse erforderlich.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ringnut einen rechteck- oder U-förmigen Querschnitt auf, welcher durch einen zylindrischen Nutgrund sowie eine erste und eine zweite Nutflanke gebildet wird. Die beiden Nutflanken sind planparallel zueinander angeordnet. Eine derartige Nutgeometrie ist kostengünstig, z.B. Span gebend herstellbar.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das als Abstreifring ausgebildete Abstreifelement einen Grundkörper mit einem rechteckförmigen Querschnitt auf, welcher an den rechteckförmigen Querschnitt der Ringnut angepasst ist. Damit wird erreicht, dass der Grundkörper den Querschnitt der Ringnut, bevorzugt vollständig, ausfüllt.
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Nacheiner weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet der Abstreifring mit der Ringnut drei Kontakt- oder Anlageflächen, nämlich in radialer Richtung einen zylindrischen Sitz auf dem Nutgrund und in axialer Richtung zwei planparallele Anlageflächen an den beiden Nutflanken. Damit ist eine hinreichende Fixierung des Abstreifringes in der Ringnut ohne weitere Stütz- oder Befestigungsmittel sichergestellt. Insbesondere wird durch die als Reibflächen wirkenden Kontaktflächen auch ein Verdrehen des Abstreifringes in der Ringnut verhindert.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die beiden Nutflanken unterschiedliche Höhen über dem Nutgrund respektive unterschiedliche Innendurchmesser auf, wobei die äußere Nutflanke, an welche sich der konische Abschnitt anschließt, die geringere Höhe respektive den größeren Innendurchmesser aufweist. Die Dimensionierung ist vom Nutdurchmesser und der Verformbarkeit des Materials des Abstreifringes abhängig, da dieser beim Einführen über den Einführkonus in radialer Richtung so weit gestaucht wird, dass er problemlos über die äußere Nutflanke hinaus geschoben werden kann, um sich anschließend wieder auf den Durchmesser des Nutgrundes auszudehnen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Abstreifelement mindestens eine radial einwärts ragende Dicht- oder Abstreifkante auf, welche in Eingriff mit dem Spindelgewinde steht und damit eine Abstreiffunktion, d. h. das Abstreifen von am Spindelgewinde anhaftendem Schmierfett ausübt. Die Dichtkante kann umlaufend oder schraubenförmig, d. h. in Form eines oder mehrerer Gewindegänge ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Abstreifkante drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Segmente deren Sehnen als partielle Abstreifkanten in das Spindelgewinde, vorzugsweise bis auf dessen Kerndurchmesser eingreifen und so einen Abstreifeffekt erzielen. Die Sehnen können geradlinig oder als Kreissegmente ausgeführt sein. Die Sehnen stehen zumindest in Punktkontakt mit dem Gewinde der Spindel. Bevorzugt stehen die Sehnen in Linienkontakt mit dem Gewindegrund, anders Gewindefußkreis genannt. Damit ist ein vorteilhaftes Abstreifen von Schmierfett ermöglicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Abstreifelement aus einem flexiblen Material, bevorzugt aus einem Elastomer oder einem Gummi herstellbar. Damit ist die Möglichkeit einer Stauchung beim Einsetzen des Abstreifelementselements, d. h. einer Verringerung des Außendurchmessers zur Überwindung der äußeren Nutflanke möglich. Gleichzeitig ist die Elastizität des Materials beim Eingriff in das Spindelgewinde zur Erzielung eines optimalen Abstreifeffekts von Vorteil. Besonders bevorzugt ist das Abstreifelement aus einem thermoplastischen Polyurethan (TPU) herstellbar. Dieses Kunststoffmaterial hat einerseits eine hinreichende Festigkeit, um den Sitz des Abstreifringes innerhalb der Ringnut dauerhaft aufrechtzuerhalten und andererseits die erforderliche Elastizität, Verformbarkeit und Gleiteigenschaften, um eine optimale Dicht- und Abstreifwirkung zu erzielen. Darüber hinaus ist TPU spritzfähig und weist eine gute Formstabilität auf, d. h. der Abstreifring ist als Spritzgussteil herstellbar, was Kostenvorteile erbringt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung dient der Spindelantrieb als Antrieb eines Aktuators für eine Lenkung, vorzugsweise eine Hinterrad- oder Hinterachslenkung, d. h. eines Stellmotors mit mindestens einem axial verschiebbaren Stellglied, welches durch die Spindel verstellt wird. Derartige Aktuatoren sind über ihre Lebensdauer mit einem Schmierstoff versehen und daher wartungsfrei. Sie können zumeist nicht zu Reparatur- oder Wartungszwecken geöffnet werden - daher muss eine dauerhafte Schmierung des Spindelantriebes sichergestellt sein. Dies wird durch das erfindungsgemäße Abstreifelement erreicht.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Aktuator mit dem erfindungsgemäßen Spindelantrieb für steer-by-wire Lenkungen, bevorzugt einer Hinterrad- oder Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Dabei kann es sich um einen einfach oder doppelt wirkenden Aktuator handeln, welcher entweder mittelbar oder unmittelbar nur auf ein Hinterrad oder auf beide Hinterräder gleichzeitig wirkt. Die Funktionssicherheit eines solchen Aktuators ist hierbei von größter Bedeutung. Eine dauerhafte Schmiermittelversorgung ist daher essentiell während der gesamten Lebensdauer der Lenkung. Bei einer Steer-by-wire-Lenkung handelt es sich um eine Lenkung, welche lediglich Signale beispielsweise aber nicht ausschließlich mittels einer elektrischen Steuerleitung („by wire“) erhält und nicht mechanisch mit einer Lenkhandhabe, z. B. einem Lenkrad verbunden ist.
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Alternativ kann mit dem vorgenannten Aktuator ebenfalls jedes lenkbare Rad einer jeden Achse gelenkt werden.
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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 Spindelantrieb mit Spindel und Spindelmutter,
- 2 eine Ringnut mit Hinterschnitt in der Spindelmutter als Einzelheit,
- 3 einen Abstreifring als Einzelteil in zwei verschiedenen Ansichten und
- 4 einen Aktuator mit dem erfindungsgemäßen Spindelantrieb.
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1 zeigt einen Spindelantrieb 1 mit einer ein Spindelgewinde 2a und eine Spindelachse a aufweisenden Spindel 2 und einer ein Muttergewinde 3a aufweisenden Spindelmutter 3. Das Spindelgewinde 2a und das Muttergewinde 3a, welche als Bewegungsgewinde, vorzugsweise als Trapezgewinde ausgebildet sind, stehen miteinander in Eingriff, wobei die Spindelmutter 3 in Drehrichtung antreibbar und die Spindel 2, welche am Verdrehen gehindert ist, in Richtung der Spindelachse a verschiebbar ist. Spindel- und Muttergewinde 2a, 3a werden durch einen Schmierstoff zwecks Reduzierung der Reibung und Erhöhung des Wirkungsgrades durch einen nicht dargestellten Schmierstoff geschmiert, wobei der Schmierstoff, z. B. ein Fett innerhalb der Spindelmutter 3, beispielsweise in einer Ringkammer 4 deponiert sein kann. Die Spindelmutter 3 weist eine erste Stirnseite 5 und eine zweite Stirnseite 6 auf, an welchen die Spindel 2 aus der Spindelmutter 3 austritt. Um einen Verlust von Schmierfett, welches an den Flanken des Spindelgewindes 2a haftet, zu vermeiden, sind im Bereich der ersten Stirnseite 5 und der zweiten Stirnseite 6 als Abstreifelemente 7, 8, insbesondere als Abstreifringe 7, 8 ausgebildete Dichtelemente in der Spindelmutter 3 angeordnet. Die Abstreifringe 7, 8 weisen jeweils einen etwa rechteckförmigen Querschnitt und an ihrer dem Spindelgewinde 2a zugewandten Seite eine Dicht- oder Abstreifkante 7a, 8a auf, welche in das Spindelgewinde 2a eingreift.
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Die Abstreifringe 7, 8 sind in Ringnuten 9, 10, die im Bereich der Stirnseiten 5, 6 in der Spindelmutter 3 angeordnet sind, aufgenommen und weisen einen rechteckförmigen Querschnitt auf, welcher dem Rechteckquerschnitt der Ringnuten 8, 9 entspricht.
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2 zeigt die Ringnut 10 als Einzelheit ohne das Dichtelement 8 in vergrößerter Darstellung. Die Ringnut 10 weist einen Rechteck- oder U-Querschnitt auf, welcher durch einen zylindrischen Nutgrund 10a, eine erste Nutflanke 10b und eine zweite der ersten Nutflanke 10b gegenüber liegende Nutflanke 10c gebildet wird; beide Nutflanken 10b, 10c sind planparallel zueinander angeordnet. Die Höhe h1 der äußeren Nutflanke 10c ist deutlich geringer als die Höhe h2 der inneren Nutflanke 10b, jeweils in radialer Richtung gesehen. Dementsprechend weist die äußere Nutflanke 10c einen größeren Innendurchmesser D2 gegenüber dem Innendurchmesser D1 der inneren Nutflanke 10b auf. Die zweite oder äußere Nutflanke 10c, welche benachbart zur Stirnseite 6 der Spindelmutter 3 angeordnet ist, bildet eine axiale Fixierung für das hier nicht dargestellte Abstreifelement 8 (1). An die äußere Nutflanke 10c schließt sich ein konischer Abschnitt 11, auch Einführkonus 11 genannt, an, welcher sich in seinem Durchmesser in Richtung der Stirnseite 6 erweitert. Durch den Einführkonus 11 ergibt sich für die äußere Nutflanke 10c ein Hinterschnitt bezeichnet, d. h. die Nutflanke 10c der Ringnut 10 weist einen Hinterschnitt 11 auf. Der konische Abschnitt 11 dient in erster Linie als Einführhilfe bei der Montage des Abstreifelements 8, wenn dieses in der Ringnut 10 platziert werden soll. Dazu wird das Abstreifelement 8 in axialer Richtung von der Stirnseite 6 in Richtung der Ringnut 10 gedrückt, wobei sein Durchmesser infolge der Verjüngung des konischen Abschnitts 11 gestaucht wird. Nach Passieren der zweiten Nutflanke 10c erweitert sich das Abstreifelement 8 (1) wieder auf seinen vorherigen Durchmesser und füllt die Ringnut 10 bevorzugt vollständig aus, wobei es an drei Flächen, nämlich dem zylindrischen Nutgrund 10a und den beiden planparallelen Nutflanken 10b, 10c anliegt, d. h. Kontaktflächen bildet, die den Abstreifring 8 reibschlüssig in der Ringnut halten und ein Verdrehen verhindern. Das Abstreifelement 8 ist damit fertig montiert und für den Betrieb fixiert.
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Die Abstreifelemente 7, 8 sind aus einem flexiblen Material, beispielsweise einem Synthese- oder Naturkautschuk oder Gummi hergestellt. Vorzugsweise sind die Abstreifelemente aus einem thermoplastischen Polyurethan (TPU) herstellbar.
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Die Ringnuten 9, 10 werden vorzugsweise durch Span gebende Bearbeitung wie Fräsen direkt in die Spindelmutter 3 eingearbeitet.
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3 zeigt in einer Draufsicht und einer perspektivischen Darstellung ein als Abstreifring 12 ausgebildetes Abstreifelement 12, welches einen Grundkörper 13 mit einem massiven Rechteckquerschnitt (nicht dargestellt) und einem Außendurchmesser da aufweist. Letzterer entspricht dem Durchmesser des Nutgrundes 10a in 2. Am Innenumfang des Grundkörpers 13 sind drei jeweils um 120° gegeneinander versetzte, als Kreissegmente 14, 15, 16 ausgebildete Dichtkantenelemente an den Grundkörper 13 angeformt. Die Sehnen 14a, 15a, 16a der Kreissegmente 14, 15, 16 bilden partielle, d. h. nicht umlaufende Abstreifkanten, welche in das Spindelgewinde 2a (1) eingreifen. Der Kerndurchmesser des Spindelgewindes 2a (1) ist hier strich-punktiert dargestellt und mit dK bezeichnet - er wird von den partiellen Abstreifkanten 14a, 15a, 16a tangiert. Der Abstreifring 12 entspricht den Abstreifelementen 7, 8 in 1 und wird dementsprechend in Ringnuten aufgenommen.
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4 zeigt einen Aktuator 20 einer steer-by-wire Lenkung, in welchem ein Spindelantrieb 21, umfassend eine Spindel 22 mit einer Spindelachse a und eine Spindelmutter 23, angeordnet sind, wobei der Spindelantrieb 21 dem Spindelantrieb 1 gemäß 1 entspricht. Gleiche oder analoge Teile sind in 3 mit um 20 erhöhten Bezugszahlen gegenüber 1 gekennzeichnet. Die Spindelmutter 23 ist gegenüber der Spindel 22 über einen ersten Abstreifring 27 und einen zweiten Abstreifring 28, welche jeweils in einer ersten Ringnut 29 und in einer zweiten Ringnut 30 aufgenommen sind, gegen den Austritt von Schmierfett abgedichtet. Der Aktuator 20 weist ein Gehäuse 31 auf, in welchem die Spindelmutter 23 über ein erstes Wälzlager 32 und ein zweites Wälzlager 33 drehbar gelagert und in Richtung der Spindelachse a fixiert ist. Auf der Spindelmutter 23 ist eine Riemenscheibe 34 drehfest angeordnet, welche über einen Riementrieb 35 von einem Elektromotor 36 antreibbar ist. Die Spindel 22 ist an ihren beiden Enden mit Aufschraubzapfen 37, 38 verbunden, welche im Gehäuse 31 geführt und ihrerseits mit Gelenkzapfen 39, 40 verbunden sind. Der Aktuator 20 wird vorzugsweise für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt, wobei die beiden Gelenkzapfen 39, 40 mit einem nicht dargestellten Lenkgestänge oder Radträger der Hinterräder verbunden sind und somit die Lenkwinkel der Hinterräder verstellen, wenn der karosseriefeste Aktuator bei Verdrehung der axial ortsfesten Spindelmutter die verdrehgesicherte Spindel axial in verschiebt. Der in der Zeichnung dargestellte Aktuator 20 wirkt gleichzeitig auf beide Hinterräder und ist daher im mittleren Bereich des Kraftfahrzeuges befestigt. Im Rahmen der Erfindung liegen auch Aktuatoren, welche lediglich auf ein Hinterrad wirken. Solche Aktuatoren weisen einen lediglich einen Gelenkzapfen auf, so dass sich der Aktuator als ein längenveränderliches Bauteil ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelantrieb
- 2
- Spindel
- 2a
- Spindelgewinde
- 3
- Spindelmutter
- 3a
- Muttergewinde
- 4
- Ringkammer
- 5
- erste Stirnseite
- 6
- zweite Stirnseite
- 7
- erstes Abstreifelement
- 7a
- Dichtkante
- 8
- zweites Abstreifelement
- 8a
- Dichtkante
- 9
- erste Ringnut
- 10
- zweite Ringnut
- 19a
- Nutgrund
- 10b
- erste Nutflanke
- 10c
- zweite Nutflanke
- 11
- konischer Abschnitt
- 12
- Abstreifelement
- 13
- Grundkörper
- 14
- Kreissegment
- 14a
- Sehne
- 15
- Kreissegment
- 15a
- Sehne
- 16
- Kreissegment
- 16a
- Sehne
- 20
- Aktuator
- 21
- Spindelantrieb
- 22
- Spindel
- 23
- Spindelmutter
- 27
- erstes Abstreifelement
- 28
- zweites Abstreifelement
- 29
- erste Ringnut
- 30
- zweite Ringnut
- 31
- Gehäuse
- 32
- erstes Wälzlager
- 33
- zweites Wälzlager
- 34
- Riemenscheibe
- 35
- Riementrieb
- 36
- Elektromotor
- 37
- Aufschraubzapfen
- 38
- Aufschraubzapfen
- 39
- Gelenkzapfen
- 40
- Gelenkzapfen
- a
- Spindelachse
- da
- Außendurchmesser, Abstreifelement
- dK
- Kerndurchmesser, Spindelgewinde
- D1
- Innendurchmesser, erste Nutflanke
- D2
- Innendurchmesser, zweite Nutflanke
- h1
- Höhe, erste Nutflanke
- h2
- Höhe, zweite Nutflanke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015224781 A1 [0002]
