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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Aktuator und insbesondere auf einen mehrstufigen Schaltaktuator für Kraftfahrzeuge.
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In heutigen Nutzfahrzeugen werden gewöhnlich elektropneumatische Aktuatoren verwendet, wobei häufig pneumatische Energie zur Betätigung genutzt wird. So werden beispielsweise pneumatische Aktuatoren für Kupplungen oder Gangschaltungen oder zur Bremsung von Vorgelegewellen oder Reifen genutzt. In den meisten Fällen bewirken die Aktuatoren eine axiale (lineare) Verschiebung/Translation eines Aktuatorelementes.
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Ein konventioneller Aktuator für eine Getriebeschalteinrichtung ist beispielsweise in der
US 9,599,219 offenbart, wobei axiale Schaltbewegungen über einen Schaltstift und dazugehörige Auswahlnuten bewirkt werden. Ein weiterer 4-stufige Teleskopaktuator ist beispielsweise in der
TW 2017/02505 offenbart. Ein weiterer Linearaktuator ist in der
CN 104836369 offenbart, der mehrere Hülsen aufweist, die über einen Gewindeantrieb bewegt werden.
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In zukünftige Nutzfahrzeuge werden weniger pneumatische Hilfsaggregate vorhanden sein bzw. die entsprechenden pneumatischen Einrichtungen werden vollständig eliminiert. Die zunehmende Verbreitung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird daher voraussichtlich eine Abkehr von den pneumatischen Aktuatoren mit sich bringen.
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Daher besteht ein Bedarf nach elektromechanischen Aktuatoren, die die bekannten pneumatischen Aktuator ersetzen können und insbesondere in der Lage sind, eine axiale Verschiebung eines Aktuatorelement für unterschiedliche Komponenten innerhalb von Kraftfahrzeugen bereitzustellen.
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch einen elektromechanischen Aktuator nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Aktuator, der Folgendes umfasst: eine elektrische Antriebseinheit (z.B. einen E-Motor) mit einem Stator und einem Rotor, um eine Drehung des Rotors relativ zum Stator um eine axiale Achse zu bewirken, ein Hülsenelement und eine Verbindungsstruktur. Die Verbindungsstruktur bewirkt Folgendes:
- - eine rotationsfeste Kopplung zwischen dem Stator und dem Hülsenelement,
- - auf die Drehung des Rotors, eine erste axiale Verschiebung des Rotors relativ zum Stator und eine zweite axiale Verschiebung des Hülsenelementes relativ zum Rotor.
Die Verbindungsstruktur ist außerdem ausgebildet, um einen mechanischen Anschlag für eine maximale Drehbewegung bereitzustellen. Das Hülsenelement kann somit insbesondere relativ zu dem Rotor und relativ zu dem Stator gedreht als auch axial verschoben werden.
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Die axiale Achse ist beispielsweise die Drehachse der relativen Drehung des Rotors zu dem Stator. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Begriff „rotationsfest“ bedeuten, dass relativen Drehungen der entsprechenden Komponenten, z.B. um die axiale Achse, verhindert bzw. unterdrückt werden (bis auf ein mögliches Spiel, z.B. von höchstens ± 5°). Außerdem soll der Begriff „axialfest“ bedeuten, dass relative axiale Verschiebungen der entsprechenden Komponenten, z.B. entlang der axialen Achse, verhindert bzw. unterdrückt werden (bis auf ein mögliches Spiel, z.B. von höchstens ± 5 mm). Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter einer Nut jede Art länglich geformter Vertiefung oder Spalte oder Ausnehmung oder Struktur verstanden werden, die einen Vorsprung in Eingriff nehmen kann und die relative Bewegung in eine Richtung verhindert. Die Form der Nut ist beliebig (gerade, krumm, gewellt etc.), solange die definierte Funktion (Führung entlang einer Linie/Kurve) erfüllt wird. In gleicher Weise soll unter einem Stiftelement jede Art von Vorsprung oder Struktur verstanden werden (z.B. als Nockenelemente), die mit der Nut in Eingriff gelangen kann, um definierte Funktion zu erreichen. Die Funktion ist beispielsweise wieder die Führung des Stiftelementes entlang einer Linie/Kurve (Verhinderung der Bewegung senkrecht dazu).
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Optional umfasst der elektromechanische Aktuator ein Aktuatorelement, welches axialfest an das Hülsenelement koppelt. Eine relative axiale Verschiebung parallel zur axialen Achse zwischen dem Aktuatorelement und dem Hülsenelement soll damit verhindert werden. Das Aktuatorelement kann beispielsweise eine Innenverzahnung aufweisen, um beispielsweise eine Schaltung innerhalb eines Getriebes zu bewirken, wenn der Rotor die relative Drehung ausführt. Beispielsweise kann die Innenverzahnung verschiedene Zahnräder/Wellen miteinander koppeln.
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Optional umfasst der elektromechanische Aktuator ein Führungselement, das rotationfest relativ zu dem Stator gelagert ist und das Hülsenelement rotationsfest hält. Beispielsweise umfasst das Hülsenelement zumindest einen Vorsprung und das Führungselement zumindest einen Spalt (oder eine Ausnehmung), der/die den zumindest einen Vorsprung in Eingriff nimmt, um das Hülsenelement drehfest zum Stator zu halten, eine axiale Verschiebung aber zu ermöglichen. Der Vorsprung kann auch ein Stiftelement sein.
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Optional umfasst das Aktuatorelement eine umlaufende Nut und der zumindest eine Vorsprung des Hülsenelementes ist ausgebildet, um in die umlaufende Nut einzugreifen und dadurch das Aktuatorelement relativ zum Hülsenelement axialfest zu halten. Das Führungselement stellt somit eine Führung für den Vorsprung bereit, der das Aktuatorelement axial bewegt. Eine freie relative Drehung zwischen dem Aktuatorelement und dem Hülsenelement ist aber möglich. Damit kann das Aktuatorelement sich unabhängig von der axialen Bewegung beliebig drehen (mit einer beliebigen Drehgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung).
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Optional umfasst die Verbindungsstruktur mehrere ineinandergreifende Stiftelemente und Nuten, wobei ein Ende von zumindest einer Nut (entlang der Längserstreckung der Nut) den mechanischen Anschlag definieren kann (z.B. durch Anschlag von zumindest einem Stiftelement). Beispielsweise verlaufen zumindest einige der Nuten, in Bezug zu ihrer Längsausdehnung, in zumindest einem ersten Abschnitt schräg zur axialen Achse, um einen axialen Hub bei der Drehung des Rotors zu definieren. Der schräge Verlauf ist beispielsweise in einer Seitenansicht, in der die axiale Achse horizontal verläuft, sichtbar. In gleicher Weise können zumindest einige der Nuten bezüglich ihrer Längsausdehnung in zumindest einem zweiten Abschnitt orthogonal zur axialen Achse verlaufen (ohne axialen Hub) oder eine Vertiefung zur Aufnahme des dazugehörigen Stiftelementes aufweisen (z.B. wieder in der Seitenansicht sichtbar). Auf diese Weise wird eine Verriegelung hinsichtlich einer axial wirkenden Kraft erreicht.
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Optional umfasst der Stator zumindest ein Statorstiftelement und der Rotor umfasst zumindest eine Rotornut, wobei die zumindest eine Rotornut das zumindest eine Statorstiftelement aufnimmt und eine Form aufweist, die die erste axiale Verschiebung während der Drehung des Rotors relativ zu dem Stator bewirkt. Diese Verschiebung wird zum Beispiel durch den ersten, schrägen Abschnitt bewirkt (aufgrund der Abschrägung).
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In ähnlicher Weise umfasst der Rotor optional zumindest ein Rotorstiftelement (z.B. hin zur Drehachse gerichtet) und das Hülsenelement zumindest eine Hülsennut, wobei die zumindest eine Hülsennut das zumindest eine Rotorstiftelement aufnimmt und eine Form aufweist, die die zweite axiale Verschiebung während der Drehung des Rotors relativ zu dem Stator bewirkt.
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Es versteht sich, dass die Nuten und Stiftelemente auch ausgetauscht werden können. Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst beispielsweise der Stator zumindest eine Statornut und der Rotor zumindest ein Rotorstiftelement (z.B. weg von der Drehachse gerichtet), wobei die zumindest eine Statornut das zumindest eine Rotorstiftelement aufnimmt und eine Form aufweist, die die erste axiale Verschiebung während der Drehung des Rotors relativ zu dem Stator bewirkt. In ähnlicher Weise kann der Rotor optional zumindest eine Rotornut und das Hülsenelement zumindest ein Hülsenstiftelement (z.B. weg von der Drehachse gerichtet) aufweisen, wobei die zumindest eine Rotornut das zumindest eine Hülsenstiftelement aufnimmt und eine Form aufweist, die die zweite axiale Verschiebung während der Drehung des Rotors relativ zu dem Stator bewirkt.
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Der Rotor und das Hülsenelement können beispielsweise zumindest eine erste Stufe des elektromechanischen Aktuators bilden. Optional kann dann zumindest eine weitere Stufe ausgebildet sein, die (jeweils) einen weiteren Rotor und ein weiteres Hülsenelement aufweisen. Die Verbindungsstruktur kann weiter ausgebildet sein, um den weiteren Rotor drehfest zu dem Rotor und das weitere Hülsenelement drehfest zu dem Hülsenelement zu lagern. Auf die Drehung des Rotors kann dann eine dritte axiale Verschiebung des weiteren Rotors relativ zum Hülsenelement und eine vierte axiale Verschiebung des weiteren Hülsenelementes relativ zum weiteren Rotor bewirkt werden.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen somit zumindest einen Teil der oben genannten technischen Probleme durch einen elektromechanischen Aktuator, der eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung umwandelt und für verschiedene Einheiten/Aggregate in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, verwendet werden kann. Der erreichbare Gesamthub (maximale Translationsbewegung) hängt von der Neigung der Nuten und/oder der Anzahl von Stufen ab.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Getriebe für ein Nutzfahrzeug, das einen elektromechanischen Aktuator, wie er zuvor beschrieben wurde, umfasst. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Nutzfahrzeug mit dem Getriebe.
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Ausführungsbeispielen bieten insbesondere die folgenden Vorteile:
- - Die Ausbildung von mehreren Stufen erhöht den verfügbaren Hub nahezu beliebig, ohne die axiale Ausdehnung des Aktuators zu vergrößern (Teleskopwirkung).
- - Ein sich selbst-verriegelnden Mechanismus wird an bestimmten Positionen des Aktuators durch die Form der Nuten/Vertiefungen erreicht, wie beispielsweise durch Abflachungen (ohne Steigung) in dem/den zweiten Abschnitt(en).
- - Eine bidirektionale Aktion wird in Abhängigkeit der relativen Drehrichtung des Rotors (Motordrehrichtung) ermöglicht.
- - Konzentrische Aktuatoren werden ermöglicht, in denen die Translationswirkung oder Translationsgeschwindigkeit des Aktuatorelementes nicht von der Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung des Aktuatorelementes abhängt.
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt die Komponenten eines elektromechanischen Aktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt den elektromechanischen Aktuator aus der 1 nach dem Zusammensetzen der Komponenten.
- 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches des elektromechanischen Aktuators aus der 2.
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1 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung für einen elektromechanischen Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der elektromechanische Aktuator umfasst eine elektrische Antriebseinheit mit einem Stator 110 und einem Rotor 120. Die elektrische Antriebseinheit ist ausgebildet, um ein Drehmoment aufzubauen und dadurch eine Drehung des Rotors 120 relativ zum Stator 110 um eine axiale Achse A zu bewirken. Der Aktuator umfasst weiter ein Hülsenelement 130 und eine Verbindungsstruktur 140.
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Die Verbindungsstruktur 140 umfasst mehrere ineinandergreifende Stiftelemente 141, 142, ... und Nuten 146, 147, ..., wobei ein Ende von zumindest einer Nut 141, 142, ... einen mechanischen Anschlag für eine maximale relative Verdrehung (Maximalwinkel) definiert. Die Verbindungsstruktur 140 bewirkt Folgendes: eine rotationsfeste Kopplung zwischen dem Stator 110 und dem Hülsenelement 130 und, auf die Drehung des Rotors 120, eine erste axiale Verschiebung des Rotors 120 relativ zum Stator 110 und eine zweite axiale Verschiebung des Hülsenelementes 130 relativ zum Rotor 120. Der mechanische Anschlag kann über die Form der Nuten 141, 142, ... auch die maximal mögliche axiale Verschiebung begrenzen, die der Aktuator aufbringen kann.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu dem Stator 110, dem Rotor 120 und dem Hülsenelement 130 ein Aktuatorelement 150 ausgebildet. Alle Komponenten sind konzentrisch um die axiale Achse A angeordnet. Der Stator 110 umfasst beispielsweise Spulen/Wicklungen 112. Außerdem ist ein Führungselement 160 ausgebildet, das sich relativ zu dem Stator 112 nicht bewegen kann. Das Führungselement 160 weist beispielhaft drei Spalten 161 auf, die sich parallel zur axialen Achse A erstrecken und z.B. um 120° versetzt zueinander um die axiale Achse ausgebildet sind.
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Der Rotor 120 umfasst beispielhaft drei Rotornuten 146 und beispielhaft drei daran befestigte Magneten 122. Es versteht sich, dass die Anzahl der Magneten 122 und die Anzahl der Spulen 112 entsprechend den Gegebenheiten gewählt werden können und die Erfindung nicht einschränken sollen.
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An dem Stator 110 sind weiterhin Statorstiftelemente 141 unbeweglich befestigt (in der 1 sind sie voneinander getrennt dargestellt), die in die Rotornuten 146 eingreifen, sodass bei einer relativen Drehung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 die erste axiale Verschiebung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 bewirkt wird. Die Rotornuten 146 können beispielsweise geradlinig mit einer vorbestimmten Abschrägung relativ zu der axialen Achse A angeordnet sein, sodass deren Endpunkte sich an verschieden axialen Positionen sich befinden.
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Die Rotornuten 146 können aber auch schräge Abschnitte 146a (erste Abschnitte) mit einem axialen Hub und flache Abschnitte 146b (zweite Abschnitte) ohne axialen Hub aufweisen. Dadurch wird eine Verriegelung für bestimmte Drehwinkel möglich. Diese Verriegelung kommt dann zustande, wenn beispielsweise das entsprechende Stiftelement 141 sich in einem flachen Abschnitt 146b befindet, sodass eine axial wirkende Kraft (parallel zur axialen Achse A) kein Drehmoment auf den Rotor 120 ausübt und somit die Winkelposition nicht geändert wird. Im Gegensatz zu den schrägen Abschnitten 146a kommt es bei diesen Winkelpositionen zu der Verriegelung.
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Optional können die flachen Abschnitte 146b auch durch Vertiefungen gebildet sein, in welchen die Stiftelemente 141 gehalten werden. Auch hierdurch kann die Winkelposition nicht durch eine axiale Kraft geändert werden. Das bietet den Vorteil, dass bestimmte Schaltstellungen - auch bei einer Deaktivierung der elektrischen Antriebseinheit - stabil gehalten werden. Das bringt zum Beispiel für Getriebe große Vorteile.
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In der 1 sind lediglich beispielhaft drei Rotornuten 146 und drei Statorstiftelemente 141 gezeigt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können mehr oder weniger Rotornuten 146 und Statorstiftelemente 141 ausgebildet sein.
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Das Hülsenelement 130 umfasst ebenfalls beispielhaft drei Hülsennuten 147, die entlang des Umfanges des Hülsenelementes 130 ausgebildet sind. Außerdem umfasst der Rotor 120 Rotorstiftelemente 142, die radial hin zur axialen Achse A zeigen und die durch die Hülsennuten 147 aufgenommen werden. Die Hülsennuten 147 sind wiederum schräg, relativ zu der axialen Achse A, mit einem axialen Hub ausgebildet, sodass eine relative Drehung des Rotors 120 zu dem Hülsenelement 130 zu der zweiten axialen Verschiebung des Hülsenelementes 130 relativ zum Rotor 120 führt. Wie auch die Rotornuten 146, können auch die Hülsennuten 147 schräge Abschnitte 147a (erste Abschnitte) und flache Abschnitte 147b (zweite Abschnitte) umfassen. Die flachen Abschnitte 147b können wieder derart gebildet sein, dass eine axial wirkende Kraft parallel zur axialen Achse A kein Drehmoment auf das Hülsenelement 130 bewirkt.
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Die flachen Abschnitte 146b, 147b sind beispielweise in den Endbereichen der betreffenden Nuten 146, 147 ausgebildet, um eine Fixierung/Verriegelung in dieser Position zu erreichen. Damit kann eine bestimmte Schaltposition gesichert werden. Wie in der 1 dargestellt, kann eine weitere Verriegelung in einer Mittenposition (z.B. für einen Leerlauf) durch eine mittige Ausbildung der flachen Abschnitte 146b, 147b entlang der Nuten 146, 147 bereitgestellt werden.
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Außerdem umfasst das Hülsenelement 130 an seiner Innenseite (radial innen, hin zur axialen Achse A gerichtet) Vorsprünge 143, um mit dem Aktuatorelement 150 in Eingriff zu gelangen. Das Aktuatorelement 150 umfasst dazu entlang seiner Außenseite (von der axialen Achse A weg gerichtet) eine umlaufende Nut 148, die die Vorsprünge 143 des Hülsenelementes 130 aufnehmen kann. Das Aktuatorelement 150 kann sich somit zwar frei innerhalb des Hülsenelementes 130 drehen, nicht jedoch axial dazu verschieben.
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Das Aktuatorelement 150 kann beispielsweise eine Innenverzahnung 155 aufweisen, die für eine Schaltung innerhalb eines Schaltgetriebes nutzbar ist, um Zahnräder/Wellen miteinander zu koppeln oder voneinander zu entkoppeln.
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Bei einer Aktivierung des elektrischen Antriebes zwischen dem Stator 110 und dem Rotor 120 kommt es zu einer relativen Drehung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110. Durch den Eingriff der Stiftelemente 141, 142, ... in die entsprechenden Nuten 146,147 führt die relative Drehung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 zu axialen Verschiebungen relativ zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 bzw. relativ zwischen dem Hülsenelement 130 und dem Rotor 120 (Rotations-Translationswandlung). Die daraus resultierende axiale Kraft wird von dem Hülsenelementes 130 über die Vorsprünge 143 auf das Aktuatorelement 150 übertragen, das sich daraufhin parallel zur axialen Achse A verschiebt und somit die Aktuatorwirkung erzielt.
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2 zeigt den elektromechanischen Aktuator aus der 1 nach dem Zusammensetzen der in der 1 gezeigten Komponenten. Auf der linken Seite ist eine Querschnittsansicht durch die Drehachse A gezeigt, während auf der rechten Seite eine Raumansicht dieser Querschnittsansicht gezeigt ist.
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Wie aus der 2 ersichtlich ist, befindet sich das Aktuatorelement 150 radial an der Innenposition, wobei radial nach außen gerichtet nach dem Aktuatorelement 150 das Hülsenelement 130, dann der Rotor 120 und außen der Stator 110 folgen. Somit ist die Innenverzahnung 155 radial nach innen gerichtet und kann eine Außenverzahnung einer Welle oder eines Zahnrades in Eingriff nehmen (nicht gezeigt in der 2).
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Außerdem zeigt die 2, wie das Hülsenelement 130 das Aktuatorelement 150 über die umlaufende Nut 148 in Eingriff nimmt, sodass eine axial wirkende Kraft (in der horizontalen Richtung der 2) von dem Hülsenelement 130 auf das Aktuatorelement 150 übertragen wird und zu dessen Verschiebung führt. Außerdem zeigt die 2 die Fixierung der Statorstiftelemente 141 in dem Stator 110 und den Eingriff in der Rotornut 146 (siehe auch 1). Die Rotorstiftelemente 142 koppeln den Rotor 120 mit dem Hülsenelement 130, um die Wandlung der Drehbewegung in eine axiale Bewegung des Aktuatorelementes 150 zu erreichen.
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Der Stator 110 kann beispielhaft über zumindest ein Befestigungselement 114 an ein Gehäuse oder einen Rahmen oder an einer anderen Komponente des Fahrzeuges befestigt werden. Diese Befestigungselemente 114 stellen eine Abstützung für die wirkende Drehkraft bereit, um den Rotor 120 relativ drehen zu können.
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In der 2 sind schließlich die Magneten 122 beispielhaft (radial) auf einer Außenseite des Rotors 120 angeordnet, die durch die Spulen 112 des Stators 110 angetrieben werden.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Querschnittsansicht aus der 2 (der obere Abschnitt), aus der deutlich hervorgeht, wie der Stator 110 mit den Wicklungen 112 über das Statorstiftelement 141 an den Rotor 120 koppelt. Außerdem ist das Hülsenelement 130 vergrößert dargestellt, welches über die Rotorstiftelemente 142 mit dem Rotor 120 gekoppelt ist (nicht gezeigt in 3). Das Hülsenelement 130 umfasst den Vorsprung 143, der durch das Führungselement 160 hindurchragt und in die umlaufende Vertiefung 148 des Aktuatorelementes 150 eingreift. Außerdem ist die Innenverzahnung 155 vergrößert dargestellt.
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Der in den 1 bis 3 dargestellte zweistufiger elektromechanischer Aktuator bewirkt zwei gekoppelte axiale Verschiebungen (die erste und die zweite axiale Verschiebung). Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird das der Erfindung zugrunde liegende Konzept auf weitere Stufen erweitert, die zumindest einen weiteren Rotor und/oder ein weiteres Hülsenelement aufweisen, die z.B. zwischen dem Rotor 120 und dem Hülsenelement 130 oder zwischen dem Aktuatorelement 150 und dem Hülsenelement 130 angeordnet werden können. Außerdem ist in diesem Fall die Verbindungsstruktur 140 weiter ausgebildet, um den weiteren Rotor drehfest zu dem Rotor 120 und das weitere Hülsenelement drehfest zu dem Hülsenelement 130 zu lagern und, auf die Drehung des Rotors 120, eine dritte axiale Verschiebung des weiteren Rotors relativ zum Hülsenelement 130 und eine vierte axiale Verschiebung des weiteren Hülsenelementes relativ zum weiteren Rotor zu bewirken.
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Dazu können die Rotorstiftelemente 142 beispielsweise derart verlängert werden, dass sie durch das Hülsenelement 130 hindurchragen und den radial innen liegenden weiteren Rotor rotationfest zu dem Rotor 120 halten. Dazu kann eine axial verlaufende Nut in dem weiteren Rotor ausgebildet werden, um die weitere, dritte axiale Verschiebung zu ermöglichen. In gleicher Weise ist es möglich, dass auf der radialen Innenseite des Hülsenelements 130 Stiftelemente vorgesehen werden oder die Vorsprünge 143 entsprechend geformt werden, die ähnlich zu den Statorstiftelementen 141 in eine Nut des weiteren Rotors hineinragen, der radial innerhalb des Hülsenelementes 130 angeordnet ist. Das weitere Hülsenelement umfasst dann Vorsprünge (ähnlich den Vorsprüngen 143), die schließlich in die umlaufende Nut 148 des Aktuatorelementes 150 eingreifen, um so eine 4-stufige Linearbewegung zu erreichen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Stufen des Aktuators weiter erhöht werden, z.B. durch ein Hinzufügen von zusätzlichen Hülsen und/oder Rotorelementen.
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Vorteilhafterweise ist der Stator 110 der elektrischen Antriebseinheit fest mit dem Gehäuse oder ein Rahmen des Fahrzeuges verbunden. Dies ist jedoch nicht zwingend so. Beispielsweise ist ebenfalls möglich, dass der Stator 110 sich relativ zu dem Fahrzeug oder einer anderen Komponente bewegen kann.
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Wie bereits beschrieben führt die Drehbewegung der elektrischen Antriebseinheit zu einer axialen Verschiebung des Rotors 120 und gleichzeitig des Hülsenelementes 130 in eine gleiche Richtung. Falls eine Versetzung in einer entgegengesetzten Richtung gewünscht ist, braucht lediglich die elektrische Antriebseinheit in die entgegengesetzte Richtung betrieben werden. Die Rotations-Translationswandlung wird durch die Form der Nuten 146, 147, ... bestimmt und kann nahezu frei gewählt werden. Die Nuten 146, 147, ... können auch Wellenformen aufweisen, sodass der maximale axiale Versatz nicht an einem Endpunkt der Nuten 146, 147, ... liegt (z.B. in der Mittenposition).
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Ein weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht darin, dass die Endpositionen des Aktuators einfach mechanisch definiert werden können, zum Beispiel durch einen Anschlag in den Nuten 146, 147, ... gegen die die Stiftelemente 141, 142, ... anstoßen.
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Der Stator 110 kann ähnlich geformt sein wie in einem klassischen Elektromotor und eine Laminierung von Elektrostahl aufweisen. Ebenso können die Spulen 122 des Stators 110 in einer gleichen Weise gebildet sein, wie bei konventionellen elektrischen Antriebseinheiten (zum Beispiel mit Kupferwicklungen). Der Rotor 120 kann beispielsweise durch einen massiven Ring gebildet werden und zusätzliche Permanentmagneten 122 aufweisen, die beispielsweise auf einer Außenoberfläche platziert sein können.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen beziehen sich insbesondere auf die folgenden Gegenstände:
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Einen Aktuator mit einem Aktuatorelement 150, welches frei innerhalb der einer elektrischen Antriebsmaschine sich drehen kann, aber axial an den Aktuator koppelt. Das Aktuatorelement 150 dreht sich zusammen mit einer Welle (zum Beispiel unabhängig von dem Rotor 120 des Aktuators) und kann sich axial relativ zu der Welle bewegen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in dem Aktuator ein Rotation-Translationswandler vorgesehen, der eine nichttrennbare Einheit mit der elektrischen Antriebsmaschine bildet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird in dem Aktuator die axiale Verschiebung des Aktuatorelementes 150 durch die elektrische Antriebseinheit umgesetzt, in welcher sich der Rotation-Translationswandler befindet, der beispielhaft durch einen mehrstufigen sogenannten Selektor-Barrelmechanismus umgesetzt wird, wobei die Translationswirkung unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Aktuatorelementes ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden in dem Aktuator die Stufen des Rotations-Translationswandlers simultan betrieben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Aktuator die Anzahl der Stufen des Rotation-Translationswandlers frei wählbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat in dem Aktuator der Rotation-Translationswandler eine nichtlineare Charakteristik hinsichtlich der relativen Drehungsdrehwinkel und des axialen Versatzes.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hat in dem Aktuator der Rotation-Translationswandler eine Charakteristik, sodass die axiale Bewegungsrichtung von der Drehrichtung des Rotors abhängt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Endposition des Aktuators fest vorgegeben und mechanischen begrenzt.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- Stator
- 112
- Spulen
- 114
- Statorbefestigung
- 120
- Rotor
- 122
- (Permanent-) Magnete
- 130
- Hülsenelement.
- 140
- Verbindungsstruktur
- 141, 142, ...
- Stiftelemente (Vorsprünge, Nocken)
- 143
- Vorsprung
- 146, 147,...
- Nuten (längliche Ausnehmungen)
- 146a, 147a, ...
- erste, schräge Abschnitte der Nuten
- 146b, 147b,...
- zweite, flache Abschnitte der Nuten
- 148
- umlaufende Nut
- 150
- Aktuatorelement
- 155
- Innenverzahnung
- 160
- Führungselement
- 161
- Spalt (Ausparung)
- A
- Drehachse, axiale Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9599219 [0003]
- TW 2017/02505 [0003]
- CN 104836369 [0003]
