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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Translationsaktuator, auf ein Getriebe und auf ein Nutzfahrzeug und insbesondere auf einen Aktuator mit einen wellenförmig geformten Aktuatorteil, der für Anwendungen in Kraftfahrzeuge geeignet ist.
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Der Antriebstrang von Kraftfahrzeugen umfasst typischerweise Untersysteme, für die Translationsaktuatoren erforderlich sind, um verschiedene Funktionen zu erfüllen. Hierzu gehören beispielsweise das Kuppeln, die Kraftübertragung oder Kraftteiler, ein Achsenantrieb oder eine Differenzialsperre. Eine Linearaktuator (zum Ausüben von Linearbewegungen) kann beispielsweise eine Kupplung zwischen der Antriebsmaschine und der weiteren Kraftübertragung betätigen, z.B. kuppeln oder entkuppeln. So kann beispielsweise ein drehmomentstabiler Kontakt zwischen einem Leerlaufrad und einer Welle hergestellt oder auch mehrere Scheibenkupplungen oder Bremsen betätigen oder ein Differenzialgetriebe auf einer Achse gesperrt werden. Die wichtigsten Anforderungen an solchen Aktuatoren betreffen die Betätigungszeit und die Steuerbarkeit.
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Heutige Aktuatoren für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, insbesondere für Nutzfahrzeuge, nutzen in der Regel einen elektropneumatischen Antrieb, bei dem pneumatische Energie zur Betätigung genutzt wird. So werden beispielsweise pneumatische Aktuatoren für Kupplungen oder Gangschaltungen oder zur Bremsung von Vorgelegewellen oder Reifen genutzt. Hierfür wird in den meisten Fällen eine axiale (lineare) Verschiebung/Translation eines Aktuatorelementes durch den Aktuator bewirkt.
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In zukünftige Nutzfahrzeuge werden jedoch 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 Translationsaktuatoren, 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 Translationsaktuator nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Translationsaktuator, der Folgendes umfasst:
- - eine elektrische Antriebseinheit mit einem Stator und einem Rotor, um eine Drehung des Rotors relativ zum Stator um eine axiale Achse zu bewirken;
- - eine Führungsschiene, die sich gekrümmt (z.B. wellenförmig) zumindest teilweise um die axiale Achse herum erstreckt; und
- - einen Mitnehmer, der sich bei der relativen Drehung zwischen dem Rotor und dem Stator relativ zu der Führungsschiene bewegt und der Führungsschiene folgt, um eine axiale Verschiebung relativ zu dem Stator als Aktuatorkraft bereitzustellen.
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Optional kann die Führungsschiene mit dem Stator und der Mitnehmer mit dem Rotor rotationsfest gekoppelt sein. Alternativ kann die Führungsschiene mit dem Rotor und der Mitnehmer mit dem Stator rotationsfest gekoppelt sein.
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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 relative 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.
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Optional umfasst der Translationsaktuator ein Aktuatorelement, welches axialfest an den Mitnehmer koppelt. Dazu kann das Aktuatorelement eine umlaufende Nut aufweisen und der Mitnehmer kann in die umlaufende Nut zumindest teilweise eingreifen, um das Aktuatorelement relativ zu dem Mitnehmer axialfest zu halten. Eine freie relative Drehung zwischen dem Aktuatorelement und dem Mitnehmer ist aber möglich. Das Aktuatorelement kann außerdem 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 Mitnehmer eine beidseitige Rollführung, in die die Führungsschiene einsetzbar ist, um die relative Bewegung zwischen der Führungsschiene und des Mitnehmers durch eine Rollbewegung zu ermöglichen. Außerdem kann der Mitnehmer ein erstes Mitnehmerteil und ein zweites Mitnehmerteil aufweisen, die jeweils zumindest ein Rollelement (z.B. eine Kugel) als Teil der Rollführung umfassen. Auf diese Weise kann beidseitig die Führungsschiene geführt werden. Zwischen dem ersten Mitnehmerteil und dem zweiten Mitnehmerteil kann ein Toleranzspiel, beispielsweise von zumindest 1 mm oder einem Bereich von 1 mm bis 5 mm vorgesehen sein, um Blockierungen der Rollführung zu vermeiden und das Betreiben des Aktuators zu erleichtern. Das Toleranzspiel bezieht sich insbesondere auf eine Verdrehung des ersten Mitnehmerteils relativ zu dem zweiten Mitnehmerteil. Das Toleranzspiel kann sich aber auch auf eine axiale relative Verschiebung beziehen.
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Optional umfasst die Führungsschiene zumindest einen ersten Abschnitt und zumindest einen zweiten Abschnitt, wobei der zumindest eine erste Abschnitt schräg zur axialen Achse verläuft, um einen axialen Hub (Verschiebung) bei der Drehung des Rotors zu definieren. Der zumindest eine zweite Abschnitt verläuft orthogonal zur axialen Achse (ohne axialen Hub) oder umfasst zumindest eine Vertiefung, um eine Verriegelung an zumindest einer vorbestimmten Winkelposition hinsichtlich einer axial wirkenden Kraft bereitzustellen. Der schräge Verlauf kann sich beispielsweise auf eine Seitenansicht, in der die axiale Achse horizontal verläuft, beziehen bzw. ist dort sichtbar.
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Optional erstreckt sich die Führungsschiene vollumfänglich um die axiale Achse herum und weist eine reguläre oder irreguläre Wellenform auf. Hiermit kann beispielsweise eine nicht-lineare Charakteristik für die Abhängigkeit der axialen Bewegung von der Drehbewegung des Rotors (relativ zum Stator) erreicht werden.
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Wenn die Führungsschiene rotationsfest an den Rotor koppelt, kann außerdem ein Halteelement vorgesehen sein, das rotationsfest an den Stator gekoppelt ist und den Mitnehmer rotationsfest hält.
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Optional umfasst der Translationsaktuator eine Tangentialführung zwischen dem Stator und dem Rotor, um bei der relativen Drehung zwischen dem Rotor und dem Stator eine axiale Verschiebung zwischen dem Rotor und dem Stator zu verhindern.
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Optional kann der Mitnehmer zumindest einen Vorsprung aufweisen, der mit dem Halteelement in Eingriff steht (z.B. durch einen axialen Spalt oder Ausnehmung gegeben), um eine relative Verdrehung zwischen dem Mitnehmer und dem Stator zu verhindern. Eine axiale Verschiebung ist aber entlang des Spaltes ermöglich, sodass das Halteelement eine Führung für den Vorsprung, der das Aktuatorelement axial bewegt, bereitstellt. Eine freie relative Drehung zwischen dem Aktuatorelement und dem Mitnehmer ist aber möglich. Damit kann das Aktuatorelement sich unabhängig von der axialen Bewegung beliebig drehen (mit einer beliebigen Drehgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung). Das kann für Getriebeschaltungen wichtig sein.
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Für den Fall, dass die Führungsschiene rotationsfest an den Stator und der Mitnehmer rotationsfest an den Rotor koppelt, kann der Mitnehmer (direkt) an dem Rotor befestigt sein. Der Rotor kann auch integraler Bestandteil des Mitnehmers bzw. eines Teiles davon sein.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Komponente (z.B. ein Getriebe, ein Differenzial, eine Kupplung, eine Bremse oder eines ihrer Teilkomponenten) eines Nutzfahrzeugs, die einen Aktuator, wie er zuvor beschrieben wurde, umfasst. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Nutzfahrzeug mit der Komponente.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen somit zumindest einen Teil der oben genannten technischen Probleme durch einen 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/Amplitude der Führungsschiene ab.
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Ausführungsbeispielen bieten insbesondere die folgenden Vorteile:
- - Ein sich selbst-verriegelnden Mechanismus wird an bestimmten Positionen des Aktuators durch die Form der Führungsschiene 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 Aktuatorelements nicht von der Drehgeschwindigkeit oder Drehrichtung des Aktuatorelements abhängt.
- - Ausführungsbeispiele sind für eine Vielzahl von Translationsaktuatoren von Nutzfahrzeugen nutzbar (z. B. für Antriebselemente entlang der Achsen oder Antriebswellen oder rotierenden Elemente, wie beispielsweise eine Kupplung, Gangschaltung, Bremsen oder eine Differenzialsperre).
- - Ein wellenförmiger oder sinusförmiger Ring für die Führungsschiene lässt sich konzentrisch in dem Translationsaktuator mit einem skalierbaren Design anordnen, wobei die Abmaße des Aktuators entsprechend den erforderlichen und der Dimensionen und der erforderlichen Kräfte gewählt werden kann.
- - Insbesondere ist es möglich, den Aktuator koaxial zur Rotationsachse des zu bestätigenden Elementes anzuordnen.
- - Durch das direkte Betätigen von Gleitelemente oder Aktuatorelementen (keine komplexen externen Aktuatormechanismen) kann eine hohe Steuerbarkeit bei einer reduzierten Betätigungskraft erreicht werden. Es sind keine zusätzlichen mechanischen Teile zum Weiterleiten der Betätigungskraft vom Aktuator zu den Gleitelementen erforderlich.
- - Die geringe Anzahl von Komponenten hat den Vorteil, dass der Aktuator kompakt und zuverlässig gebildet werden kann.
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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 Translationsaktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt den Translationsaktuator aus der 1 nach dem Zusammensetzen der Komponenten.
- 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches des Translationsaktuators aus der 2.
- 4 zeigt die Komponenten eines Translationsaktuators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt den Translationsaktuator aus der 4 nach dem Zusammensetzen der Komponenten.
- 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches des Translationsaktuators aus der 5.
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1 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung für einen Translationsaktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Translationsaktuator 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 eine Führungsschiene 130 und einen Mitnehmer 140, wobei die Führungsschiene 130 sich wellenförmig um die axiale Achse A erstreckt und der Mitnehmer 140 sich bei der relativen Drehung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 relativ zu der Führungsschiene 130 bewegt (sich dreht) und dabei der Führungsschiene 130 axial folgt, um eine axiale Verschiebung relativ zu dem Stator 110 als Aktuatorkraft bereitzustellen.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu dem Stator 110, dem Rotor 120 und der Führungsschiene 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 Halteelement 160 ausgebildet, das sich relativ zu dem Stator 112 unbeweglich ist. Das Halteelement 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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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen der Rotor 120 und der Stator 110 eine Tangentialführung 115, die an einer radialen Innenseite des Stators 110 und an einer radialen Außenseite des Rotors 120 ausgebildet ist. Die Tangentialführung 115 umfasst beispielsweise Nuten, in denen kammartig ausgebildete Vorsprünge eingreifen, sodass bei einer Drehung des Rotors 120 innerhalb des Stators 110 eine axiale Verschiebung des Rotors 120 verhindert wird. Die Führung erfolgt entlang der Tangentialrichtung. Außerdem sind in oder an dem Rotor 120 an einer radial außen liegenden Seite eine Vielzahl von Magneten 122 angeordnet, die mit Spulen 112 an dem Stator 110 bei einer Aktivierung in Wechselwirkung treten, um die Drehbewegung des Rotors 120 relativ zu dem Stator 110 zu bewirken.
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Die Führungsschiene 130 umfasst an ihrer Außenseite mehrere Vorsprünge 134, die als Arretierelemente dienen. Der Rotor 120 umfasst mehrere Vertiefungen 124 (oder Öffnungen), in die die Vorsprünge 134 der Führungsschiene 130 eingreifen können, um zu verhindern, dass die Führungsschienen 130 relativ zu dem Rotor 120 gedreht bzw. axial verschoben werden kann. Somit ist die Führungsschiene 130 fest mit dem Rotor 120 verbunden und führt auf eine Drehbewegung des Rotors 120 ebenfalls eine Drehbewegung relativ zu dem Stator 110 aus. An dem Mitnehmer 140 ist eine Rollführung 145 ausgebildet, die die Führungsschiene 130 führt, sodass der Mitnehmer 140 der beispielhaft gezeigten Wellenform der Führungsschiene 130 folgt.
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Der Mitnehmer 140 umfasst weiterhin zumindest einen Vorsprung 143 an seiner radialen Innenseite und das Halteelement 160 am Stator 110 umfasst einen Spalt 161, in dem der Vorsprung 143 eingreift, sodass eine Drehbewegung des Mitnehmers 140 relativ zu dem Stator 110 verhindert wird. Gleichzeitig erlaubt der Spalt 161 eine axiale Verschiebung des Mitnehmers 140 relativ zu dem Stator 110.
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Die Führungsschiene 130 umfasst im Allgemeinen eine gekrümmte Form und erstreckt sich beispielhaft vollumfänglich um die axiale Achse A herum, z.B. in einer regulären oder irregulären Wellenform. Außerdem umfasst die Führungsschiene 130 erste Abschnitte 130a, die sich schräg zu der axialen Achse A erstrecken, sodass auf eine relative Drehung ein axialer Hub erfolgt (eine axiale Verschiebung der Mitnehmers 140 relativ zum Rotor 120). Außerdem sind zweite, flache Abschnitte 130b derart ausgebildet, dass eine axial wirkende Kraft auf das Aktuatorelement 150 parallel zur axialen Achse A kein Drehmoment auf den Rotor 120 erzeugt wird. Bei der vollumfänglich ausgebildeten Führungsschiene 130 wechseln sich die ersten Abschnitte 130a und die zweiten Abschnitte 130b ab. Auf diese Weise kann für vorbestimmte Winkelpositionen eine Fixierung/Verriegelung erreicht werden. Die Verriegelungsposition ist beispielsweise dann erreicht, wenn die Rollelemente der Rollführung 145 in den zweiten Abschnitten 130b liegen. Damit kann eine bestimmte Schaltposition gesichert werden. Wie in der 1 dargestellt, kommt es zu einer Verriegelung an den Maxima/Minima der Wellenform. Außerdem kommt es zu einer weiteren Verriegelung in einer Mittenposition (z.B. für einen Leerlauf).
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Der Mitnehmer 140 aus der 1 umfasst ein erstes Mitnehmerteil 141 und ein zweites Mitnehmerteil 142, die beim Zusammensetzen des Translationsaktuators derart gekoppelt werden, dass die Führungsschiene 130 zwischen gegenüberliegenden Rollelementen der Rollführung 145 verläuft. Außerdem kann ein gewisses Spiel vorgesehen sein, um eine leichte Bewegung zu erreichen. Das erste Mitnehmerteil 141 und das zweite Mitnehmerteil 142 des Mitnehmers 140 können beispielhaft ein Spiel von ± 5 mm oder ± 1 mm für relative Verdrehungen oder auch axiale Verschiebungen bereitstellen. Auf diese Weise kann die gekrümmte Führungsschiene 130 - insbesondere in den Krümmungsbereichen - leicht durch die Rollführung 145 geführt werden, ohne dass es zu einer Blockierung kommt. Beispielhaft können dafür in dem Mitnehmer 140 Öffnungen 147 ausgebildet werden, die dieses Spiel erlauben.
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Die Vorsprünge 143 an der Innenseite (radial innen, hin zur axialen Achse A gerichtet) der Führungsschiene 130 dienen gleichzeitig dem Ausüben der Aktuatorkraft auf das Aktuatorelement 150. Das Aktuatorelement 150 umfasst dazu entlang seiner Außenseite (von der axialen Achse A weg gerichtet) eine umlaufende Nut 148, die die Vorsprünge 143 der Führungsschiene 130 aufnehmen kann. Das Aktuatorelement 150 kann sich somit zwar frei innerhalb des Mitnehmers 130 drehen, nicht jedoch axial dazu verschieben.
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Das Aktuatorelement 150 kann schließlich 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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2 zeigt den Translationsaktuator in dem zusammengebauten Zustand, wobei auf der linken Seite eine Querschnittsansicht durch die axiale Achse A gezeigt ist und auf der rechten Seite eine entsprechende Raumansicht dargestellt ist. In den gezeigten Schnittdarstellungen sind Details der Rollführung 145 ersichtlich, die beispielhaft zwei gegenüberliegende Rollelemente 146, 147 (z.B. Kugeln) aufweist, zwischen denen sich die Führungsschiene 130 bewegen kann. Das Aktuatorelement 150 befindet sich radial an der Innenposition, wobei radial nach außen gerichtet nach dem Aktuatorelement 150 der Mitnehmer 140, die Führungsschiene 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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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des oberen Abschnittes des in der 2 gezeigten Translationsaktuators. Das Halteelement 160 wird beispielhaft durch eine Kopplung 116 fest an den Stator 110 gekoppelt, um die rotationsfeste Fixierung des Mitnehmers 140 relativ zu dem Stator 110 zu erreichen.
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Aus den 2 und 3 sind ebenfalls weitere Details der beispielhaften Tangentialführung 115 entnehmbar, bei der eine Vielzahl von Nuten rippenartige Vorsprünge aufnehmen, um dadurch eine relative axiale Verschiebung des Rotors 120 zu dem Stator 110 zu verhindern. Außerdem ist zu sehen, wie der erste Mitnehmerteil 141 direkt an den zweiten Mitnehmerteil 142 angrenzt, sodass die Rollelemente 146,147 die Führungsschiene 130 beidseitig - zum Beispiel mit einer gewissen Vorspannung - halten.
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Außerdem sind die Magneten 122 gezeigt, die unterhalb der Tangentialführung 115 in oder an dem Rotor 130 ausgebildet sind und mit den Spulen 112 über eine elektromagnetische Wechselwirkung die Rotationskraft oder das Drehmoment bewirken.
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Der in den 1 bis 3 dargestellte Translationsaktuator bewirkt eine axiale Verschiebung bei einer Aktivierung des elektrischen Antriebes zwischen dem Stator 110 und dem Rotor 120, die zu einer relativen Drehung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 führt. Als Folge wird die Führungsschiene 130 relativ zu dem Mitnehmer 140 gedreht. Da die Führungsschiene 130 gekrümmt ist, wird der Mitnehmer 140 durch die relative Drehung axial relativ zum Stator 110 verschoben. Die daraus resultierende axiale Kraft wird von dem Mitnehmers 140 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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Die axiale Verschiebung dieser Ausführungsform basiert auf der rotationsfesten Kopplung der Führungsschiene 130 relativ zum Rotor 120 und der rotationsfesten Kopplung des Mitnehmers 140 relativ zum Stator 120.
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4 zeigt die Komponenten eines Translationsaktuators gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Führungsschiene 130 rotationsfest mit dem Stator 110 und der Mitnehmer 140 rotationsfest mit dem Rotor 120 gekoppelt ist. Dazu sind an dem Stator 110 Fixierungsvertiefungen 114 vorgesehen, in die Vorsprünge 134 der Führungsschiene 130 eingreifen, sodass die Führungsschiene 130 fest an dem Stator 110 fixiert wird.
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Außerdem ist der Rotor 120 wiederum drehbaren innerhalb des Stators 110 gelagert, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Rotor 120 relativ zum Stator 110 axial verschiebbar ist. Das erste Mitnehmerteil 141 ist beispielhaft als ein integraler Bestandteil des Rotors120 ausgebildet. Auf dem ersten Mitnehmerteil 141 wird das zweite Mitnehmerteil 142 befestigt, wobei die Führungsschiene 130 wiederum zwischen gegenüberliegenden Rollenelementen 146,147 der Rollführung 145 gelagert ist und beispielhaft eine Wellenform (regulär oder irregulär) aufweist.
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Wiederum ist zwischen dem ersten Mitnehmerteil 141 und dem zweiten Mitnehmerteil 142 ein gewisser Spielraum vorgesehen, um eine leichte Drehung des Mitnehmers 140 relativ zu der gekrümmten Führungsschiene 130 zu ermöglichen.
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Die 5 zeigt wiederum den zusammengebauten Zustand des Translationsaktuators aus der 4, wobei auf der linken Seite die Querschnittsansicht durch die axiale Achse A gezeigt ist und auf der rechten Seite eine Raumansicht dargestellt ist. Aus der Raumansicht wird ersichtlich, dass die Vorsprünge 134 der Führungsschiene 130 in die entsprechenden Vertiefungen 114 des Stators 110 greifen, um eine feste Kopplung zwischen der Führungsschiene 130 und dem Stator 110 zu erreichen. Außerdem bildet in diesem Ausführungsbeispiel der Rotor 120 eine Einheit mit dem ersten Mitnehmerteil 141. Dies ist jedoch nicht zwingend so. Beide Komponenten können auch separate Einheiten bilden. Für die Funktionsweise ist lediglich wichtig, dass der Rotor 120 und der Mitnehmer 140 rotationsfest aneinanderkoppeln.
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Die 5 zeigt außerdem die Toleranzöffnungen 147, die zwischen dem ersten Mitnehmerteil 141 und dem zweiten Mitnehmerteil 142 vorgesehen sind, um eine möglichst reibungs- und blockierfreie Kopplung zwischen dem Mitnehmer 140 und der Führungsschiene 130 zu erreichen (wie auch in dem Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 3).
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Außerdem ist der Mitnehmer 140 beispielhaft als eine radial sich nach innen erstreckende Struktur dargestellt, auf welcher wiederum ein Aktuatorelement 150 (wie in der 1 dargestellt) angeordnet werden kann, sodass auch in diesem Ausführungsbeispiel die axiale Aktuatorkraft auf das Aktuatorelement 150 von dem Mitnehmer 140 übertragen wird.
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Die 6 zeigt wiederum eine vergrößerte Darstellung des oberen Abschnittes des Schnittes aus der 5. Aus der vergrößerte Darstellung ist ersichtlich, dass die Magneten 122 auf einer Außenseite des Rotors 120 angeordnet sind und mit den Spulen 112 auf dem Stator 110 in Wechselwirkung stehen, um die Rotationskraft aufzubringen. Aus der 6 sind auch die Details der Rollelemente 146, 147 beidseitig der Führungsschiene 130 klar zu entnehmen.
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Die Geometrie und die Anzahl der Spulen 112 und der Magneten 122 sind derart gewählt, dass auch nach einer axialen Verschiebung des Rotors 120 die mitbewegten Magnete 122 immer noch in dem magnetischen Feld der Spulen 112 sich befinden, um eine ausreichende Aktuatorkraft zu erreichen.
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Alle weiteren Funktionen und Elemente können in der gleichen Weise ausgebildet sein wie in dem Ausführungsbeispiel aus den 1 bis 3. Eine wiederholte Beschreibung ist daher nicht erforderlich. Insbesondere können auch in der Ausführungsform der 4 bis 6 erste und zweite Abschnitte 130a, 130b an der Führungsschiene 130 ausgebildet werden, um eine Verriegelung für bestimmte Winkelpositionen zu erreichen.
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Der in den 4 bis 6 dargestellte Translationsaktuator bewirkt ebenfalls eine axiale Verschiebung bei einer Aktivierung des elektrischen Antriebes zwischen dem Stator 110 und dem Rotor 120, die zu einer relativen Drehung zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 führt. Da die Führungsschiene 130 fest am Stator 110 befestigt ist und der Mitnehmer 140 fest am Rotor 120, wird als Folge der Krümmung der Führungsschiene 130 der Mitnehmer 140 gedreht und gleichzeitig wird die Rollführung 145 axial verschoben. Die daraus resultierende axiale Kraft wird von dem Mitnehmer 140 auf das Aktuatorelement 150 (nicht gezeigt) übertragen, das sich daraufhin parallel zur axialen Achse A verschiebt und somit die Aktuatorwirkung erzielt.
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Die axiale Verschiebung dieser Ausführungsform basiert auf der rotationsfesten Kopplung der Führungsschiene 130 relativ zum Stator 110 und der rotationsfesten Kopplung des Mitnehmers 140 relativ zum Rotor 120.
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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 Mitnehmers 140. 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 Führungsschien 130 bestimmt und kann nahezu frei gewählt werden.
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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 Elektromotor mit einem Stator 110 und einem Rotor 120, wobei eine Translationsverschiebung des Aktuatorelementes 150 durch die Drehung des elektrischen Motors bzw. des Rotors 120 bewirkt wird.
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Gemäß vorteilhafte Ausführungsformen kann in dem Aktuator das Aktuatorelement 150 frei innerhalb der elektrischen Antriebsmaschine rotieren, ist allerdings axial an den Aktuator gekoppelt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Aktuator die Translationsverschiebung des Aktuatorelementes 150 über ein Ringelement (Führungsschiene 130) und insbesondere über ein sinus-/wellenförmiges Ringelement realisiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem elektromechanischen Aktuator das sinus-/wellenförmige Element 130 an den Stator 110 des Aktuators fixiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem elektromechanischen Aktuator das sinus-/wellenförmige Element (Führungsschiene 130) an dem Rotorteil 120 des Aktuators fixiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem elektromechanischen Aktuator die axiale Verschiebung des Aktuatorelementes 150 eine nichtlineare Funktion der Drehung des Rotors 120.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dem elektromechanischen Aktuator das Aktuatorelement 150 durch ein sinus-/wellenförmigen Mechanismus realisiert, der eine beliebige stabile axiale Position haben kann. Diese Positionen des Aktuators können sich selbst verriegelnden.
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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
- Vertiefungen im Stator (Arretiermittel)
- 115
- Tangentialführung
- 120
- Rotor
- 122
- (Permanent-) Magnete
- 130
- Führungsschiene
- 130a
- erste, schräge Abschnitte der Führungsschiene
- 130b
- zweite, flache Abschnitte der Führungsschiene
- 134
- Vorsprünge der Führungsschiene
- 140
- Mitnehmer
- 141
- erstes Mitnehmerteil
- 142
- zweites Mitnehmerteil
- 143
- Vorsprung
- 145
- Rollführung
- 146, 147
- Rollelemente
- 148
- umlaufende Nut
- 150
- Aktuatorelement
- 155
- Innenverzahnung
- 160
- Halteelement
- 161
- Spalt (Aussparung)
- A
- Drehachse, axiale Achse
