DE102018116867A1 - Elektromechanischer Aktuator und Hinterachslenkung - Google Patents
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Abstract
Ein Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Gewindespindel (2), welche von mit jeweils einer korrespondierenden Profilierung (8) versehenen Planeten (21) umgeben ist, wobei die Planeten (21) in einem angetriebenen Käfig (13) geführt sind und über weitere Profilierungen (25) eine Mutter (4) kontaktieren, die die mit der erstgenannten Profilierung (8) versehenen Bereiche der Planeten (21) umgreift und gegenüber dem Käfig (13) durch Wälzlager (14) abgestützt ist, und wobei der Käfig (13) mittels weiterer Wälzlager (30, 31, 32,33) in einem Gehäuse (20) gelagert und mit einer ausgangsseitigen Komponente (12, 34) eines weiteren Getriebes (10, 11, 12) drehfest verbunden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator, welcher eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt, wobei eine Gewindespindel von mehreren als Rollkörper ausgebildeten Planeten kontaktiert wird und ein Bauteil, in welchem die Planeten gelagert sind, rotativ angetrieben ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Hinterachslenkung mit einem solchen Aktuator.
- Ein Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung, welche auf einer Gewindespindel abrollende Wälzkörper umfasst, ist zum Beispiel aus der
DE 195 40 634 C1 bekannt. Die einzelnen Wälzkörper dieser Vorrichtung sind über Führungsringe und über zwischen den Führungsringen und einer Spindelmutter angeordnete Kugellager gelagert. Hierbei sind die Wälzkörper relativ zur Spindelmutter und zueinander in einem fest vorgegebenen Abstand angeordnet, sodass unter anderem eine axiale Kraftaufnahme über die Wälzkörper, die Führungsringe und die Kugellager auf die Spindelmutter möglich ist. In der Spindelmutter sowie in einer Abdeckung der Spindelmutter befinden sich weitere Kugellager, welche die Wälzkörper drehbar lagern und den Abstand zwischen den auch als Rollkörper bezeichneten Wälzkörpern konstant halten. Bei einem rotativen Antrieb entweder der Spindelmutter oder der Gewindespindel der bekannten Vorrichtung wird die Rotation des betreffenden Teiles in eine steigungsfehlerfreie Axialbewegung des anderen Teiles umgewandelt. - Eine weitere Vorrichtung zur Umwandlung einer Rotation in eine Linearbewegung ist in der
FR 1.494.173 A - Ein in der
DE 1 198 157 beschriebenes Rotativ-Linear-Getriebe weist einen drehbaren Käfig auf, durch den hindurch sich eine Gewindespindel erstreckt, wobei mehrere als Lagerelemente bezeichnete Rollkörper im Käfig gelagert sind und in Gewindegänge der Spindel eingreifen. Weiter umfasst das Getriebe ein ringförmiges Teil, welches die Planeten in rollender Berührung mit ihnen umgibt, womit die Planeten mit der Gewindespindel in Berührung gehalten werden. Eine Axialkraftübertragung zwischen dem ringförmigen Teil und dem Käfig des Getriebes ist nicht vorgesehen. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten elektromechanischen Aktuator, insbesondere für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs, anzugeben, welcher sich durch eine steigungsfehlerfreie Funktion, einen fertigungsfreundlichen Aufbau, sowie ein besonders günstiges Verhältnis zwischen beanspruchtem Bauraum und übertragbaren Kräften und Momenten auszeichnet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektromechanischen Aktuator mit den Merkmalen den Anspruchs 1. Der Aktuator ist zur Verwendung in einer Hinterachslenkung nach Anspruch 9 geeignet und umfasst eine Gewindespindel, welche von mit jeweils einer korrespondierenden, das heißt in das Gewinde der Spindel eingreifenden, Profilierung versehenen Planeten umgeben ist, wobei die Planeten in einem angetriebenen Käfig geführt sind. Weitere Profilierungen der Planeten kontaktieren eine Mutter, die die mit der erstgenannten Profilierung versehenen, die Gewindespindel kontaktierenden Bereiche der Planeten umgreift und gegenüber dem Käfig durch Wälzlager abgestützt ist. Der Käfig ist mittels weiterer Wälzlager in einem Gehäuse gelagert und mit einer ausgangsseitigen Komponente eines weiteren Getriebes drehfest verbunden.
- Der in dem Gehäuse wälzgelagerte Käfig hat somit eine Doppelfunktion, nämlich zum einen die Funktion eines rotierenden eingangsseitigen Elementes in einem Rotativ-Linear-Getriebe, und zum anderen eine Funktion auf der Ausgangsseite eines weiteren Getriebes, insbesondere eines als Untersetzungsgetriebe ausgelegten Rotativ-Rotativ-Getriebes. Bei Einbau des Aktuators in eine Hinterachslenkung eines Fahrzeugs ist der Aktuator zur linearen Auslenkung mindestens eines an die Gewindespindel angeschlossenen, zur beweglichen Kopplung mit einem Spurlenker vorgesehenen Anbindungselementes ausgebildet.
- Die Mutter, welche die Planeten umgibt, ist innerhalb des Käfigs angeordnet und umfasst vorzugsweise zwei gegeneinander verspannbare Mutterhälften. Der Begriff „Mutterhälften“ impliziert hierbei nicht zwangsläufig, dass beide Mutterhälften gleich groß sind. Jede Mutterhälfte kann mit einer gesonderten Vorspannmutter verbunden sein, wobei sich die zur Lagerung der Mutter im Käfig vorgesehenen Lager an den Vorspannmuttern abstützen.
- Die zur Lagerung der Mutter im Käfig vorgesehenen Lager sind in bevorzugter Ausgestaltung als Schrägwälzlager, insbesondere Schrägrollenlager oder Schrägkugellager, ausgebildet, wobei jedes der beiden Schrägwälzlager die Mutter im Käfig in Radialrichtung sowie in genau einer Axialrichtung abstützt. Die beiden Schrägwälzlager bilden zusammen eine Wälzlagerung in X-Anordnung. Dies bedeutet, dass die durch die Wälzkörper, das heißt Rollen oder Kugeln, der beiden Schrägwälzlager laufenden Drucklinien sich in der Art eines X kreuzen.
- Das weitere Getriebe, das heißt Rotativ-Rotativ-Getriebe, des Aktuators ist gemäß einer möglichen Ausgestaltung als Umschlingungsgetriebe, insbesondere Riemengetriebe, ausgebildet. Alternativ ist auch ein Antrieb des Käfigs über ein Stirnradgetriebe möglich. In beiden Fällen ist die Welle des dem Aktuator zuzurechnenden Elektromotors parallel von der Mittelachse der Gewindespindel beabstandet. Der zur Betätigung des Rotativ-Rotativ-Getriebes vorgesehene Elektromotor kann innerhalb desselben Gehäuses angeordnet sein, in welchem der Käfig drehbar gelagert ist. Zur Lagerung des Käfigs im Gehäuse werden vorzugsweise Wälzlager verwendet. Hierbei kann es sich beispielsweise um Schrägwälzlager oder um eine Kombination von Radialwälzlagern und Axialwälzlagern handeln.
- Gemäß einer möglichen Bauform umfasst das als Umschlingungsgetriebe ausgebildete Rotativ-Rotativ-Getriebe ein Abtriebselement, insbesondere in Form eines Riemenrades, welches eine Mantelfläche des Käfigs umgibt. Ebenso kann der Käfig selbst als Riemenscheibe ausgebildet sein.
- Gemäß einer alternativen Bauform umfasst das Umschlingungsgetriebe ein Abtriebselement, welches über einen Flansch oder über eine Welle mit einem die Planeten führenden Käfigring, welcher dem die Planeten führenden Käfig zuzurechnen ist, verbunden und hierbei gegenüber dem Käfigring in Axialrichtung versetzt ist.
- In dem rotativ angetriebenen Käfig sind die Planeten beispielsweise gleitgelagert. Ebenso kommt eine Wälzlagerung der Planeten in Betracht. Zur Übertragung von Axialkräften zwischen der Spindel und dem Käfig und weiter zum Gehäuse sind nicht in erster Linie die Gleit- oder Wälzlager, mit welchen die Planeten gelagert sind, sondern die vorzugsweise als Schrägwälzlager ausgebildeten Lager, welche die Mutter im Käfig lagern, vorgesehen.
- In jedem Fall wird jede Umdrehung des Käfigs steigungstreu in Vorschub der Gewindespindel umgesetzt. Eventueller Schlupf der Planeten auf der Gewindespindel ist hierbei ohne Belang. Auch das dem Rotativ-Linear-Getriebe vorgeschaltete Rotativ-Rotativ-Getriebe erlaubt in bevorzugter Ausgestaltung eine eindeutige Zuordnung zwischen der Winkelstellung des Antriebselementes und der Winkelstellung des Abtriebselementes, wobei die letztgenannte Winkelstellung mit der Winkelstellung des Käfigs identisch ist. Die Positionierung der Gewindespindel ist somit auf einfache Weise durch einen Winkelsensor erfassbar. Die feinste Auflösung ist dabei erzielbar, wenn der Winkelsensor die Winkelposition der Motorwelle des Elektromotors des Aktuators erfasst.
- Die mittels des Aktuators verschiebbare Gewindespindel kann ein eingängiges oder mehrgängiges Gewinde aufweisen.
- Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Aktuators einer Hinterachslenkung in schematisierter Schnittdarstellung, -
2 ein weiteres, unvollständig dargestelltes Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Aktuators einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs in Schnittdarstellung, -
3 einen Ausschnitt der Anordnung nach2 , -
4 eine drittes Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Aktuators in perspektivischer Ansicht, -
5 ein Detail der Anordnung nach4 , -
6 die Anordnung nach5 in Schnittdarstellung, -
7 Komponenten des Aktuators nach4 in perspektivischer Ansicht, -
8 bis13 ein Einzelteil der Anordnung nach7 . - Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
- Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen
1 gekennzeichneter Aktuator, allgemein auch als Antriebseinheit bezeichnet, umfasst einen Elektromotor9 sowie ein zweistufiges Getriebe, dessen erste Getriebestufe als Rotativ-Rotativ-Getriebe und dessen zweite Getriebestufe als Rotativ-Linear-Getriebe ausgebildet ist. Ausgangselement der zweiten Getriebestufe ist eine Gewindespindel2 , kurz auch als Spindel bezeichnet, deren Gewinde mit 3 bezeichnet ist. Die Spindel2 ist in verdrehgesicherter Weise verschiebbar, wobei sie mit lediglich in4 sichtbaren Anbindungselementen5 ,6 verbunden ist, welche jeweils zur gelenkigen Kopplung mit einem Spurlenker einer Hinterachslenkung vorgesehen sind. - Eine die Spindel
2 umgebende Mutter4 ist zur Übertragung von Kräften in Axialrichtung, das heißt in Richtung der mit M bezeichneten Mittelachse der Spindel2 , nicht jedoch zur Drehmomentübertragung vorgesehen. In der Mutter4 , welche auch als Hohlrad bezeichnet wird, wälzen mehrere Planeten21 ab, die jeweils eine mehrfach abgestufte Form haben. Der Mittelabschnitt eines jeden Planeten ist mit 7 bezeichnet und bestimmt den Maximaldurchmesser des Planeten21 . Eine Profilierung8 des Mittelabschnitts7 ist als Rillenprofilierung gestaltet und korrespondierend zur Kontur des Gewindes3 ausgebildet. An den Mittelabschnitt7 eines jeden Planeten21 schließen sich zwei vergleichsweise dünne, ebenfalls im Wesentlichen zylindrische Seitenabschnitte24 an. Profilierungen der Seitenabschnitte24 sind mit 25 bezeichnet. Auch die Profilierungen25 haben, ebenso wie die Profilierung8 , die Form von Rillen ohne Steigung. Die Profilierungen25 greifen in entsprechend konturierte Profilierungen zweier Mutterhälften18 ,19 ein. Die Mutterhälften18 ,19 sind mit jeweils einer Vorspannmutter15 ,16 fest verbunden, wobei die Vorspannmutter15 ,16 die zugehörige Mutterhälfte18 ,19 ringförmig umgibt. Durch Einstellung der Vorspannung zwischen den Mutterhälften18 ,19 ist Spiel zwischen der Mutter4 und den Planeten21 vermeidbar. Zugleich ist durch die Einstellung der Vorspannmuttern15 ,16 das Spiel von Lagern14 einstellbar, insbesondere auf Null reduzierbar. Jedes Lager14 ist als Schrägrollenlager ausgebildet und zwischen einer Vorspannmutter15 ,16 und einem mit 13 bezeichneten Käfig, welche eine Hülsenform aufweist, angeordnet. - Der Käfig
13 weist mehrere Aufnahmen27 auf, in welchen Zapfen26 gelagert sind, die die stirnseitigen Enden der Planeten21 darstellen. Die Lagerungen der Zapfen26 der Planeten21 in den Aufnahmen27 sind als Gleitlager ausgeführt. - Der Käfig
13 stellt das eingangsseitige Element der zweiten Getriebestufe, das heißt des Rotativ-Linear-Getriebes, dar. Zugleich ist der Käfig13 drehfest mit einem Riemenrad12 verbunden, bei welchem es sich um das ausgangsseitige Element der ersten Getriebestufe, das heißt des als Untersetzungsgetriebe ausgelegten Rotativ-Rotativ-Getriebes, handelt. Dem letztgenannten Getriebe ist weiter ein Riemen11 , allgemein als Umschlingungsmittel bezeichnet, sowie ein Ritzel10 als eingangsseitiges Element zuzurechnen. Das Ritzel10 ist fest mit der Motorwelle des Elektromotors9 verbunden. - Die gesamte, zweistufige Getriebeanordnung sowie der Elektromotor
9 befinden sich in einem Gehäuse20 . In dem Gehäuse20 ist der Käfig13 durch Radiallager30 ,31 und Axiallager32 ,33 gelagert. Bei den genannten Lagern30 ,31 ,32 ,33 handelt es sich in den Ausführungsbeispielen um Wälzlager. In nicht dargestellter Weise kann die Funktion der insgesamt vier Lager30 ,31 ,32 ,33 durch eine Wälzlagerung mit weniger Komponenten, beispielsweise eine Kombination zweier Schrägwälzlager, ersetzt werden. - Die Lager
14 , welche die Mutter4 im Käfig13 lagern, weisen in den Ausführungsbeispielen Rollen35 als Wälzkörper auf, welche auf Lagerscheiben36 ,37 abrollen und in einem Käfig38 geführt sind. Hierbei sind die inneren Lagerscheiben36 fest mit der Mutter4 verbunden, wogegen die äußeren Lagerscheiben37 fest im Käfig13 angeordnet sind. - Im Ausführungsbeispiel nach
1 umgibt das Riemenrad12 unmittelbar die Mantelfläche des Käfigs13 . Hierbei ist eine durch das Riemenrad12 gelegte Mittelebene mit der Mittelebene der Mutter4 sowie des Käfigs13 identisch. In entsprechender Weise ist auch der Käfig13 des Ausführungsbeispiels nach den2 und3 antreibbar. Im Fall von2 und3 umfasst der Käfig13 zwei Käfigaußenteile44 ,45 , welche mittels eines Sprengrings43 zueinander ausgerichtet sind. An jedes Käfigaußenteil44 ,45 ist ein rohrförmiger Flansch28 ,29 angeformt. In3 ist ein KraftflussKF skizziert, welcher aus einer in die Spindel2 eingeleiteten, in Axialrichtung wirkenden KraftF resultiert. Der KraftflussKF geht, wie aus3 ersichtlich ist, durch die Planeten21 , die Mutter4 , eines der Lager14 , und von dort aus in den Käfig13 und weiter über die in3 nicht dargestellten Lager30 ,32 in das Gehäuse20 . Über die Aufnahmen27 werden dagegen keine nennenswerten Axialkräfte übertragen. Die Aufnahmen27 sind im Fall von2 und3 durch Käfigringe22 ,23 gebildet, welche dem Käfig13 zuzurechnen sind. - Auch im Ausführungsbeispiel nach den
4 bis13 weist der Käfig13 zwei Käfigringe22 ,23 auf, die jeweils eine Mehrzahl an Aufnahmen27 für die Planeten21 bilden. Zusätzlich zu den Aufnahmen27 sind in diesem Fall durch die Käfigringe22 ,23 Formschlusselemente42 gebildet, welche der Kopplung mit den Flanschen28 ,29 dienen. Der im Fall von5 als gesondertes Element ausgebildete Flansch28 ist drehfest verbunden mit einem Antriebselement34 , welches damit auch mit dem Käfig13 drehfest gekoppelt ist. Das Antriebselement34 ist fest mit dem Riemenrad12 verbunden. Somit stellt das Antriebselement34 ein ausgangsseitiges Element der ersten Getriebestufe des Aktuators1 dar. - Im Fall von
4 umfasst der Käfig13 eine im Wesentlichen zylindrische Käfighülse39 . Zwei stirnseitige Käfigelemente40 weisen jeweils mehrere Arme41 auf, welche eine formschlüssige Verbindung mit der Käfighülse39 herstellen. Über die Käfighülse39 sind auch Axialkräfte zwischen den im Wesentlichen ringscheibenförmigen stirnseitigen Käfigelementen40 übertragbar. - In allen Ausführungsbeispielen wird eine Umdrehung des Käfigs
13 in einen entsprechend der Steigung des Gewindes3 definierten Vorschub der Spindel2 umgesetzt. Insofern ist die Funktion eines einfachen Bewegungsgewindes gegeben. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber einem einfachen Bewegungsgewinde, etwa Trapezgewinde, besteht darin, dass aufgrund des Abrollens der Planeten21 auf der Spindel2 die Reibung drastisch herabgesetzt ist. Zugleich kann die Position der Spindel2 auf einfache Weise durch Erfassung der Winkelstellung des Käfigs13 oder des Ritzels10 detektiert werden. Eine lineare Positionserfassung ist dagegen für den Betrieb der den Aktuator1 umfassenden Hinterachslenkung nicht erforderlich. Der Wirkungsgrad der als Rotativ-Linear-Getriebe ausgebildeten zweiten Getriebestufe des Aktuators1 ist durch Veränderung der Einstellung der Vorspannmuttern15 ,16 , zwischen welchen eine Distanzscheibe17 (1 ) angeordnet sein kann, einstellbar. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Aktuator, Antriebseinheit
- 2
- Gewindespindel
- 3
- Gewinde
- 4
- Mutter
- 5
- Anbindungselement
- 6
- Anbindungselement
- 7
- Mittelabschnitt des Planeten
- 8
- Profilierung des Mittelabschnitts
- 9
- Elektromotor
- 10
- Ritzel, Antriebselement
- 11
- Riemen
- 12
- Riemenrad, Abtriebselement
- 13
- Käfig
- 14
- Wälzlager, Lager zur Lagerung der Mutter im Käfig
- 15
- Vorspannmutter
- 16
- Vorspannmutter
- 17
- Distanzscheibe
- 18
- Mutterhälfte
- 19
- Mutterhälfte
- 20
- Gehäuse
- 21
- Planet
- 22
- Käfigring
- 23
- Käfigring
- 24
- Seitenabschnitt
- 25
- Profilierung des Seitenabschnitts
- 26
- Zapfen
- 27
- Aufnahme
- 28
- Flansch
- 29
- Flansch
- 30
- Radiallager
- 31
- Radiallager
- 32
- Axiallager
- 33
- Axiallager
- 34
- Antriebselement
- 35
- Wälzkörper, Rolle
- 36
- Lagerscheibe
- 37
- Lagerscheibe
- 38
- Käfig des Lagers
14 - 39
- Käfighülse des Käfigs
13 - 40
- Stirnseitiges Käfigelement
- 41
- Arm
- 42
- Formschlusselement
- 43
- Sprengring
- 44
- Käfigaußenteil
- 45
- Käfigaußenteil
- F
- Kraft
- KF
- Kraftfluss
- M
- Mittelachse
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19540634 C1 [0002]
- FR 1494173 A [0003]
- DE 1198157 [0004]
Claims (9)
- Elektromechanischer Aktuator, mit einer Gewindespindel (2), welche von mit jeweils einer korrespondierenden Profilierung (8) versehenen Planeten (21) umgeben ist, wobei die Planeten (21) in einem angetriebenen Käfig (13) geführt sind und über weitere Profilierungen (25) eine Mutter (4) kontaktieren, die die mit der erstgenannten Profilierung (8) versehenen Bereiche der Planeten (21) umgreift und gegenüber dem Käfig (13) durch Wälzlager (14) abgestützt ist, und wobei der Käfig (13) mittels weiterer Wälzlager (30, 31, 32,33) in einem Gehäuse (20) gelagert und mit einer ausgangsseitigen Komponente (12, 34) eines weiteren Getriebes (10, 11, 12) drehfest verbunden ist.
- Aktuator nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (4) zwei gegeneinander verspannbare Mutterhälften (18, 19) umfasst. - Aktuator nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die zur Lagerung der Mutter (4) im Käfig (13) vorgesehenen Wälzlager (14) als Schrägwälzlager, insbesondere Schrägrollenlager, ausgebildet sind, welche zusammen eine X-Anordnung bilden. - Aktuator nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Getriebe (10, 11, 12) als Umschlingungsgetriebe, insbesondere Riemengetriebe, ausgebildet ist. - Aktuator nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Betätigung des Umschlingungsgetriebes (10, 11, 12) vorgesehener Elektromotor (9) innerhalb des Gehäuses (20), in welchem der Käfig (13) drehbar gelagert ist, angeordnet ist. - Aktuator nach
Anspruch 4 oder5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Umschlingungsgetriebe (10, 11, 12) ein Abtriebselement (12) umfasst, welches eine Mantelfläche des Käfigs (13) umschließt. - Aktuator nach
Anspruch 4 oder5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Umschlingungsgetriebe (10, 11, 12) ein Abtriebselement (12) umfasst, welches über einen Flansch (28, 29) mit einem die Planeten (21) führenden Käfigring (22, 23) verbunden und hierbei gegenüber dem Käfigring (22, 23) in Axialrichtung versetzt ist. - Aktuator nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Planeten (21) im Käfig (13) gleitgelagert sind. - Hinterachslenkung, umfassend einen Aktuator nach
Anspruch 1 , welcher zur linearen Auslenkung mindestens eines an die Gewindespindel (2) angeschlossenen, zur beweglichen Kopplung mit einem Spurlenker vorgesehenen Anbindungselementes (5, 6) ausgebildet ist.
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