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Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb und einen Aktuator sowie eine Verwendung des Aktuators nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Durch die
DE 10 2015 224 775 A1 wurde ein gattungsgemäßer Spindelantrieb bekannt. Bei dem bekannten Spindelantrieb sind das Spindelgewinde und das Muttergewinde durch einen Gewindering in Längsrichtung gegeneinander verspannt, wobei der Gewindering über ein als Tellerfeder ausgebildetes Federelement gegenüber der Spindelmutter abgestützt ist. Durch die Tellerfeder wird eine ständige Vorspannung erzeugt, welche zu einer Anlage der Flanken von Spindel- und Muttergewinde führt und ein Axialspiel verhindert. Durch die ständige Vorspannung wird nicht nur im Ruhezustand, sondern auch während des Betriebes, d. h. bei einer Relativbewegung zwischen Spindel und Spindelmutter eine erhöhte Reibungskraft erzeugt, welche den Wirkungsgrad des Spindelantriebes reduziert, d. h. eine höhere Antriebsleistung erfordert.
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Die Erfindung soll den Wirkungsgrad des Spindelantriebes verbessern.
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Die Erfindung umfasst die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb für eine Lenkung eines Kraftfahrzeugs mit einer ein Spindelgewinde aufweisenden Spindel sowie einer ein Muttergewinde aufweisenden Spindelmutter, wobei das Spindelgewinde und das Muttergewinde durch einen Gewindering mittels eines Kraftspeichers in Längsrichtung der Spindel gegeneinander verspannt sind.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Spindelantrieb der vorgenannten Art vorgesehen, dass die Kraft des Kraftspeichers, insbesondere die Federkraft eines Federelements (=Kraftspeicher), welches die Verspannung bewirkt, durch zumindest ein Fliehgewicht reduzierbar ist, wenn dieses zusätzlich zum Kraftspeicher eingesetzt wird. Das Fliehgewicht unterliegt bei Drehung der Spindelmutter der Zentrifugalkraft, so dass das Fliehgewicht nach radial außen bewegt wird. Diese Radialbewegung wird erfindungsgemäß dazu ausgenutzt, die Kraft des Kraftspeichers bzw. der Federkraft, zu reduzieren bzw. einen geringer dimensionierten Kraftspeicher bzw. ein Federelement mit einer geringeren Federkraft zu nutzen. Dies hat zur Folge, dass die Reibungskraft in den Gewindegängen von Spindel und Spindelmutter reduziert und der Wirkungsgrad des Spindeltriebs erhöht wird, wodurch eine geringere Antriebsleistung für die Drehbewegung der Spindelmutter erforderlich ist. Gleichzeitig bleibt bei einem im Vergleich zum Stand der Technik reduzierten Kraftspeicher jedoch eine hinreichende Vorspannung erhalten, welche ein Axialspiel zwischen Mutter- und Spindelgewinde verhindert. Alternativ kann das Fliehgewicht allein statt des Kraftspeichers eingesetzt werden. Es ergäbe sich dann eine Verspannung von Spindelmutter und Spindel, die durch das Fliehgewicht allein bewirkt wird. Auf den Kraftspeicher zwischen Spindelmutter und Spindel könnte somit verzichtet werden.
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Der Kraftspeicher kann z.B. als Tellerfeder aus Federstahl oder als Ring aus einem elastomeren Werkstoff gefertigt sein. Spindel und Spindelmutter können als Gleitgewindetrieb, vorzugsweise als Trapezgewindetrieb oder als Rollgewindetrieb ausgebildet sein.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Gewindering und der Spindelmutter ein Kipphebelmechanismus wirksam, welcher für eine verringerte Verspannung bei einer Drehbewegung der Spindelmutter sorgt. Am Kipphebelmechanismus wirken sowohl die Fliehkraft, hervorgerufen durch mindestens ein Fliehgewicht, als auch eine Federkraft, welche der Wirkung der Fliehkraft entgegengesetzt gerichtet ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kipphebelmechanismus einen Hebel, welcher einerseits an der Spindelmutter und andererseits am Gewindering angelenkt ist. Durch den Hebel, der vorzugsweise aus zwei L-förmig miteinander verbundenen Schenkeln, vorzugsweise einstückig, ausgebildet ist, erfolgt eine Umsetzung einer Radialbewegung - infolge Fliehkraft und/oder Federkraft - in eine Axialbewegung, welche die Verspannung zwischen Spindelmutter und Gewindering bewirkt. Durch den Einsatz dieser radial wirkenden Feder kann auf die axial wirkende Feder zwischen Gewindering und Spindelmutter verzichtet werden. Die notwendige Verspannung zur Spielreduzierung im Ruhezustand bei nicht drehender Spindelmutter kann durch die radial wirkende Feder bewerkstelligt werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wirken das Fliehgewicht und die Federkraft in entgegengesetzte Richtungen, d. h. die Zentrifugalkraft ist radial nach außen und die Federkraft radial nach innen gerichtet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement als Zugfeder ausgebildet, welche einen L-Schenkel des Hebels radial nach innen in Richtung der Längsachse der Spindel bzw. Spindelmutter zieht und damit der Fliehkraft entgegenwirkt. Alternativ zu der Zugfeder ist auch eine Ringfeder möglich, welche den im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Schenkel des Hebels umschließt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Fliehgewicht als mindestens ein, vorzugsweise keilförmiges, Element ausgebildet, welches zwischen dem Gewindering und der Spindelmutter wirksam ist und diese in entgegengesetzte Richtung bewegt. Aufgrund Keilwirkung des Keilelements werden Spindel und Spindelmutter durch die in radialer Richtung nach innen auf das Keilelement wirkende Federkraft in axialer Richtung voneinander weg gedrückt, so dass das Axialspiel beseitigt wird. Bei Drehung der Spindelmutter greift die Fliehkraft am Keilelement an und lässt das mindestens eine Keilelement radial nach außen wandern. Dadurch wird die Keilwirkung abhängig von der Drehgeschwindigkeit abgeschwächt, die Reibungskraft verringert sich, und der Wirkungsgrad des Spindelantriebes wird verbessert.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement als Ringfeder ausgebildet, welche sich als unter Vorspannung stehender Ring um das mindestens eine Keilelement legt und dieses somit radial nach innen drückt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Keilelement als keilförmiger Ring ausgebildet, welcher aus einzelnen radial beweglichen, sektorförmig ausgebildeten Ringelementen, mit anderen Worten Ringsegmenten aufgebaut ist. Somit ergibt sich kein geschlossener einstückiger Ring, sondern ein in radialer Richtung mehrfach unterteilter Ring, dessen einzelne Sektorelemente bei Auftreten von Fliehkraft radial nach außen wandern. Dadurch wird die Vorspannung in axialer Richtung auf Mutter- und Spindelgewinde reduziert, womit gleichzeitig die Reibungskraft in den Gewindegängen reduziert wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ringfeder als Rundschnurrring, auch als O-Ring bezeichnet, ausgebildet. Der O-Ring ist in Tangentialrichtung gedehnt und übt damit eine Radialspannung auf die Ringelemente aus. Damit ist eine einfache, kostengünstige Lösung für das Federelement in Verbindung mit dem Keilelement gegeben.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Spindelmutter, die Ringsegmente und der Gewindering über Führungsstifte drehfest, jedoch axial verschiebbar miteinander verbunden. Damit werden die Ringsegmente in ihrer Radialbewegung begrenzt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Aktuator, d. h. ein Stellantrieb mit dem zuvor beschriebenen Spindelantrieb ausgestattet. Da ein solcher Aktuator vorzugsweise in Kraftfahrzeugen, insbesondere für eine Hinterachslenkung eingesetzt wird, wirkt sich der verbesserte Wirkungsgrad - wegen der im Kraftfahrzeug beschränkten Energiereserven - besonders günstig aus.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Aktuator für steer-by-wire-Lenkung verwendet. Vorzugsweise ist diese als eine Hinterachslenkung mit einer rein elektrischen Ansteuerung ausgebildet. Hierbei besteht keine mechanische, sondern nur eine elektrische Verbindung zwischen Lenkrad und steer-by-wire-Lenkung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden 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 Kipphebelmechanismus als Prinzipskizze (erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung),
- 2 einen Spindelantrieb mit Keilelement als Prinzipskizze (zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung),
- 3 den Spindelantrieb gemäß 2 als konstruktive Ausführung in einem Axialschnitt und
- 4 einen mehrteiligen, keilförmigen Ring als Einzelteil aus 3.
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1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Spindelantrieb 1 mit einem Kipphebelmechanismus 2 in schematischer Darstellung. Eine Spindel 3 steht mit einer Spindelmutter 4 über ein Bewegungsgewinde in Eingriff. Die Spindelmutter 4 ist ortsfest angeordnet und ist in Drehrichtung antreibbar. Sie bewirkt eine Axialverschiebung der Spindel 3. Auf der Spindel 3 ist ein Gewindering 5 angeordnet, welcher über das Bewegungsgewinde ebenfalls in Eingriff mit der Spindel 3 steht. Um ein Axialspiel zwischen Spindelmutter 4 und Spindel 3 zu vermeiden, ist der Gewindering 5 in axialer Richtung verspannt. Die Verspannung des Gewinderinges 5 gegenüber der Spindelmutter 4 erfolgt erfindungsgemäß über den Kipphebelmechanismus 2, welcher einen etwa L-förmig ausgebildeten Hebel 6 mit einem langen, etwa in axialer Richtung der Spindel 3 verlaufenden Schenkel 6a und einen kurzen, etwa in radialer Richtung verlaufenden Schenkel 6b aufweist. Der Hebel 6, welcher zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt ist, weist einen ersten Gelenkpunkt 4a für eine Anlenkung an der Spindelmutter 4 und einen zweiten Gelenkpunkt 5a für eine Anlenkung am Gewindering 5 auf. Am freien Ende des langen Schenkels 6a ist ein Fliehgewicht 7 angeordnet, welches mit dem Schenkel 6a fest verbunden ist. Zwischen dem langen Schenkel 6a und dem Umfang der Spindelmutter 4 ist ein als Zugfeder 8 ausgebildetes Federelement 8 angeordnet, welches eine in radialer Richtung nach innen in Richtung der Längsachse a der Spindel wirkende Federkraft auf den langen Schenkel 6a ausübt, welcher infolge der Federkraftwirkung im Uhrzeigersinn um den Gelenkpunkt 4a gedreht wird. Durch diese Drehung im Uhrzeigersinn schwenkt der Gelenkpunkt 5a im Wesentlichen in axialer Richtung, d. h. er drückt den Gewindering 5 und die Spindelmutter 4 auseinander bzw. den Gewindering 5 von der ortsfest gelagerten Spindelmutter 4 weg, so dass eine Verspannung des Bewegungsgewindes mit der Folge auftritt, dass ein Axialspiel unterbunden wird.
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Der Kipphebelmechanismus 2 arbeitet wie folgt: Bei Stillstand des Spindelantriebes 1, d. h. bei nicht drehender Spindelmutter 4 entfaltet die Zugfeder 8 ihre volle Wirkung, d. h. der Gelenkpunkt 5a wird in der Zeichnung nach links gedrückt, und es wird die maximale Vorspannung ausgeübt und in den Gängen des Bewegungsgewindes die maximale Reibungskraft erreicht. Wird die Spindelmutter 4 in Drehrichtung angetrieben, so wird das Fliehgewicht 7, welches mit der Spindelmutter 4 mitdreht, aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen gedrückt. Diese Radialbewegung wird auf den Hebel 6 derart übertragen, dass der Hebel 6 um den Gelenkpunkt 4a entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird, wodurch der Gelenkpunkt 5a näher an die Spindelmutter 4 herangedrückt wird, was eine Verringerung der Vorspannung in den Gewindegängen zur Folge hat. Aufgrund der reduzierten Vorspannung tritt eine geringere Reibungskraft, d. h. ein geringeres Reibmoment in der Spindelmutter 4 auf, so dass eine geringere Antriebsleistung für die Spindelmutter 4 benötigt wird. Mit anderen Worten: Der Wirkungsgrad des Spindelantriebes 1 wird bei drehender Spindelmutter 4, d. h. während des Betriebes verbessert.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Spindelantrieb 11 mit einer Spindel 13, einer Spindelmutter 14 und einem Gewindering 15 in einer schematischen Darstellung. Zwischen der Spindelmutter 14 und dem Gewindering 15 ist - schematisch - ein Keilelement 17 angeordnet, welches durch ein Federelement 18 in einer Richtung radial nach innen belastet ist. Das Keilelement 17 weist Keilflächen 17a, 17b auf, welche bei einer Bewegung des Keilelements 17 nach innen, d. h. in Richtung auf die Rotationsachse a die Spindelmutter 14 und den Gewindering 15 auseinanderdrückt und die gewünschte Vorspannung - analog wie im ersten Ausführungsbeispiel - in den Gewindegängen erzeugt. Erfindungsgemäß ist das Keilelement 17 als Fliehgewicht 17 ausgebildet, welches unter dem Einfluss von Zentrifugalkräften radial nach außen, d. h. weg von der Spindellängs- bzw. Rotationsachse a wandert und somit die Vorspannung in den Gewindegängen reduziert. Somit wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel im Ruhezustand des Spindelantriebes 11 eine maximale Vorspannung und im Betrieb, d. h. bei rotierender Spindelmutter 14 eine reduzierte Vorspannung, verbunden mit einem erhöhten Wirkungsgrad des Spindelantriebes 11, erreicht.
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3 zeigt eine konstruktive Ausführungsform eines Spindelantriebes 21 gemäß dem schematisch in 2 dargestellten Spindelantrieb 11. Der Spindelantrieb 21 umfasst eine Spindel 23 mit einem als Trapezgewinde ausgebildeten Bewegungsgewinde 23a, welches in Eingriff mit dem Muttergewinde (ohne Bezugszahl) der Spindelmutter 24 und eines Gewinderinges 25 steht. Zwischen der Stirnseite 24a der Spindelmutter 24 und dem Gewindering 25 ist ein mehrteiliger, keilförmiger Ring 27 angeordnet, welcher von Führungsstiften 29 durchsetzt ist. Die Führungsstifte 29 sind einerseits in stirnseitigen Bohrungen der Spindelmutter 24 und andererseits in Durchgangsbohrungen des Gewinderinges 25 aufgenommen, so dass die Spindelmutter 24, der keilförmige Ring 27 und der Gewindering 25 drehfest miteinander verbunden, jedoch axial gegeneinander beweglich sind. Der keilförmige Ring 27, welcher aus einzelnen Ringelementen (vgl. 4) besteht, wird von einem als Rundschnurrring 28 ausgebildeten Ringfederelement 28 umspannt. Der Rundschnurrring 28, auch O-Ring 28 genannt, übt somit aufgrund seiner Tangentialspannung radial nach innen gerichtete Kräfte auf den mehrteiligen keilförmigen Ring 27 aus, so dass eine Keilwirkung zwischen der Stirnseite 24a der Spindelmutter 24 und der keilförmigen Stirnfläche des Gewinderings 25 erzeugt wird.
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4 zeigt den keilförmigen Ring 27 aus 3 als Einzelteil, und zwar einerseits in einer Draufsicht, aus welcher vier radialsymmetrisch angeordnete Ringelemente 27a, 27b, 27c, 27d ersichtlich sind, und andererseits als Axialschnitt. Die sektorförmig ausgebildeten Ringelemente 27a, 27b, 27c, 27d sind durch radial verlaufende Trennfugen 26 voneinander getrennt und weisen jeweils, in radialsymmetrischer Anordnung Durchbrüche 22 für die in 3 dargestellten Führungsstifte 29 auf, wobei die Durchbrüche 22 im Hinblick auf die Radialbewegungen der Ringelemente 27a - 27d einen ovalen Querschnitt aufweisen, d. h. als Langlöcher 22 ausgebildet sind. Damit ist sichergestellt, dass die als Fliehgewichte wirkenden Ringelemente 27a bis 27d nur einen begrenzten Weg in radialer Richtung zurücklegen können. Die punktiert dargestellten Pfeile F zeigen die Richtungen der Fliehkräfte F an. Im Axialschnitt des keilförmigen Ringes 27 ist eine auf dem Umfang angeordnete, abgeflachte Ringnut 30 erkennbar, in welcher der in 3 dargestellte O-Ring 28 fixierbar ist, welcher aufgrund seiner Elastizität den Fliehkräften F entgegenwirkt. Der Ring 27 bzw. dessen Ringelemente 27a bis 27d weisen eine umlaufende Keil- oder Konusfläche 31 auf, welche sich - wie in 3 erkennbar - gegen den Gewindering 25, welcher eine korrespondierende Keilfläche aufweist, abstützt.
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Die Funktion dieser Ausführungsform entspricht der des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 2 und der diesbezüglichen obigen Beschreibung. Bei drehender Spindelmutter 24 bewegen sich die als Fliehgewichte wirkenden Ringsegmente 27a bis 27d radial nach außen, und zwar im Bereich des Radialspiels der Langlöcher 22 gegen die Spannwirkung des O-Ringes 28. Dadurch wird die Vorspannung in den Gewindegängen des Spindelgewindes 23a reduziert, und der Wirkungsgrad des Spindelantriebes 21 wird erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelantrieb
- 2
- Kipphebelmechanismus
- 3
- Spindel
- 4
- Spindelmutter
- 4a
- erster Gelenkpunkt
- 5
- Gewindering
- 5a
- zweiter Gelenkpunkt
- 6
- Hebel
- 6a
- langer Schenkel
- 6b
- kurzer Schenkel
- 7
- Fliehgewicht
- 8
- Kraftspeicher, Federelement
- 11
- Spindelantrieb
- 13
- Spindel
- 14
- Spindelmutter
- 15
- Gewindering
- 17
- Keilelement/Fliehgewicht
- 17a
- erste Keilfläche
- 17b
- zweite Keilfläche
- 18
- Kraftspeicher, Federelement
- 21
- Spindelantrieb
- 22
- Durchbruch/Langloch
- 23
- Spindel
- 23a
- Spindelgewinde
- 24
- Spindelmutter
- 24a
- Stirnseite
- 25
- Gewindering
- 26
- Trennfuge
- 27
- keilförmiger Ring
- 27a-27d
- sektorförmige Ringelemente
- 28
- Kraftspeicher, Ringfeder/O-Ring
- 29
- Führungsstift
- 30
- Ringnut
- 31
- Konusfläche
- a
- Spindellängsachse, Rotationsachse
- F
- Fliehkraft
