DE102019103383A1

DE102019103383A1 - Planetenwälzgewindetrieb und Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges mit einem derartigen Planetenwälzgewindetrieb

Info

Publication number: DE102019103383A1
Application number: DE102019103383.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Faber; Benjamin Wübbolt-Gorbatenko; Alexander Hausmann; Alena Pöhnlein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2039-02-13
Also published as: US12012157B2; US20220089210A1; KR20210124191A; CN113272577A; WO2020164655A1; DE102019103383B4; CN113272577B

Abstract

Planetenwälzgewindetrieb, mit einer Gewindespindel (1), und mit einem auf der Gewindespindel (1) angeordneten Mutterelement (20), und mit über den Umfang der Gewindespindel (1) verteilt angeordneten Planeten (4), die einerseits mit der Gewindespindel (1) und andererseits mit dem Mutterelement (20) kämmen, das in beiden axialen Richtungen jeweils mittels eines ersten Lagers (26) an einem die Planeten (4) aufnehmenden drehangetriebenen Planetenträger (21) drehbar gelagert ist, der mittels eines zweiten Lagers (29) an einem Gehäuse (28) drehbar gelagert ist. Der Planetenträger (21) weist eine das Mutterelement (20) umgreifende Hülse (32) auf, an deren axialen Enden jeweils ein Flansch (23) mit jeweils einem ersten Lagersitz (30) des ersten Lagers (26) sowie mit einem zweiten Lagersitz (31) des zweiten Lagers (29) angeordnet ist, wobei die Flansche (23) mittels der Hülse (32) drehfest miteinander und axial mit einem Stellspiel spielbehaftet verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Planetenwälzgewindetrieb und einen Aktuator einer Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere einer Hinterachslenkung oder einem Steer-by-Wire-Lenksystem mit einem derartigen Planetenwälzgewindetrieb.
Aus DE102015212333 A1 ist ein Planetenwälzgewindetrieb und ein Aktuator zur Betätigung einer Fahrzeugkomponente nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden.
Der Planetenwälzgewindetrieb ist mit einer Gewindespindel und mit einem auf der Gewindespindel angeordneten Mutterelement versehen. Über den Umfang der Gewindespindel verteilt angeordnete Planeten kämmen einerseits mit der Gewindespindel und andererseits mit dem Mutterelement, das in beiden axialen Richtungen jeweils mittels eines ersten Lagers an einem die Planeten aufnehmenden drehangetriebenen Planetenträger drehbar gelagert ist. Der Planetenträger ist mittels eines zweiten Lagers an einem Gehäuse drehbar gelagert. Dieses zweite Lager ist als fliegende Lagerung ausgeführt. Wenn der Planetenträger beispielsweise mittels einen Riementriebes angetrieben werden soll, üben die im Zugmittel auftretenden Zugkräfte ein Kippmoment auf das zweite Lager aus, das im Fall der fliegenden Lagerung zu unerwünschten Auslenkungen führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Planetenwälzgewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, der zuverlässig betrieben werden kann.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch den Planetenwälzgewindetrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckdienliche Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Planetenwälzgewindetrieb ist mit einer Gewindespindel und mit einem auf der Gewindespindel angeordneten Mutterelement versehen. Über den Umfang der Gewindespindel verteilt angeordnete Planeten kämmen einerseits mit der Gewindespindel und andererseits mit dem Mutterelement, das in beiden axialen Richtungen jeweils mittels eines ersten Lagers an einem die Planeten aufnehmenden drehangetriebenen Planetenträger drehbar gelagert ist. Der Planetenträger ist mittels eines zweiten Lagers an einem Gehäuse drehbar gelagert. Der Planetenträger weist eine das Mutterelement umgreifende Hülse auf, an deren axialen Enden jeweils ein Flansch mit jeweils einem ersten Lagersitz des ersten Lagers sowie mit einem zweiten Lagersitz des zweiten Lagers angeordnet ist, wobei die Flansche mittels der Hülse drehfest miteinander und axial mit einem Stellspiel spielbehaftet verbunden sind.
Mit dieser Anordnung kann beispielsweise ein Antrieb des Planetenträgers mittels eines Riementriebes erfolgen. Unerwünschte Kippmomente in dem zweiten Lager sind aufgrund der beidseitigen Abstützung ausgeschlossen.
Das Stellspiel zwischen den beiden Flanschen dient einer genauen Einstellung eines Lagerabstandes der beiden ersten Lager zueinander. Das Stellspiel ermöglicht ferner ein Einstellen der zweiten Lager in axialer Richtung. Die Lagersitze für beide Lager sind an beiden Flanschen vorgesehen. Aufgrund einer Reihenschaltung des ersten und des zweiten Lagers kann somit ein Einstellen eines Lagerabstandes der zweiten Lager zugleich mit einem Einstellen des Lagerabstandes der ersten Lager erfolgen.
Die drehfeste Verbindung der beiden Flansche mit der Hülse vermeidet unerwünschte Drehbewegungen der beiden Flansche zueinander. Beide Flansche tragen die Planeten; die drehfeste Verbindung vermeidet ein unerwünschtes Verschränken der Planeten.
Das Mutterelement kann eine mehrteilige Mutter mit zwei axial hintereinander angeordneten Mutterteilen aufweisen sowie und ein die Mutterteile spannendes Spannelement.
Vorzugsweise spannt das Spannelement beide Mutterteile in Richtung aufeinander zu. Zu diesem Zweck kann das Spannelement die beiden Mutterteile klammerartig umgreifen und ausreichend Vorspannung auf die beiden Mutterteile ausüben, so dass diese soweit aufeinander zu verlagert sind, dass beide Mutterteil in spielfreiem Eingriff mit den Planeten stehen. Üblicherweise sind die Planeten und die Mutterteile mit ineinandergreifenden planetenseitigen und mutterseitigen Rillenprofilen versehen, deren umlaufende Zähne aneinander anliegen im Wälzeingriff. Die Planeten werden auf Druck vorgespannt. Die Vorspannkraft wirkt innerhalb des Mutterelementes mit den Planeten und wird nicht auf die erste Lagerung übertragen. Das bedeutet, lediglich eine äußere an der Gewindespindel angreifende Betriebslast wird über das Mutterelement in die erste Lagerung übertragen, die somit eine schwächere Dimensionierung erfordert im Vergleich zu einer strukturellen Anordnung, in der die Vorspannkraft aufgenommen wird durch weitere Bauteile, wie beispielsweise eine Lagerung des Mutterelementes.
Alternativ und bauraumsparend wird eine Variante vorgeschlagen, dessen beide Mutterteile miteinander verschraubt sind. Das eine Mutterteil trägt ein Außengewinde, das andere Mutterteil ein mit dem Außengewinde kämmendes Innengewinde. Die beiden Spannhülsen können entfallen. Beide Mutterteile sind mittels der Schraubverbindung aneinander abgestützt und miteinander verbunden. Beide Mutterteile kämmen mit den Planeten und belasten diese auf Druck. Beide Mutterteile werden aufeinander zu vorgespannt.
Vorzugsweise sind die beiden zweiten Lager axial zwischen den beiden ersten Lagern angeordnet. Die ersten Lager sind an einander zugewandten Flanschseiten der Flansche und die zweiten Lager sind an voneinander abgewandten Flanschseiten der Flansche angeordnet. Das oben genannte Stellspiel ermöglicht in dieser Anordnung ein leichtes Einstellen der zweiten Lager in axialer Richtung. Aufgrund der beidseitigen Lagersitze an beiden Flanschen ist eine Reihenschaltung der ersten und der zweiten Lager eingerichtet. Ein Einstellen eines Lagerabstandes der zweiten Lager zugleich mit einem Einstellen des Lagerabstandes der ersten Lager ist mit dieser Anordnung möglich. Wenn eines der beiden zweiten Lager mittels eines an dem Gehäuse abgestützten Stellteils entlang eines axialen Stellwegs in Richtung auf das andere zweite Lager eingestellt wird, erfolgt ein Einstellen des Abstands der beiden ersten Lager gemeinsam mit dem Einstellen der zweiten Lager.
Die ersten Lager gewährleisten eine zuverlässige Betätigung des Planetenträgers durch die einwandfreie Positionierung und Lagerung des Planetenträgers und somit insbesondere der Planeten in Bezug auf das Mutterelement. In radialer und axialer Richtung ist eine einwandfreie Positionierung des Mutterelementes und des Planetenträgers zueinander sichergestellt.
Der erfindungsgemäße Planetenwälzgewindetrieb kann Teil eines Aktuators für eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges sein, vorzugsweise für eine Hinterachslenkung oder für ein Steer-by-Wire-Lenksystem. Dieser Aktuator ist mit einem Gehäuse versehen, in dem der Planetenwälzgewindetrieb angeordnet ist, und mit einer das Gehäuse durchdringenden Lenkstange, deren Teil die Gewindespindel ist, und mit einem den Planetenträger antreibenden Elektromotor. Die Gewindespindel kann an ihren axialen Enden Lenkstangenteile aufweisen, die das Gehäuse durchstoßen und starr mit der Gewindespindel verbunden sind.
Das Mutterelement kann eine Mutter und ein Spannelement bzw. ein in die Mutter integriertes Spannelement aufweisen, das zwei axial hintereinander angeordnete Mutterteile der Mutter in Richtung aufeinander zu vorspannt. Bei ausreichend großer Vorspannung der Planeten kann in der Anwendung in einem Aktuator einer Hinterachslenkung die technische Forderung eines Stillstehens der Lenkstange erreicht werden, wenn beispielsweise der Motor des Aktuators ausfällt. Ein selbsttätiges Verstellen der Lenkstange unter einer angreifenden äußeren Axiallast ist bei ausreichend großer Vorspannung ausgeschlossen.
Die Erfindung kann alternativ auch in sogenannten steer-by-wire Aktuatoren zum Einsatz kommen. In diesem Fall werden die Räder der Vorderachse des Kraftfahrzeuges angelenkt. Die Amplituden der Lenkstange sind in diesem Fall im Vergleich zur Hinterachse deutlich größer. Die Lenkstange kann demzufolge für entsprechend große Stellwege ausgelegt werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in insgesamt vier Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Planetenwälzgewi ndetrieb,
2 einen Planetenwälzgewindetrieb gemäß 1 im Längsschnitt,
3 den Planetenwälzgewindetrieb aus 2 in perspektivischer Darstellung, und
4 einen Aktuator einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges mit einem derartigen Planetenwälzgewindetrieb.

1 zeigt einen Planetenwälzgewindetrieb im Längsschnitt. Auf einer in diesem Beispiel drehfest angeordneten Gewindespindel 1 ist eine Mutter 2 angeordnet, die aus entlang der Gewindespindel 1 hintereinander angeordneten Mutterteilen 3 gebildet ist. Über den Umfang der Gewindespindel 1 verteilt angeordnet sind Planeten 4, die einerseits mit der Gewindespindel 1 und andererseits mit der Mutter 2 kämmen.
In bekannter Weise sind die Planeten 4 jeweils mit radial verjüngten Endabschnitten 5 sowie einem zwischen den beiden Endabschnitten 5 angeordneten radial vergrößerten Mittelabschnitt 6 versehen. Alle Abschnitte sind an ihrem Umfang jeweils mit einem Rillenprofil 7, 8 versehen. Das Rillenprofil 8 des Mittelabschnitts 6 kämmt mit einem am Außenumfang der Gewindespindel 1 angeordneten Gewindeprofil 9. Die Rillenprofile 7 der Endabschnitte 5 kämmen mit einem am Innenumfang der Mutter 2 ausgebildeten Rillenprofil 10. Alle Rillenprofile 7, 8, 10 sind in bekannter Weise durch in sich geschlossene, quer zur jeweiligen Längsachse angeordnete Rillen gebildet. Einander benachbart angeordnete Rillen sind durch in sich geschlossene Zähne begrenzt.
Auf der Mutter 2 ist ein die Mutter 2 axial vorspannendes Spannelement 11 angeordnet, das zwei in axialer Richtung sich gegenseitig stützende Spannhülsen 12, 13 aufweist, von denen die eine an dem einen Mutterteil 3 und die andere an dem anderen Mutterteil 3 abgestützt ist. Die erste Spannhülse 12 weist ein Außengewinde 14 und die zweite Spannhülse 13 weist ein Innengewinde 15 auf. Die beiden Spannhülsen 12, 13 sind mit ihrem Außengewinde 14 und Innengewinde 15 miteinander verschraubt, wobei beide Spannhülsen 12, 13 jeweils einen Muttersitz 18, 19 zur Aufnahme eines der Mutterteile 3 aufweisen. Die Abstützung der beiden Spannhülsen 12, 13 an den beiden Mutterteilen 3 erfolgt beispielsweise mittels Radialborden 16, 17, die an den Spannhülsen 12, 13 ausgebildet sind. Axial zwischen den beiden Spannhülsen 12, 13 ist eine Distanzscheibe 40 angeordnet, deren Dicke derart bemessen ist, dass die beiden in Richtung aufeinander zu vorgespannten Mutterteile 3 in spielfreiem Eingriff mit den Planeten 4 stehen. Die Planeten 4 sind demzufolge auf Druck vorgespannt.
Die Mutter 2 kann Teil eines Mutterelementes 20 sein, das im vorliegenden Fall aus der Mutter 2 sowie dem Spannelement 11 gebildet ist. Die Vorspannkraft wirkt innerhalb dieses Mutterelementes 20.
Die Planeten 4 sind in einem Planetenträger 21 drehbar gelagert. Der Planetenträger 21 weist Taschen 22 auf, in denen die Planeten 4 drehbar gelagert sind, so dass die Planeten 4 um ihre jeweilige Längsachse rotieren können. Der Planetenträger 21 weist axial zu beiden Seiten des Mutterelementes 20 gelegene Flansche 23 auf, an deren einander zugewandten Seiten die Taschen 22 angeordnet sind. Der Planetenträger 21 umgreift das Mutterelement 20 mit einem Hülsenabschnitt 24, der mit seinen axialen Enden an die Flansche 23 angeschlossen ist.
Das Mutterelement 20 ist an dem Planetenträger 21 mittels einer ersten Lagerung 25 drehbar gelagert. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Spannhülsen 12, 13 jeweils mittels eines ersten Lagers 26 der ersten Lagerung 25 axial und radial an dem Planetenträger 21 gelagert.
Der Planetenträger 21 ist mittels einer zweite Lager 28 aufweisenden zweiten Lagerung 27 an einem Gehäuse 28 drehbar gelagert. Die ersten und die zweiten Lager 26, 29 sind an voneinander abgewandten Stirnseiten der beiden Flansche 23 angeordnet.
Jeder Flansch 23 ist mit einem ersten Lagersitz 30 für das erste Lager 26 sowie mit einem zweiten Lagersitz 31 für das zweite Lager 29 versehen. Die Flansche 23 sind mittels des Hülsenabschnitts 24 drehfest miteinander und axial mit einem Stellspiel spielbehaftet verbunden. Das Gehäuse 28 weist zweite Lagersitze 42 zur Aufnahme der zweiten Lager 29 auf. Der Planetenträger 21 weist erste Lagersitze 41 zur Aufnahme der ersten Lager 26 auf.
Die 2 und 3 zeigen den Planetenwälzgewindetrieb aus 1 in einer konstruktiven Umsetzung. Einander entsprechende Bauteile der 1 und 2 tragen die gleichen Bezugszeichen. Deutlich kann dieser 2 entnommen werden, dass der Planetenträger 21 mehrteilig ausgeführt ist und eine dem Hülsenabschnitt (1) entsprechende Hülse 32 aufweist, die drehfest mit den beiden Flanschen 23 verbunden ist. Die drehfeste Verbindung wird in diesem Ausführungsbeispiel durch über den Umfang verteilt angeordnete Nasen 33 des Flansches 23 ermöglicht, die in Schlitze 34 der Hülse 32 mit axialem Spiel eingreifen (3). Das axiale Spiel dient als Stellspiel zum Einstellen der Lagerungen 25, 27 des Planetenwälzgewindetriebes in dem Gehäuse 28.
Für das Einstellen der Lagerungen 25, 27 werden die zweiten Lager 29 axial in Richtung aufeinander zu gestellt. Unter dieser Stellbewegung können die Flansche 23 innerhalb des Stellspiels aufeinander zu bewegt werden bis eine einwandfreie Lagerung des Mutterelementes 20 an dem Planetenträger mittels der ersten Lager 26 eingestellt ist. Dieses Einstellen wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Stellring 35 ermöglicht, der axial einerseits an dem Gehäuse 28 abgestützt ist und andererseits gegen das zweite Lager 29 axial angestellt ist. Ein unerwünschtes axiales Spiel zwischen dem Mutterelement 20 und dem Gehäuse ist nach der Einstellung soweit beseitigt, dass ein einwandfreier hochgenauer Betrieb des Planetenwälzgewindetriebs ermöglicht ist.
4 zeigt in schematischer Darstellung einen Aktuator für eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, und zwar für eine Hinterachslenkung oder für ein Steer-by-Wire-Lenksystem. Ein Elektromotor 36 treibt den Planetenträger 21 des Planetenwälzgewindetriebs mittels eines Riementriebes 37 an. Das Gehäuse 28 umfasst hier den Planetenwälzgewindetrieb sowie den Riementrieb 37 und schützt diese Komponenten vor äußeren Einflüssen. Der Elektromotor 36 kann in das Gehäuse 28 integriert oder daran angeflanscht sein. Eine Lenkstange 38 durchdringt das Gehäuse 28 und ist mit ihren gabelförmigen Enden an nicht abgebildete Radlenker angeschlossen. Die Gewindespindel 1 ist Teil der Lenkstange 38, die aus endseitigen Lenkstäben 39 sowie der zwischen den Lenkstäben angeordneten Gewindespindel 1 gebildet ist. Stellsignale werden von einer ECU - Steuerungs-/Regelungseinheit - 43 gesteuert, die eine Vielzahl von Parametern eingangs- und ausgangsseitig berücksichtigt, bspw. IST und SOLL-Lage der Lenkstange 38, Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Querbeschleunigung.
Dieser Aktuator ist selbsthemmend bzw. hemmend ausgeführt. Bei Ausfall des Elektromotors friert die Position der Lenkstange 38 ein. Unter äußeren an der Lenkstange 38 angreifenden Kräften ist eine Drehbewegung des Planetenwälzgewindetriebs ausgeschlossen, der mit einer ausreichend großen Vorspannung eingestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Gewindespindel
2: Mutter
3: Mutterteil
4: Planet
5: Endabschnitt
6: Mittelabschnitt
7: Rillenprofil
8: Rillenprofil
9: Gewindeprofil
10: Rillenprofil
11: Spannelement
12: Spannhülse
13: Spannhülse
14: Außengewinde
15: Innengewinde
16: Radialbord
17: Radialbord
18: Muttersitz
19: Muttersitz
20: Mutterelement
21: Planetenträger
22: Taschen
23: Flansch
24: Hülsenabschnitt
25: ersten Lagerung
26: erstes Lager
27: zweite Lagerung
28: Gehäuse
29: zweites Lager
30: ersten Lagersitz
31: zweiten Lagersitz
32: Hülse
33: Nase
34: Schlitz
35: Stellring
36: Elektromotor
37: Riementrieb
38: Lenkstange
39: Lenkstab
40: Distanzscheibe
41: erster Lagersitz
42: zweiter Lagersitz
43: ECU

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015212333 A1 [0002]

Claims

Planetenwälzgewindetrieb mit einer Gewindespindel (1), und mit einem auf der Gewindespindel (1) angeordneten Mutterelement (20), und mit über den Umfang der Gewindespindel (1) verteilt angeordneten Planeten (4), die einerseits mit der Gewindespindel (1) und andererseits mit dem Mutterelement (20) kämmen, das in beiden axialen Richtungen jeweils mittels eines ersten Lagers (26) an einem die Planeten (4) aufnehmenden drehangetriebenen Planetenträger (21) drehbar gelagert ist, der mittels eines zweiten Lagers (29) an einem Gehäuse (28) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (21) eine das Mutterelement (20) umgreifende Hülse (32) aufweist, an deren axialen Enden jeweils ein Flansch (23) mit jeweils einem ersten Lagersitz (30) des ersten Lagers (26) sowie mit einem zweiten Lagersitz (31) des zweiten Lagers (29) angeordnet ist, wobei die Flansche (23) mittels der Hülse (32) drehfest miteinander und axial mit einem Stellspiel spielbehaftet verbunden sind.
Planetenwälzgewindetrieb nach Anspruch 1, dessen zweite Lager (29) axial zwischen den beiden ersten Lagern (26) angeordnet sind, wobei die ersten Lager (26) an einander zugewandten Flanschseiten der Flansche (23) und die zweiten Lager (29) an voneinander abgewandten Flanschseiten der Flansche (23) angeordnet sind.
Planetenwälzgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 und 2, der ein an dem Gehäuse (28) abgestützten Stellring (35) zum Anstellen eines der beiden zweiten Lager (29) in axialer Richtung aufweist, innerhalb dessen axialen Stellwegs eine relative axiale Verschiebbarkeit der beiden Flansche (23) zueinander eingerichtet ist.
Planetenwälzgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Mutterelement (20) eine Mutter (2) und ein Spannelement (11) aufweist, das zwei axial hintereinander angeordnete Mutterteile (3) der Mutter (2) in axialer Richtung aufeinander zu vorspannt.
Planetenwälzgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Planeten (4) mit ihrem planetenseitigen Rillenprofil (7) mit einem mutterseitigen Rillenprofil (10) der Mutter (2) und einem Gewindeprofil (9) der Gewindespindel (1) in Wälzeingriff stehen.
Aktuator für eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise für eine Hinterachslenkung oder für ein Steer-by-Wire-Lenksystem, mit einem Gehäuse (28), in dem der Planetenwälzgewindetrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angeordnet ist, und mit einer das Gehäuse (28) durchdringenden Lenkstange (38), deren Teil die Gewindespindel (1) ist, und mit einem den Planetenträger (21) antreibenden Elektromotor (36).