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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Aktor für ein Getriebe eines Kraftfahrzeugantriebsstranges, mit einem Gehäuse, in das eine elektromotorisch antreibbare Welle eingreift, wobei die Welle zumindest drehfest mit einem Ritzel verbunden ist, das im Betrieb im kämmenden Wirkeingriff mit einem Drehmomentweiterleitzahnrad, wie einem Kronenrad, steht, das drehmomentweitergebend mit einer Spindel verbunden ist, auf der Mittel zum Auslösen einer translatorischen Schaltbewegung angekoppelt sind.
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Üblicherweise wird bei Serienentwicklungen von E-Achsen-Aktuatoren / -Aktoren das Ritzel mit der elektromotorisch antreibbaren Welle / Antriebswelle über einen Presssitz gekoppelt. Die antreibbare Welle ist üblicherweise eine Motorwelle. Das Drehmomentweiterleitzahnrad ist meistens auch ein Kronenrad. Bei solch kronenradgetriebeeinsetzenden Aktoren ist festzustellen, dass diese sensibel auf Veränderungen des Achsabstandes zwischen den jeweiligen Zahnrädern reagieren. Die Toleranzen des Kronenrades müssen üblicherweise sehr klein gewählt werden. Folglich wird das Bauteil bei den bisherigen Verfahren nur noch sehr schwer und damit unwirtschaftlich herstellbar. Nachteilig zeigt sich auch, dass die Größe des Ritzels bisher nicht mehr durch einen Poltopf hindurchgefügt werden kann, wodurch sich die Montage beim Lieferanten kompliziert darstellt. Auch ist der bisherige Presssitz in puncto Robustheit verbesserungswürdig, um selbst bei extremen Drehzahlbedingungen ein Durchrutschen zu vermeiden. Die bisherigen Ritzel sind auch üblicherweise in einem Fräsverfahren hergestellt, was Nachteile in puncto Herstellbarkeit nach sich zieht. Auch zeigt sich die Belastung der Lagerstellen als relativ hoch, da ein sehr langer Hebelarm eingesetzt ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu mildern. Es soll insbesondere ein elektronischer Aktor / Aktuator zur Verfügung gestellt werden, der kostengünstig herstellbar und montierbar ist. Auch sollen die Toleranzen größer wählbar sein, ohne aber negative Auswirkungen nach sich zu ziehen.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen elektronischen Aktor erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ritzel, etwa direkt, am Gehäuse gelagert ist.
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Mit anderen Worten wird also für die Betätigung einer Schaltgabel, insbesondere innerhalb eines E-Achsengetriebes ein besonders cleverer Aktor (EAA) vorgeschlagen. Hierfür wird ein Elektromotor in einem Gehäuse betrieben, der über ein Ritzel mit einem Kronenrad kämmt. Um Geräuschbildungen und Blockaden zu vermeiden, wird eine Reduktion der Toleranzkette vorgeschlagen. Hierfür wird die mittels des Rotors angetriebene Spindel in ihrem Endbereich direkt über das Ritzel am Gehäuse abgestützt. Die Lage des Ritzels wird dann direkt über dieses Lager bestimmt. Die Spindel / die Antriebswelle ist ballig ausgeführt, sodass sie tolerant gegen Taumelbewegungen ist. Die Schritte des Zusammenbaus sind fest vorgegeben. Das (Kugel-) Lager bildet mit dem gesinterten Ritzel einen Pressverband und wird durch einen Sicherungsring gehalten, während das Gehäuse zur Halterung umbördelt werden kann. In einer besonderen Ausführungsform wird auf ein Lager oder mehrere Lager verzichtet und das Gehäuse so ausgebildet, dass es einen Wellenzapfen aufweist, welcher von der dem Elektromotor gegenüberliegenden Seite in das Ritzel eingreift. Das Ritzel ist innen und außen verzahnt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn das vorzugsweise aus Sintermaterial hergestellte Ritzel über ein an dessen Außenoberfläche angreifendes Lager, wie ein Wälzlager oder ein Gleitlager, im Gehäuse abgestützt ist oder dass das Ritzel durch einen in das Ritzel eingreifenden Gehäusefortsatz, wie einen gehäusefesten Wellenzapfen, abgestützt ist. Der Hebelarm wird dadurch geringer und ein Verkippen reduziert.
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Um eine einfache und schnell montierbare Lösung zur Verfügung zu stellen, hat es sich bewährt, wenn zwischen der Welle und dem Ritzel ein Formschluss und/oder ein Kraftschluss, bspw. nach Art eines Pressverbundes, vorliegen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel eine Außenverzahnung zum Kontaktieren des als Kronenrad ausgebildeten Drehmomentweiterleitzahnrades besitzt und zusätzlich eine Innenverzahnung zum Kontaktieren einer Gegenverzahnung der Welle besitzt.
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Wenn die Welle, vorzugsweise an ihrem distalen Ende, in zumindest einem Teilbereich innerhalb des Ritzels ballig ausgebildet ist, so kann eine Toleranz gegen Taumelbewegungen eingebaut werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Innenverzahnung und die dazu passende Gegenverzahnung als Steckverzahnung ausgebildet sind. Kurze Montagezeiten sind dann die Folge. Hohe Drehmomente lassen sich übertragen.
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Wenn das Lager als Wälzlager ausgebildet ist, wobei die Innenschale über einen Absatz im Ritzel und einen Sicherungsring in Axialrichtung festgelegt ist und/oder das Gehäuse zur Halterung umbördelt ist, so lässt sich das Lager präzise positionieren und Stellbewegungen mit geringer Reibung realisieren.
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In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn das Lager als Wälzlager ausgebildet ist, wobei die Außenschale über eine Schulter im Gehäuse und eine bspw. ringförmige Sicherungsscheibe am Gehäuse in Axialrichtung festgelegt ist.
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Dauerhaft reibungsarm und präzise schaltende Elemente lassen sich einsetzen, wenn die Mittel zum Auslösen der translatorischen Schaltbewegung Bauteile eines Kugelgewindetriebes besitzen.
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Die Erfindung betrifft auch ein elektromotorisch aktuierbares Achsengetriebe für ein Kraftfahrzeug, wie einen Pkw, einen Lkw oder ein anderes Nutzfahrzeug, mit einem elektronischen Aktor der erfindungsgemäßen Art.
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Die erfinderische Lösung der Aufgabe wird also darin gesehen, dass eine Lagerung des Ritzels im gleichen Bauteil, wie die des Kronenrades realisiert ist und damit eine Verringerung des Toleranzanschlusses bewirkt ist. Die Veränderung des Lagerkonzeptes ist dabei zielführend. Die Lagerung wird durch Aufbringen des Drehmomentes aktiv und die Belastung auf die Motorlager sinkt. Die Verwendung von formschlüssigen Elementen (Ausgleichsverzahnung) zur Übertragung des Kraftschlusses und damit Erhöhung der Funktionssicherheit wird dazu eingesetzt. Im Zentrum stehen auch die Entkoppelung des Ritzels vom Motor und die Verbindung durch eine Steckverzahnung, wodurch die Montage / Herstellbarkeit vereinfacht wird. Während früher aufgepresst wurde, wird nun gesteckt.
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Die bisher auftretenden großen Rundlauffehler, aufgrund der großen Hebellänge zur Getriebestufe, werden nun kompensiert. Die Toleranzen des Kronenrades können nun größer gewählt werden, wodurch eine wirtschaftliche Herstellung ermöglicht ist. Durch die ballige Steckverzahnung von Motor und Ritzel und dessen direkte Lagerung über bspw. ein Rillenkugellager im Gehäuse, wird der Koaxialitätseinfluss des Motors von der Getriebestufe entkoppelt. Die Steckverzahnung stellt bei der Montage die Zentrierung des Motors dar, wohingegen früher über den Blechtopf zentriert wurde. Dies resultiert darin, dass die Toleranzkette um einen erheblichen Anteil verringert wird. Zudem wird der Abstand der Lagerstelle zur Getriebestufe verringert, wodurch der Hebelarm der beeinflussenden Toleranzen sinkt und damit deren Einfluss. Die Veränderung des Hebelarms senkt zudem die Belastung auf das Lager durch die Verzahnungsquerkraft. Die Besonderheit des Lagerkonzeptes ist nun, dass die Steckverzahnung erst unter Belastung an den Flanken anliegt, dadurch erst die Querkraft auf die Lagerstellen des Motors übertragen wird. Da das Rillenkugellager nur sehr geringe Kippmomente aufnehmen kann und die Koaxialität trotzdem entkoppelt werden sollte, ist diese konstruktive Lösung favorisiert. Eine besondere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagerzapfen direkt im Gehäuse vorhanden ist. Bei dieser Ausführungsvariante ist der Kraftschluss ideal, da zwischen dem Motor und dem Ritzel reines Drehmoment übertragen wird und die Querkraft direkt auf das Gehäuse übertragen wird. Bei dieser Ausführungsform können zudem Bauteile eingespart werden.
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Als Ergänzung sei noch erwähnt, dass das Motorgehäuse im Tiefziehverfahren herstellbar ist. Dabei kann in einem definierten Bereich immer nur der Innendurchmesser oder der Außendurchmesser mit einer gewissen Genauigkeit gefertigt werden. Der Motor zentriert sich bei der ursprünglichen Ausführung mit dem Außendurchmesser im Gehäuse und lagert mit dem Innendurchmesser eines der Wellenlager. Beide Stellen haben einen Einfluss auf die Toleranzkette des Achsabstandes. Da eines der beiden relativ unpräzise ist, kann eine optimale Lösung erst durch die Erfindung gewährleistet werden, da die Toleranzen des Kronenrades des Gehäuses aufgrund der großen Motortoleranzen nun größer werden können, da sie kompensiert werden. Eine wirtschaftliche Herstellung ist nun möglich. Ein komplettes Zerspanen der Kronenräder ist nicht mehr nötig, da nun auch urformende Verfahren, wie bspw. MIM einsetzbar sind. Es ist eine erhebliche Kosteneinsparung die Folge.
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Bei der Erfindung wird die Zentrierung direkt über die Welle im Ritzel vorgenommen und die ursprüngliche Zentrierung freigestellt. Dies wird über eine ballige Steckverzahnung zwischen dem Motor und dem Ritzel und die direkte Lagerung des Ritzels im Gehäuse realisiert. Der Koaxialitätseinfluss des Motors von der Getriebestufe ist entkoppelt. Zudem wird der Abstand der Lagerstelle zur Getriebestufe verringert, wodurch der Hebelarm der Taumelung sinkt. Die Veränderung des Hebelarms senkt zudem die Belastung auf das Lager durch die Verzahnungsquerkraft. Die bisherigen Probleme werden nahezu vollständig eliminiert. Durch die Lagerung des Ritzels direkt im Gehäuse werden die Motortoleranzen komplett aus der Toleranzkette entfernt.
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Bei verwendbaren Motoren wird eine bestehende Serienanlage eines Motorlieferanten verwendbar. Der Montageablauf kann vordefiniert sein. Selbst wenn das Ritzel nicht durch das Motorgehäuse hindurchgefügt werden kann, kann nun eine vereinfachte Serienmontagelinie aufgebaut werden. Die neue Motorwelle kann nämlich durch das Gehäuse gesteckt werden und hinterher per Steckverzahnung mit dem Kronenradritzel verbunden werden. Erhebliche Einsparungen sind daher die Folge.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Besonderheit des Lagerkonzeptes, dass die Steckverzahnung erst unter Belastung an den Flanken anliegt und dadurch erst die Querkraft auf die Lagerstelle des Motors übertragen wird. Da das Rillenkugellager nur geringe Kippmomente aufnehmen kann und die Koaxialität trotzdem entkoppelt wird, ist diese konstruktive Lösung favorisiert.
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Es ist von Vorteil, wenn die Zähnezahl der Ritzelinnenverzahnung und der Ritzelau-ßenverzahnung identisch ist, wodurch die Querkraft der Verzahnung gleichmäßig auf das Motorritzel wirkt und die Belastung moderat gehalten ist, was der Laufruhe zuträglich ist.
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Bei der Ausführungsform, bei der das Gehäuse einen Wellenzapfen / Lagerzapfen stellt, ist der Kraftschluss ideal, da zwischen dem Motor und dem Ritzel rein das Drehmoment übertragen und die Querkraft direkt auf das Gehäuse übertragen wird. Bei dieser Ausführungsform können, wie bereits erläutert, Bauteile eingespart werden. Möglicherweise ist noch Optimierungsbedarf, um zu vermeiden, dass der tribologische Kontakt zwischen dem Lagerzapfen / Wellenzapfen und dem Ritzel zu einem hohen Verschleiß führt. Auch zwischen dem Ritzel und dem Motorgehäuse kann es aufgrund einer Relativbewegung zu einem tribologischen Kontakt kommen, was sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt. Zudem ist der Lagerzapfen im Gehäuse ein starker Eingriff in die Struktur des Gehäuses, was somit gegenüber den Vorteilen abzuwägen ist. Auch sollten besonders reibungsarme Gleitlager eingesetzt werden, um einer möglichen Verringerung des Aktorwirkungsgrades entgegen zu wirken, jedoch sind die Gleitlager nicht so effizient wie Wälzlager, d.h. die Verringerung des Aktorwirkungsgrades ist bei Gleitlagern höher als bei Wälzlagern.
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Es ist in einer speziellen Ausführungsform auch erprobt worden, dass ein Sicherungsring zur axialen Fixierung des Lagers im Gehäuse eingebaut ist. Das Ritzel ist zur Fixierung des Lagers verstemmt. Da das Ritzel aus einem sehr spröden Werkstoff, bspw. Sintermaterial, besteht, ist dieses Verfahren noch optimierbar. Der Absatz in der Innenverzahnung ist momentan schwierig herstellbar.
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Die bevorzugte Ausführungsform ist derart gestaltet, dass der Hebelarm auf die Lagerstelle im Vergleich zum Stand der Technik geringer ist, wobei das Lager zur axialen Sicherung ins leicht umformbare Gehäuse verstemmt ist und der Sicherungsring das Lager auf dem spröden Ritzel sichert, welches an diesem Durchmesser sowieso bereits bearbeitet ist. Zudem kann das Gehäuse auch für nicht erfindungsgemäße elektronische Aktoren weiter verwendet werden.
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Die Erfindung braucht nun nicht mehr einen minimalen Achsabstand, sondern ist toleranzfreudiger. Der Wirkungsgrad ist hoch, ein Verklemmen ist verhindert und die Geräuschentwicklung minimiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es sind unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines elektronischen Aktors in einer Längsschnittdarstellung, nämlich entlang der Antriebswelle eines in den Aktor eingesetzten Elektromotors,
- 2 eine zweite Ausführungsform in einer zur 1 vergleichbaren Darstellungsweise,
- 3 eine dritte Ausführungsform in einer zu den 1 und 2 vergleichbaren Darstellungsweise,
- 4 eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform aus 1,
- 5 eine perspektivische Darstellung des elektronischen Aktors aus 1, in einer teildemontierten Darstellung von unten,
- 6 eine perspektivische aber teilgeschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Aktors,
- 7 eine weitere Darstellung des Aktors aus 6 in weiter geschnittener Darstellung, und
- 8, 9 und 10 der Einsatz des Aktors gemäß der Ausführungsform aus 1 bei Einlegen eines ersten Ganges (8), in einer Neutralposition (9) und bei Einlegen eines zweiten Ganges (10).
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.
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In der 1 ist eine erste Ausführungsform eines elektronischen Aktors / Elektroaktors 1, also eines Aktuators oder einer Stelleinrichtung, dargestellt. Sie ist für ein Getriebe eines Antriebsstranges in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Das Kraftfahrzeug kann als Hybridfahrzeug oder reines Elektrofahrzeug ausgebildet sein, aber auch ausschließlich eine Verbrennungskraftmaschine besitzen.
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Der elektronische Aktor 1 besitzt ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 greift eine elektromotorisch antreibbare Welle 3. Auf der Welle 3 sitzt ein Ritzel 4. Drehmoment wird daher von der Welle 3 an das Ritzel 4 und dann an ein Drehmomentweiterleitzahnrad 5 gegeben. Das Drehmomentweiterleitzahnrad 5 ist mit einer Spindel 6 verbunden. Auf der Spindel 6 sind Mittel 7 zum Auslösen einer translatorischen Schaltbewegung angekoppelt. Erfindungsgemäß ist das Ritzel 4 (direkt) am Gehäuse 2 gelagert. In der ersten Ausführungsform nach 1 ist diesbezüglich ein Lager 8 eingesetzt.
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Ein Elektromotor 9, der die Welle 3 antreibt, ist lediglich nur teilweise dargestellt. Ein spindelseitiges distales Ende 10 der Welle 3 ist ballig ausgestaltet.
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Das Ritzel 4 ist aus Sintermaterial gefertigt und besitzt eine Innenverzahnung 11 und eine Außenverzahnung 12. Die Innenverzahnung 11 ist in drehmomentweitergebendem Wirkkontakt mit einer Gegenverzahnung 13 auf der Außenoberfläche 14 der Welle 3. Die Innenverzahnung 11 und die Gegenverzahnung 13 sind als Steckverzahnung ausgebildet.
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Das Drehmomentweiterleitzahnrad 5 ist als Kronenrad 15 ausgebildet. Das Kronenrad 15 ist über ein Stützlager 16 im Gehäuse 2 gelagert. Das als Wälzlager ausgebildete Lager 8, besitzt eine Innenschale / Lagerinnenschale 17 und eine Außenschale / Lageraußenschale 18 mit dazwischen vorhandenen, bspw. als Kugeln ausgebildeten Wälzkörpern 19. Die Lagerinnenschale 17 stützt sich an einem Absatz 20 des Ritzels 4 ab. Die Lagerinnenschale 17 wird durch einen Sicherungsring 21 axial festgelegt. Die Lageraußenschale 18 stützt sich an einer Schulter 22 des Gehäuses 2 ab.
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Die Ausführungsform nach 2 gleicht in großen Zügen der Ausführungsform nach 1. Allerdings ist nun eine ringartige Sicherungsscheibe 23 eingesetzt.
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Auch die Ausführungsform nach 3 ist der Ausführungsform nach 1 hochgradig ähnlich. Allerdings ist hier kein Lager 8 eingesetzt, sondern das Gehäuse 2 derart verändert, dass es einen Gehäusefortsatz 24 nach Art eines Wellenzapfens 25 besitzt. Die vorgegebene Montagereihenfolge wird bei Studium der 4 klar. Die zeitlich nachgelagerte Montage des Ritzels 4 ist möglich, da das Ritzel 4 im Gehäuse 2 gelagert und einfach einsteckbar ist. Ein Deckel ist mit dem Bezugszeichen 26 versehen und eine Elektronikbaugruppe mit dem Bezugszeichen 27 referenziert. Ein als Gehäuse des Elektromotors einsetzbarer Topf ist mit dem Bezugszeichen 28 versehen.
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In 5 ist ein guter Blick auf die Außenverzahnung 12 des Ritzels 4 mit seinen vierzehn vorhandenen Zähnen 29 gut möglich. Auch die Gegenverzahnung 13 besitzt vierzehn Zähne 29.
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In den 6 und 7 ist das Ankoppeln eines Kabelbaumes im Bereich einer Schutzkappe 30 angedeutet. Der Kabelbaum verbindet den Aktor 1 mit einem Steuergerät. Dieses liefert elektrische Leistung, die der Elektromotor 9 in mechanische Energie umwandelt. Zudem wird das Signal von Hall-Sensoren an das Steuergerät übermittelt.
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Die Steckverzahnung des Elektromotors überträgt das Drehmoment an das Ritzel 4. Es dient zudem als Ausgleich für die Taumelbewegung der Welle / Antriebswelle / Motorwelle 3. Die das Kronenrad 15 besitzende Kronenradgetriebestufe lenkt das Drehmoment um 90° um und nimmt die Spindel 6 über eine Innenverzahnung mit. Mit Hilfe eines Kugelgewindetriebes (KGT) wird das Drehmoment in eine translatorische Kraft umgesetzt. In 7 ist auch die Ausgestaltung des Sicherungsringes 21 als Sprengring erkennbar. Auch der Einsatz eines O-Ringes 31 ist visualisiert.
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Die translatorische Verlagerung einer Schaltgabel 32, wie sie in den 8 bis 10 dargestellt ist, bewirkt letztlich den Schaltvorgang.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronischer Aktor / Elektroaktor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Welle / Antriebswelle / Motorwelle
- 4
- Ritzel
- 5
- Drehmomentweiterleitzahnrad
- 6
- Spindel
- 7
- Mittel
- 8
- Lager
- 9
- Elektromotor
- 10
- Ende der Welle
- 11
- Innenverzahnung des Ritzels
- 12
- Außenverzahnung des Ritzels
- 13
- Gegenverzahnung der Welle
- 14
- Außenoberfläche der Welle
- 15
- Kronenrad
- 16
- Stützlager
- 17
- Innenschale / Lagerinnenschale
- 18
- Außenschale / Lageraußenschale
- 19
- Wälzkörper
- 20
- Absatz
- 21
- Sicherungsring
- 22
- Schulter
- 23
- Sicherungsscheibe
- 24
- Gehäusefortsatz
- 25
- Wellenzapfen
- 26
- Deckel
- 27
- Elektronikbaugruppe
- 28
- Topf
- 29
- Zahn
- 30
- Schutzkappe
- 31
- O-Ring
- 32
- Schaltgabel
