DE102019207602A1

DE102019207602A1 - Elektromechanischer Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft

Info

Publication number: DE102019207602A1
Application number: DE102019207602.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Reisch; Andreas Füßl; Jürgen Wafzig; Andreas Wendzel; Lorenz Fischer; Holger Gohmert; Uwe Fehr; Michael Arnegger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-11-26
Also published as: US11852237B2; US20220221052A1; WO2020233848A1; CN113785144A; CN113785144B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft, insbesondere für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes. Der elektromechanische Aktuator umfasst eine elektrische Maschine mit einem Stator (1) und mit einem Rotor (2). Weiterhin umfasst der elektromechanische Aktuator einen Spindeltrieb mit einem drehbaren Element (6) und mit einem translatorisch bewegbaren Element, wobei eine Drehung des drehbaren Elements (6) zu einer translatorischen Bewegung des translatorisch bewegbaren Elements führt. Der Rotor (2) und das drehbare Element (6) des Spindeltriebs sind derart in einer Umfangsrichtung (U) miteinander gekoppelt, dass eine Drehung des Rotors (2) zu einer Drehung des drehbaren Elements (6) des Spindeltriebs (5) führt, wobei in der Umfangsrichtung (U) ein Drehspiel (8) zwischen dem Rotor (2) und dem drehbaren Element (6) des Spindeltriebs besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft, insbesondere für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes. Weitere Ansprüche sind auf ein Kraftfahrzeuggetriebe mit dem elektromechanischen Aktuator und auf ein Kraftfahrzeug mit dem Kraftfahrzeuggetriebe gerichtet.
Durch elektromechanische Aktuierung oder Betätigung eines Getriebeelements lässt sich der Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs senken. Es gibt Sonderfälle, in denen die Aktuierungskräfte besonders hoch sind. Für eine Schaltaktuatorik ist häufig der Kraftbedarf für das Ausschalten eines Ganges bei Tieftemperatur auslegungsrelevant. Dies liegt daran, dass ein temperaturbedingtes erhöhtes Getriebeschleppmoment über das auszulegende Schaltelement geleitet wird und in dessen Schalt- und Schiebeverzahnung zu einer vergrößerten Reibkraft führt, gegen die aktuiert werden muss. Diese seltenen Fälle sind auslegungsbestimmend. Die Auslegung der Betätigungseinrichtung auf entsprechende Schaltkräfte verursacht Mehrkosten (Aktuator und Leistungselektronik), erhöhte Stromaufnahme und Bauraumnachteile.
Aus der DE 10 2006 049 274 A1 sind elektromechanische Aktuatoren bekannt, bei denen die in einem Elektromotor erzeugte Rotationsbewegung mittels eines Spindeltriebes in eine translatorische Bewegung gewandelt wird. Um hierbei eine gewünschte Stellkraft zu erzielen, ist abhängig von der gewählten Spindelübersetzung und dem vorliegenden Spindelwirkungsgrad ein zugehöriges Motordrehmoment erforderlich. Für dieses Motordrehmoment wird der Elektromotor ausgelegt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, einen kostengünstigen elektromechanischen Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes dahingehend zu verbessern, dass die Stellkraft des elektromechanischen Aktuators bezogen auf seine Baugröße erhöht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektromechanischer Aktuator mit Stellkrafterhöhung durch Nutzung von Drehimpulsen vorgeschlagen. Der elektromechanische Aktuator kann zur Betätigung eines Elements eines Kraftfahrzeuggetriebes eingesetzt werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, funktional zwischen einer elektrischen Maschine und einem Spindeltrieb ein Drehspiel anzuordnen, sodass im Falle einer zu hohen Stellkraftanforderung an den elektromechanischen Aktuator dieser zurücksetzt und die Bewegung mit Schwung wiederholt. Der elektromechanische Aktuator kann, wenn er wegen der hohen Stellkraftanforderung nicht stehen bleibt und nicht weiter rotieren kann, innerhalb des Drehspiels zurücksetzen und die Stellbewegung mit Schwung wiederholen. Eine Rücklaufsicherung kann währenddessen dafür sorgen, dass während des Zurücksetzens ein bereits erreichter Aktuierungsweg nicht wieder verloren geht. Vorzugsweise wird als Rücklaufsicherung ein selbsthemmender Spindeltrieb vorgesehen.
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein elektromechanischer Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft bereitgestellt, insbesondere für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes. Der elektromechanische Aktuator umfasst eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor. Der Rotor ist insbesondere innerhalb des Stators angeordnet. Weiterhin umfasst der elektromechanische Aktuator einen Spindeltrieb mit einem drehbaren Element (Spindel/Spindelmutter) und mit einem translatorisch bewegbaren Element (Spindelmutter/Spindel), wobei eine Drehung des drehbaren Elements zu einer translatorischen Bewegung des translatorisch bewegbaren Elements führt. Das drehbare Element und das translatorisch bewegbare Element sind dazu in an sich bekannter Weise entsprechend gekoppelt, z.B. mittels eines Trapezgewindes.
Der Rotor und das drehbare Element des Spindeltriebs sind derart in einer Umfangsrichtung miteinander gekoppelt, dass eine Drehung des Rotors (insbesondere in einer Vorwärtsdrehrichtung des Rotors) zu einer Drehung des drehbaren Elements des Spindeltriebs führt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Mitnahmeverzahnung vorgesehen, mittels welcher der Rotor und das drehbare Element des Spindeltriebs miteinander gekoppelt sind.
Wenn sich der Rotor in Vorwärtsdrehrichtung dreht, dann dreht sich auch das drehbare Element des Spindeltriebs in Vorwärtsdrehrichtung. Dies führt dazu, dass das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebs in vorwärtsgewandter axialer Richtung verschoben wird. Durch diese axiale Verschiebung kann das translatorisch bewegbare Element eine Betätigungskraft auf ein Element des Kraftfahrzeuggetriebes ausüben. So können insbesondere Losräder des Kraftfahrzeuggetriebes miteinander gekoppelt werden und wieder voneinander entkoppelt werden. So kann beispielsweise ein erstes Zahnrad mit einem zweiten Zahnrad in Eingriff gebracht werden, wenn sich der Rotor in Vorwärtsdrehrichtung dreht und dadurch das drehbare Element unmittelbar und das translatorisch bewegbare Element mittelbar antreibt. Wenn der Rotor sich in einer Rückwärtsdrehrichtung dreht, die der Vorwärtsdrehrichtung entgegengesetzt ist, dann dreht sich auch das drehbare Element des Spindeltriebs in Rückwärtsdrehrichtung, sodass das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebs nunmehr in rückwärtsgewandter axialer Richtung verstellt wird, um auf diese Weise die Kopplung zwischen den zwei Zahnrädern aufzuheben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der Umfangsrichtung ein Drehspiel zwischen dem Rotor und dem drehbaren Element des Spindeltriebs besteht. Das Drehspiel kann konstruktiv innerhalb des Rotors angeordnet sein. Beispielsweise kann die Mitnahmeverzahnung in der Umfangsrichtung ein Drehspiel zwischen dem Rotor und dem drehbaren Element des Spindeltriebs aufweisen. Insbesondere kann die Mitnahmeverzahnung erste Zähne aufweisen, die am Rotor angeordnet sind, und zweite Zähne, die am drehbaren Element des Spindeltriebs angeordnet sind. Ein erster Zahn kann dabei mit einem benachbarten zweiten Zahn in Eingriff gebracht werden, wobei zwischen dem ersten Zahn dem zweiten Zahn das Drehspiel besteht. Das Drehspiel kann in Grad angegeben werden und beispielsweise 20° betragen. Dies ist jedoch rein beispielhaft. Weitere mögliche Werte für das Drehspiel sind beispielsweise 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19°, 21°, 22°, 23°, 24°, 25°, 26°, 27°, 28°, 29° oder 30° oder Zwischenwerte davon. Das Drehspiel ist insbesondere derart groß, dass es übliche Toleranzen einer Mitnahmeverzahnung überschreitet.
Es handelt sich somit um ein „gewolltes“ Drehspiel. Das Drehspiel ist derart groß, dass es ermöglicht, dass der Rotor in Rückwärtsdrehrichtung im Rahmen des Drehspiels zurückgesetzt werden kann und anschließend innerhalb des Drehspiels wieder in Vorwärtsdrehrichtung angetrieben werden kann, um mit Schwung auf das drehbare Element des Spindeltriebs zu treffen. Auf diese Weise wird ein Drehimpuls von dem Rotor auf das drehbare Element des Spindeltriebs übertragen. Dieses Drehspiel kann insbesondere dann genutzt werden, wenn der Rotor durch eine sehr hohe Stellkraftanforderung stehen bleibt, weil das Gegenmoment des drehbaren Elements des Spindeltriebs größer ist als das Drehmoment des Rotors. Eine derartige Stellkraftanforderung mag zwar nur ein sehr selten auftretender Fall sein, jedoch muss dieser Fall bei der Auslegung der elektrischen Maschine des elektromechanischen Aktuators berücksichtigt werden. Mit anderen Worten muss die elektrische Maschine auf die hohe Stellkraftanforderung ausgelegt sein. Dies führt bei aus dem Stand der Technik bekannten elektromechanischen Aktuatoren zu relativ großen elektrischen Maschinen. Ein Beispiel für eine derartig hohe Stellkraftanforderung ist der Betrieb bei Tieftemperatur in Verbindung mit einer temporär ungünstigen Schmierölverteilung, was zu einem erhöhten Schleppmoment im Getriebe führt. Wird dieses Schleppmoment über eine Klaue oder eine Synchronisierung geleitet, so erhöht sich der Kraftbedarf zu deren Aktuierung bzw. Betätigung. Auch wenn diese Situation in der Realität selten vorkommt, so muss doch die Aktuatorik dafür ausgelegt sein, insbesondere die elektrische Maschine des elektromechanischen Aktuators.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuators im Vergleich beispielsweise zu mechanischen Schlagwerken liegt nun darin, dass ein Drehspiel mit sehr wenig Bauraumbedarf und kostengünstig umgesetzt werden kann. Je nach konstruktivem Umfeld kann das Drehspiel bauraumneutral im Rotor der elektrischen Maschine angeordnet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass mit lediglich einem Drehwinkelsensor alle erforderlichen Funktionen erfüllt werden können (Kommutierung, Schlagwerksfunktion, Wegmessung des Schaltelements). Bei einem konventionellen Schlagwerk wären mehrere Sensoren erforderlich, da Motor und Stellglied temporär entkoppelt werden.
In einer Ausführungsform umfasst der elektromechanische Aktuator eine Rücklaufsicherung für den Spindeltrieb. Die Rücklaufsicherung ist dazu eingerichtet, den Spindeltrieb festzuhalten, während der Rotor in der Rückwärtsdrehrichtung zurückgesetzt wird. Die Rücklaufsicherung kann insbesondere umgesetzt werden, indem der Spindeltrieb selbsthemmend ausgeführt ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der elektromechanische Aktuator eine elektronische Steuerungseinheit. Die elektronische Steuerungseinheit kann in den elektromechanischen Aktuator integriert sein. Die elektronische Steuerungseinheit ist dazu eingerichtet, bei einem Stillstand des Rotors aufgrund eines zu hohen Gegenmoments des drehbaren Elements des Spindeltriebs den Rotor innerhalb des Drehspiels in einer Rückwärtsdrehrichtung zurückzusetzen, wobei die Rückwärtsdrehrichtung entgegengesetzt zu der Vorwärtsdrehrichtung verläuft. Weiterhin ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, den Rotor erneut in der Vorwärtsdrehrichtung anzutreiben, nachdem der Rotor in der Rückwärtsdrehrichtung zurückgesetzt worden ist, sodass sich der Rotor innerhalb des Drehspiels frei gegenüber dem drehbaren Element des Spindeltriebs in der Vorwärtsdrehrichtung dreht und das drehbare Element bei Greifen der Mitnahmeverzahnung mit Schwung antreibt.
Das drehende Element des Spindeltriebs kann eine Spindel umfassen, und das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebes kann eine Spindelmutter umfassen. Die Spindel und die Spindelmutter können derart miteinander gekoppelt sein, dass eine Drehung der Spindel zu einer translatorischen Bewegung der Spindelmutter führt. Die Mitnahmeverzahnung kann dabei eine Innenverzahnung des Rotors und eine Außenverzahnung der Spindel umfassen, wobei die Außenverzahnung in die Innenverzahnung eingreift, sodass eine Drehung des Rotors zu einer Drehung des Spindeltriebs führt, und wobei das Drehspiel zwischen der Innenverzahnung und der Außenverzahnung besteht. Gemäß dieser Ausführungsform rotiert die Spindel bezüglich des Gehäuses des Aktuators.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das drehende Element des Spindeltriebs eine Spindelmutter, und das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebes umfasst eine Spindel. Die Spindel und die Spindelmutter können derart miteinander gekoppelt sein, dass eine Drehung der Spindelmutter zu einer translatorischen Bewegung der Spindel führt, wobei die Mitnahmeverzahnung eine Innenverzahnung des Rotors und eine Außenverzahnung der Spindelmutter umfasst, und wobei das Drehspiel zwischen der Innenverzahnung und der Außenverzahnung besteht. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Spindel und die Spindelmutter dahingehend vertauscht, dass nicht die Spindel bezüglich des Gehäuses des Aktuators rotiert, sondern die Spindelmutter. Dadurch lässt sich die Spindelmutter im Inneren des Aktuators anordnen und verlängern, ohne dass sich die Baulänge des Aktuators insgesamt erhöht. Durch die Verlängerung der Spindelmutter kann bei unveränderter Flankenpressung im Gewindetrieb der Durchmesser der Spindel verkleinert werden. Dadurch wiederum verbessert sich der Übertragungswirkungsgrad des Spindeltriebs und es kann aus unverändertem Moment des Aktuators eine größere Axialkraft generiert werden. Des Weiteren lässt sich das Massenträgheitsmoments des drehbaren Elements des Spindeltriebs, in diesem Fall der Spindelmutter, weiter reduzieren, was eine geringere Drehmomentbelastung der spielbehafteten Mitnahmeverzahnung zur Folge hat.
Der Rotor weist eine erste Drehmasse auf, und das rotierende Element des Spindeltriebs weist eine zweite Drehmasse auf. In einer Ausführungsform sind die erste Drehmasse und die zweite Drehmasse mittels einer Drehelastizitätseinheit voneinander entkoppelt. Bei der Drehelastizitätseinheit kann es sich um ein federndes Element halten, welches in der Umfangsrichtung eine Elastizität aufweist. Die Drehelastizitätseinheit kann beispielsweise zwischen der spielbehafteten Mitnahmeverzahnung und einem Trapezgewinde des drehbaren Elements des Spindeltriebs, insbesondere der Spindel, angeordnet sein. Die Drehelastizitätseinheit ermöglicht, dass ein Hauptanteil des Massenträgheitsmoments des drehbaren Elements des Spindeltriebs, beispielsweise der Spindel, elastisch entkoppelt wird. Dadurch können die in der Mitnahmeverzahnung beim Stoß auftretenden Drehmomentspitzen in ihrer Höhe begrenzt werden. Somit kann die Mitnahmeverzahnung kleiner ausgelegt werden und die akustische Anregung wird reduziert. In diesem Zusammenhang kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass ein erstes Massenträgheitsmoment des Rotors größer ist als ein zweites Massenträgheitsmoment des drehbaren Elements des Spindeltriebs.
Der elektromechanische Aktuator kann zumindest teilweise im Inneren einer Welle angeordnet sein. Damit verbundene Effekte, Vorteile und Ausführungsformen sind beispielsweise in der DE 10 2006 049 274 A1 beschrieben. Weiterhin kann der elektromechanische Aktuator mit der Welle drehfest verbunden sein, d. h. der elektromechanische Aktuator rotiert mit einer Drehzahl der Welle. Der elektromechanische Aktuator kann ferner als elektrische Maschine einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) umfassen.
Der Rotor kann über eine vorgespannte Feder spielfrei an eine axiales Führungslager angedrückt werden. Diese Ausführungsform ermöglicht, dass die axiale Lagerung des Motors nicht indirekt über beispielsweise die Spindel erfolgen muss, sondern direkt über ein Anlaufen an das axiale Führungslager realisiert werden kann. Die Feder kann eine Vorspannung aufweisen. Die Vorspannung der Feder kann verhindern, dass sich der Rotor in axialer Richtung von dem axialen Führungslager abhebt. Durch diese Ausführungsform lässt sich die axiale Position des Rotors sehr präzise mit kurzer Toleranzkette und ohne den Einfluss von Lagerspielen definieren. Dies ist vorteilhaft, da eine axiale Fehlpositionierung des beispielsweise über einen Adapterflansch am Rotor befestigten Sensormagnetfelds zu einer ungenauen Drehwinkelerfassung am Winkelsensor und somit im Falle beispielsweise eines BLDC-Aktuators aufgrund der vom Drehwinkel abhängigen Kommutierung zu einer Drehmomenteinbuße führen kann.
Der Rotor kann in radialer Richtung auf dem drehbaren Element des Spindeltriebs gelagert sein, beispielsweise auf der Spindel, was besonders wenig apparativen Aufwand erfordert. Weiterhin kann die radiale Lagerung des Rotors nicht ausschließlich beispielsweise auf der Spindel erfolgen, sondern beispielsweise im Bereich einer Stirnseite des Rotors mittels eines radialen Lagers erfolgen. In diesem Sinne kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Rotor sowohl auf dem drehbaren Element des Spindeltriebs als auch in einem radialen Lager gelagert ist, wobei das radiale Lager zwischen dem Rotor und einem Gehäuse des elektromechanischen Aktuators angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders direkte Lagerung des Rotors und somit einen kleineren Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor. Außerdem kann dadurch das Massenträgheitsmoments der Spindel reduziert werden, was zu einer Verringerung der Belastung der Mitnahmeverzahnung führt.
Das drehbare Element des Spindeltriebs kann bezüglich des Gehäuses des Aktuators in axialer Richtung und in radialer Richtung gelagert sein. Beispielsweise kann die Spindel mittels eines Festlagers und mittels eines Loslagers bezüglich des Gehäuses des Aktuators drehbar und axial fest gelagert sein. Dadurch kann der Rotor frei von Axialkräften reibungsarm und reproduzierbar seine Schlagbewegung auf das drehbare Element des Spindeltriebs durchführen.
Der elektromechanische Aktuator kann weiterhin einen Sensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine Rotation bzw. eine Drehbewegung des Rotors zu erfassen. Mittels des Sensors kann während einer Bestromung des Aktuators überwacht werden, ob sich der Rotor mit einer ausreichend hohen Drehzahl dreht. Dabei kann erkannt werden, dass sich keine ausreichende Rotation einstellt oder dass der Rotor stillsteht (n=0). In diesem Fall kann die elektronische Steuerungseinheit den elektrischen Motor für die entgegengesetzte Drehrichtung bestromen (Rückwärtsdrehrichtung), um das konstruktiv vorgesehene Drehspiel insbesondere der Mitnahmeverzahnung anteilsweise, jedoch nicht vollständig, zu lüften. Die Steuerungseinheit kann weiterhin dazu eingerichtet sein, nach der Lüftung des Drehspiels (in Rückwärtsdrehrichtung) den elektrischen Motor wieder in Vorwärtsdrehrichtung (Aktuierungsrichtung) zu bestromen, um kinetische Energie aufzubauen und anschließend durch einen Drehimpulsaustausch zwischen dem Rotor und dem drehbaren Element des Spindeltriebs die Stellbewegung fortzusetzen.
Für die Erkennung, ob eine Drehbewegung auch ohne die vorstehend beschriebenen Drehimpulse zielführend funktioniert, kann derselbe Sensor verwendet werden, der auch für die Erfassung der Rotation des Rotors und für die Kommutierung des Motors eingesetzt wird. Die Erkennung der Drehbewegung kann durch Beobachten des Drehwinkels mittels eines Drehwinkelsensors (z.B. ein Hall-Sensor) über einen definierten Zeitraum erfolgen. Der Sensor zur Erfassung der Rotation des Rotors kann weiterhin auch ein Stromsensor sein, der eine Stromaufnahme des elektrischen Motors über einen definierten Zeitraum beobachten kann.
Die elektronische Steuerungseinheit kann weiterhin einen Zeitraum, innerhalb dessen beobachtet wird, ob sich unter Bestromung eine Änderung des Drehwinkels des Motors ergibt, von Stoß zu Stoß (bzw. von Impuls zu Impuls) neu definieren. Dadurch entsteht ein akustischer Vorteil, da nicht ein einziger Ton resultiert, der im ungünstigsten Falle weitere Komponenten zum Mitschwingen anregt. Durch die unterschiedlichen Nachdrückzeiten entsteht akustisch eher ein Rauschen. Außerdem ergibt sich ein Leistungsvorteil (Performance), da nicht nach jedem Stoß die volle Wartezeit erfolgen muss, die erforderlich wäre, um eine eventuelle impulsfreie Drehbewegung zweifelsfrei zu erkennen.
Ferner kann die elektronische Steuerungseinheit dazu eingerichtet sein, das Lüften des Drehspiels zeitgesteuert durchzuführen. Das Lüften des Drehspiels erfolgt ohne äußere Widerstände und ist somit durch zeitliche Steuerung gut reproduzierbar. Ein für die Kommutierung des Motors ausreichende Drehwinkelsensor würde für den beim Lüften des Drehspiels typischerweise kleinen Drehwinkel in der Regel zu wenig Informationen liefern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Getriebe umfasst einen elektromechanischen Aktuator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches ein Getriebe gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

1 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuators mit einem Spindeltrieb, wobei eine Spindel des Spindeltriebs relativ zu einem Gehäuse des elektromechanischen Aktuators gedreht werden kann,
2 eine Querschnittsdarstellung durch den elektromechanischen Aktuator nach 1 im Bereich einer Mitnahmeverzahnung,
3 eine Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuators mit einer Drehelastizitätseinheit zwischen einem Rotor und einer Spindel des elektromechanischen Aktuators,
4 eine Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuators mit einem Spindeltrieb, wobei eine Spindelmutter des Spindeltriebs relativ zu einem Gehäuse des elektromechanischen Aktuators gedreht werden kann,
5 ein Diagramm, welches einen Drehwinkel eines Rotors und eines drehbaren Elements eines Spindeltriebs eines elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung über der Zeit darstellt, und
6 grob schematisch und nicht maßstabsgetreu ein Fahrzeug mit einem Getriebe, das einen elektromechanischen Aktuator umfasst, z.B. einen elektromechanischen Aktuator nach 1, 3 oder 4.

1 zeigt einen elektromechanischen Aktuator 23, der sich zumindest teilweise in einer nicht durch 1 gezeigten Welle 35 eines Getriebes 32 eines Kraftfahrzeugs 33 befinden kann (vgl. hierzu 6). Der elektromechanische Aktuator 23 umfasst eine elektrische Maschine 24 mit einem Stator 1 und mit einem Rotor 2. Der Rotor 2 umfasst einen Rotorträger 3 und einen ringförmigen Magneten 4. Der ringförmige Magnet 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mehrpolig magnetisiert und an den Rotorträger 3 geklebt. Diese Ausführungsform des Magnets 4 ist besonders stoßunempfindlich bezüglich eines Drehimpulsaustausches. Alternativ können auch mehrere Rotormagnete 4 um den Umfang des Rotorträgers 3 verteilt sein. Weiterhin umfasst der elektromechanische Aktuator 23 einen Spindeltrieb 5 mit einer Spindel 6 und mit einer Spindelmutter 7. Ferner umfasst der elektromechanische Aktuator 23 einen Sensormagneten 20 und einen Drehwinkelsensor 21.
Die Spindel 6 ist mittels eines Festlagers 14a und mittels eines Loslagers 14b bezüglich eines Gehäuses 18 des Aktuators 23 in radialer Richtung r und in axialer Richtung x fest gelagert. Die Spindel 6 kann innerhalb dieser Lager 14a, 14b rotieren. Der Rotor 2 ist auf der Spindel 6 drehbar gelagert. Zwei Lagerstellen 16a und 16b dienen dabei der drehbaren Lagerung des Rotors 2. Zwei weitere Lager 13a und 13b dienen der axialen Führung des Rotors 2. Durch die zwei Lagerstellen 16a und 16b wird eine Drehbewegung des Rotors 2 auf der Spindel 6 ermöglicht. Diese Drehbewegung wird durch eine mit einem Drehspiel 8 behaftete Mitnahmeverzahnung 9 in ihrem Drehwinkel bezüglich der Spindel 6 begrenzt. Der Spindeltrieb 5 wandelt eine Drehbewegung der Spindel 6 in eine Axialbewegung der Spindelmutter 7. Die Axialkraft wird von der Spindelmutter 7 über ein Federpaket 11 auf ein Gehäuse 19 der Spindelmutter 7 übertragen und betätigt von dort aus ein Schaltelement mittels einer Axialbewegung.
Der Spindeltrieb 5 kann in einander entgegengesetzte Richtungen verfahren werden. Der Spindeltrieb 5 ermöglicht dabei eine Bewegungsübertragung von Rotation nach Translation und verhindert eine Bewegungsübertragung von Translation nach Rotation durch Selbsthemmung. Dies geschieht unabhängig von einer Bewegungsrichtung. Der Spindeltrieb 5 ist somit selbsthemmend ausgeführt, d.h. der Spindeltrieb 5 ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment in eine Axialkraft zu wandeln, nicht jedoch eine Axialkraft in ein Drehmoment.
2 zeigt einen Querschnitt durch den elektromechanischen Aktuator nach 1 und sinngemäß auch nach 3 und 4. Die Mitnahmeverzahnung 9 weist erste Zähne 25 auf, die am Rotorträger 3 angeordnet und in radialer Richtung nach innen gerichtet sind. Weiterhin weist die Mitnahmeverzahnung 9 zweite Zähne 26 auf, die an der Spindel 6 angeordnet und in radialer Richtung nach außen gerichtet sind. Die ersten Zähne 25 sind in einer Umfangsrichtung U um einen Innenumfang 27 des Rotorträgers 3 angeordnet. Die zweiten Zähne 26 sind in der Umfangsrichtung um einen Außenumfang 28 der Spindel 6 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechs erste Zähne 25 und sechs zweite Zähne 26 vorhanden. In der durch 2 gezeigten relativen Stellung des Rotors 2 zu der Spindel 6 befinden sich die ersten Zähne 25 nicht im Eingriff mit den zweiten Zähnen 26, weil in der Umfangsrichtung U zwischen den Zähnen 25 und 26 das Drehspiel 8 besteht. Das Drehspiel 8 kann beispielsweise 20° betragen. Wenn der Rotorträger 3 durch eine entsprechende Bestromung der elektrischen Maschine 24 in Vorwärtsdrehrichtung U1 oder in Rückwärtsdrehrichtung U2 gedreht wird, so wird das Drehspiel 8 gelüftet, sodass die ersten Zähne 25 des Rotorträgers 3 an den zweiten Zähnen 26 der Spindel 6 anliegen und ein Drehmoment zwischen dem Rotor 2 und der Spindel 6 übertragen werden kann. Dadurch dreht sich die Spindel 6 und verschiebt die Spindelmutter 8 in axialer Richtung x, wodurch ein Schaltelement, z.B. Losräder 31, in einem Getriebe 32 eines Kraftfahrzeugs 33 miteinander gekoppelt oder voneinander entkoppelt werden können (vgl. 6, die ebenfalls eine Lagerung 34 des Schaltelements 31 zeigt).
Über das Drehspiel 8 der Mitnahmeverzahnung 9 kann ein Drehimpuls des rotierenden Rotors 2 an die stehende Spindel 6 weitergeleitet werden. Hierdurch kann an der Spindel 6 ein Drehmomentstoß erreicht werden, der höher ist, als ein Drehmoment, welches der elektromechanische Aktuator 23 zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 mittels Magnetfelder erzeugen kann.
Der elektromechanische Aktuator gemäß 3 ist eine Abwandlung des elektromechanischen Aktuators nach 1. So weist der elektromechanische Aktuator 23 nach 3 eine Drehelastizitätseinheit 10 auf, die zwischen der drehspielbehafteten Mitnahmeverzahnung 9 und einem Trapezgewinde 29 der Spindel 6 angeordnet ist. Dadurch wird der Hauptanteil des Spindelmassenträgheitsmomentes elastisch entkoppelt und somit eine in der Mitnahmeverzahnung 9 beim Stoß/Impuls auftretende Drehmomentspitze in ihrer Höhe begrenzt. Dadurch kann die Mitnahmeverzahnung 9 kleiner ausgelegt werden und die akustische Anregung wird reduziert.
Weiterhin erfolgt in dem Ausführungsbeispiel nach 3 die radiale Lagerung des Rotors 2 nicht ausschließlich auf der Spindel 6 (wie in dem Ausführungsbeispiel nach 1), sondern wird auf der gemäß 3 linken Seite mittels eines Lagers 15 zwischen dem Rotor 2 und dem Gehäuse 18 des Aktuators 23 realisiert. Hierdurch wird die Lagerung des Rotors 2 direkter und somit ein kleinerer Luftspalt zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ermöglicht. Außerdem wird das Massenträgheitsmoment der Spindel 6 reduziert, was ebenfalls zu einer Verringerung der Belastung der Mitnahmeverzahnung führt.
Ferner erfolgt in dem Ausführungsbeispiel nach 3 die axiale Lagerung des Rotors 2 nicht indirekt über Spindel 6 (wie in dem Ausführungsbeispiel nach 1), sondern direkt über ein Anlaufen an einem Axiallager 30. Eine Vorspannung einer Feder 12 verhindert dabei ein axiales Abheben des Rotors 2 von dem Axiallager 30. Durch diese Ausführung lässt sich die axiale Position des Rotors 2 sehr präzise mit kurzer Toleranzkette und ohne den Einfluss von Lagerspielen definieren. Dies ist vorteilhaft, da eine axiale Fehlpositionierung des über einen Adapterflansch 22 am Rotor 2 befestigten Sensormagnets 20 zu einer ungenauen Drehwinkelerfassung am Winkelsensor 21 und somit im Falle des hier gezeigten BLDC-Aktuators 23 aufgrund der drehwinkelabhängigen Kommutierung zu einer Drehmomenteinbuße führen würde.
Der elektromechanische Aktuator gemäß 4 ist eine Abwandlung des elektromechanischen Aktuators nach 1. Hier ist eine andere Weiterentwicklung des Aktuators aus gezeigt.
Die Spindel 6 und die Spindelmutter 7 wurden dahingehend vertauscht, dass nun nicht mehr die Spindel 6 bezüglich des Gehäuses 18 des Aktuators 23 rotiert (wie in den Ausführungsbeispielen nach 1 und 3), sondern die Spindelmutter 7. Dadurch lässt sich die Spindelmutter 7 im Inneren des Aktuators 23 anordnen und verlängern, ohne dass die Gesamtbaulänge des Aktuators 23 größer wird. Durch die Verlängerung der Spindelmutter 7 kann bei unveränderter Flankenpressung im Gewindetrieb der Durchmesser der Spindel 6 verkleinert werden. Dadurch wiederum verbessert sich der Übertragungswirkungsgrad des Spindeltriebs 5 und es kann aus unverändertem Moment des Aktuators eine größere Axialkraft generiert werden. Des Weiteren lässt dich das Massenträgheitsmoment der Spindelmutter 7 weiter reduzieren, was eine geringe Drehmomentbelastung der spielbehafteten Mitnahmeverzahnung 9 zur Folge hat.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 4 entfällt der separate Sensormagnet 20. Stattdessen wurde der Rotormagnet 4 verlängert. Dadurch wird eine Winkelerfassung mittels des Drehwinkelsensors 21 präziser, da eine Fehlpositionierung von Sensormagnet 20 zu Rotormagnet 4 konstruktiv ausgeschlossen ist. Weiterhin ist in dem Gehäuse 18 des Aktuators 23 eine elektronische Steuerungseinheit in Form einer Ansteuerelektronik 17 integriert. Auch die elektromagnetischen Aktuatoren nach 1 und 3 können eine entsprechende elektronische Steuerungseinheit 17 aufweisen.
5 zeigt, wie die Rotation des Rotors 2 und der rotatorische Antrieb der Spindel 6 (1 und 3) bzw. der Spindelmutter (4) durch die elektronische Steuerungseinheit 17 gesteuert werden kann. Die gestrichelte Linie zeigt den Drehwinkel φ2 der rotierenden Komponente des Spindeltriebes über der Zeit t. Die dünne durchgezogene Linie zeigt den Drehwinkel φ1 des Rotors 2.
Zu einem Zeitpunkt t₀ beginnt der Aktuator 23 bzw. dessen Rotorträger 3 mit der Bewegung und dreht (bezogen auf die Ausführungsform gemäß 1 oder 3) an der Spindel 6 bzw. an der Spindelmutter 7 (bezogen auf die Ausführungsform gemäß 4). Zu einem Zeitpunkt t₁ ist die zu überwindende Axialkraft so groß, dass das elektromotorisch erzeugbare Drehmoment des Rotorträgers 3 nicht ausreicht, um die Drehbewegung aufrechtzuerhalten. Dies könnte alternativ natürlich auch von Anfang an (to) so der Fall sein. Zu einem Zeitpunkt t₂ hat die elektronische Steuerungseinheit 17 erkannt, dass der Motor 24 im Normalbetrieb nicht weiterkommt und steuert den Motor 24 derart an, dass sich der Rotor 2 in Rückwärtsdrehrichtung U2 innerhalb des Drehspiels 8 zurückdreht. Die Tatsache, dass der Motor 24 sich nicht dreht, kann z.B. durch fehlende Impulse des Drehwinkelsensors 21 (z.B. Hall-Sensoren) erkannt werden oder durch Feststellung einer erhöhten elektrischen Stromaufnahme des Motors 24 bzw. dessen Wicklung. Die Rückwärtsdrehung U2 kann z.B. zeitgesteuert bei definierter Pulsweitenmodulation PWM erfolgen.
Zu einem Zeitpunkt t₃ wechselt der Motor 24 angewiesen durch die elektronische Steuerungseinheit 17 wieder auf eine Vorwärtsbewegung U1, noch bevor er die Grenze seines Drehspieles 8 erreicht hat. Zu einem Zeitpunkt t₄ treffen die ersten Zähne 25 des Rotorträgers 3 nun über die spielbehaftete Mitnahmeverzahnung 9 mit Schwung auf die stehende Zähne 26 der anzutreibenden Spindeltriebkomponente (Spindel 6 oder Spindelmutter 7). Durch die wirkenden Massenkräfte nimmt der Rotor 2 die Spindeltriebkomponente 6/7 mit. Zu einem Zeitpunkt t₅ ist der Schwung aufgezehrt und die elektrische Maschine 24 bleibt trotz Bestromung wieder stehen. Zu einem Zeitpunkt t₆ ist der Stillstand erneut erkannt und das Zurücksetzen beginnt von Neuem. Zu einem Zeitpunkt t₇ wird nach möglicherweise vielen solchen schnell aufeinander folgenden Stößen (Größenordnung 150 Stöße je Sekunde) erkannt, dass der Rotor 2 sich auch ohne Zurücksetzen drehen lässt. In diesem Fall wird wieder in den Normalbetrieb gewechselt und die Bewegung im konventionell motorischen Betrieb fortgesetzt.
Bezugszeichenliste

φ1: Drehwinkel Rotor
φ2: Drehwinkel Spindel/Spindelmutter
r: radiale Richtung
x: axiale Richtung
U: Umfangsrichtung
U1: Vorwärtsdrehrichtung
U2: Rückwärtsdrehrichtung
1: Stator
2: Rotor
3: Rotorträger
4: Rotormagnet
5: Spindeltrieb
6: Spindel
7: Spindelmutter
8: Drehspiel
9: drehspielbehaftete Mitnahmeverzahnung
10: Drehelastizitätseinheit
11: Federpaket
12: Feder
13a: erstes axiales Führungslager des Rotors
13b: zweites axiales Führungslager des Rotors
14a: Festlager
14b: Loslager
15: Lager zwischen Rotor und Gehäuse des Aktuators
16a: erste Lagerstelle Rotor auf Spindel
16b: zweite Lagerstelle Rotor auf Spindel
17: elektronische Steuerungseinheit/integrierte Ansteuerelektronik
18: Gehäuse des elektromechanischen Aktuators
19: Gehäuse der Spindelmutter
20: Sensormagnet
21: Drehwinkelsensor
22: Adapterflansch
23: elektromechanischer Aktuator
24: elektrische Maschine
25: erste Zähne des Rotorträgers
26: zweite Zähne der Spindel
27: Innenumfang des Rotorträgers
28: Außenumfang der Spindel
29: Trapezgewinde der Spindel
30: Axiallager
31: Schaltelement (Losrad)
32: Getriebe
33: Kraftfahrzeug
34: Lagerung Schaltelement
35: Getriebewelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006049274 A1 [0003, 0018]

Claims

Elektromechanischer Aktuator (23) zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft, der elektromechanische Aktuator (23) umfassend: - eine elektrische Maschine (24) mit einem Stator (1) und mit einem Rotor (2) und - einen Spindeltrieb (5) mit einem drehbaren Element (6/7) und mit einem translatorisch bewegbaren Element (7/6), wobei eine Drehung des drehbaren Elements (6/7) zu einer translatorischen Bewegung des translatorisch bewegbaren Elements (7/6) führt, wobei - der Rotor (2) und das drehbare Element (6/7) des Spindeltriebs (5) derart in einer Umfangsrichtung (U) miteinander gekoppelt sind, dass eine Drehung des Rotors (2) zu einer Drehung des drehbaren Elements (6/7) des Spindeltriebs (5) führt, und - in der Umfangsrichtung (U) ein Drehspiel (8) zwischen dem Rotor (2) und dem drehbaren Element (6/7) des Spindeltriebs (5) besteht.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach Anspruch 1, wobei - der Rotor (2) und das drehbare Element (6/7) des Spindeltriebs (5) mittels einer Mitnahmeverzahnung (9) miteinander gekoppelt sind, und - die Mitnahmeverzahnung (9) das Drehspiel (8) in der Umfangsrichtung (U) aufweist.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach Anspruch 1 oder 2 der elektromechanische Aktuator (23) weiterhin umfassend eine Rücklaufsicherung, wobei die Rücklaufsicherung dazu eingerichtet ist, den Spindeltrieb (5) festzuhalten, während der Rotor in einer Rückwärtsdrehrichtung (U2) zurückgesetzt wird.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der elektromechanische Aktuator (23) weiterhin umfassend eine Steuerungseinheit (17), wobei die Steuerungseinheit (17) dazu eingerichtet ist, - bei einem Stillstand des Rotors (2) aufgrund eines zu hohen Gegenmoments des drehbaren Elements (6/7) des Spindeltriebs (5) den Rotor (2) innerhalb des Drehspiels (8) in einer Rückwärtsdrehrichtung (U2) zurückzusetzen, wobei die Rückwärtsdrehrichtung (U2) entgegengesetzt zu der Vorwärtsdrehrichtung (U1) verläuft, und - den Rotor (2) erneut in der Vorwärtsdrehrichtung (U1) anzutreiben, nachdem der Rotor (2) in der Rückwärtsdrehrichtung (U2) zurückgesetzt worden ist, sodass sich der Rotor innerhalb des Drehspiels (8) frei gegenüber dem drehbaren Element (6/7) des Spindeltriebs (5) in der Vorwärtsdrehrichtung (U1) dreht und das drehbare Element (6/7) bei Greifen der Mitnahmeverzahnung (9) mit Schwung antreibt.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - das drehende Element (6) des Spindeltriebs (5) eine Spindel (6) umfasst, - das translatorisch bewegbare Element (7) des Spindeltriebes (5) eine Spindelmutter (7) umfasst, - die Spindel (6) und die Spindelmutter (7) derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Drehung der Spindel (6) zu einer translatorischen Bewegung der Spindelmutter (7) führt, - die Mitnahmeverzahnung (9) eine Innenverzahnung (25) des Rotors (2) und eine Außenverzahnung (26) der Spindel (6) umfasst, - die Außenverzahnung (26) in die Innenverzahnung (25) eingreift, sodass eine Drehung des Rotors (2) zu einer Drehung des Spindeltriebs (5) führt, und - das Drehspiel (8) zwischen der Innenverzahnung (25) und der Außenverzahnung (26) besteht.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei - das drehende Element (7) des Spindeltriebs (5) eine Spindelmutter (7) umfasst, - das translatorisch bewegbare Element (6) des Spindeltriebes (5) eine Spindel (6) umfasst, - die Spindel (6) und die Spindelmutter (7) derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Drehung der Spindelmutter (7) zu einer translatorischen Bewegung der Spindel (6) führt, - die Mitnahmeverzahnung (9) eine Innenverzahnung (25) des Rotors (2) und eine Außenverzahnung (26) der Spindelmutter (7) umfasst, und - das Drehspiel (8) zwischen der Innenverzahnung (25) und der Außenverzahnung (26) besteht.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Drehmasse des Rotors (2) und eine Drehmasse des rotierenden Elements (6) des Spindeltriebs (5) durch eine Drehelastizitätseinheit (10) voneinander entkoppelt sind.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektromechanische Aktuator (23) zumindest teilweise im Inneren einer Welle (35) eines Getriebes (32) angeordnet ist.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotor (2) über eine vorgespannte Feder (12) spielfrei an ein axiales Führungslager (30) angedrückt wird.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotor (2) auf dem drehbaren Element (6) des Spindeltriebs (5) gelagert ist.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach Anspruch 10, wobei der Rotor (2) sowohl auf dem drehbaren Element (6) des Spindeltriebs (5) als auch in einem radialen Lager (15) gelagert ist, wobei das radiale Lager (15) zwischen dem Rotor (2) und einem Gehäuse (18) des elektromechanischen Aktuators (23) angeordnet ist.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das drehbare Element (6) des Spindeltriebs (5) bezüglich eines Gehäuses (18) des Aktuators (23) in axialer Richtung (x) und in radialer Richtung (r) gelagert ist.
Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der elektromechanische Aktuator (23) weiterhin umfassend einen Sensor (21), wobei der Sensor (21) dazu eingerichtet ist, eine Rotation (φ1) des Rotors (2) zu erfassen.
Kraftfahrzeuggetriebe (32) umfassend einen elektromechanischen Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug (33) umfassend ein Kraftfahrzeuggetriebe (32) nach Anspruch 14.