-
Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit mit einem Gehäuse, einem Elektromotor, einem Getriebe, einer Spindelbaugruppe mit zwei relativ zueinander verdrehbaren Bauteilen, von denen eines ein Schubelement ist und das andere ein Antriebselement ist, das in axialer Richtung im Gehäuse abgestützt ist.
-
Die Aktoreinheit dient insbesondere dazu, eine Kupplung oder eine Bremsvorrichtung in einem Fahrzeug zu betätigen. Hierzu wird das Schubelement mittels der Spindelbaugruppe axial verstellt, um beispielsweise ein Ausrücklager der Kupplung zu verstellen oder einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe zu drücken. Die Spindelbaugruppe kann eine Spindelmutter aufweisen, die mit einem Stößel gekoppelt ist, der das Schubelement darstellt. Der Elektromotor ist mit einer Spindel der Spindelbaugruppe gekoppelt.
-
Aus Gründen des Wirkungsgrades soll die Reibung zwischen der Spindelmutter und der Spindel möglichst gering sein. Dies hat aber zur Folge, dass sich die Spindel relativ zur Spindelmutter verdrehen kann, wenn Axiallasten wirken. Daher muss, wenn beispielsweise die Kraft von Kupplungsfedern einer geöffneten Kupplung auf die Spindelbaugruppe wirkt, der Elektromotor konstant bestromt werden, wenn die Kupplung unter Last in einer bestimmten Position gehalten werden soll. Dasselbe gilt, wenn bei einer betätigten Bremsvorrichtung beispielsweise ein Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe gespannt gehalten werden soll. In beiden Fällen wird Energie benötigt, um einen stationären Zustand aufrechtzuerhalten.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aktoreinheit zu schaffen, bei der keine Energie erforderlich ist, um das Schubelement unter Last in seiner Position zu halten.
-
Diese Aufgabe wird mit einer Aktoreinheit gelöst, die ein Gehäuse, einen Elektromotor, ein Getriebe und eine Spindelbaugruppe mit zwei relativ zueinander verdrehbaren Bauteilen aufweist, von denen eines ein Schubelement ist und das andere ein Antriebselement ist, das in axialer Richtung im Gehäuse abgestützt ist, wobei eine Freilaufkupplung vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Antriebselement gekoppelt ist und deren Ausgang mit einem Bremselement gekoppelt ist, das sich im Gehäuse abstützt. Das Bremselement erzeugt eine Bremskraft, die über die Freilaufkupplung auf die Spindelbaugruppe übertragen wird. Dadurch wird die Aktoreinheit in der gewünschten Position gehalten, ohne dass der Elektromotor bestromt werden muss. Darüber hinaus wirkt die Bremskraft nur in einer Richtung und verstärkt sich automatisch bei höherer Axiallast.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Freilaufkupplung ein Kupplungsgehäuse auf, wobei das Kupplungsgehäuse der Freilaufkupplung und das Bremselement jeweils eine Reibfläche aufweisen, über die sie gekoppelt sind. Auf diese Weise kann über eine simple Anordnung mit wenig Bauteilen eine Bremskraft über Reibung erzeugt werden.
-
Vorzugsweise sind die Reibflächen an einer Stirnseite des Kupplungsgehäuses der Freilaufkupplung und des Bremselements ausgebildet. So kann eine sehr kompakte und platzsparende Anordnung erreicht werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform weisen die dem Kupplungsgehäuse der Freilaufkupplung zugewandte Stirnseite des Bremselements und die dem Gehäuse der Aktoreinheit zugewandte Stirnseite des Bremselements unterschiedliche Durchmesser auf. Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der Stirnseiten ergeben sich unterschiedliche Hebelarme für die wirkende Reibungskraft an den entgegengesetzten Enden des Bremselements, so dass sichergestellt ist, dass die Relativdrehung an der Stirnfläche mit dem kleineren Durchmesser erfolgt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sperrt die Freilaufkupplung in einer Richtung, die einer Kraftübertragung vom Schubelement zum Motor entspricht. Auf diese Weise wirkt das Bremsmoment, welches über des Bremselement erzeugt wird, nur in der Rückstellrichtung und nicht, wenn der Aktor betätigt wird. So muss die Aktoreinheit, wenn die Kupplung oder die Bremsvorrichtung betätigt werden soll, nicht unnötig gegen das Bremsmoment arbeiten. Somit wird das Bremsmoment nur dann erzeugt, wenn die Aktoreinheit im Sinne eine Rücklaufbewegung verstellt oder beaufschlagt wird. Daher kann die Spindelbaugruppe in einer bestimmten Position „arretiert“ werden, ohne dass aktiv eine Haltekraft erzeugt werden muss.
-
Die Freilaufkupplung ist vorzugsweise als Klemmrollenkupplung ausgebildet, um einen einfachen und kompakten Aufbau zu erreichen.
-
Vorzugsweise besteht das Kupplungsgehäuse der Freilaufkupplung aus einem gehärteten Werkstoff, dass sich sowohl hinsichtlich der Mitnahmewirkung der Freilaufkupplung als auch hinsichtlich ihres Zusammenwirkens mit dem Bremselement eine hohe Lebensdauer ergibt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Axiallager vorgesehen, das zwischen dem Antriebselement und dem Kupplungsgehäuse der Freilaufkupplung angeordnet ist. Das Axiallager stützt das Antriebselement in axialer Richtung ab. Die Anordnung zwischen dem Antriebselement und dem Kupplungsgehäuse der Freilaufkupplung erlaubt einen simplen und montagefreundlichen Aufbau und führt zu einer geringen Reibung beim Betätigen des Antriebselements.
-
Vorzugsweise ist das Axiallager als Nadellager ausgebildet. Auf diese Weise wird eine kompakte Bauweise erreicht, da Nadellager eine niedrige Bauhöhe aufweisen. So kann die Aktoreinheit in axialer Richtung besonders kurz gebaut werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist das Antriebselement als Spindel mit einer Kugelumlaufmutter ausgebildet, sodass die Aktoreinheit präzise, mit wenig Spiel und großer Laufruhe betrieben werden kann. Außerdem ist der Spindelwirkungsgrad hoch. Es kann auch eine Steilgewindespindel ohne Wälzkörper eingesetzt werden, die bei hohem Wirkungsgrad nicht selbsthemmend ist.
-
Die Spindel kann vom Elektromotor angetrieben werden, so dass die Kugelumlaufmutter die Drehbewegung der Spindel in einem axialen Hub umsetzt. Es kann aber auch der Fall sein, dass die Kugelumlaufmutter vom Elektromotor angetrieben wird.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Aktoreinheit als Kupplungsaktor ausgeführt. Unabhängig davon, ob die Kupplung als normal offene oder normal geschlossene Kupplung ausgeführt ist, ergibt sich der Vorteil, dass die Aktoreinheit in dem Zustand, in dem sie eine gewünschte Betätigungskraft auf die Kupplung aufbringt, nicht weiter bestromt werden muss, um das Schubelement in der aktuellen Position zu halten; die Axialkräfte erzeugen automatisch eine solche Selbsthemmung, dass das Schubelement in der Stellung verbleibt, in die es vom Spindeltrieb gebracht wurde.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Aktoreinheit als Bremsaktor ausgeführt. Im betätigten Zustand der Bremse muss der Elektromotor nicht bestromt werden, um die Bremse geschlossen zu halten. Beispielsweise kann der Bremsaktor für eine Parkbremsfunktion verwendet werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
- - 1 eine Aktoreinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
- - 2 die Aktoreinheit von 1 in einer Vorderansicht;
- - 3 einen Schnitt entlang der Ebene III-III von 2;
- - 4 einen Schnitt Entlang der Ebene IV-IV von 2;
- - 5 in vergrößertem Maßstab das Detail V von 4;
- - 6 eine Aktoreinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer ersten Seitenansicht;
- - 7 die Aktoreinheit von 6 in einer zweiten Seitenansicht;
- - 8 einen Schnitt entlang der Ebene VIII-VIII von 6;
- - 9 einen Schnitt entlang der Ebene IX-IX von 7; und
- - 10 in vergrößertem Maßstab das Detail X von 8.
-
In den 1-5 ist eine Aktoreinheit gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt, die hier als Kupplungsaktor 1 ausgeführt ist.
-
Der Kupplungsaktor dient dazu, eine Kupplung zu öffnen und zu schließen, bspw. eine Reibungskupplung wie sie im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann.
-
Der Kupplungsaktor weist einen Elektromotor 2, eine Spindelbaugruppe 3 und ein Getriebe 4 auf, mittels dem der Elektromotor 2 mit der Spindelbaugruppe 3 verbunden ist.
-
Der Elektromotor 2 und die Spindelbaugruppe 3 sind hier in einem gemeinsamen Gehäuse 5 angeordnet, das stirnseitig mit einem Deckel 6 verschlossen ist. Im Bereich der Schnittstelle zwischen dem Gehäuse 5 und dem Deckel 6 ist das Getriebe 4 zugänglich.
-
Die Spindelbaugruppe 3 weist eine Spindel 10 auf, die in radialer Richtung drehbar Gehäuse 5 aufgenommen ist. Die Spindel 10 ist auch in axialer Richtung fest im Gehäuse 5 gelagert, wobei ein gewisses Spiel vorhanden ist und die Axiallasten nicht über die Lagerstellen aufgenommen werden, die zur Lagerung in radialer Richtung dienen.
-
Die Spindel 10 ist über das Getriebe 4 drehfest mit dem Elektromotor 2 verbunden, sodass sie vom Elektromotor angetrieben werden kann.
-
Mit der Spindel 10 wirkt eine Spindelmutter 12 zusammen, die in einem Stößel 14 aufgenommen ist, der hier als Schubelement dient. Der Stößel 14 und die Spindelmutter 12 sind in axialer Richtung verschiebbar, jedoch drehfest im Gehäuse 5 aufgenommen. Dadurch wird eine Drehbewegung der Spindel 10 in eine axiale Schubbewegung des Stößels 14 bzw. des Schubelements umgesetzt.
-
In radialer Richtung ist die Spindel 10 im Gehäuse 5 bzw. im Deckel 6 mittels zweier Radiallager 16 gelagert, die beiderseits eines Zahnrads 18 angeordnet sind, das Teil des Getriebes 4 ist.
-
In axialer Richtung stützt sich die Spindel 10 an einem Axiallager 20 ab, das sich wiederum über eine Freilaufkupplung 22 und ein Bremselement 24 am Deckel 6 abgestützt. Das Axiallager 20 gewährleistet, dass die Spindel 10 in axialer Richtung unabhängig vom Zustand der Freilaufkupplung und unabhängig von der Drehrichtung der Spindel 10 reibungsarm gelagert ist.
-
Die Freilaufkupplung 22 weist ein Kupplungsgehäuse 26 auf, der mit der Spindel 10 so gekoppelt ist, dass das Kupplungsgehäuse 26 in einer Drehrichtung der Spindel 10 mitgenommen wird, aber in der entgegengesetzten Drehrichtung entkoppelt ist. Die Freilaufkupplung 22 ist hier so konfiguriert, dass das Kupplungsgehäuse 26 dann mitgenommen wird, wenn die Drehung der Spindel 10 einem Nachlassen der von der Aktoreinheit aufgebrachten Betätigungskraft entspricht. Anders ausgedrückt: Das Kupplungsgehäuse 26 wird dann mit der Spindel 10 gekoppelt, wenn die Energie, die die Spindel 10 zu verdrehen sucht, nicht vom Elektromotor 2 stammt, sondern vom Stößel 14. Ein Beispiel ist die Kraft einer Kupplungsfeder, die über das Ausrücklager und den Ausrückhebel eine Kraft P auf den Stößel 14 aufbringt (siehe 4).
-
Die Freilaufkupplung 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel also Klemmrollenkupplung mit einer Vielzahl von Klemmrollen 28 ausgeführt, die in Taschen innerhalb des Kupplungsgehäuses 26 angeordnet sind und an der kreiszylindrischen Außenfläche der Spindel 10 angreifen.
-
Im Hinblick auf die Lebensdauer ist das Kupplungsgehäuse 26 der Freilaufkupplung 22 vorzugsweise aus gehärtetem Stahl ausgeführt. Auch die Spindel 10 kann zumindest in dem Bereich, in dem die Klemmrollen 28 einwirken, gehärtet sein.
-
Das Bremselement 24 ist nach Art einer Buchse ausgeführt und stützt sich mit einer Stirnseite an der vom Axiallager 20 abgewandten Stirnseite des Kupplungsgehäuses 26 der Freilaufkupplung 22 ab. Die entgegengesetzte Stirnseite des Bremselements 24 stützt sich im Gehäuse ab, genauer gesagt im Deckel 6.
-
Wie insbesondere in 5 zu sehen ist, weist das Bremselement 24 einen gestuften Querschnitt auf, sodass die dem Deckel 6 zugewandte Stirnseite einen größeren Durchmesser hat als die dem Kupplungsgehäuse 26 der Freilaufkupplung 22 zugewandte Stirnseite.
-
Als Material für das Bremselement 24 ist insbesondere Messing geeignet. Es können auch gleitmodifizierte Kunststoffe verwendet werden.
-
Wenn die Spindel 10 in eine Richtung gedreht wird, in der das Schubelement 14 aus dem Gehäuse 5 herausverstellt wird, ist die Spindel 10 vom Kupplungsgehäuse 26 der Freilaufkupplung 22 entkoppelt. Die auftretenden Axiallasten werden über das Axiallager 20, das Kupplungsgehäuse 26 und das Bremselement 24 in den Deckel 6 des Gehäuses 5 der Aktoreinheit 1 abgeleitet, und die Spindel 10 kann reibungsarm vom Elektromotor 2 angetrieben werden.
-
Wenn die Spindel 10 in der entgegengesetzten Richtung gedreht wird, koppeln die Klemmrollen 28 die Spindel 10 mit dem Kupplungsgehäuse 26, sodass dieser mitgenommen wird. Es entsteht dadurch eine Relativdrehung zwischen dem Kupplungsgehäuse 26 der Freilaufkupplung 22 und dem Gehäuse 5 der Aktoreinheit 1, genauer gesagt dem Deckel 6. Die Relativdrehung erfolgt hier zwischen der vom Axiallager 20 abgewandten Stirnseite des Kupplungsgehäuses 26 und der an dieser Stirnseite anliegenden Stirnseite des Bremselements 24, da der Durchmesser dieser Reibfläche des Bremselements kleiner ist als der Durchmesser der Reibfläche, die sich am Deckel 6 abstützt. Es ist somit nicht erforderlich, den Deckel 6 im Bereich der Anlage des Bremselements 24 im Hinblick auf die Verschleißfestigkeit besonders hochwertig auszuführen.
-
Durch geeignete Wahl des Reibbeiwerts im Bereich der Reibflächen zwischen dem Bremselement 24 und dem Kupplungsgehäuse 26 kann die Aktoreinheit so ausgeführt werden, dass sie in Richtung eines Rücklaufs oder einer nachlassenden Betätigungskraft selbsthemmend ist. Es ist daher nicht erforderlich, den Elektromotor 2 zu bestromen, um bspw. die von der Aktoreinheit 1 betätigte Kupplung in einem offenen Zustand zu halten.
-
Die Selbsthemmung ist dabei unabhängig von den auftretenden Axiallasten, da höhere Axiallasten auch zu einer höheren Reibungskraft führen.
-
Unabhängig von der Selbsthemmung bleiben die geringe Reibung und der hohe Wirkungsgrad in der Betätigungsrichtung erhalten, in der das Schubelement 14 ausgefahren wird, also bspw. die Kupplung betätigt wird.
-
In den 6-10 ist eine Aktoreinheit 7 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Es handelt sich hier um einen Bremsaktor, der dazu dient, Bremsbeläge 8 gegen eine Bremsscheibe 9 zu drücken.
-
Die Aktoreinheit 7 gemäß der zweiten Ausführungsform entspricht hinsichtlich ihrer Funktionsweise grundsätzlich derjenigen der ersten Ausführungsform. Daher werden für funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
-
Der wesentlichste Unterschied zwischen der Aktoreinheit gemäß der ersten Ausführungsform und der Aktoreinheit gemäß der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass die Freilaufkupplung 22 und das Bremselement 24 zwischen der Spindelmutter und dem Getriebe 4 angeordnet sind. Das Bremselement 24 stützt sich daher im Inneren des Gehäuses 5 an einer geeigneten Abstützfläche ab, die auch die Axiallasten der Spindel 10 aufnimmt.
-
Das Getriebe 4 ist außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet und wird mittels des Deckels 6 abgeschlossen.
-
Die von der Freilaufkupplung 22 zusammen mit dem Bremselement 24 erzeugte Reibungskraft erzeugt eine solche Selbsthemmung, dass die Bremsbeläge 8, nachdem mittels der Aktoreinheit 7 gegen die Bremsscheibe 9 gepresst wurden, in dieser Stellung verbleiben, auch wenn der Elektromotor 2 abgeschaltet wird. Diese Bremse ist daher insbesondere als Parkbremse geeignet.
-
Als Alternative zu einem Klemmrollenfreilauf kann jede andere Art von Freilaufkupplung verwendet werden, die ein Drehmoment in einer Richtung überträgt, aber bei einer Drehung in der entgegengesetzten Richtung öffnet. Beispiele sind Klinkenfreiläufe und Schlingfederfreiläufe.
