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Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Achslenkung eines Fahrzeugs, umfassend einen Gewindetrieb mit einer zumindest mittelbar von einer Antriebseinheit drehantreibbaren Spindelmutter und einer relativ zur Spindelmutter longitudinal verlagerbaren Spindelstange. Ferner betrifft die Erfindung eine Achslenkung mit einem derartigen Aktuator.
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Aus der
DE 10 2019 113 364 A1 geht ein Aktuator zum Lenken eines Fahrzeugs hervor. Der Aktuator umfasst eine an einen Achsschenkel des Fahrzeugs zu koppelnde Zahnstange mit einer daran gekoppelten Kugelmutter. An die Kugelmutter ist ein Hohlrad gekoppelt. Ferner ist ein Motor mit einem Zahnrad vorgesehen, wobei das Zahnrad mit dem Hohlrad in Eingriff tritt. Der Motor dient dazu, die Kugelmutter über das Zahnrad und das Hohlrad zu drehen, um die Zahnstange linear zu bewegen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Aktuator für eine Achslenkung eines Fahrzeugs weiterzuentwickeln. Diese Aufgabe wird durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Aktuator für eine Achslenkung eines Fahrzeugs umfasst einen Gewindetrieb mit einer zumindest mittelbar von einer Antriebseinheit drehantreibbaren Spindelmutter und einer relativ zur Spindelmutter longitudinal verlagerbaren Spindelstange, wobei im Leistungsfluss zwischen der Antriebseinheit und der Spindelmutter wenigstens eine Übersetzungsstufe angeordnet ist, umfassend ein mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit wirksam verbundenes Ritzel und ein damit in Zahneingriff stehendes Zahnrad, wobei das Zahnrad über eine Ausgleichskupplung mit der Spindelmutter wirksam verbunden ist, wobei die Ausgleichskupplung dazu ausgebildet ist, ein Verkippen der Spindelmutter auszugleichen. Mithin bilden die Spindelstange und die Spindelmutter den Gewindetrieb aus. Der Aktuator ist dazu vorgesehen, durch das axiale Verlagern einer mit der Spindelstange verbundenen Schubstange, eine die Spindelstange umfassende Schubstange oder wenigstens eines Schubstangensegments, das mit der Spindelstange verbunden ist, gegenüber einem Aktuatorgehäuse eine Einstellung eines Lenkwinkels von wenigstens einem mit dem Aktuator wirkverbundenen Fahrzeugrad auszuführen. Dadurch wird beispielsweise eine Kurvenfahrt des Fahrzeugs eingeleitet oder unterstützt. Die Spindelstange kann also als Schubstange fungieren. Die Schubstange weist je nach Anwendung der Achslenkung wenigstens an einem seiner Enden eine Gabelanbindung mit einem Gabelelement zur zumindest mittelbaren Radanbindung oder Kugelgelenke oder-pfannen zur zumindest mittelbaren Aufnahme einer Spurstange auf. Vorzugsweise sind an beiden freien Enden der Schubstange eine jeweilige Gabelanbindung mit einem Gabelelement bzw. ein Kugelgelenk oder eine Kugelpfanne mit einer Spurstange angeordnet.
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Unter dem Begriff „zumindest mittelbar“ ist zu verstehen, dass zwei Bauteile über mindestens ein weiteres Bauteil, das zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist, miteinander verbunden sind oder direkt und somit unmittelbar miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten können zwischen Segmenten der Schubstange und der Spindelstange oder zwischen der Spindelstange und dem jeweiligen Gabelelement weitere Bauteile oder Elemente angeordnet sein.
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Unter einer Wirkverbindung oder miteinander wirksam verbundenen Bauteilen ist insbesondere eine nicht schaltbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen oder Elementen zu verstehen, welche zu einer permanenten Übertragung einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments vorgesehen ist. Die Verbindung kann dabei sowohl direkt, also unmittelbar, oder mittelbar erfolgen. Die Verbindung kann beispielsweise über eine feste Welle erfolgen. Bei einer mittelbaren Verbindung kann zwischen den beiden Bauteilen oder Elementen ein weiteres dazwischen angeordnetes Bauteil oder Element vorgesehen sein. Beispielsweise können zwischen zwei Wellen weitere Wellen wirksam angeordnet sein. Insbesondere ist das Zahnrad des Aktuators mit der Spindelmutter über die dazwischen liegende Ausgleichskupplung wirkverbunden.
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Die Spindelstange ist bevorzugt als Gewindespindel mit einem Außengewinde ausgebildet, wobei das Außengewinde der Spindelstange mit einem Innengewinde der Spindelmutter in Eingriff stehen kann. Alternativ können räumlich zwischen der Spindelstange und der Spindelmutter Wälzkörper angeordnet sein, die die Rotationsbewegung der Spindelmutter in eine Longitudinalbewegung der Spindelstange umwandelt.
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In diesem Fall handelt es sich um einen Kugelgewindetrieb. Der Gewindetrieb kann ferner als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet sein, sodass mit geringen Momenten vergleichsweise hohe Stellkräfte einstellbar sind.
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Die Spindelmutter wird von der Antriebseinheit drehangetrieben, wobei die Antriebsleistung der Antriebseinheit über die Übersetzungsstufe und die Ausgleichskupplung in die Spindelmutter eingeleitet wird. Vorzugsweise ist das Ritzel unmittelbar drehfest mit der Antriebswelle der Antriebseinheit verbunden. Am Beispiel einer als elektrische Maschine ausgebildeten Antriebseinheit kann die Antriebswelle wiederum mit einem Rotor oder einer Rotorwelle drehfest verbunden sein, welcher relativ zu einem Stator der drehbar angeordnet ist.
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Das Zahnrad ist mit dessen Längsachse parallel zur Antriebswelle bzw. zum Ritzel angeordnet und ist in einem Normalbetrieb im Wesentlichen koaxial zur Spindelmutter angeordnet. Die Ausgleichskupplung entkoppelt das Zahnrad von der Spindelmutter, wobei gleichzeitig eine Übertragung der Antriebsleistung vom Zahnrad auf die Spindelmutter sichergestellt bleibt. Es kann infolge äußerer Einwirkungen auf das System, insbesondere infolge externer Krafteinwirkungen auf die Spindelstange, zum Bewegen und/oder zum Verkippen bzw. zur Schiefstellung der Spindelmutter relativ zum Zahnrad kommen. Aufgrund der Entkopplung zwischen Zahnrad und Spindelmutter durch die Ausgleichskupplung wird diese Schiefstellung von der Ausgleichskupplung ausgeglichen, sodass die oben genannten Effekte realisierbar sind. Unabhängig von äußeren Einflüssen kann so stets eine parallele Anordnung des Zahnrades zum Ritzel sichergestellt werden. Ferner erfolgt eine akustische Entkopplung zwischen dem Gewindetrieb und der Übersetzungsstufe, sodass der Aktuator hinsichtlich seiner akustischen Eigenschaften verbessert wird.
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Bevorzugt ist das Zahnrad aus einem Kunststoff, wie beispielsweise PA12, ausgebildet. Dies reduziert das Gesamtgewicht des Aktuators. Wenn höhere Lasten zu übertragen sind, kann das Zahnrad auch aus Metall, insbesondere Stahl, Bronze oder Messing ausgebildet sein. Messing und Bronze hat selbstschmierende sowie gute akustische Eigenschaften, wohingegen Stahl vergleichsweise eine hohe Festigkeit aufweist. Das Zahnrad kann jedoch auch als Hybridbauteil ausgebildet sein. Dabei können der Zahnkranz aus Stahl und der Kern des Zahnrades aus Kunststoff ausgebildet sein. Der Zahnkranz und der Zahnradkern sind drehfest miteinander verbunden, beispielsweise durch Umspritzen des Zahnkranzes mit dem Kunststoff oder durch axiales Aufstecken des Zahnkranzes auf den Kern. Der Kunststoffkern kann ferner derart ausgebildet sein, dass er den Außenring für die erste Lagereinrichtung zur Lagerung des Zahnrades bildet. Ferner kann der Kunststoffkern Mittel zur formschlüssigen Verbindung des Zahnrades mit der Ausgleichskupplung bzw. zumindest mittelbar mit der Spindelmutter aufweisen.
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Vorzugsweise ist das Zahnrad über eine erste Lagereinrichtung gegenüber einem ersten Gehäuseteil eines Aktuatorgehäuses drehbar gelagert, wobei die Spindelmutter über eine zweite Lagereinrichtung gegenüber einem axial zum ersten Gehäuseteil benachbarten und daran befestigten zweiten Gehäuseteil des Aktuatorgehäuses drehbar gelagert ist. Das Gehäuse des Aktuators ist folglich aus mindestens zwei Gehäuseteilen zusammengesetzt, die drehfest miteinander verbunden oder verbindbar sind, wobei das Zahnrad über die erste Lagereinrichtung am ersten Gehäuseteil aufgenommen und die Spindelmutter über die zweite Lagereinrichtung am zweiten Gehäuseteil aufgenommen ist. Die beiden Gehäuseteile sind drehfest miteinander verbunden und können nach der Montage der Ausgleichskupplung miteinander verschraubt werden, um eine lösbare Verbindung zu erzeugen. Das erste Gehäuseteil kann einen ersten Kragen aufweisen, der zur Aufnahme eines Innen- oder Außenrings der ersten Lagereinrichtung ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann das zweite Gehäuseteil einen zweiten Kragen aufweisen, der zur Aufnahme eines Innen- oder Außenrings der zweiten Lagereinrichtung ausgebildet ist. Indem das Zahnrad am ersten Gehäuseteil und die Spindelmutter am zweiten Gehäuseteil montiert ist, wird eine Montage des Aktuators, insbesondere der Ausgleichskupplung zwischen dem Zahnrad und der Spindelmutter, vereinfacht. Durch die separate Lagerung des Zahnrades mit der ersten Lagereinrichtung wird ein präziser Achsabstand zwischen dem Zahnrad und dem Ritzel eingehalten. Ferner wird eine vergleichsweise kleine Toleranzkette realisiert, die ein geringes Verzahnungsspiel ermöglicht sowie Störungen des Zahneingriffs vermeidet.
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Der Innenring der ersten Lagereinrichtung ist vorzugsweise durch einen Sicherungsring am ersten Gehäuseteil befestigt. Bevorzugt ist ein Außenring der ersten Lagereinrichtung axial am Zahnrad gesichert, beispielsweise durch einen Sicherungskragen.
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Bevorzugt umschließt das angetriebene Zahnrad den Außenring der ersten Lagereinrichtung auf beiden Seiten axial. Der Sicherungskragen kann unterschiedlich ausgebildet werden. Zum einen ist denkbar, die erste Lagereinrichtung während eines Kunststoff-Spritzgießprozesses zur Herstellung des Zahnrades einzulegen. Alternativ kann die erste Lagereinrichtung in das Zahnrad eingepresst werden. Anschließend kann der axial sichernde Kragen durch thermisches Umformen ausgebildet werden. Dies kann durch örtliche Erwärmung erfolgen, beispielsweise mittels IR-Licht, Reibung, oder mittels eines heißen Stempels. Das Material des Zahnrades kann mit einem oder mehreren Stempeln plastisch verformt werden. Der Sicherungskragen kann vollumfänglich am Zahnrad ausgebildet werden. Denkbar ist ferner eine segmentierte Aufteilung des Sicherungskragens in zwei oder mehrere thermisch verformte Kragenabschnitte bzw. -segmente, die eine gleichmäßige axiale Sicherung der ersten Lagereinrichtung gewährleisten. Eine segmentierte Ausführung des Sicherungskragens ermöglicht einen vergleichsweise geringen Wärmeeintrag in das Bauteil.
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Die erste Lagereinrichtung sowie die zweite Lagereinrichtung können je nach auftretenden Lasten und Ausgestaltung des Aktuators als Radiallager, Axiallager oder als Radial- und Axiallager ausgebildet sein, die Quer- und/oder Axialkräfte übertragen können. Es eignen sich insbesondere Zylinderrollenlager, Nadellager sowie Kugellager. Die Lagereinrichtungen können ferner einreihig oder mehrreihig ausgebildet sein.
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Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die Ausgleichskupplung wenigstens ein federelastisches Element sowie einen Klauenring, wobei der Klauenring zumindest mittelbar drehfest mit der Spindelmutter verbindbar ist, und wobei das federelastische Element eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Klauenring und dem Zahnrad erzeugt. Die Ausgleichskupplung ist als elastische Koppeleinheit zu verstehen. Das federelastische Element kann beispielsweise ein Elastomer sein, dass die Antriebsleistung vom Zahnrad auf den Klauenring überträgt. Eine verbindbare Anordnung des Klauenrings an der Spindelmutter bedeutet, dass der Klauenring und die Spindelmutter entweder direkt drehfest miteinander verbunden sind oder dass zwischen dem Klauenring und der Spindelmutter eine lastabhängige formschlüssige Verbindung vorliegt. Mithin kann zwischen dem Klauenring und der Spindelmutter ein Überlastschutz angeordnet sein, der in Abhängigkeit auftretender Lasten eine Beschädigung der Aktuatorbauteile, insbesondere durch zu große Lasten, verhindert.
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Vorzugsweise ist das jeweilige federelastische Element ein Kupplungselastomerring, an dessen Innenumfang und Außenumfang abwechselnd Innen- und Außeneinbuchtungen ausgebildet sind, wobei die Inneneinbuchtungen des Kupplungselastomerrings mit an einem hülsenförmigen Axialabschnitt des Klauenrings komplementär ausgebildeten ersten Klauenkörpern in Eingriff stehen, und wobei die Außeneinbuchtungen des Kupplungselastomerrings mit am Zahnrad komplementär ausgebildeten zweiten Klauenkörpern in Eingriff stehen. Die ersten Klauenkörper sind bevorzugt am Außenumfang des hülsenförmigen Axialabschnitts des Klauenrings angeordnet und sind jeweils in radialer Richtung ausgerichtet, sodass je ein erster Klauenkörper radial in eine komplementäre Inneneinbuchtung des Kupplungselastomerrings eingreift. Die zweiten Klauenkörper am Zahnrad sind einteilig mit dem Zahnkranz sowie dem Zahnradkern verbunden, insbesondere an einem Innenumfang des Zahnrades. Das Zahnrad kann dazu ebenfalls einen hülsenförmigen Axialabschnitt aufweisen, an dessen Innenseite die zweiten Klauenkörper angeordnet sind, wobei je ein zweiter Klauenkörper radial in eine komplementäre Außeneinbuchtung des Kupplungselastomerrings eingreift. Mithin bildet das federelastische Element einerseits einen Formschluss mit dem Zahnrad sowie andererseits einen Formschluss mit dem Klauenring.
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Der Kupplungselastomerring ist beispielsweise meanderförmig ausgebildet, wobei über den Umfang verteilt Inneneinbuchtungen und Außeneinbuchtungen abwechselnd angeordnet sind. Die mäanderförmigen Innen- und Außenflächen des Kupplungselastomerrings bilden somit einen Formschluss mit den Klauenkörpern am Zahnrad sowie am Klauenring. Der die Klauenkörper aufweisende Innenumfang des Zahnrades erstreckt sich beispielsweise axial zumindest teilweise bis unterhalb der Verzahnung des Zahnrades und steht zumindest teilweise axial hervor. Die Klauenkörper des Zahnrades sowie des Klauenrings überlappen radial, sodass auch bei einer Beschädigung oder einem Versagen des jeweiligen federelastischen Elements die Antriebsfunktion des Aktuators erhalten bleibt. Dies erfolgt dann jedoch mit Spiel. Somit ist die Ausgleichskupplung als elastische Koppeleinheit in Form einer Klauenkupplung zu verstehen.
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Der Kupplungselastomerring kann ein separates, einteiliges Element sein, das bei der Montage zwischen dem Klauenring und dem Zahnrad einsetzbar ist. Alternativ kann das jeweilige federelastische Element am Zahnrad oder am Klauenring angeordnet sein, beispielsweise indem das federelastische Element daran angespritzt oder anvulkanisiert wird. Mithin kann das federelastische Element am Zahnrad oder am Klauenring integriert sein.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Klauenring mehrteilig ausgebildet ist, umfassend eine radial innen liegende metallische Hülse, die zumindest mittelbar mit der Spindelmutter drehfest verbindbar ist, wobei wenigstens der hülsenförmige Axialabschnitt aus einem Kunststoff ausgebildet und drehfest mit der metallischen Hülse verbunden ist. Nach dieser Ausführung sind auch die am hülsenförmigen Axialabschnitt angeformten ersten Klauenkörper des Klauenrings aus Kunststoff ausgebildet. Die Hülse kann beispielsweise gerändelt ausgebildet sein und mit dem Kunststoff umspritzt sein. Dadurch wird eine feste Verbindung der einzelnen Segmente des Klauenrings realisiert.
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Vorzugsweise ist räumlich zwischen der Hülse des Klauenrings und der Spindelmutter und/oder zwischen dem Ritzel und der Antriebswelle eine Rutschkupplung angeordnet. Die Rutschkupplung fungiert als Überlastschutz. Wenn Lastspitzen auftreten, beispielsweise bei Bordsteinremplern oder beim Durchfahren tiefer Schlaglöcher, werden große Kräfte an der Spurstange erzeugt, welche rückwirkend über den Gewindetrieb zu Überbelastungen im System führen können. Um Schädigungen zu vermeiden, ist die Rutschkupplung bevorzugt zwischen dem Klauenring und der Spindelmutter vorgesehen. Die Rutschkupplung kann als Toleranzring ausgebildet sein. Um eine sichere Funktion der Rutschkupplung zu gewährleisten, ist die vorher genannte zweiteilige Ausbildung des Klauenrings mit der innenliegenden metallischen Hülse von Vorteil. Alternativ oder ergänzend kann eine solche Rutschkupplung bzw. ein Toleranzring auch zwischen dem Ritzel und der Antriebswelle der Antriebseinheit angeordnet sein. In diesem Fall kann der Klauenring auch ohne Stahlhülse aus Kunststoff ausgebildet sein, wobei jedenfalls Mittel zur formschlüssigen Verbindung zwischen dem Klauenring und der Spindelmutter am Klauenring und/oder an der Spindelmutter angeordnet sind, beispielsweise in Form einer Steckverzahnung, um insbesondere eine einfache Montage zu realisieren.
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Bevorzugt ist ein Außenring der zweiten Lagereinrichtung mittels eines Dämpfungsrings wenigstens radial gegenüber dem zweiten Gehäuseteil abgestützt. Der Dämpfungsring kann aus einem Kunststoff, beispielsweise aus PUR (Polyurethan), ausgebildet sein. Mittels des Dämpfungsrings wird eine Geräuschreduzierung realisiert. Es erfolgt eine akustische Entkopplung zwischen dem Gewindetrieb und dem Gehäuse wenigstens in radialer Richtung.
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Ferner bevorzugt ist der Außenring der zweiten Lagereinrichtung über wenigstens ein Einspannelement wenigstens in axialer Richtung vorgespannt. Der Außenring der zweiten Lagereinrichtung kann entsprechende Außenkonturen aufweisen, beispielsweise als schräg-konkave Kontur ausgebildet, an die sich das jeweilige Einspannelement während der Vorspannung anschmiegen kann. Das jeweilige Einspannelement kann aus einem Elastomer ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das jeweilige Einspannelement als O-Ring ausgebildet, der einen massiveren Schnurrquerschnitt aufweist. Auch andere Formen sind denkbar, mittels der eine wenigstens axiale Vorspannung des Außenrings am zweiten Gehäuseteil realisierbar ist. Bevorzugt ist der Außenring der zweiten Lagereinrichtung axial zwischen zwei Einspannelementen angeordnet, die den Außenring in axialer Richtung vorspannen. Die Einspannelemente können in spiegelverkehrt ausgebildete Konturen des Außenrings angeordnet sein. Die Vorspannkraft zum Verspannen des Außenrings wird vorzugsweise mittels einer Klemmscheibe eingestellt, die am zweiten Gehäuseteil verschraubt wird. Die Klemmscheibe kann dazu vorgesehen sein, die zweite Lagereinrichtung zusammen mit der Spindelmutter am zweiten Gehäuseteil zu befestigen.
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Je nach Ausgestaltung und Anordnung der Antriebseinheit ist das Ritzel und/oder das Zahnrad der jeweiligen Übersetzungsstufe jeweils mit einer Schrägverzahnung, einer geraden Verzahnung, einer Kegelverzahnung oder einer Hypoidverzahnung ausgebildet. Eine Kegelverzahnung oder eine Hypoidverzahnung eignet sich insbesondere bei einer zur Längsachse des Spindelstange geneigten Antriebswelle der Antriebseinheit.
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Ein derartiger Aktuator wird vorzugsweise in einer erfindungsgemäßen Achslenkung eines Fahrzeugs eingesetzt. Das Fahrzeug weist mehrere Achsen, insbesondere mehrere Vorder- und/oder Hinterachsen, auf. Jeweils eine oder mehrere Vorder- und/oder Hinterachsen können eine jeweilige Achslenkung mit einem Aktuator gemäß den vorherigen Ausführungen aufweisen. Die Achslenkung ist insbesondere dazu eingerichtet, einen Lenkwinkel mindestens eines Rades, vorzugsweise zwei gegenüberliegender Räder, der jeweiligen Achse einzustellen. Somit kann eine Einzelradlenkung an der jeweiligen Achse oder eine Lenkung mehrerer Räder der jeweiligen Achse realisiert werden. Der Aktuator bzw. die Achslenkung kann dabei für sogenannte Steerby-Wire-Anwendungen und/oder zur Lenkunterstützung eingesetzt werden.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Bauteile mit demselben Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Achslenkung,
- 2 eine stark vereinfachte schematische Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Aktuators der Achslenkung nach 1,
- 3 eine schematische Längsschnittdarstellung des Aktuators der Achslenkung gemäß 2,
- 4 eine detaillierte Längsschnittdarstellung des Aktuators nach 2 und 3 zur Veranschaulichung einer Kopplung eines Zahnrades einer Übersetzungsstufe an einen Gewindetrieb des Aktuators, und
- 5 eine schematische Explosionsdarstellung einer Ausgleichskupplung des Aktuators sowie des Zahnrades der Übersetzungsstufe.
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Gemäß 1 und 2 ist eine Achslenkung 5 für ein - hier nicht gezeigtes - Fahrzeug dargestellt, die einen in einem Gehäuse 16 angeordneten Aktuator 1 umfasst, dessen Aufbau schematisch in den 4 bis 5 näher dargestellt ist. Die vorliegend beschriebene Achslenkung 5 ist eine Hinterachslenkung. Innerhalb des Gehäuses 16 ist eine Spindelstange 2 longitudinal geführt. Mittels der Spindelstange 2, die als Schubstange der Achslenkung 5 ausgebildet ist, ist ein Lenkwinkel von jeweiligen - hier ebenfalls nicht gezeigten - Fahrzeugrädern, welche an mit der Spindelstange 2 wirkverbundenen Gabelelementen 31 der Achslenkung 5 zumindest mittelbar angeordnet sind, einstellbar. Vorliegend ist der Lenkwinkel von zwei Fahrzeugrädern, die an entgegengesetzten Enden der Spindelstange 2 angeordnet sind, gemeinsamen einstellbar. Die Spindelstange 2 ist über ein Lager 32 drehbar am Gehäuse 16 gelagert. Alternativ können die Gabelelemente 31 durch Kugelpfannen ersetzt werden, um zumindest mittelbar eine Spurstange aufzunehmen. Die Funktionsweise des Aktuators 1 bleibt dabei jedoch identisch.
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Gemäß den 2 bis 4 umfasst der Aktuator 1 einen Gewindetrieb 4 sowie eine Antriebseinheit 6, wobei die Antriebseinheit 6 eine Antriebsleistung über eine Antriebswelle 8 in eine Übersetzungsstufe 7 und von dort über eine Ausgleichskupplung 11 in eine Spindelmutter 3 des Gewindetriebs 4 überträgt. Die Antriebseinheit 6 ist vorliegend eine elektrische Maschine mit integrierter Leistungselektronik. Die Übersetzungsstufe 7 umfasst ein mit der Antriebswelle 8 drehfest verbundenes Ritzel 9 und ein achsparallel dazu angeordnetes und damit in Zahneingriff stehendes Zahnrad 10. Das Ritzel 9 sowie das Zahnrad 10 sind jeweils als Stirnräder mit einer Schrägverzahnung ausgeführt, wobei das Ritzel 9 aus Metall und das Zahnrad 10 aus Kunststoff ausgebildet sind. Mithin ist die Übersetzungsstufe 7 eine Stirnradstufe. Der Gewindetrieb 4 ist vorliegend als Kugelgewindetrieb ausgebildet, wobei räumlich zwischen der Spindelmutter 3 und der Spindelstange 2 eine Vielzahl Wälzkörper 33 angeordnet sind. Der Kugelgewindetrieb ist in geeigneter Weise mit einer - hier nicht näher gezeigten - Kugelrückführung ausgestattet. Die Spindelmutter 3 empfängt die Antriebsleistung mittelbar aus der Übersetzungsstufe 7, wobei die Spindelstange 2 durch die Rotation der Spindelmutter 3 in die longitudinale Bewegung versetzt wird.
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Das Aktuatorgehäuse 16 umfasst ein erstes Gehäuseteil 14 und ein zweites Gehäuseteil 15. Das Zahnrad 10 ist zusammen mit der Antriebseinheit 6 am ersten Gehäuseteil 14 angeordnet und über eine erste Lagereinrichtung 12 gegenüber dem ersten Gehäuseteil 14 drehbar gelagert. Das erste Gehäuseteil 14 weist dazu einen Kragen 34 zur Aufnahme der ersten Lagereinrichtung 12 auf. Dadurch wird ein Verkippen des Zahnrades 10 verhindert. Aufgrund der kurzen Toleranzkette kann daher das Zahnradpaar, bestehend aus Ritzel 9 und Zahnrad 10, mit geringem Verzahnungsspiel ausgelegt werden. Dies reduziert Klapper- oder Rasselgeräusche. Mithin wird ein leiser Betrieb des Aktuators 1 realisiert. Der Kunststoff des Zahnrades 10 ist derart gewählt, dass ein nachträgliches thermoplastisches Verformen möglich ist, um die erste Lagereinrichtung 12 axial zu fixieren. Alternativ kann die axiale Sicherung auch durch Umspritzen der ersten Lagereinrichtung 12 realisiert werden. In beiden Fällen wird einer der Lagerringe der ersten Lagereinrichtung 12, vorliegend der Innenring, an beiden axialen Seiten vom Material des Zahnrades 10 umschlossen. Dies ist in 4 deutlich zu sehen. Um größeren Antriebskräften übertragen zu können, kann das Zahnrad 10 auch als Hybridbauteil gefertigt sein, wobei dann ein Zahnkranz aus Metall, insbesondere aus Stahl, Messing, Bronze oder dergleichen, ausgebildet wird, welcher durch einen Kunststoffkern formschlüssig umspritzt wird. Der Kunststoffkern kann dabei den zylindrischen Lagersitz aufweisen. Um Bauraum des Aktuators 1 einzusparen, kann die Übersetzungsstufe 7 ferner ein - hier nicht gezeigtes - Zwischenrad umfassen, das zwischen dem Ritzel 9 und dem Zahnrad 10 wirksam angeordnet ist. Dadurch können die Durchmesser von Ritzel 9 und/oder Zahnrad 10 verkleinert werden.
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Der Gewindetrieb 4, insbesondere die Spindelmutter 3, ist am zweiten Gehäuseteil 15 angeordnet und über eine zweite Lagereinrichtung 13 gegenüber dem axial zum ersten Gehäuseteil 14 benachbarten und daran verschraubten zweiten Gehäuseteil 15 drehbar gelagert. Die erste Lagereinrichtung 12 ist gemäß 3 als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet, wohingegen die zweite Lagereinrichtung 13 ein einreihiges Rillenkugellager ist.
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Das Antriebsmoment wird vom Zahnrad 10 über die Ausgleichskupplung 11 auf die Spindelmutter 3 übertragen, wobei die Ausgleichskupplung 11 dazu ausgebildet ist, ein Verkippen der Spindelmutter 3 auszugleichen. Mithin erfolgt mittels der Ausgleichskupplung 11 eine elastische Entkopplung des Zahnrades 10 vom Gewindetrieb 4. Unter einer elastischen Entkopplung ist das Ausgleichen von Dreh-, Achs- und/oder Winkelfehlern zwischen der Spindelmutter 3 und dem Zahnrad 10 zu verstehen. Kraftübertragungen von Lenkstangen in die Spurstange bzw. die Spindelstange 2, oder umgekehrt, können zu Durchbiegungen der Spindelstange 2, was wiederum zu einem entsprechenden Verkippen der Spindelmutter 3 führen kann. Durch die Ausgleichkupplung 11 wird erreicht, dass die Spindelmutter 3 trotz Verkippungen oder Verlagerungen sicher angetrieben wird und das Zahnrad 10 gleichzeitig achsparallel zum Ritzel 9 bleibt.
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Die Ausgleichskupplung 11 umfasst ein als Kupplungselastomerring ausgebildetes federelastisches Element 17 sowie einen Klauenring 18. Der Klauenring 18 besteht vorliegend aus zwei drehfest miteinander verbundenen Elementen, und zwar radial innenliegend eine metallische Hülse 26 sowie radial außenliegend ein aus Kunststoff ausgebildeter hülsenförmiger Axialabschnitt 23 mit daran angeformten Flansch 35. Die Hülse 26 ist gerändelt ausgebildet und vorliegend von dem Kunststoff des hülsenförmigen Axialabschnitts 23 und des Flansches 35 umspritzt. Der Aufbau des Klauenrings 18 ist in 4 und 5 näher gezeigt. Räumlich zwischen der Hülse 26 und der Spindelmutter 3 ist eine als Toleranzring ausgeführte Rutschkupplung 27 angeordnet, wobei der Toleranzring, wie in 5 gezeigt ist, mehrere über den Umfang verteilte Erhebungen 36 aufweist. Die Rutschkupplung 27 ist zum Schutz des Getriebesystems gegen Lastspitzen ausgebildet, z.B. bei Bordsteinremplern. Die metallische Hülse 26 des Klauenrings 18 bietet dabei an dessen Innenumfang für die Rutschkupplung 27 eine geeignete Rutschfläche aus. Die Erhebungen 36 verformen sich oberhalb einer Belastungsgrenze und ermöglichen eine elastische Bewegung in radialer Richtung, sodass eine Rotation des Klauenrings 18 relativ zur Spindelmutter 3 freigegeben ist. Unterhalb dieser Belastungsgrenze liegt ein Reibschluss zwischen dem Klauenring 18 und der Spindelmutter 3 vor.
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Das federelastische Element 17 realisiert eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Klauenring 18 und dem Zahnrad 10. Das federelastische Element 17 ist, wie 5 zeigt, meanderförmig ausgebildet und weist an dessen Innenmantel 19 und Außenmantel 20 abwechselnd Innen- und Außeneinbuchtungen 21, 22 auf. In die Inneneinbuchtungen 21 des Kupplungselastomerrings bzw. des federelastischen Elements 17 greifen komplementäre erste Klauenkörper 24 ein, die radial außerhalb am hülsenförmigen Axialabschnitts 23 des Klauenrings 18 angeordnet sind. In die Außeneinbuchtungen 22 des Kupplungselastomerrings greifen komplementäre zweite Klauenkörper 25 ein, die einteilig an einem Innenumfang des Zahnrades 10 angeordnet sind. Die zweiten Klauenkörper 25 sind, wie in 4 angedeutet ist, teilweise radial innerhalb der Außenverzahnung des Zahnrades 10 ausgebildet und ragen in ihrer axialen Erstreckung teilweise über die Außenverzahnung des Zahnrades 10 in Richtung der Ausgleichskupplung 11 axial hervor. Dadurch sind die Klauenkörper 24, 25 radial teilweise überlappend ausgebildet, sodass auch bei Versagen oder Zerstörung des federelastischen Elements 17 eine Leistungsübertragung zwischen dem Zahnrad 10 und dem Gewindetrieb 4 sichergestellt bleibt.
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Ein Außenring 28 der zweiten Lagereinrichtung 13 ist mittels eines Dämpfungsrings 29 radial gegenüber dem zweiten Gehäuseteil 15 abgestützt. Der Dämpfungsring 29 ist aus PUR ausgebildet. Mittels des Dämpfungsrings 29 erfolgt eine akustische Entkopplung zwischen dem Gewindetrieb 4 und dem zweiten Gehäuseteil 15 in radialer Richtung. Ferner ist der Außenring 28 axial zwischen zwei Einspannelementen 30 angeordnet. Der Außenring 28 weist komplementär zu den als O-Ringe ausgebildeten Einspannelementen 30 jeweils eine schräg-konkave Kontur, wobei der Außenring 28 zwischen den beiden Einspannelementen 30 durch eine Klemmscheibe 37 axial vorgespannt wird. Die Klemmscheibe 37 quetscht ein erstes Einspannelement 30 axial zwischen der Klemmscheibe 37 und dem Außenring 28 sowie ein zweites Einspannelement 30 axial zwischen dem Außenring 28 und dem zweiten Gehäuseteil 15 ein. Dadurch wird eine kippweiche Lagerung der Spindelmutter 3 im zweiten Gehäuseteil 15 erreicht. Die Spindelmutter 3 bildet vorliegend den Innenring der zweiten Lagereinrichtung 13.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Spindelstange
- 3
- Spindelmutter
- 4
- Gewindetrieb
- 5
- Achslenkung
- 6
- Antriebseinheit
- 7
- Übersetzungsstufe
- 8
- Antriebswelle
- 9
- Ritzel
- 10
- Zahnrad
- 11
- Ausgleichskupplung
- 12
- Erste Lagereinrichtung
- 13
- Zweite Lagereinrichtung
- 14
- Erstes Gehäuseteil
- 15
- Zweites Gehäuseteil
- 16
- Aktuatorgehäuse
- 17
- Federelastisches Element
- 18
- Klauenring
- 19
- Innenmantel
- 20
- Außenmantel
- 21
- Inneneinbuchtungen des Kupplungselastomerrings
- 22
- Außeneinbuchtungen des Kupplungselastomerrings
- 23
- Hülsenförmiger Axialabschnitt
- 24
- Erster Klauenkörper
- 25
- Zweiter Klauenkörper
- 26
- Hülse
- 27
- Rutschkupplung
- 28
- Außenring der zweiten Lagereinrichtung
- 29
- Dämpfungsring
- 30
- Einspannelement
- 31
- Gabelelement
- 32
- Lager
- 33
- Wälzkörper des Gewindetriebs
- 34
- Kragen
- 35
- Flansch
- 36
- Erhebung
- 37
- Klemmscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019113364 A1 [0002]
