DE102021122104B3 - Bearing assembly with overrunning function, linear actuator and method of operating a linear actuator - Google Patents
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Abstract
Eine insbesondere in einem Linearaktuator (27) verwendbare Lageranordnung (1) mit Freilauffunktion umfasst ein zwei gegeneinander verdrehbare, Wälzkörper (7) kontaktierende Lagerelemente (4, 5) aufweisendes Wälzlager (3). Ein die Wälzkörper (7) des Wälzlagers (3) führender Käfig (8) ist als Komponente einer im mechanisch belasteten Zustand des Wälzlagers (3) wirksamen Freilaufkupplung (10) ausgebildet, wobei zumindest der sperrende Teil des Käfigs (8) in sich starr ist.A bearing arrangement (1) with a freewheel function that can be used in particular in a linear actuator (27) comprises a roller bearing (3) having two bearing elements (4, 5) that can rotate in opposite directions and contact roller bodies (7). A cage (8) guiding the rolling bodies (7) of the rolling bearing (3) is designed as a component of an overrunning clutch (10) that is effective when the rolling bearing (3) is mechanically loaded, with at least the locking part of the cage (8) being rigid in itself .
Description
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, welche eine Freilauffunktion aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen Linearaktuator sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Linearaktuators.The invention relates to a bearing arrangement which has a freewheel function. Furthermore, the invention relates to a linear actuator and a method for operating a linear actuator.
Aus der
Eine weitere Lager-Freilauf-Anordnung, bei welcher ein und dieselben Laufringe sowohl eine Funktion innerhalb einer Freilaufkupplung haben als auch Wälzlagerringe darstellen, ist aus der
Weitere Lager-Freilauf-Kombinationen sind in den Dokumenten
Die
Eine in der
Verschiedene Bremsvorrichtungen, welche selbsthemmende Getriebe umfassen, sind in den Dokumenten
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Lager-Freilauf-Anordnungen anzugeben, welche sich insbesondere für die Verwendung in Linearaktuatoren, beispielsweise in elektromechanisch betätigten Bremsen, eignen und sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand, Raumbedarf und, soweit ein motorischer Antrieb vorgesehen ist, Energieverbrauch auszeichnen.The invention is based on the object of specifying bearing-freewheel arrangements which are more advanced than the prior art and which are particularly suitable for use in linear actuators, for example in electromechanically actuated brakes, and which are characterized by a particularly favorable ratio between outlay in terms of equipment, space requirement and if a motor drive is provided, mark the energy consumption.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen eine solche Lageranordnung umfassenden Linearaktuator gemäß Anspruch 8. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Linearaktuators gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Lageranordnung sowie den Linearaktuator, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a bearing arrangement having the features of
Die Lageranordnung hat eine Freilauffunktion und umfasst ein Wälzlager, welches zwei relativ zueinander drehbare Lagerelemente aufweist, die die Wälzkörper des Lagers kontaktieren. Hierbei können die Lagerelemente durch Ringe oder Scheiben oder unmittelbar durch ein Gehäuse oder eine Welle gebildet sein. In jedem Fall sind die Wälzkörper des Lagers oder eine Teilmenge der Wälzkörper in einem Käfig geführt, welcher zugleich eine Komponente einer Freilaufkupplung darstellt. Bei dem Lager kann es sich um ein Axiallager, um ein Radiallager oder um ein Schrägrollen- oder Schrägkugellager, das heißt ein sowohl zur Übertragung von Axialkräften als auch zur Übertragung von Radialkräften vorgesehenes Lager, handeln. In allen Fällen kann die Freilaufkupplung, welche den Käfig umfasst, entweder als formschlüssige oder als reibschlüssige Kupplung gestaltet sein. Zumindest der als Bestandteil der Freilaufkupplung sperrende Teil des Käfigs ist in sich starr. Dies bedeutet, dass der Käfig entweder einteilig ausgebildet ist oder die den Käfig bildenden Käfigteile, welche eine Funktion innerhalb der Freilaufkupplung haben, fest miteinander verbunden sind.The bearing arrangement has a freewheel function and comprises a roller bearing which has two bearing elements which can rotate relative to one another and which contact the roller bodies of the bearing. Here, the bearing elements can be formed by rings or disks or directly by a housing or a shaft. In any case, the rolling elements of the bearing or a subset of the rolling elements are in out of a cage, which is also a component of an overrunning clutch. The bearing can be an axial bearing, a radial bearing or an angular roller bearing or angular ball bearing, ie a bearing provided both for the transmission of axial forces and for the transmission of radial forces. In all cases, the one-way clutch, which includes the cage, can be designed as either a positive clutch or a friction clutch. At least that part of the cage which locks as part of the one-way clutch is inherently rigid. This means that the cage is either designed in one piece or the cage parts forming the cage, which have a function within the overrunning clutch, are firmly connected to one another.
Die rotierende Komponente des Wälzlagers, das heißt typischerweise der rotierende Lagerring, die rotierende Lagerscheibe oder eine mit dem betreffenden Ring beziehungsweise der genannten Scheibe drehfest gekoppelte Welle, wird somit bei sperrender Freilaufkupplung nicht direkt, sondern indirekt, nämlich über den Käfig des Wälzlagers, gesperrt. Diese Freilauffunktion tritt in Kraft, wenn das Lager mechanisch belastet ist. Existiert dagegen kein Kraftfluss vom ersten Lagerelement über zumindest einen Teil der Wälzkörper zum zweiten Lagerelement, so ist keine Freilauffunktion gegeben. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sämtliche Wälzkörper spielbehaftet zwischen den Lagerelementen angeordnet sind.The rotating component of the roller bearing, i.e. typically the rotating bearing ring, the rotating bearing disk or a shaft coupled in a rotationally fixed manner to the relevant ring or said disk, is therefore not directly locked when the overrunning clutch is locked, but rather indirectly, namely via the cage of the roller bearing. This freewheel function comes into effect when the bearing is mechanically loaded. If, on the other hand, there is no power flow from the first bearing element via at least part of the rolling elements to the second bearing element, there is no freewheel function. This is particularly the case when all rolling bodies are arranged between the bearing elements with play.
Handelt es sich bei dem Wälzlager um ein Axiallager, so ist die rotierende Lagerscheibe, das heißt die Wellenscheibe, welche mittels der Freilaufkupplung festgehalten werden kann, typischerweise derart mit weiteren rotierbaren Komponenten gekoppelt, dass ein Drehmoment zwischen der Wellenscheibe und den weiteren Komponenten übertragbar ist, das heißt auch die genannten weiteren Komponenten mittels der Freilaufkupplung an einer Rotation in einer bestimmten Richtung gehindert werden können. Gesonderte Mittel zum unmittelbaren Stoppen der weiteren Komponenten sind hierfür nicht erforderlich. Dies gilt in analoger Weise auch für sonstige Bauformen von Wälzlagern mit integrierter, teilweise durch den Käfig gebildeter Freilaufkupplung.If the roller bearing is an axial bearing, the rotating bearing disk, i.e. the shaft disk, which can be held in place by means of the overrunning clutch, is typically coupled to other rotatable components in such a way that a torque can be transmitted between the shaft disk and the other components, This means that the additional components mentioned can also be prevented from rotating in a specific direction by means of the overrunning clutch. Separate means for stopping the other components directly are not required for this. This also applies in an analogous manner to other designs of roller bearings with an integrated overrunning clutch partially formed by the cage.
In verschiedenen Ausführungsformen ist eines der beiden Lagerelemente der Lageranordnung, welche in allen Fällen eine kombinierte Lager-Freilauf-Anordnung darstellt, drehbar, während es sich bei dem anderen Lagerelement um eine drehfest in einer Umgebungskonstruktion angeordnete Komponente handelt. Abweichend hiervor sind auch Ausführungsformen möglich, bei welchen beide Lagerelemente drehbar sind. Sowohl im Fall einer Ausbildung der Lageranordnung als Axiallagerung als auch bei Ausbildung der Lageranordnung als Radiallagerung oder als kombinierte Axial-Radial-Lagerung sind auch Bauformen realisierbar, bei welchen das Gehäuse eine als Ganzes drehbare Maschinenkomponente darstellt.In various embodiments, one of the two bearing elements of the bearing arrangement, which in all cases represents a combined bearing-freewheel arrangement, is rotatable, while the other bearing element is a component arranged in a rotationally fixed manner in a surrounding structure. Notwithstanding the above, embodiments are also possible in which both bearing elements are rotatable. Both in the case of an embodiment of the bearing arrangement as an axial bearing and in the case of an embodiment of the bearing arrangement as a radial bearing or as a combined axial-radial bearing, designs can also be implemented in which the housing represents a machine component that can be rotated as a whole.
Ein besonderer Vorteil der Blockade nicht der Welle oder Wellenscheibe, sondern des Käfigs des Wälzlagers, insbesondere Axialwälzlagers, liegt darin, dass bei Belastung der Freilaufkupplung in Sperrrichtung eine Überwindung des durch den blockierten Käfig erzeugten Haltemoments möglich ist, sodass die Freilaufkupplung in einem bestimmten Betriebsbereich, nämlich unterhalb des Haltemomentes, eine Sperrfunktion erfüllt und bei höheren Momenten als Bremse wirkt. Im letztgenannten Zustand ist das Axialwälzlager zu einer Gleitlagerung umfunktioniert.A particular advantage of blocking not the shaft or shaft washer, but the cage of the rolling bearing, in particular axial rolling bearing, is that when the overrunning clutch is loaded in the blocking direction, it is possible to overcome the holding torque generated by the blocked cage, so that the overrunning clutch in a certain operating range, namely below the holding torque, fulfills a blocking function and acts as a brake at higher torques. In the latter state, the axial roller bearing has been converted into a plain bearing.
Das Haltemoment, welches in verschiedenen möglichen Ausgestaltungen in einem durch einen motorischen Antrieb überwindbaren Bereich liegt, legt somit einen möglichen Umschaltpunkt zwischen einer Nutzung der Lager-Freilauf-Anordnung als Wälzlager mit Freilauffunktion einerseits und einer Nutzung derselben Anordnung als Gleitlager andererseits fest, wobei die Nutzung im letztgenannten Fall mit der umgekehrten Drehrichtung, verglichen mit dem ersten Fall, erfolgt. Das Bereithalten einer gesonderten Gleitlagerung für eine von zwei möglichen Drehrichtungen ist nicht erforderlich.The holding torque, which in various possible configurations is in a range that can be overcome by a motor drive, thus defines a possible switching point between using the bearing-freewheel arrangement as a roller bearing with a freewheel function on the one hand and using the same arrangement as a plain bearing on the other hand, whereby the use in the latter case with the reverse direction of rotation compared to the first case. It is not necessary to have a separate slide bearing ready for one of two possible directions of rotation.
Das zugleich als Freilauf fungierende Axiallager, Radiallager oder sonstiges Wälzlager kann als einreihiges oder als mehrreihiges Lager aufgebaut sein. Ist ein mehrreihiger, insbesondere zweireihiger, Aufbau gegeben, so können die Wälzkörper der verschiedenen Wälzkörperreihen entweder durch einen gemeinsamen Käfig oder durch separate Käfige geführt sein. Im letztgenannten Fall ist beispielsweise lediglich der äußerste Käfig oder ein einer Stirnseite der Lageranordnung benachbarter Käfig als Freilaufkomponente ausgebildet, während der mindestens eine weitere Käfig ausschließlich eine Funktion innerhalb der Wälzlagerung hat. Durch diesen Aufbau ist eine Verteilung axialer und/oder radialer Lasten sowie eine Reduktion des Bremsmoments beim Betrieb in Sperrrichtung erreichbar.The axial bearing, radial bearing or other roller bearing, which also functions as a freewheel, can be constructed as a single-row or multi-row bearing. If there is a multi-row, in particular two-row, structure, the rolling bodies of the different rows of rolling bodies can be guided either through a common cage or through separate cages. In the latter case, for example, only the outermost cage or a cage adjacent to an end face of the bearing arrangement is designed as a freewheel component, while the at least one other cage exclusively has a function within the roller bearing. With this structure, a distribution of axial and/or radial loads as well as a reduction of the braking torque during operation in the blocking direction can be achieved.
Was den Angriff der Freilaufkupplung im Fall deren Integration in eine Axiallagerung betrifft, existieren verschiedene Gestaltungmöglichkeiten: Gemäß eines ersten Gestaltungsprinzips ist die Freilaufkupplung zwischen der Gehäusescheibe und dem Käfig wirksam. Hierbei kann die Freilaufkupplung direkt zwischen die Gehäusescheibe und den Käfig geschaltet sein. Alternativ kann unter Beibehaltung dieses Gestaltungsprinzips die Freilaufscheibe zwischen das Gehäuse, an welchem die Gehäusescheibe gehalten ist, und den Käfig des Axialwälzlagers geschaltet sein. Ein anderes Gestaltungsprinzip sieht vor, dass die Freilaufkupplung zwischen die Wellenscheibe und den Käfig geschaltet ist.There are various design options for engaging the overrunning clutch when it is integrated into an axial bearing: According to a first design principle, the overrunning clutch is effective between the housing disc and the cage. Here, the one-way clutch can be connected directly between the housing washer and the cage. Alternatively, while maintaining this design principle, the freewheel disk can be connected between the housing, on which the housing disk is held, and the cage of the axial roller bearing. Another design principle provides that the overrunning clutch is connected between the shaft washer and the cage.
Unabhängig davon, ob es sich bei der Wälzlagerung um eine Axiallagerung oder eine Radiallagerung handelt, ist die Freilaufkupplung zwischen dem Käfig auf der einen Seite und einem rotierenden oder nicht rotierenden Maschinenelement auf der anderen Seite, das heißt typischerweise einer Welle oder einem Gehäuse, in welchem die Welle gelagert ist, wirksam. In jedem Fall kann beim Betrieb der Wälzlagerung eine Relativverdrehung zwischen dem Käfig und dem genannten, entweder rotierenden oder nicht rotierenden Maschinenelement auftreten. Die Drehzahl dieser Relativverdrehung, welche einen Betrieb der Freilaufkupplung in Freilaufrichtung bedeutet, entspricht bei üblichen Lagerkonstruktionen etwa der halben Drehzahl der Welle, wenn von einem feststehenden Gehäuse ausgegangen wird. Dies gilt sowohl für Varianten, bei denen die Wälzkörper auf gesonderten Lagerringen oder Lagerscheiben abrollen, als auch in Fällen, in denen die Wälzkörper direkt auf einer Welle und/oder auf einer Oberfläche eines komplexeren Bauteils, insbesondere Gehäuseoberfläche, abrollen.Regardless of whether the rolling bearing is an axial bearing or a radial bearing, the overrunning clutch is between the cage on the one hand and a rotating or non-rotating machine element on the other side, i.e. typically a shaft or a housing in which the shaft is mounted, effective. In any case, when the roller bearing is in operation, relative torsion can occur between the cage and said machine element, which is either rotating or non-rotating. The rotational speed of this relative rotation, which means operation of the overrunning clutch in the freewheeling direction, corresponds to approximately half the rotational speed of the shaft in conventional bearing constructions, assuming a stationary housing. This applies both to variants in which the rolling elements roll on separate bearing rings or bearing discs and in cases in which the rolling elements roll directly on a shaft and/or on a surface of a more complex component, in particular the housing surface.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung umfasst die Kräfte in Axialrichtung aufnehmende Lageranordnung ein zusätzliches, keine Freilauffunktion aufweisendes Axiallager, wobei beide Axiallager eine gemeinsame Wellenscheibe haben können. Die Lageranordnung ist in diesem Fall zur Übertragung von axialen Kräften in beide Richtungen geeignet. Unabhängig davon, ob die Lageranordnung ein einziges oder zwei Axiallager umfasst, kann ein Federelement, insbesondere in Form einer Tellerfeder, zur Erzeugung einer in Axialrichtung wirkenden Vorspannkraft vorgesehen sein. In prinzipiell gleicher Weise kann auch eine ausschließlich oder überwiegend Kräfte in Radialrichtung aufnehmende Lager-Freilauf-Anordnung durch Federkraft belastet sein, wobei die Federkraft im Fall einer reinen Radiallagerung nur auf einen Teil der Wälzkörper wirkt.According to one possible development, the bearing arrangement that absorbs forces in the axial direction includes an additional axial bearing that does not have a freewheel function, it being possible for both axial bearings to have a common shaft washer. In this case, the bearing arrangement is suitable for the transmission of axial forces in both directions. Irrespective of whether the bearing arrangement comprises a single or two axial bearings, a spring element, in particular in the form of a plate spring, can be provided to generate a prestressing force acting in the axial direction. In principle the same way, a freewheel bearing arrangement that absorbs forces exclusively or predominantly in the radial direction can also be loaded by spring force, with the spring force only acting on part of the rolling elements in the case of a purely radial bearing.
Auch in Fällen, in den die Freilaufkupplung in eine Radiallagerung integriert ist, existieren zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten, was die Anordnung der Freilaufkupplung innerhalb der Lager-Freilauf-Anordnung betrifft. Beispielsweise kann die Freilaufkupplung zwischen dem Innenring des Wälzlagers und dem Käfig wirksam sein. Alternativ kann die Lager-Freilauf-Anordnung einen Freilaufmechanismus umfassen, welcher entweder zwischen dem Käfig der Wälzlagerung und dessen Außenring oder direkt zwischen dem Käfig und einem den Außenring umgebenden Gehäuse wirksam ist.Even in cases in which the overrunning clutch is integrated into a radial bearing, there are numerous design options as far as the arrangement of the overrunning clutch within the bearing-overrunning arrangement is concerned. For example, the overrunning clutch can be effective between the inner ring of the roller bearing and the cage. Alternatively, the bearing-freewheel arrangement can include a freewheel mechanism which acts either between the cage of the roller bearing and its outer ring or directly between the cage and a housing surrounding the outer ring.
Die durch den Käfig bereitgestellte Komponente der Freilaufkupplung wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als innere Freilaufkomponente, die mit dem Käfig direkt zusammenwirkende zweite Komponente der Freilaufkupplung auch als äußere Freilaufkomponente bezeichnet. Grundsätzlich kann die äußere Freilaufkomponente beispielsweise am Außenumfang und/oder an einer Stirnseite des Käfigs angreifen. Unter dem Aspekt des vorhandenen, nutzbaren Bauraums sind im Fall von Axiallagerungen mit integrierter Freilaufkupplung insbesondere Varianten realisierbar, bei welchen die äußere Freilaufkomponente Konturen an der Außenumfangsfläche des im Wesentlichen ringscheibenförmigen Käfigs kontaktiert. Im Fall der Ausbildung einer Lagerung als ein- oder mehrreihige Radiallagerung steht insbesondere eine Stirnseite des Käfigs, welcher in diesem Fall eine zylindrische Grundform aufweisen kann, für den Angriff der äußeren Freilaufkomponente zur Verfügung. Auch Varianten, bei welchen an beiden Stirnseiten des Käfigs äußere Freilaufkomponenten mit dem Käfig zusammenwirken, sind möglich. Ferner sind Varianten möglich, in denen sich der Käfig der Radiallagerung über die Wälzkörper hinaus in Axialrichtung der Lagerung erstreckt, wobei sich der Freilaufmechanismus in dem über die Wälzkörperreihen hinausragenden Abschnitt des Käfigs befindet. Die zweite Freilaufkomponente kann in diesem Fall an der Innen- und/oder Außenumfangsfläche des Käfigs angreifen, wobei ein Angriff an der Innenumfangsfläche besonders raumsparend aufgebaut sein kann, wogegen ein Angriff an der Außenumfangsfläche den Vorteil längerer effektiver Hebelarme und damit höherer aufnehmbarer Momente hat. Sämtliche in diesem Absatz gegebenen Erläuterungen zu den verschiedenen Freilaufkomponenten gelten sowohl für reibschlüssige als auch für formschlüssige Freiläufe.The component of the overrunning clutch provided by the cage is also referred to, without loss of generality, as the inner freewheel component, and the second component of the overrunning clutch that interacts directly with the cage is also referred to as the outer freewheel component. In principle, the outer freewheel component can engage, for example, on the outer circumference and/or on an end face of the cage. In terms of the available, usable installation space, in the case of axial bearings with an integrated overrunning clutch, variants can be implemented in which the outer freewheel component contacts contours on the outer peripheral surface of the essentially annular disk-shaped cage. If a bearing is designed as a single-row or multi-row radial bearing, in particular one end face of the cage, which in this case can have a cylindrical basic shape, is available for the outer freewheel component to engage. Variants in which outer freewheel components interact with the cage on both end faces of the cage are also possible. Furthermore, variants are possible in which the cage of the radial bearing extends beyond the rolling elements in the axial direction of the bearing, with the freewheel mechanism being located in the section of the cage that protrudes beyond the rows of rolling elements. In this case, the second freewheel component can act on the inner and/or outer peripheral surface of the cage, wherein an attack on the inner peripheral surface can be constructed in a particularly space-saving manner, whereas an attack on the outer peripheral surface has the advantage of longer effective lever arms and thus higher torques that can be absorbed. All explanations given in this paragraph regarding the various freewheel components apply to both frictional and positive-locking freewheels.
Die Freilaufkupplung der Lageranordnung ist beispielsweise als Klinkensperre ausgebildet. Hierbei können die Klinken der Freilaufkupplung direkt mit einer Außenverzahnung oder auch mit einer stirnseitigen Verzahnung des Wälzlagerkäfigs zusammenwirken. Alternativ können die Klinken oder sonstigen rastenden Elemente, beispielsweise verschiebbare, angefederte Rastbolzen, beispielsweise in Löcher, welche sich im Käfig befinden, eingreifen. Allgemein weist die Klinkensperre eine Rastgeometrie, welche durch den Käfig bereitgestellt wird, auf.The overrunning clutch of the bearing arrangement is designed, for example, as a ratchet lock. Here, the pawls of the overrunning clutch can interact directly with external teeth or with teeth on the face of the roller bearing cage. Alternatively, the pawls or other latching elements, for example displaceable, spring-loaded latching bolts, can engage, for example, in holes that are located in the cage. In general, the pawl has a detent geometry provided by the cage.
Was die Anordnung der Klinken am Umfang des Käfigs oder an dessen Stirnseite betrifft, existieren verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten mit spezifischen Vor- und Nachteilen: Erstens ist die Möglichkeit gegeben, die einzelnen Klinken derart am Umfang des außenverzahnten oder in sonstiger Weise verzahnten Käfigs zu verteilen, insbesondere in gleichen Winkelabständen, dass sämtliche Klinken gleichzeitig in die Verzahnung des Käfigs einrasten und damit den Freilauf sperren können. Die bei sperrendem Freilauf aufzunehmenden Kräfte werden dabei gleichförmig auf alle Klinken, beispielsweise drei oder fünf Sperrklinken, verteilt. Alternativ existiert die Möglichkeit, die Winkelabstände zwischen den Sperrklinken, bezogen auf die Mittelachse des Käfigs, derart zu wählen, dass lediglich eine Teilmenge der Klinken, im Extremfall lediglich eine einzige Klinke, gleichzeitig sperrend wirkt, das heißt in die Verzahnung des Käfigs einrastet, während die übrigen Klinken im selben Moment ohne sperrende Funktion bleiben. In diesem Fall konzentrieren sich die zu übertragenden Kräfte und Momente zwar auf eine geringere Zahl an Klinken, jedoch existiert eine größere Zahl an Winkelstellungen des Käfigs, in denen der Freilauf sperrt.As far as the arrangement of the pawls on the circumference of the cage or on its front side is concerned, there are various design options with specific advantages and disadvantages: Firstly, there is the possibility of distributing the individual pawls on the circumference of the externally toothed or otherwise toothed cage, particularly in equal angular distances so that all pawls engage simultaneously in the toothing of the cage and can thus lock the freewheel. The forces to be absorbed with a locking freewheel who the case evenly distributed to all pawls, for example, three or five pawls. Alternatively, there is the possibility of selecting the angular distances between the pawls, based on the central axis of the cage, in such a way that only a subset of the pawls, in extreme cases only a single pawl, has a locking effect at the same time, i.e. engages in the toothing of the cage while the other handles remain without a blocking function at the same time. In this case, the forces and moments to be transmitted are concentrated on a smaller number of pawls, but there are a larger number of angular positions of the cage in which the freewheel locks.
Die Wälzkörper, insbesondere Kugeln, Nadeln oder Rollen, des Axialwälzlagers, Radialwälzlagers oder sonstigen Wälzlagers sind typischerweise einzeln in Taschen des Käfigs geführt, welcher zugleich eine Komponente der Freilaufkupplung darstellt. Mit einem gezielt unterschiedlichen Taschenspiel in Umfangsrichtung des Käfigs kann das Halteelement, welches durch die Freilaufkupplung in Sperrrichtung aufgenommen werden kann, beeinflusst werden.The rolling elements, in particular balls, needles or rollers, of the axial roller bearing, radial roller bearing or other roller bearing are typically guided individually in pockets in the cage, which at the same time represents a component of the overrunning clutch. The retaining element, which can be accommodated by the overrunning clutch in the blocking direction, can be influenced with a specifically different pocket play in the circumferential direction of the cage.
Im Übrigen ist das Haltemoment maßgeblich von den auf die Lageranordnung wirkenden Belastungen, im Fall einer Axiallagerung insbesondere von der zwischen den Lagerscheiben wirkenden Axialkraft, abhängig. Im Fall einer Radiallagerung existiert ein Zusammenhang zwischen der auf die Lagerung wirkenden Radialkraft und der Sperrwirkung, welche bei belastetem Lager gegeben ist. Die Axialkraft und/oder Radialkraft kann sich zwangsläufig aus dem Betrieb einer die Lageranordnung umfassenden Maschine ergeben und/oder gesteuert, insbesondere durch Beaufschlagung mit einem hydraulischen Druck, eingestellt werden. Ebenso sind Ausgestaltungen möglich, bei welchen eine mechanische Belastung, welche für die Betriebsbereitschaft der Freilaufkupplung sorgt, zumindest teilweise durch ein passives Element, insbesondere ein Federelement, vorgegeben ist.Furthermore, the holding torque is largely dependent on the loads acting on the bearing arrangement, in the case of an axial bearing in particular on the axial force acting between the bearing disks. In the case of a radial bearing, there is a relationship between the radial force acting on the bearing and the locking effect that occurs when the bearing is under load. The axial force and/or radial force can inevitably result from the operation of a machine comprising the bearing arrangement and/or can be set in a controlled manner, in particular by applying hydraulic pressure. Configurations are also possible in which a mechanical load, which ensures that the one-way clutch is ready for operation, is at least partially predetermined by a passive element, in particular a spring element.
Ferner ist die Möglichkeit gegeben, eine Vorspannkraft im Wälzlager, in welches die Freilaufkupplung integriert ist, durch ein rotierendes, mit Hilfe des Wälzlagers gelagertes Element eines Spindeltriebs aufzubringen, welches sich in Axialrichtung an einem nicht rotierenden Element des Spindeltriebs abstützt. Ist der Spindeltrieb als Wälzgewindetrieb, insbesondere Kugelgewindetrieb, ausgebildet, so werden Axialkräfte, welche das Wälzlager vorspannen, über die Wälzkörper des Spindeltriebs übertragen. Allgemein kann, bei Axial- ebenso wie bei Radiallagerungen, ein auf verschiedenste Arten realisierbares Vorspannmittel gegeben sein, welches zur Erzeugung einer das Wälzlager belastenden und damit die Betriebsbereitschaft der Freilaufkupplung herstellenden oder zumindest unterstützenden Vorspannkraft ausgebildet ist.There is also the possibility of applying a prestressing force in the roller bearing, in which the overrunning clutch is integrated, by a rotating element of a spindle drive which is mounted with the aid of the roller bearing and is supported in the axial direction on a non-rotating element of the spindle drive. If the spindle drive is designed as a roller screw drive, in particular a ball screw drive, axial forces that preload the roller bearing are transmitted via the rolling elements of the spindle drive. In general, with both axial and radial bearings, there can be a variety of preloading means that can be used to generate a preloading force that loads the roller bearing and thus makes the overrunning clutch ready for operation or at least supports it.
Die Lageranordnung ist besonders zur Verwendung in einem Linearaktuator geeignet, wobei sie in diesem Fall insbesondere zur Lagerung einer Spindel eines Gewindetriebs vorgesehen sein kann. In einem solchen Gewindetrieb stellt die Spindel die rotierende Spindeltriebskomponente dar. Alternativ kann die Spindelmutter die rotierende Spindeltriebskomponente bilden, während die zugehörige Spindel in verdrehgesicherter Weise verschiebbar ist. Der Spindeltrieb kann in jedem Fall beispielsweise als einfaches Bewegungsgewinde, insbesondere in Form eines nicht selbsthemmenden Trapezgewindes mit großer Steigung, als Kugelgewindetrieb oder als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet sein, wobei die beiden letztgenannten, Wälzelemente aufweisenden Gewindetriebe eine vergleichsweise kleine Steigung aufweisen können. Mit Hilfe einer nicht selbsthemmenden Auslegung eines Kugelgewindetriebes oder eines Planetenwälzgewindetriebes kann der Linearaktuator mit einer besonders geringen Antriebsleistung, welche insbesondere durch einen elektromotorischen Antrieb des Gewindetriebs aufzubringen ist, betrieben werden.The bearing arrangement is particularly suitable for use in a linear actuator, in which case it can be provided in particular for supporting a spindle of a screw drive. In such a screw drive, the spindle represents the rotating spindle drive component. Alternatively, the spindle nut can form the rotating spindle drive component, while the associated spindle can be displaced in a manner secured against rotation. In any case, the spindle drive can be designed, for example, as a simple movement thread, in particular in the form of a non-self-locking trapezoidal thread with a large pitch, as a ball screw drive or as a planetary roller screw drive, with the latter two screw drives having rolling elements being able to have a comparatively small pitch. With the help of a non-self-locking design of a ball screw drive or a planetary screw drive, the linear actuator can be operated with a particularly low drive power, which is to be applied in particular by an electric motor drive of the screw drive.
Um ein selbsttätiges Rückdrehen des Gewindetriebs zu verhindern, was im Fall einer selbsthemmenden Auslegung definitionsgemäß gesichert wäre, tritt die Sperrwirkung des Freilaufs der Lageranordnung automatisch in Funktion, sobald auf die Spindel Kräfte ausgeübt werden, welche im Sinne eines Rückdrehens wirken.In order to prevent the screw drive from turning back automatically, which would by definition be secured in the case of a self-locking design, the locking effect of the freewheel of the bearing arrangement comes into operation automatically as soon as forces are exerted on the spindle, which act in the sense of turning back.
Das Übersetzungsverhältnis des Spindeltriebs sowie die Sperrwirkung des Freilaufs sind in vorteilhafter Ausgestaltung unter Berücksichtigung gegebener Reibungskräfte derart gewählt, dass eine Rückstellung des Gewindetriebs bei im bestimmungsgemä-ßen Betrieb auftretenden Kräften nicht durch eine rein axiale Belastung der Gewindespindel möglich ist. Dies bedeutet, dass eine Rückstellung des Gewindetriebs, das heißt eine Verstellung gegen die Freilaufrichtung, nur mit einem rotatorischen Antrieb der Gewindespindel, durch welchen die das Wälzlager sperrende Wirkung der Freilaufkupplung überwunden wird, möglich ist. Trotz dieses ein Bremsmoment überwindenden rückstellenden Betriebsmodus des Linearaktuators ist zusammen mit dem Betriebsmodus in Freilaufrichtung, welcher sich durch eine besondere Leichtgängigkeit auszeichnet, insgesamt ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Linearaktuators erzielbar. Dies gilt auch für Ausführungsformen, in denen dem Gewindetrieb, das heißt Rotativ-Linear-Getriebe, ein weiteres Getriebe, typischerweise in Form eines Rotativ- Rotativ - Getriebes, vorgeschaltet ist.The transmission ratio of the spindle drive and the blocking effect of the freewheel are selected in an advantageous embodiment, taking into account given frictional forces, so that the screw drive cannot be reset by a purely axial load on the threaded spindle in the event of forces occurring during normal operation. This means that a reset of the screw drive, ie an adjustment against the freewheeling direction, is only possible with a rotary drive of the threaded spindle, through which the roller bearing locking effect of the overrunning clutch is overcome. Despite this restoring operating mode of the linear actuator, which overcomes a braking torque, together with the operating mode in the freewheeling direction, which is characterized by particularly smooth running, a high overall efficiency of the linear actuator can be achieved overall. This also applies to embodiments in which the screw drive, ie rotary-linear gear, is preceded by another gear, typically in the form of a rotary-rotary gear.
Der Linearaktuator ist beispielsweise zur Verwendung in einer elektromechanischen Feststellbremse, das heißt Parkbremse, eines Fahrzeugs geeignet. Hierbei kann es sich entweder um eine rein elektromechanische Bremse handeln oder um eine Bremse, welche in an sich bekannter Weise auch hydraulisch als Betriebsbremse betätigbar ist.The linear actuator is suitable, for example, for use in an electromechanical parking brake, ie parking brake, of a vehicle. This can either be a purely electromechanical brake or a brake which, in a manner known per se, can also be actuated hydraulically as a service brake.
Handelt es sich bei der Freilaufkupplung um eine Reibschlüssige Kupplung, so kann diese beispielsweise als Schlingfederkupplung, als Klemmrollenfreilauf oder als Klemmkörperfreilauf ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente
Die Wälzkörper der Lageranordnung, welche zusätzlich als Freilauf fungiert, werden in Abhängigkeit von den im Einzelfall gegebenen Anforderungen ausgewählt und können jegliche an sich bekannte Form, insbesondere die Form von Zylinderrollen, Kegelrollen, Nadeln oder Kugeln, haben. Bei dem Käfig, welcher sowohl eine Komponente der Wälzlagerung als auch eine Komponente der Freilaufkupplung ist, handelt es sich in typischen Ausgestaltungen um ein Metallteil. Sämtliche Metallteile der Lageranordnung können je nach Bedarf einer Wärmebehandlung unterzogen werden.The rolling elements of the bearing arrangement, which also acts as a freewheel, are selected depending on the requirements given in the individual case and can have any known shape, in particular the shape of cylindrical rollers, tapered rollers, needles or balls. In typical configurations, the cage, which is both a component of the roller bearing and a component of the overrunning clutch, is a metal part. All metal parts of the bearing assembly can be heat treated as required.
Der eine Mehrfachfunktion, nämlich zum einen eine Funktion als Komponente einer Wälzlagerung und zum anderen eine Funktion als Freilaufkomponente, erfüllende Käfig ist rationell insbesondere unter Anwendung umformender Verfahren aus Metall herstellbar, wobei auch spanabhebende Bearbeitungsverfahren sowie eine Formgebung durch Urformen, beispielsweise Gießen, Sintern oder 3D-Druck, in Betracht kommen. In allen Fällen kann die Oberfläche des Käfigs verschleiß- und/oder reibungsmindernd beschichtet und/oder eine Randschichthärtung vorgesehen sein. Analoges gilt für die Wälzkörper sowie für die Lagerscheiben oder sonstigen Lagerelemente der Lageranordnung.The cage, which has a multiple function, namely a function as a component of a roller bearing and a function as a freewheel component, can be produced efficiently, in particular using metal forming processes, with machining processes and shaping by archetypes, for example casting, sintering or 3D, also being possible - Pressure, come into consideration. In all cases, the surface of the cage can be coated to reduce wear and/or friction and/or the surface layer can be hardened. The same applies to the rolling elements and the bearing washers or other bearing elements of the bearing arrangement.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit Freilauffunktion in schematisierter Schnittdarstellung, -
2 und3 weitere Lageranordnungen mit Freilauffunktion inDarstellungen analog 1 , -
4 eine in einem Untersetzungsgetriebe verwendbare, zwei Axialwälzlager umfassende Lageranordnung mit Freilauffunktion in vereinfachter geschnittener Darstellung, -
5 eine stirnseitige, geschnittene Ansicht der Lageranordnung nach4 , -
6 dieAnordnung nach 4 in Explosionsdarstellung, -
7 einen Bremsaktuator, welcher einen Spindeltrieb mit einer Lageranordnung mit Freilauffunktion umfasst, -
8 den Bremsaktuator in stirnseitiger, geschnittener Ansicht, -
9 ein Detail aus 8 , -
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit Freilauffunktion ineiner Darstellung analog 1 , -
11 ausschnittsweise eine mit einem reibschlüssigen Freilauf arbeitende Lageranordnung mit Freilauffunktion, -
12 -14 in jeweils einem Diagramm die Verstellung des die Lageranordnung mit Freilauffunktionumfassenden Aktuators nach 7 , -
15 in einem weiteren Diagramm Variationsmöglichkeiten eines Haltemoments der Freilaufkupplung der in einem Aktuator verwendbaren Lageranordnung nach1 .
-
1 a first embodiment of a bearing assembly with freewheel function in a schematic sectional view, -
2 and3 other bearing arrangements with freewheel function in representations analogous1 , -
4 a bearing arrangement with a freewheel function, which can be used in a reduction gear and comprises two axial roller bearings, in a simplified sectional view, -
5 an end-side, sectional view of the bearingassembly 4 , -
6 according to thearrangement 4 in exploded view, -
7 a brake actuator, which includes a spindle drive with a bearing arrangement with a freewheel function, -
8th the brake actuator in a front, sectional view, -
9 a detail out8th , -
10 another embodiment of a bearing arrangement with a freewheel function in ananalog representation 1 , -
11 a detail of a bearing arrangement working with a frictionally engaged freewheel with a freewheel function, -
12 -14 in one diagram each, the adjustment of the actuator comprising the bearing arrangement with afreewheel function 7 , -
15 in a further diagram, possible variations of a holding torque of the overrunning clutch of the bearing arrangement that can be used in anactuator 1 .
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations relate to all exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are identified by the same reference symbols in all figures.
Eine Lageranordnung 1 ist in ein Gehäuse 2 eingebaut und umfasst ein Axialwälzlager 3, nämlich ein Axialrollen oder -nadellager, mit Freilauffunktion. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem Gehäuse 2 um ein nicht rotierendes Maschinenelement. Ebenso sind Ausführungsformen mit rotierendem Gehäuse 2 realisierbar.A
In das Gehäuse 2 ist eine Gehäusescheibe 4 eingesetzt, welche dem Axialwälzlager 3 zuzurechnen ist. Weiter ist dem Axialwälzlager 3 eine Wellenscheibe 5 zuzurechnen, die mit einer Welle 6 verbunden ist. Die Mittelachse der Welle 6 und damit der gesamten Lageranordnung 1 ist mit MA bezeichnet. Beim Betrieb der Lageranordnung 1 kann auf die Wellenscheibe 5 eine Axialkraft Fax wirken. Die Wälzkörper, das heißt Nadeln oder Rollen, des Axialwälzlagers 3 sind mit 7 bezeichnet und in Taschen 9 eines Käfigs 8 geführt, welcher zugleich ein inneres Kupplungsteil einer Freilaufkupplung 10 darstellt. Ein zugehöriges äußeres Kupplungsteil der Freilaufkupplung 10 ist mit 11 bezeichnet.In the housing 2 a
Im Ausführungsbeispiel nach
In den Ausführungsbeispielen nach den
Im Ausführungsbeispiel nach den
Das äußere Kupplungsteil 11 umfasst in dem in den
Im Ausführungsbeispiel nach den
Der Spindeltrieb 28 ist im vorliegenden Fall als Kugelgewindetrieb ausgebildet, wobei in einem Gewindegang 34 der Gewindespindel 29 nicht dargestellte Kugeln abrollen, welche gleichzeitig die Spindelmutter 32 kontaktieren. Bei dem Spindeltrieb 28 handelt es sich um ein nicht selbsthemmendes Getriebe zur Umwandlung einer Rotation in eine lineare Bewegung. Ein mit 33 bezeichnetes wellenfestes Element, das heißt starr mit der Welle 6 verbundenes Element, übt eine Axialkraft Fax auf die in diesem Fall einreihige Lageranordnung 1 aus. Die Funktion einer zweiten, in der Gegenrichtung abstützenden Lagerreihe wird in diesem Fall durch die Wälzkörper, das heißt Kugeln, welche zwischen der Gewindespindel 29 und der Spindelmutter 32 abrollen, übernommen. Beim Feststellen der Bremsscheibe 35 mittels des Linearaktuators 27 steigt die Axialkraft Fax kontinuierlich bis zu einem Maximalwert an. In dieser Position, das heißt bei festgezogener Feststellbremse, wird das Axialwälzlager 3 durch die Freilaufkupplung 10 blockiert.In the present case, the
Die Blockade des Linearaktuators 27 ist nur insofern formschlüssig, als ein Formschluss zwischen dem Käfig 8 als innerem Kupplungsteil und den Klinken 12 gegeben ist. Zwischen den Lagerscheiben 4, 5 des Axialwälzlagers 3 existiert dagegen kein Formschluss. Dies hat zur Folge, dass die durch die Freilaufkupplung 10 bewirkte Sperre aufhebbar ist, indem ein ausreichend großes Drehmoment in Rückdrehrichtung in die Welle 6 eingeleitet wird. Dies ist mit Hilfe eines nicht dargestellten Elektromotors möglich, der zum Betätigen des Linearaktuators 27 in beiden Richtungen genutzt wird. Da die Freilaufkupplung 10 bei Rotation der Welle 6 in Löserichtung gesperrt bleibt, wird das Axialwälzlager 3 in dieser Betriebsphase als Gleitlager genutzt.The blockage of the
Bei einem späteren erneuten Festziehen des Linearaktuators 27, das heißt Übergang in eine Parkposition als Position, in der die Bremsscheibe 35 mit Hilfe nicht dargestellter Bremsbeläge blockiert wird, wird die Freilaufkupplung 10 wieder in Freilaufrichtung betrieben, wobei durch die Klinken 12 lediglich ein geringes bremsendes Moment auf den Käfig 8 ausgeübt wird. Im Mittel sämtlicher Betriebsphasen ist der Linearaktuator 27 damit energie- sowie materialsparend, insbesondere was den zum Antrieb der Welle 6 genutzten Elektromotor betrifft, betreibbar.If the
In
In
Die Freilaufkupplung 10 der Lageranordnung 1 nach
Die
Die
Das Diagramm nach
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Lageranordnungbearing arrangement
- 22
- GehäuseHousing
- 33
- Axialwälzlager mit FreilauffunktionThrust roller bearing with freewheel function
- 44
- Lagerelement, Gehäusescheibe, Lagerring, AußenringBearing element, housing washer, bearing ring, outer ring
- 55
- Lagerelement, Wellenscheibe, Lagerring, InnenringBearing element, shaft washer, bearing ring, inner ring
- 66
- WelleWave
- 77
- Wälzkörperrolling elements
- 88th
- Käfig, inneres KupplungsteilCage, inner clutch part
- 99
- Taschepocket
- 1010
- Freilaufkupplungoverrunning clutch
- 1111
- äußeres Kupplungsteilouter clutch part
- 1212
- Klinkepawl
- 1313
- Schraubenfedercoil spring
- 1414
- Federstützblockspring support block
- 1515
- gehäusefestes Hülsenbauteilhousing-fixed sleeve component
- 1616
- Ausnehmungrecess
- 1717
- Anschlusskontur der WelleConnection contour of the shaft
- 1818
- zweites Axiallagersecond thrust bearing
- 1919
- Käfig des zweiten AxiallagersSecond thrust bearing cage
- 2020
- Wälzkörper des zweiten AxiallagersRolling elements of the second thrust bearing
- 2121
- Federabstützdeckelspring support cover
- 2222
- Gehäusescheibe des zweiten AxiallagersHousing washer of the second thrust bearing
- 2323
- Federelement, Tellerfeder, VorspannmittelSpring element, plate spring, pre-tensioning device
- 2424
- Gehäuseteilhousing part
- 2525
- Gehäuseteilhousing part
- 2626
-
Verzahnung des Käfigs 8, Rastgeometrie
Cage toothing 8, detent geometry - 2727
- Linearaktuatorlinear actuator
- 2828
- Spindeltriebspindle drive
- 2929
- Gewindespindellead screw
- 3030
- Bremskolbenbrake piston
- 3131
- Faltenbalgbellows
- 3232
- Spindelmutterspindle nut
- 3333
- wellenfestes Elementwaveproof element
- 3434
- Gewindegangthread
- 3535
- Bremsscheibebrake disc
- 3636
- innere Wälzkörperreiheinner row of rolling elements
- 3737
- äußere Wälzkörperreiheouter row of rolling elements
- 3838
- Käfig der inneren WälzkörperreiheInner row cage
- 3939
- Käfigelement der FreilaufkupplungCage element of the overrunning clutch
- 4040
- Rolle der FreilaufkupplungRole of the overrunning clutch
- 4141
- Federelement der FreilaufkupplungOverrunning clutch spring element
- 4242
- Innenring der FreilaufkupplungOverrunning clutch inner ring
- 4343
-
Rampenkontur des Innenrings 42
Ramp contour of the
inner ring 42 - Faxfax
- Axialkraftaxial force
- FconstFconst
- konstante Lagerbelastungconstant bearing load
- FLFL
- Lagerbelastungbearing load
- Fresfresh
- resultierende Lagerbelastungresulting bearing load
- Fvarfvar
- variable Lagerbelastungvariable bearing load
- K1... K3K1... K3
- Kennliniencharacteristics
- MM
- Momentmoment
- MAMA
- Mittelachsecentral axis
- MhMh
- Haltemomentholding torque
- Ph1 ... Ph3Ph1 ... Ph3
- Phasenphases
- SWSW
- Stellwegtravel
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