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Die Erfindung betrifft einen mit Schwingungstilgermitteln ausgerüsteten Wälzgewindetrieb, insbesondere Kugelgewindetrieb, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auslegung und zum Betrieb eines solchen Wälzgewindetriebs.
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Ein gattungsgemäßer Wälzgewindetrieb ist beispielsweise aus der
EP 1 508 707 A1 bekannt. Eine Schwingungsdämpfungsfunktion soll in diesem Fall mit Hilfe eines keramischen Materials bewirkt werden, welches sich im Inneren einer Gewindespindel befindet. Der Gewindetrieb nach der
EP 1 508 707 A1 ist zur Verwendung in einer Kraftfahrzeuglenkung vorgesehen.
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Die
DE 10 2015 209 600 B4 offenbart einen Kugelgewindetrieb, welcher für die Verwendung in einem elektromechanischen Bremskraftverstärker oder in einer elektromechanischen Parkbremse vorgesehen ist. Der bekannte Kugelgewindetrieb umfasst ein Verdrehsicherungselement, durch welches zugleich ein axialer Anschlag ausgebildet ist.
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Aus der
DE 10 2019 111 144 A1 ist ein Spindeltrieb mit Verdrehsicherung bekannt, welcher insbesondere für Verwendung in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. In diesem Fall ist ein Verdrehsicherungselement als dämpfendes, mehrteiliges Element ausgebildet.
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Aus der
EP 2 207 982 B1 ist eine kombinierte Fahrzeugbremse bekannt, die eine hydraulisch betätigbare Betriebsbremse und eine elektromechanisch betätigbare Feststellbremsvorrichtung aufweist. Die letztgenannte Bremsvorrichtung arbeitet mit einem Kugelgewindetrieb, wobei die Spindelmutter des Kugelgewindetriebs als dessen Abtriebselement vorgesehen ist. Federende Elemente sind zwischen Wälzkörpern des Kugelgewindetriebs angeordnet und können als Schraubendruckfedern oder als Elastomerfedern ausgebildet sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wälzgewindetriebe mit Schwingungsdämpfung gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand, Bauraumbedarf und schwingungsdämpfender Wirkung angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wälzgewindetrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Auslegung und zum Betrieb eines Wälzgewindetriebs gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Auslegungs- und Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Wälzgewindetrieb, insbesondere Kugelgewindetrieb, und umgekehrt.
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Der Wälzgewindetrieb umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein erstes, als rotierbares Antriebselement vorgesehenes Gewindetriebselement sowie ein zweites, als verdrehgesichert verschiebbares Abtriebselement vorgesehenes Gewindetriebselement. Ferner existiert mit mindestens ein Schwingungstilgermittel. Dieses ist anmeldungsgemäß als Masse-Feder-System ausgebildet, welches ein Massestück umfasst, das über eine Feder mit einem der Gewindetriebselemente gekoppelt ist.
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Bei den allgemein als Gewindetriebselementen bezeichneten Komponenten handelt es sich typischerweise um eine Gewindespindel und eine zugehörige Spindelmutter. In Einzelfällen, insbesondere bei Ausbildung des Gewindetriebs als steigungstreuer Planetenwälzgewindetrieb, kann auch ein angetriebener, Wälzelemente führender Käfig als Gewindetriebselement im Sinne des Anspruchs 1 fungieren.
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In jedem Fall ist eines der Gewindetriebselemente eine Komponente eines Masse-Feder-Systems, welches als Schwingungstilgermittel vorgesehen ist. Das Masse-Feder-System umfasst weiterhin ein Massestück, welches über eine Feder mit dem betreffenden Gewindetriebselement gekoppelt ist. Das Massestück wird auch als Tilgermasse bezeichnet und hat typischerweise eine deutlich geringere Masse als das über die Feder mit dem Massestück zusammenwirkende Gewindetriebselement. Die Anzahl der Massestücke und zugehörigen Federn unterliegt keinen theoretischen Beschränkungen. So kann das insgesamt als Schwingungstilgermittel bezeichnete System beispielsweise ein einziges Massestück, zwei, drei, vier oder mehr Massestücke umfassen.
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Der Wälzgewindetrieb wird, ausgehend von einem Gewindetriebs-Prototypen, aus welchem der Wälzgewindetrieb zu entwickeln ist, folgendermaßen ausgelegt und betrieben:
- Zunächst werden mit Hilfe einer simulationsgestützten Modalanalyse die zu erwartenden Schwingungsfrequenzen des Systems, das heißt des gesamten Wälzgewindetriebs, welcher vorerst lediglich in Form des Gewindetriebs-Prototypen existiert, eingegrenzt. Anschließend werden Schwingungsfrequenzen, welche beim Betrieb des Gewindetriebs-Prototypen auftreten, gemessen. Sowohl die per Simulation ermittelten, zu erwartenden Schwingungen als auch die gemessenen Schwingungen weisen insbesondere Biegeeigenfrequenzen auf. Bei derartigen Schwingungen treten periodische Abweichungen zwischen der Lage der Mittelachse eines antreibenden Elements des Wälzgewindetriebs und der Lage der Mittelachse eines angetriebenen, verschiebbaren Elements des Wälzgewindetriebs auf. Die Analyse ist unter Nutzung des Berechnungswerkzeugs BEARINX des Anmelders durchführbar.
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Im Anschluss an die simulationsgestützte Modalanalyse wird der Gewindetriebs-Prototyp um ein Schwingungstilgermittel in Form eines Masse-Feder-Systems erweitert. Das Masse-Feder-System umfasst ein Massestück, das über eine Feder mit einem der Gewindetriebselemente gekoppelt ist, wobei die Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems auf eine zu eliminierende, zuvor gemessene Schwingungsfrequenz abgestimmt ist.
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Mit besonders hoher Wirksamkeit können mit dem Masse-Feder-System Radialschwingungen des Wälzgewindetriebs unterdrückt werden. Dies gilt sowohl für Varianten mit angetriebener Gewindespindel als auch für Varianten mit angetriebener Spindelmutter. In beiden Fällen kann sich die Tilgermasse entweder an der antreibenden, rotierenden Komponente oder an der angetriebenen, verdrehgesichert verschiebbaren Komponente befinden. Die Tilgung von Schwingungen umfasst insbesondere die Aufteilung von Schwingungen in mehrere, kleinere Frequenzen.
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In Ausgestaltungen, in denen die Gewindespindel einen massiven Körper des Masse-Feder-Systems darstellt, kann die Tilgermasse beispielsweise an einer Stirnseite der Gewindespindel angeordnet sein. Gemäß einer möglichen Untervariante ist die Tilgermasse hierbei als Ring ausgebildet, welcher radial über die Gewindespindel hinausragt. Der Ring kann beispielsweise über eine Feder in Form einer Tellerfeder oder über eine sternförmige Anordnung mehrerer Federn mit der Gewindespindel gekoppelt sein. In alternativer, besonders raumsparender Gestaltung kann sich die Tilgermasse ebenso wie die Feder in einem Hohlraum innerhalb der Gewindespindel befinden. In einem solchen Fall kann die Feder beispielsweise als Stabfeder oder als Schraubenfeder ausgebildet sein.
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In Ausgestaltungen, in denen sich die Tilgermasse an der Spindelmutter des Gewindetriebs befindet, existieren beispielsweise mehrere über den Umfang der Spindelmutter verteilt angeordnete Massestücke, welche jeweils über eine als Blattfeder ausgebildete Feder, die sich parallel zur Mittelachse der Gewindespindel erstreckt, mit der Spindelmutter gekoppelt sind.
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Das Masse-Feder-System kann grundsätzlich ein- oder mehrteilig gestaltet sein. Beispielsweise kann ein Masse-Feder-System ausschließlich durch die Gewindespindel ausgebildet sein, indem ein Abschnitt der Gewindespindel einen reduzierten Durchmesser aufweist und damit als Feder wirkt, wobei ein hieran anschließender, im Vergleich zur Feder verdickter Abschnitt als Tilgermasse wirkt und ebenfalls unmittelbar durch das Material der Gewindespindel bereitgestellt wird.
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Im Fall eines an der Spindelmutter befindlichen Masse-Feder-Systems können Federn beispielsweise durch ein hülsenförmiges Element, welches fest mit der Spindelmutter verbunden ist oder einen Abschnitt der Spindelmutter selbst darstellt, bereitgestellt werden. Tilgermassen können in diesem Fall entweder fest mit den Enden von streifenförmigen Federn verbunden oder durch ein- oder mehrfach umgeknickte Endabschnitte der Federn gebildet werden.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kugelgewindetriebs mit angetriebener Gewindespindel und einem Masse-Feder-System als Schwingungstilgermittel an der Gewindespindel,
- 2 ein weiteres, gegenüber 1 modifiziertes Ausführungsbeispiel eines Wälzgewindetriebs mit angetriebener Gewindespindel,
- 3 ausschnittsweise einen Wälzgewindetrieb mit angetriebener Spindelmutter und einem Masse-Feder-System an der Gewindespindel,
- 4 und 5 weitere, gegenüber 2 abgewandelte Ausführungsformen von Wälzgewindetrieben mit angetriebener Gewindespindel,
- 6 einen Kugelgewindetrieb mit angetriebener Gewindespindel und Masse-Feder-System an der Spindelmutter,
- 7 ein Einzelteil der Anordnung nach 6 in perspektivischer Ansicht,
- 8 eine gegenüber 7 abgewandelte Variante einer Tilgermasse des Masse-Feder-Systems des Wälzgewindetriebs nach 6,
- 9 eine alternative Ausgestaltung eines Masse-Feder-Systems an der Spindelmutter eines Wälzgewindetriebs.
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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.
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Bei einem insgesamt mit 1 bezeichneten Wälzgewindetrieb handelt es sich in den Ausführungsbeispielen ausnahmslos um einen Kugelgewindetrieb. Der Kugelgewindetrieb 1 kommt in einem elektromechanischen Bremskraftverstärker zum Einsatz. Eine Gewindespindel des Wälzgewindetriebs 1 ist mit 2, die zugehörige Spindelmutter mit 3 bezeichnet. Der Wälzgewindetrieb 1 ist einem elektromechanischen Aktuator 10 zuzurechnen, welcher einen nicht dargestellten Elektromotor umfasst, der über einen Riementrieb 4 eines der Gewindetriebselemente 2, 3, das heißt entweder die Spindel 2 oder die Mutter 3, antreibt. Ein Antriebsriemen des Umschlingungsgetriebes, das heißt Riementriebs 4, ist mit 5 bezeichnet. Alternativ kommt ein Direktantrieb, das heißt getriebeloser Antrieb, des Gewindetriebselements 2, 3 in Betracht. Beim Betrieb des Wälzgewindetriebs 1 entstehen signifikante Axialkräfte F, die maßgeblich auf einen hydraulischen Druck p im Bremssystem zurückzuführen sind.
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In den Ausführungsbeispielen nach den 1, 2, 4 bis 10 fungiert die Gewindespindel 2 als Antriebselement des Kugelgewindetriebs 1. Lediglich im Ausführungsbeispiel nach 3 wird die Spindelmutter 3 angetrieben. Das jeweils andere Gewindetriebselement 3, 2 ist innerhalb des Wälzgewindetriebs 1 verschiebbar und zugleich verdrehgesichert geführt. Ein verschiebbarer Kolben, auf den der Hydraulikdruck p wirkt, ist mit 6 bezeichnet. Zur Abdichtung des Kolbens 6 in einem Gehäuse 7 ist eine Dichtung 8 vorgesehen. Als Mittel zur Lagerung des rotierenden Gewindetriebselements 2, 3 ist eine in 3 beispielhaft angedeutete Wälzlagerung 9, insbesondere in Form eines Kugellagers, vorgesehen.
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In allen Ausführungsformen ist durch ein Masse-Feder-System 11 des Wälzgewindetriebs 1 ein Schwingungstilgermittel ausgebildet, welches insbesondere Schwingungen in Radialrichtung, das heißt quer zur Längsrichtung der Gewindespindel 2, unterdrückt. Derartige Schwingungen kommen in Biegeeigenschwingungen des Wälzgewindetriebs 1 zum Ausdruck. Biegeschwingungen bedeuten, dass die Ausrichtung der Mittelachse der Gewindespindel 2 gegenüber der Ausrichtung der Mittelachse der idealerweise konzentrischen Spindelmutter 3 in Form von Schwingungen variiert. Im Zuge der Tilgung solcher Biegeschwingungen der Gewindetriebselemente 2, 3 werden Schwingungen in mehrere, kleinere Frequenzen aufgeteilt.
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In den Bauformen nach den 1 bis 5 befindet sich das Masse-Feder-System 11 an der Gewindespindel 2. In den Fällen der 6 bis 9 ist die Spindelmutter 3 Teil des Masse-Feder-Systems 11. Im Fall von 10 sind sowohl spindel- als auch mutterseitige Komponenten des Wälzgewindetriebs 1 in das Masse-Feder-System 11 einbezogen. Das Masse-Feder-System 11 umfasst in allen Fällen mindestens ein auch als Tilgermasse bezeichnetes Massestück 12, welches unter Ausnutzung von Elastizitäten mit mindestens einem der Gewindetriebselemente 2, 3 zusammenwirkt.
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Im Fall von 1 ist nahe der mit 13 bezeichneten Stirnseite der Gewindespindel 2 eine ringförmig umlaufende Nut 14 in diese eingebracht, das heißt eingestochen. Das verbleibende Material der Gewindespindel 2 stellt eine Feder 15 dar. Das an die Feder 15 anschließende, als Tilgermasse 12 wirkende Endstück der Gewindespindel 2 ist einstückig mit der übrigen Gewindespindel 2 verbunden. Die Spindelmutter 3 verfährt niemals bis zum als Endstück der Gewindespindel 3 ausgebildeten Massestück 12. Das auch beim Massestück 12 vorhandene, allgemein mit 16 bezeichnete Gewinde der Gewindespindel 2 ist somit im Bereich der Tilgermasse 12 ohne Funktion. Die Elastizität der stabförmigen, unmittelbar aus der Gewindespindel 2 gebildeten Feder 15 ist auf die zu eliminierenden Schwingungen, bei welchen es sich im Wesentlichen um Schwingungen in Radialrichtung des Gewindetriebs 1 handelt, abgestimmt.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 dadurch, dass die Feder 15 sowie das Massestück 12 als gesonderte, stirnseitig an die Gewindespindel 2 angebaute Komponenten ausgebildet sind. Dies ermöglicht zum Beispiel die Verwendung einer vergleichsweise weichen Feder 15 sowie eines Massestücks 12 mit besonders hoher spezifischer Dichte.
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In der Ausführungsform nach 3 ist das Massestück 12 ebenfalls stirnseitig an der Gewindespindel 2 angebracht. Die Gewindespindel 2 ist in diesem Fall ausschließlich verschiebbar, wobei sie mit einem Kolben 6 des Bremssystems verbunden ist. Der Antrieb der Spindelmutter 3 erfolgt über ein rohrförmiges Ansatzstück 18 der Spindelmutter 3.
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In den Bauformen nach den 4 und 5 wiederum handelt es sich bei der Gewindespindel 2 um das angetriebene, mit Schwingungstilgermitteln 11 versehene Element des Gewindetriebs 1. Die Variante nach 4 unterscheidet sich von der Variante nach 2 dadurch, dass die Tilgermasse 12 als Ring ausgebildet ist, welcher die Gewindespindel 2 in Radialrichtung überragt. Im Verglich zur Bauform nach 2 ist damit ein geringerer Bauraumbedarf in Axialrichtung gegeben.
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Ein nochmals geringerer Bauraumbedarf ergibt sich aus der Gestaltung nach 5. In diesem Fall sind die Tilgermasse 12 sowie die Feder 15 in einem zentrischen Hohlraum 19 der Gewindespindel 2 angeordnet.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 6 und 7 ist das Masse-Feder-System 11 an der Spindelmutter 3 als nicht rotierendem, abtriebsseitigen Element des Wälzgewindetriebs 1 ausgebildet. Das hülsenförmige Ansatzstück 18 der Spindelmutter 3 weist in diesem Fall mehrere, über den Umfang verteilte Federn 15 auf, welche unmittelbar aus dem Material des Ansatzstücks 18 gebildet sind. Bei jeder der Federn 15 handelt es sich um einen Blechstreifen, welcher parallel zur Mittelachse des Gewindetriebs 1 ausgerichtet ist. Am Ende jeder dieser streifenförmigen Federn 15 ist ein Massestück 12 angebracht. Die Funktion eines solchen Massestücks 12 kann auch, wie in 8 skizziert, durch ein mehrfach umgeknicktes Ende der streifenförmigen Feder 15 realisiert sein.
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Im Ausführungsbeispiel nach 9 dient das hülsenförmige Ansatzstück 18 insgesamt als Tilgermasse 12. Die Feder 15 befindet sich in diesem Fall in einem Ringraum zwischen der Spindelmutter 3 und einer zylindrischen Innenwandung des Ansatzstücks 18. Gemäß 9 ist durch das Ansatzstück 18 zugleich ein Axialanschlag 20 an der Spindelmutter 3 ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzgewindetrieb, Kugelgewindetrieb
- 2
- Gewindespindel
- 3
- Spindelmutter
- 4
- Riementrieb
- 5
- Antriebsriemen
- 6
- Kolben
- 7
- Gehäuse
- 8
- Dichtung
- 9
- Wälzlagerung
- 10
- elektromechanischer Aktuator
- 11
- Masse-Feder-System
- 12
- Massestück, Tilgermasse
- 13
- Stirnseite
- 14
- Nut
- 15
- Feder
- 16
- Gewinde
- 17
- -
- 18
- Ansatzstück
- 19
- Hohlraum
- 20
- Axialanschlag
- F
- Axialkraft
- p
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1508707 A1 [0002]
- DE 102015209600 B4 [0003]
- DE 102019111144 A1 [0004]
- EP 2207982 B1 [0005]
