DE10233026A1 - Linearantrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, bestehend aus einem Elektromotor, einer ersten Untersetzungsgetriebestufe, einer Ausgangs-Untersetzungsgetriebestufe, einem linearen Verstellelement und einem Gehäuse. Bei derartigen Linearantrieben mit mehreren Untersetzungsgetriebestufen kann beim Anfahren gegen eine Endstellung die Gefahr des Verklemmens bestehen. Dies kann beim Anlaufen des Elektromotors zu Problemen führen. Insbesondere bei Anwendungen im Kraftfahrzeug dürfen Maßnahmen, die eine Verklemmung verhindern, keinen zusätzlichen Bauraum benötigen. Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearantrieb bereitzustellen, bei dem trotz einfachem, platzsparendem Aufbau und einfacher Montage ein zuverlässiger Anlauf des Elektromotors gewährleistet ist. Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht in der Kombination folgender Merkmale: Die erste Untersetzungsgetriebestufe ist ein Planetengetriebe, das Ausgangs-Untersetzungsgetriebe ist ein Spindeltrieb, bestehend aus einer Spindel und einer Gewindemutter, der Spindeltrieb ist selbsthemmend ausgeführt, zumindest ein Element des Spindeltriebs wirkt mit einer Klemmschutzeinrichtung zusammen und zwischen dem Elektromotor und dem Verstellelement ist eine Freischwenkeinrichtung angeordnet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, bestehend aus einem Elektromotor, einer ersten Untersetzungsgetriebestufe, einer Ausgangs-Untersetzungsgetriebestufe, einem linearen Verstellelement und einem Gehäuse.
• Bei derartigen Linearantrieben mit mehreren Untersetzungsgetriebestufen besteht beim Anfahren gegen eine Endstellung die Gefahr des Verklemmens. Dies kann beim Anlaufen des Elektromotors zu Problemen führen. Insbesondere bei Anwendungen im Kraftfahrzeug dürfen Maßnahmen, die eine Verklemmung verhindern keinen zusätzlichen Bauraum benötigen.
• Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Linearantrieb bereitzustellen, bei dem trotz einfachem, platzsparendem Aufbau und einfacher Montage ein zuverlässiger Anlauf des Elektromotors gewährleistet ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale gelöst: die erste Untersetzungsgetriebestufe ist ein Planetengetriebe, das Ausgangs-Untersetzungsgetriebe ist ein Spindeltrieb, bestehend aus einer Spindel und einer Gewindemutter, der Spindeltrieb ist selbsthemmend ausgeführt, zumindest ein Element des Spindeltriebs wirkt mit einer Klemmschutzeinrichtung zusammen, und zwischen dem Elektromotor und dem Verstellelement ist eine Freischwenkeinrichtung angeordnet.
• Da die erste Untersetzungsgetriebestufe ein Planetengetriebe und das Ausgangs-Untersetzungsgetriebe ein Spindeltrieb ist, ist ein symmetrischer platzsparender Aufbau möglich. Der Spindelantrieb ist selbsthemmend ausgebildet, um aufgrund von Rückstellkräften eines zu verstellenden Stellglieds keine Verstellung der aktuellen Position zuzulassen. Die Klemmschutzeinrichtung bewirkt ein Anhalten der Relativbewegung zwischen der Spindelmutter und der Spindel, dies reduziert die Gefahr des Verklemmens und die Freischwenkeinrichtung bewirkt ein lastfreies Anlaufen des Elektromotors bei Drehrichtungsumkehr, so dass der Motor zumindest über einen begrenzten Winkelbereich beschleunigen und genügend kinetische Energie aufnehmen kann, die ausreicht um ein Lösen der zumindest über Haftreibung aneinanderanliegenden Getriebebestandteile zu bewirken.
• Um den Linearantrieb einfach montieren zu können wird als Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen das Gehäuse aus einer einzigen Gehäusekammer aufzubauen, die von einem Motor-Gehäuseteil und einem Getriebe-Gehäuseteil begrenzt ist.
• Da die Freischwenkeinrichtung und der Elektromotor gemeinsam in einer Gehäusekammer angeordnet sind, ist es zweckmäßig die Freischwenkeinrichtung zwischen einem Rotor des Elektromotors und einem Sonnenrad des Planetengetriebes anzuordnen.
• Um die Freischwenkeinrichtung einerseits Stabil und dennoch mit einfachen Bauteilen auszuführen wird vorgeschlagen dass diese zumindest einen, vorzugsweise zwei, Zylinderstifte als Mitnehmen aufweist, die in Freisparungen eingreifen. Vorzugsweise sind dabei die Freisparungen im Sonnenrad als kreisringsegmentförmige Nuten eingeformt und die Zylinderstifte im Rotor kraftschlüssig oder durch Kleben befestigt.
• Die Spindel ist mit einem Planetenträger des Planetengetriebes einstöckig, um die Teileanzahl so gering wie möglich zu halten. Dieser Planetenträger ist auf einer Motorwelle oder Motorachse drehbar gelagert. Es ist umgekehrt auch denkbar die Motorwelle oder Motorachse im Planetenträger drehbar zu lagern. Auf diese Weise ist ein besonders einfacher Aufbau möglich.
• Ein Verdrehsicherungsbereich in oder an der Gewindemutter ist erforderlich, um eine Linearbewegung des Verstellelements bei sich drehender Spindel zu ermöglichen. Dazu ist die Gewindemutter mit dem Verdrehsicherungsbereich in dem Getriebe-Gehäuseteil längsbeweglich gelagert ist, wobei die Gewindemutter mit zumindest einem Vorsprung/Rücksprung und das Getriebe-Gehäuseteil mit zumindest einem Rücksprung/Vorsprung versehen ist, die miteinander nahezu unverdrehbar formschlüssig in Eingriff sind. Die jeweiligen Rücksprünge sind dienen auch als Längsführungen für das Verstellelement.
• Die Klemmschutzeinrichtung wirkt zwischen der Gewindemutter und dem Planetenträger. Zur Bereitstellung bzw. Vergrößerung einer Anlagefläche zwischen dem Verstellelement bzw. der Gewindemutter und der Klemmschutzeinrichtung ist ein flanschartiger, vorzugsweise mit der Gewindemutter bzw. dem Verstellelement einstückiger Ansatz vorgesehen.
• Als einfaches und einfach zu montierendes Bauteil für eine Klemmschutzeinrichtung eignen sich O-Ringe oder Tellerfedern – diese sind als Standardprodukte verfügbar.
• Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung einer Klemmschutzeinrichtung für einen Linearantrieb stellt ein Drehanschlag dar, wobei dessen Breite in Axialrichtung kleiner oder gleich der Gewindesteigung des Spindelantriebs ist. In diesem Fall wirkt der Anschlag nur am Ende des Stellwegs. Auch hier wird vorgeschlagen, dass der Drehanschlag durch einen Bereich der Gewindemutter einerseits und einem Bereich des Planetenträgers andererseits gebildet wird, also ohne zusätzlichen Teileaufwand.
• Es ist sinnvoll das längsbewegliche Verstellelement mit einer Drehachse des Elektromotors fluchtend anzuordnen um einen symmetrischen Gesamtaufbau zu erhalten.
• Das Verstellelement ist zur Verringerung der Teileanzahl mit der Gewindemutter und/oder mit einem Kugelkopf-Kupplungsteil einstöckig.
• Der Elektromotor ist zur Verbesserung der Geräuscheigenschaften und zur Erhöhung der Lebensdauer als elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ausgeführt, dabei ist für eine zum Betrieb des Motors notwendige Kommutierungsschaltung innerhalb der Gehäusekammer angeordnet. Dieser Aufbau stellt eine besonders kompakte Lösung dar, weil keine elektrischen Verbindungskabel, außer den Versorgungsanschlüssen, zu einer externen Elektronik vorhanden sind.
• Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor weist drei Statorpole auf, die mit einem Rückschlussring zu einem Stator zusammengesetzt sind, wobei die Statorpole und der Rückschlussring aus paketierten weichmagnetischen Blechschnitten bestehen. Der Rückschlussring ist innerhalb des Motorgehäuseteils angeordnet, das wie die übrigen Gehäuseteile bevorzugt aus spritzgusstechnisch verarbeitbarem Kunststoffmaterial besteht.
• Als Anwendung für den beschriebenen Linearantrieb ist ein schaltbares Hydrolager im Kraftfahrzeug vorgesehen. Schaltbare Hydrolager verhindern die von der Drehzahl von Verbrennungsmotoren abhängige Bildung unerwünschter Vibrationen, indem die Dämpfungscharakteristik geändert wird.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebs,
• 2 eine vereinfachte Darstellung einer Freischwenkeinrichtung,
• 3 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebs und
• 4 eine Ansicht einer Klemmschutzeinrichtung.
• 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines Linearantriebs 1, mit einem in einer ersten Gehäusekammer 64 eines Gehäuses 6 angeordneten Elektromotor 2, der als elektronisch kommutierter Gleichstrommotor 20 ausgeführt ist, bestehend aus einem auf einer Rotorachse 210 drehbar gelagerten Rotor 21, in Form eines Permanentmagnetrotors, einem bewickelte Statorpole 250 und einen Rückschlussring 251 aufweisenden Stator 25 und einer Kommutierungsschaltung 24, einer ersten Untersetzungsgetriebestufe 3, in Form eines Planetengetriebes 30, bestehend aus einem auf der Motorachse 210 drehbar gelagerten Sonnenrad 31, das auf Lagerzapfen 330 eines Planetenträgers 33 gelagerten Planetenräder 32, die sich an einem gehäusefesten Hohlrad 35 abstützen, antreibt und einer Freischwenkeinrichtung 22, die einerseits durch das Sonnenrad 31 und andererseits durch den Rotor 21 gebildet ist, wobei Zylinderstifte 220 vorgesehen sind, die in Freisparungen 221 des Sonnenrads 31, in Form von ringsegmentartigen Nuten, eingreifen, eine in einer zweiten Gehäusekammer 65 angeordneten Ausgangs-Getriebestufe 4, in Form eines Spindeltriebs 40, der aus einem mit dem Planetenträger 33 einstückigen Spindel 41 und einer mit einem Verstellelement 5 einstückigen Gewindemutter 42 besteht, die einen flanschartigen Ansatz 51 aufweist, der zur Bildung bzw. Vergrößerung der Anlagefläche zumindest ein Endlagendämfpungselement, hier in Form eines elastischen O-Rings, dient. Die erste Motorkammer wird durch ein Motor-Gehäuseteil 63 und einem Zwischen-Gehäuseteil 62 und die zweite Motorkammer durch das Zwischen-Gehäuseteil 62 und ein Getriebe-Gehäuseteil 61 gebildet. Das Verstellelement 5 fluchtet mit einer Drehachse 23 des Elektromotors 2 und verläuft durch eine Öffnung des Getriebe-Gehäuseteils 61 und ist über ein Kugelkopf-Kupplungsteil mit einem Stellglied kuppelbar.
• 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Freischwenkeinrichtung 22, mit dem angedeuteten Sonnenrad 31, einer Lagerausnehmung 310 den darin eingeformten Freisparungen 221 und den in die Freisparungen eingreifenden Zylinderstifte 220. Hierbei sind jeweils zwei Freisparungen 221 und zwei Zylinderstifte 221 dargestellt. Es ist möglich die Anzahl der Freisparungen und Zylinderstifte nach Bedarf zu wählen. Die dargestellte Anzahl ergibt sich als optimaler Kompromiss zwischen Stabilität, Unwucht und größtmöglichem Freischwenkwinkel.
• 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearantriebs, wobei nur eine einzige Gehäusekammer 60 vorgesehen ist, die durch ein Motor-Gehäuseteil 63 und ein Getriebegehäuseteil 61 begrenzt wird. Innerhalb der Gehäusekammer 60 sind ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor 2, bestehend aus einem Stator mit Statorpolen 250, die jeweils mit einer Wicklung versehen sind, einem Rückschlussring 251 und einer Kommutierungsschaltung 24, einem Rotor 21 der Permanentmagnetpole aufweist und auf über eine Welle 210 im Gehäuse 6 drehbeweglich gelagert ist, einer ersten Untersetzungsgetriebestufe 3 in Form eines Planetengetriebes 30, dessen Sonnenrad 31 über eine Freischwenkeinrichtung 22 mit dem Rotor 21 in Mitnahmeverbindung steht und mit Planetenrädern 32 in Eingriff ist, die in einem Hohlrad 35 abrollen und auf einem Planetenträger 33 gelagert sind, wobei der Planetenträger auf der Rotorwelle drehbar gelagert und mit einer Spindel 41 einer Ausgangs-Untersetzungsgetriebestufe 4 einstückig ist. Die Spindel 41 ist hierbei mit einer drehfest aber axial beweglichen Gewindemutter, die als Verstellelement ausgebildet ist Betrieblich in Eingriff. Ein Ansatz 51 ist an beiden Enden des Stellwegs anschlagbar mit dem Planetenträger einerseits und dem Getriebe-Gehäuseteil 61 anderersetis anschlagbar. Zwischen dem Ansatz 51 und dem Planetenträger 33 können verschiedene Varianten einer Klemmschutzeinrichtung, wie O-Ring oder Tellerfedern eingesetzt werden. Die Freischwenkeinrichtung ist analog zu 2 ausgebildet.
• 4 zeigt einen Spindeltrieb 40 als Teil des Linearantriebs 1 mit einer Spindel 41 und einer Gewindemutter 42, wobei hier die Gewindemutter 42 als Getriebeausgang dient und gegen Verdrehung gesichert ist (Verdrehsicherung nicht dargestellt). Ein mit der Gewindemutter 42 verbundenes oder auch einstückiges Kugelkopf-Kupplungsteil 50, dient als Kupplungselement das in eine entsprechend geformte Gelenkpfanne (nicht dargestellt) eines Stellglieds einsetzbar ist. Die Spindel 41 ist einstückig mit einem Planetenträger 33 eines Planetengetriebes ausgeführt, wobei im Bereich zwischen dem Planetenträger 33 und der Spindel 41 ein Dreh-Anschlag 44 angeordnet ist, der in der dargestellten Stellung einem Gegen-Drehanschlag 45, als Bestandteil der Gewindemutter 42 gegenüberliegt. Dreh-Anschlag 44 und Gegen-Drehanschlag 45 bilden zusammen eine Klemmschutzeinrichtung 43. Der Dreh-Anschlag 44 weist eine Anschlagfläche 440 und der Gegen-Drehanschlag 45 eine Gegenanschlagfläche 450 auf, die geringfügig größer sind als die tatsächlich wirksam als Anschlagflächen dienende Flächen 440', 450'. Die Breite b der wirksamen Anschlagfläche 440', 450' ist im gleichen Maße geringer als die Gesamtbreite der Anschlagfläche; sie ist auch geringer als die Steigung der Spindel 41. Nur so ist es möglich den Dreh-Anschlag 44 und den Gegen-Drehanschlag 45 in der gewünschten Weise in Anschlagstellung zu bringen. Das vorliegende Beispiel zeigt nur einen Anschlag (je Endlage). Aus Symmetriegründen, wäre auch eine Lösung mit zwei Anschlägen denkbar. Die Anschlagfläche würde hierbei auf die beiden Anschläge verteilt werden. Bei Verwendung von Kunststoffmaterial für den Spindeltrieb 40 wird aus Festigkeitsgründen ein einziger Anschlag/Gegenanschlag bevorzugt.
• Es wird hiermit ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die 1 bis 4 spezielle Beispiele für den erfindungsgemäßen Linearantrieb sind, auf die sich die Erfindung jedoch nicht beschränkt.

1

Linearantrieb

2

Elektromotor

20

elektronisch kommutierter Gleichstrommotor

21

Rotor

210

Rotorwelle/Rotorachse

22

Freischwenkeinrichtung

220

Zylinderstift

221

Freisparung

23

Drehachse

24

Kommutierungsschaltung

25

Stator

250

Statorpol

251

Rückschlussring

3

erste Untersetzungsgetriebestufe

30

Planetengetriebe

31

Sonnenrad

310

Lagerausnehmung

32

Planetenräder

33

Planetenträger

330

Lagerzapfen

35

Hohlrad

4

Ausgangs-Untersetzungsgetriebestufe

40

Spindeltrieb

41

Spindel

42

Gewindemutter

43

Klemmschutzeinrichtung

44

Drehanschlag

440

Anschlagfläche

440'

wirksame Anschlagfläche

45

Gegen-Drehanschlag

450

Gegenanschlagfläche

450'

wirksame Gegenanschlagfläche

46

Stirnseite (Spindel)

47

Stirnseite (Gewindemutter)

5

Verstellelement

50

Kugelkopf-Kupplungsteil

51

Ansatz

6

Gehäuse

60

einzige Gehäusekammer

61

Getriebe-Gehäuseteil

62

Zwischen-Gehäuseteil

63

Motor-Gehäuseteil

64

erste Gehäusekammer

65

zweite Gehäusekammer

Claims (22)

1. Linearantrieb (1), bestehend aus einem Elektromotor (2), einer ersten Untersetzungsgetriebestufe (3), einer Ausgangs-Untersetzungsgetriebestufe (4), einem linearen Verstellelement (5) und einem Gehäuse (6), gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) die erste Untersetzungsgetriebestufe (3) ist ein Planetengetriebe (30), b) das Ausgangs-Untersetzungsgetriebe (4) ist ein Spindeltrieb (40), bestehend aus einer Spindel (41) und einer Gewindemutter (42), c) der Spindeltrieb (40) ist selbsthemmend ausgeführt, d) zumindest ein Element des Spindeltriebs (40) wirkt mit einer Klemmschutzeinrichtung (43) zusammen, e) zwischen dem Elektromotor und dem Verstellelement (5) ist eine Freischwenkeinrichtung (22) angeordnet.
2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) eine einzige Gehäusekammer (60) aufweist, die von einem Motor-Gehäuseteil (63) und einem Getriebe-Gehäuseteil (61) begrenzt ist.
3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freischwenkeinrichtung (22) einerseits an oder in einem Rotor (21) des Elektromotors (2, 20) und andererseits an oder in einem Sonnenrad (31) des Planetengetriebes (30) angeordnet ist.
4. Linearantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freischwenkeinrichtung (22) zumindest einen, vorzugsweise zwei, Zylinderstifte (220) als Mitnehmer aufweist, die in Freisparungen (221) eingreifen.
5. Linearantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Freisparungen (221) im Sonnenrad (31) als kreisringsegmentförmige Nuten eingeformt sind und die Zylinderstifte (220) im Rotor (21) kraftschlüssig (eingepresst) oder durch Kleben befestigt sind.
6. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (41) mit einem Planetenträger (33) des Planetengetriebes (30) einstückig ist.
7. Linearantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Planetenträger (33) auf einer Motorwelle oder Motorachse (210) des Elektromotors (2), bzw. die Motorwelle oder Motorachse (210) im Planetentrager drehbar gelagert ist.
8. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (42) einen Verdrehsicherungsbereich aufweist.
9. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (42) mit dem Verdrehsicherungsbereich in dem Getriebe-Gehäuseteil (61) längsbeweglich gelagert ist, wobei die Gewindemutter mit zumindest einem Vorsprung/Rücksprung und das Getriebe-Gehäuseteil (61) mit zumindest einem Rücksprung/Vorsprung versehen ist, die miteinander nahezu unverdrehbar formschlüssig in Eingriff sind.
10. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschutzeinrichtung (43) zwischen der Gewindemutter (42) und dem Planetenträger (33) wirkt.
11. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindemutter (42) und/oder das Verstellelement (5) mit einem flanschartigen Ansatz (51) als Anlagefläche für die Klemmschutzeinrichtung (43) versehen ist.
12. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschutzeinrichtung (43) zumindest einen O-Ring aufweist.
13. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschutzeinrichtung (43) zumindest eine Tellefeder aufweist.
14. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschutzeinrichtung zumindest einen Drehanschlag aufweist.
15. Linearantrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Drehanschlags in Axialrichtung kleiner oder gleich der Gewindesteigung des Spindelantriebs ist.
16. Linearantrieb nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehanschlag durch einen Bereich der Gewindemutter (42) einerseits und einem Bereich des Planetenträgers (33) andererseits gebildet wird.
17. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das längsbewegliche Verstellelement (5) mit einer Drehachse (23) des Elektromotors (2) fluchtet.
18. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellelement (5) mit der Gewindemutter (42) und/oder mit einem Kugelkopf-Kupplungsteil (50) einstöckig ist.
19. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (20) ist.
20. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kommutierungsschaltung (24) innerhalb der Gehäusekammer (60) angeordnet ist.
21. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor drei Statorpole (250) aufweist, die mit einem Rückschlussring (251) zu einem Stator (25) zusammengesetzt sind, wobei die Statorpole (250) und der Rückschlussring (251) aus paketierten weichmagnetischen Blechschnitten besteht.
22. Linearantrieb nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Antrieb eines schaltbaren Hydrolagers im Kraftfahrzeug dient.