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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Getriebeelement gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 1, auf ein Getriebe, vorzugsweise selbsthemmendes
Getriebe, mit einem solchen Getriebeelement gemäß Oberbegriff Patentanspruch
16 sowie auf einen elektromotorischen Antrieb mit einem solchen
Getriebe gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 17.
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Bekannt
sind elektromotorische Antriebe, insbesondere auch elektromotorische
Hilfsantriebe, zur Verwendung in Fahrzeugen, beispielsweise für Front-
und Heckwischeranlagen, für
Sitzverstelleinheiten usw.. Elektromotorische Antriebe sind weiterhin
auch in anderen Bereichen üblich,
beispielsweise als Antriebe für
Garagentore, für
Rolladen oder Rolladenpanzer, für
Markisen, aber auch in Kaffeeautomaten usw.
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Der
Elektromotor eines solchen Antriebs ist beispielsweise als Gleichstrommotor
mit einer drehbar gelagerten Ankerwelle mit Ankerpaket und Ankerwicklung
sowie mit gehäuseseitig
angeordneten und mit dem Ankerpaket zusammenwirkenden Permanentmagneten
ausgebildet. Sofern der Elektromotor positionsgesteuert ausgebildet
ist, beispielsweise auch als reversierender Elektromotor für Front-
oder Heckwischeranlagen oder für
andere Anwendungen, sind weiterhin Mittel zur Positionserkennung
vorhanden, beispielsweise Hall-Sensoren bzw. Hall-ICs.
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Speziell
bei Antrieben dieser Art ist es weiterhin erforderlich, zumindest
aber zweckmäßig, Mittel vorzusehen,
die eine Drehsicherung der Ankerwelle bzw. des Getriebes im nicht
bestromten Zustand des Antriebsmotors sicherstellen, d.h. in speziellen
Positionen des Antriebs, wie z.B. Ausgangs- oder Parkposition, Umkehrposition
usw..
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Speziell
auch bei reversierenden Motoren oder elektromotorischen Antrieben
für Front-
und Heckscheibenwischer ist eine Drehsicherung in der Ausgangs-
oder Parkstellung des Wischers, aber evtl. auch in den Umkehrpositionen
notwendig, um eine ungewollte und/oder unbefugte Betätigung von außen z.B. über einen
Wischarm zu verhindern, beispielsweise in einer Fahrzeugwaschanlage,
durch Winddruck oder durch Vandalismus.
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Die
Drehsicherung läßt sich
grundsätzlich durch
Ausbildung des Getriebes als selbsthemmendes Getriebe erreichen,
z.B. durch Ausbildung des Getriebes als Schneckengetriebe, wobei
allerdings für
eine wirksame Selbsthemmung ein geringer Steigungswinkel der Schnecken-Rad-Verbindung
notwendig ist.
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Bekannt
ist es auch, in Getrieben für
eine Selbsthemmung zusätzliche
Mittel vorzusehen, z.B. auf der Getriebewelle eine Schlingfederbremse
oder ein schlingfederartig wirkendes Bremselement (
DE 196 28 520 A1 ) oder
aber auf der Ankerwelle zusätzlich
zum Ankerpaket ein scheibenartiges Drehsicherungselement anzuordnen,
welches bei nicht bestromtem Motor durch das Magnetfeld der Permanentmagneten
in einer vorgegebenen Position gehalten wird (
DE 101 25 836 A1 ).
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Nachteilig
ist bei diesen bekannten Lösungen
u.a. der zusätzliche
Platzbedarf und die zusätzlichen
Bauteilkosten für
die Drehsicherung. Weiterhin nachteilig ist auch das Auftreten von
zusätzlichen Geräuschemissionen.
Ferner schließen
diese bekannten Lösungen
in der Regel den Einsatz von Lagern mit Freilaufmechanismen, Kulissen-Feder-Bremskeillösungen und
anderen Sonderkonstruktionen, wie beispielsweise Hubmagnetlösungen usw.,
aus. Auch kommt es bei den bekannten Lösungen vielfach zu weiteren
Problemen, wie erhöhter Verschleiß, reduzierte
Lebensdauer und aufwendige Bauteilabstimmung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Getrieberad
aufzuzeigen, welches es bei einem reduzierten Fertigungsaufwand und
bei reduzierten Herstellungskosten ermöglicht, ein selbsthemmendes
Getriebe zu realisieren. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist ein Getrieberad entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet. Ein selbsthemmendes Getriebe bzw. ein elektromotorischer
Antrieb sind entsprechend dem Patentanspruch 16 bzw. 17 ausgebildet.
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Das
erfindungsgemäße Getrieberad
kann einschließlich
seiner Verzahnung zumindest außerhalb
des Teilbereichs als preiswertes Bauteil aus Kunststoff, beispielsweise
in einem Spritzgießverfahren
gefertigt werden. Lediglich in dem Teilbereich, der beispielsweise
der End- oder Ruheposition bzw. der Park- und/oder Umkehrposition
des Antriebs entspricht, ist die Verzahnung zumindest an der mit
einem weiteren Getriebe- oder Verzahnungselement zusammenwirkenden
Oberfläche
zumindest teilweise von einem Material (Material des zweiten Typs) gebildet,
welches in Paarung mit dem Material (Material des ersten Typs) des
weiteren Getriebe- oder Verzahnungselementes eine erhöhte Haft-
und/oder Gleitreibung bewirkt. In diesem Teilbereich ist die Verzahnung
oder deren Oberfläche
beispielsweise von Bronze, Messing, oder von einem duroplastischen
Kunststoff, beispielsweise von einem duroplastischen Schichtpressstoff,
gebildet.
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Der
betreffende Teilbereich der Verzahnung besteht beispielsweise aus
einem Einsatz oder Segment, welcher bzw. welches in das Getrieberad
eingesetzt oder dort durch Einspritzen verankert ist und eine Verzahnung
aufweist, die die Fortsetzung der Verzahnung des Getrieberades außerhalb
dieses Teilbereichs bildet. Der entsprechende Teilbereich kann aber
auch so ausgeführt
sein, daß die
Verzahnung dort mit einer Oberflächenschicht
aus dem Material des zweiten Typs versehen ist, beispielsweise durch
galvanisches und/oder chemisches Abscheiden oder aber durch Aufbringen
einer Folie aus dem Material des zweiten Typs auf die Oberfläche der
Verzahnung.
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Der
elektromotorische Antrieb bzw. dessen Antriebselement oder -motor
sind bevorzugt ein positionsgesteuerter Antrieb bzw. Motor, d.h.
beispielsweise ein reversierender Antrieb oder Motor. Der Teilbereich
kann weiterhin auch so ausgebildet sein, daß die Zähne in diesem Teilbereich eine
erhöhte
Festigkeit aufweisen, was insbesondere bei Antrieben, die in den
Endlagen auf Block gefahren werden, wie dies beispielsweise bei
Garagentorantrieben der Fall ist, die Gefahr einer Beschädigung der
Zähne wirksam reduziert.
Weiterhin ist es auch möglich,
die Zähne
in dem Teilbereich so auszuführen,
daß insbesondere in
den Endpositionen ein Überlastungsschutz
durch Sollbruch erzielt ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Getrieberad mit detektierbaren Mitteln, beispielsweise
mit zusätzlichen
Einlegeteilen oder Segmenten versehen, die eine Positionserkennung
am Getrieberad durch ein entsprechendes Sensorelement, beispielsweise
Hall-Sensor oder Hall-IC, ermöglichen.
Durch die am Getrieberad vorgesehenen detektierbaren Mittel können Zusatzeinrichtungen,
die für
die Positionserkennung notwendig wären, entfallen. Die detektierbaren
Mittel oder die von dem jeweiligen Sensorelement gelieferten Signale können aber
auch für
andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise zur Drehzahlmessung,
Referenzpunktmessung oder -steuerung usw.
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Wesentliche
Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt, zusammenfassen:
- • Die
verwendeten Einlegeteile oder Segmente können einfach und preiswert
mit hoher Stückzahl,
beispielsweise auch als Guß-
oder Sinterteile aus Bronze oder Messing hergestellt und in dem
jeweiligen aus Kunststoff gefertigten Getrieberad einfach, z.B.
durch Einrasten, Einschnappen oder Einspritzen, verankert werden.
- • Durch
optimale Wahl der Materialpaarung ist eine echte Selbsthemmung bei
niedrigen Herstellungskosten möglich.
- • Der
elektrische Antriebsmotor kann als Rundläufer betrieben werden, wobei
die Verzahnung des Getrieberades außerhalb und innerhalb des Teilbereichs
aus dem Material des zweiten Typs identisch ausgeführt ist.
- • Es
besteht im hohen Maße
die Möglichkeit,
die Materialien, die Art, die Geometrie der Verzahnung usw. den
jeweiligen Anforderungen entsprechend zu wählen.
- • Das
Anzugsmoment des jeweiligen Antriebs wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung
des Getrieberades nicht oder nahezu nicht beeinträchtigt.
- • Ist
der jeweilige Teilbereich von einem Segment oder Einlegeteil aus
einem detektierbarem Material, beispielsweise aus Metall gebildet,
so kann bereits dieses Segment oder Einlegeteil zur Positionserkennung
genutzt werden.
- • Durch
entsprechende Wahl des Materials des zweiten Typs kann in besonderen
Bereichen die Festigkeit der Zähne
erhöht
werden, wodurch das entsprechende Getriebe insbesondere auch für Antriebe
geeignet ist, die in den Endlagen auf Block gefahren werden.
- • Die
Rundheit des Getrieberades bleibt voll erhalten.
- • Durch
Verwendung von Einlegeteilen oder Segmenten besteht weiterhin die
Möglichkeit,
Tests mit unterschiedlichen Materialpaarungen in besonders einfacher
Weise durch Austausch der Segmente durchzuführen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der 1–4, die jeweils in perspektivischer
Darstellung ein Getrieberad eines Getriebes eines motorischen Antriebs,
beispielsweise eines Hilfsantriebs für Fahrzeuge, zusammen mit einer
Welle zeigen, näher
erläutert.
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In
der 1 ist 1 das
Zahnrad oder Getrieberad (z.B. Abtriebsrad) eines ansonsten nicht
dargestellten Getriebes für
einen elektromotorischen Antrieb mit einem ebenfalls nicht dargestellten
positionserkennenden Elektromotor, z.B. reversierenden Elektromotor,
vorgesehen.
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Das
Getrieberad 1, welches z.B. das Schneckenrad eines selbsthemmenden
Schneckengetriebes ist, ist aus Kunststoff gefertigt und an seinem Umfang
mit einer Verzahnung 1.1 versehen. Über eine, z.B. auch zur Begrenzung
des Drehmomentes dienende, Kupplungsanordnung 2 ist das
Getrieberad 1 mit einer abtreibenden Getriebewelle 3 antriebsmäßig verbunden.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
weist das scheibenartige Getrieberad 1 an einer Stirnseite zwei
Einlegteile 4 und 5 auf, die aus einem von dem Kunststoffmaterial
des Getrieberades abweichenden Material bestehen und somit als detektierbare
Segmente oder Einlegteile ausgeführt
sind. Die Einlegteile 4 und 5, die mit gleichem
radialen Abstand von der Achse der Welle 3 vorgesehen sind,
wirken mit einem die Position des Getrieberades 1 und damit
auch des Getriebes und des Antriebs erkennenden bzw. detektierenden,
nicht dargestellten elektrischen Sensorelement, beispielsweise mit
einem Hall-Sensor oder Hall-IC zusammen, welcher den positionserkennenden
Motor steuert. Das Material der Einlegteile 4 und 5 ist
daher so gewählt,
daß diese
in optimaler Weise mit dem positionserkennenden Sensor zusammenwirken,
d.h. die Einlegeteile 4 und 5 sind beispielsweise
Permanentmagnete.
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Ein
weiteres Einlegeteil 6 bildet einen Teilbereich der Verzahnung 1.1 des
Getrieberades 1, und zwar an einem Bereich, an dem ein
mit dem Getrieberad 1 zusammenwirkendes weiteres Getriebeelement,
beispielsweise ein Ritzel oder eine Schnecke, mit der Verzahnung
des Getrieberades 1 in einer Park- oder Ausgangsstellung
des elektromotorischen Antriebs in Eingriff steht. Das Material
des Einlegeteils 6 ist entsprechend den Erfordernissen
im Bereich dieser End- und Parkstellung ausgewählt, und zwar beispielsweise
derart, daß für eine optimale Selbsthemmung
des Getriebes die Materialpaarung aus dem Material des Einlegeteils 6 und
aus dem Material des mit der Verzahnung 1.1 zusammenwirkenden
weiteren Getriebelementes eine möglichst
hohe Haft- und/oder
Gleitreibung aufweist.
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Weiterhin
ist das Material für
das Einlegeteil 6 z.B. auch so ausgewählt, daß die Verzahnung 1.1 in
dieser Parkstellung eine möglichst
hohe Festigkeit aufweist und dadurch die Gefahr eines Ausbrechens von
Zähnen
stark reduziert ist, was insbesondere bei einem elektromotorischen
Antrieb, der in der Endlage auf Block gefahren wird, beispielsweise
bei einem reversierenden elektromotorischen Antrieb für Garagentore,
zweckmäßig ist.
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Als
Material für
das Einlegeteil 6 wird beispielsweise ein Metall verwendet,
welches in der Paarung mit Stahl eine hohe Haft- und/oder Gleitreibung
bewirkt. Für
das Einlegeteil 6 eignet sich daher beispielsweise Bronze,
Messing oder aber ein duroplastischer Schichtpressstoff. Bei der
dargestellten Ausführungsform
liegen sich die Einlegeteile 4 und 5 bezogen auf
die Achse der Welle 3 diametral gegenüber. Das Einlegeteil 5 ist
dem Einlegeteil 6 benachbart vorgesehen.
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Grundsätzlich können die
Einlegeteile 4, 5 und 6, z.B. abhängig von
der jeweiligen Ausgangsstellung und Umkehrstellung eines Antriebes,
auch in einem anderen Winkel relativ zueinander um die Achse der
Welle 3 verteilt angeordnet oder aber es können zusätzlich zu
den Einlegeteile 4 und 5 noch weitere Teile vorgesehen
sein, um beispielsweise bei einem elektromotorischen Antrieb für Scheibenwischer den
jeweils gewünschten
Wischwinkel zu erreichen.
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Die
Einlegeteile 4–6 können preiswert
in großen
Stückzahlen
gefertigt werden, beispielsweise durch Formen, Gießen, Sintern
usw., und werden in dem Kunststoffmaterial des Getrieberades 1 in
geeigneter Weise verankert, beispielsweise durch eine formschlüssige oder
rastende Verbindung (z.B. Einschnappen oder Einrasten) oder aber
durch Einspritzen in das Kunststoffmaterial des Getrieberades 1 (z.B.
in einem Inmold-Spritzgießverfahren).
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Die
Verzahnung des Einlegeteils 6 entspricht der restlichen
Verzahnung 1.1, d.h. die Verzahnung des Einlegeteils 6 bildet übergangslos
oder nahezu übergangslos
die Fortsetzung der Verzahnung 1.1, so daß der Antrieb
bzw. dessen Elektromotor als Rundläufer, aber auch als reversierender
Motor betrieben werden kann.
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Durch
die Verwendung von zwei, an der Stirnseite des Getrieberades 1 vorgesehenen
und mit dem nicht dargestellten positionserkennenden Sensorelement
zusammenwirkenden Einlegeteilen 4 und 5 können zwei
Positionen des Getrieberades 1 und damit des elektromotorischen
Antriebs überwacht
und/oder gesteuert werden, und zwar beispielsweise die End- und
Parkstellung sowie eine Zwischenposition, beispielsweise bei einem
reversierenden Antrieb eine Umkehrposition usw..
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Die 2 zeigt in einer Darstellung
wie 1 als weitere mögliche Ausführungsform
ein Getrieberad 1a, welches sich von dem Getrieberad 1 im wesentlichen
nur dadurch unterscheidet, daß an
der in dieser 2 sichtbaren
Stirnseite mit gleichem radialen Abstand von der Achse der Welle 3 drei
Einsätze 4, 5.1 und 5.2 vorgesehen
sind, die hinsichtlich ihrer generellen Funktion den Einsätzen 4 und 5 von 1 entsprechen, d.h. mit
dem positionserkennenden Sensorelement (z.B. Hall-Sensor oder Hall-IC) zusammenwirken.
Am Umfang des Getrieberades 1a, d.h. im Bereich der dortigen
Verzahnung 1.1a sind zwei Einlegeteile 6.1 und 6.2 vorgesehen,
und zwar jeweils benachbart einem Einlegeteil 5.1 bzw. 5.2.
Das Einlegeteil 6.1 entspricht der Park- oder Ausgangsstellung,
d.h. dieses Einlegeteil ist dort vorgesehen, wo das Getrieberad 1a in
dieser Parkstellung mit dem weiteren Getriebeelement in Eingriff steht.
Das Einlegeteil 6.2 entspricht einer End- oder Umkehrstellung
der Bewegung des reversierenden Antriebs, d.h. das Einlegeteil 6.2 befindet
sich dort, wo das Getrieberad 1a an dieser End- oder Umkehrstellung
mit dem weiteren Getriebeelement in Eingriff steht. Das Getrieberad 1a ist
speziell für
einen reversierenden Antrieb oder Elektromotor ausgebildet.
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Die
Einsätze 5.1 und 5.2 entsprechen
somit ebenfalls der Parkposition bzw. der End- oder Umkehrposition.
Der Einsatz 4 entspricht einer zwischen der Parkposition
und der Umkehrposition liegenden Position. Bei Verwendung des reversierenden Hilfsantriebs
für einen
Fahrzeugfrontwischer entsprechen dann die Einsätze 5.1 und 6.1 der
Parkstellung, die Einsätze 5.2 und 6.2 dem
unteren Umkehrpunkt und der Einsatz 4 dem oberen Umkehrpunkt.
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Die
Einsätze 4, 5.1, 5.2, 6.1 und 6.2 sind
wiederum als gesonderte Teile aus einem für die jeweils angestrebte Funktion
geeigneten Material gefertigt und in dem aus Kunststoff hergestellten
Getrieberad 1a in geeigneter Weise verankert, beispielsweise wiederum
durch formschlüssiges
Verbinden, Einrasten, Einschnappen, Einspritzen usw.. Für die Einlegeteile 6.1 und 6.2 eignet
sich ebenfalls Bronze, Messing oder Resitex. Die Einlegeteile 4, 5.1 und 5.2 bestehen
z.B. aus einem als Permanentmagnet wirkenden Material.
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Die 3 zeigt in einer Darstellung ähnlich 1 als weitere mögliche Ausführungsform
ein Getrieberad 1b, welches wiederum für einen rundlaufenden positionserkennenden
elektromotorischen Antrieb sowie für einen reversierenden Antrieb
geeignet ist. In einem Bereich 7, d.h. dort, wo bei in
der End- oder Parkstellung befindlichem Antrieb das aus Kunststoff
gefertigte scheibenartige Getrieberad 1b mit dem weiteren
Getriebeelement in Verbindung steht, ist die Verzahnung zur Erhöhung der
Selbsthemmung des Getriebes sowie auch zur mechanischen Verstärkung metallisiert,
d.h. galvanisch und/oder chemisch mit einer Metallschicht versehen, oder
aber die Außenfläche der
Verzahnung 1.1b ist in diesem Bereich 7 von einer
Folie aus einem geeigneten Material, z.B. von einer Metallfolie,
gebildet.
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Das
Aufbringen der Metallisierung auf die Verzahnung 1.1b im
Bereich 7 erfolgt beispielsweise nach der Herstellung des
Getrieberades 1b. Sofern die Metallisierung im Bereich 7 von
einer Folie gebildet ist, wird diese beispielsweise beim Herstellung des
Getrieberades 1b im Spritzgießprozess (z.B. Inmold-Verfahren) an dem
Getrieberad durch Anspritzen vorgesehen.
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Die 4 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform
ein Getrieberad 1c, welches sich von dem Getrieberad 1 im
wesentlichen dadurch unterscheidet, daß es lediglich als Zahnradsegment
ausgeführt ist,
und zwar mit einer Verzahnung 1.1c, die sich über einen
Winkelbereich kleiner als 360°,
d.h. bei der in der 4 gezeigten
Ausführungsform
etwa über
einen Winkelbereich von 180° um
die Achse der Welle 3 erstreckt.
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Das
Getrieberad 1c ist wiederum für einen reversierenden Antrieb
bestimmt. Zur Positionserkennung sind die beiden Einsätze 4 und 5 vorgesehen.
An einem Ende weist die Verzahnung 1.1c den Einsatz 6 auf,
der dem Einsatz 5 benachbart ist. Der Einsatz 6 ist
in der gleichen Weise, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde, im
Getrieberad 1c bzw. in dessen Kunststoffkörper verankert.
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Anstelle
des Einsatzes 6 ist es auch bei dieser Ausführungsform
möglich,
die Verzahnung 1.1c in einem dem Einsatz 5 benachbarten
Teilbereich zu metalllisieren, und zwar in der gleichen Weise, wie dies
im Zusammenhang mit der 3 für den Bereich 7 beschrieben
wurde.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen erläutert. Es
versteht sich, daß zahlreiche Änderungen
sowie Abwandlungen möglich
sind, ohne daß dadurch
der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Vorstehend
wurde davon ausgegangen, dass die von dem positionsbestimmenden
Sensor detektierbaren Einlegeteile 4, 5, 5.1 und 5.2 sowie
die im Bereich der Verzahnung vorgesehenen Einlegeteile 6, 6.1 und 6.2 jeweils
getrennte Teile sind. Bevorzugt sind aber zumindest die einem Einlegeteil 6, 6.1 und 6.2 zugeordneten
Einlegeteile 5, 5.1, 5.2 oder aber sämtliche
an dem jeweiligen Getrieberad vorgesehenen Einlegeteile einstückig hergestellt
und werden dann beispielsweise durch Umspritzen in das jeweilige
Getrieberad 1, 1a, 1b und 1c integriert.
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- 1,
1a, 1b, 1c
- Getrieberad
- 1.1,
1.1a, 1.1 b, 1.1c
- Verzahnung
- 2
- Kupplung
- 3
- Welle
- 4,
5, 5.1, 5.2
- Einlegeteil
- 6,
6.1, 6.2
- Einlegeteil
im Bereich der Verzahnung
- 7
- metallisierter
Bereich