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Technisches Umfeld der Erfindung
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Vorliegende Erfindung betrifft einen linearen elektromechanischen Aktuator zum Übersetzen einer Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung. Der lineare elektromechanische Aktuator umfasst einen Kolben, ein Gehäuse, ein Übersetzungsmodul und ein Schmierelement.
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Hintergrund
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Lineare Aktuatoren werden verwendet, um Objekte entlang einer geraden Linie, entweder zwischen zwei Endpunkten oder in eine definierte Position zu bewegen. Lineare elektromechanische Aktuatoren umfassen üblicherweise einen sich drehenden elektrischen Motor und eine Art mechanisches Übersetzungsmodul, um die relativ hohe Drehgeschwindigkeit des Motors in eine lineare Bewegung mit langsamer Geschwindigkeit zu übersetzen. Dieses Übersetzungsmodul kann eine Getriebebox und/oder einen Spindelschaft beinhalten.
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Lineare elektromechanische Aktuatoren sind dazu ausgebildet, viele Tausende bis Hundertausende oder mehr Hübe (d. h. Bewegungen des Objekts entlang einer geraden Linie) über relativ lange Verfahrwege auszuführen. Während des Betriebs sind deshalb die Flächen der linearen Aktuatoren Beanspruchungslasten, beispielsweise drehenden, radialen und/oder axialen Kräften ausgesetzt, die ein Schmiermittel, das auf diese Flächen aufgebracht ist, abschleudern und/oder abkratzen. Dementsprechend ist es nötig, diese Flächen kontinuierlich nachzuschmieren, um eine lange Lebensdauer des linearen Aktuators sicherzustellen.
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Heutzutage ist eine Nachschmierung eine beschwerliche Operation und oftmals werden große Mengen von Schmiermittel aufgrund ungenauer Anwendung sowohl in Hinsicht auf die Stelle in dem Aktuator als auch in Hinsicht auf die Menge des anzuwendenden Schmiermittels, verschwendet. Deshalb gibt es in diesem Fachgebiet das Bedürfnis nach einer effektiven Schmierung von linearen elektromechanischen Aktuatoren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einem linearen elektromechanischen Aktuator ist im Allgemeinen ein Übersetzungsmodul, das ein Rotationsteil und ein Nicht-Rotationsteil umfasst, die operativ miteinander in Eingriff bringbar sind, angeordnet. Üblicherweise ist das Nicht-Rotationsteil operativ mit einem proximalen Ende eines Kolbens verbunden, während das Rotationsteil operativ mit einem Elektromotor verbunden ist, der eine Rotationsbewegung an dem Rotationsteil erzeugt. Das Übersetzungsmodul kann über das Nicht-Rotationsteil eine Rotationsbewegung des Rotationsteils in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung übersetzen.
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Die Rotationsbewegung des Rotationsteils hat üblicherweise eine Geschwindigkeit von ein paar hundert Umdrehungen pro Minute oder mehr. Die relativ hohe Geschwindigkeit impliziert, dass Schmiermittel, das an dem Übersetzungsmodul, beispielsweise dem Rotationsteil, angeordnet ist, durch Zentripedalkräfte abgeschleudert wird. Die arbeitstaktende lineare Bewegung in axialer Richtung impliziert, dass Schmiermittel auch abgeschabt wird. Demnach hat eine anfängliche Schmierung eines Aktuators im Allgemeinen eine begrenzte Lebensdauer und ist in hohem Maße abhängig von der verwendeten Geschwindigkeit und den angelegten Kräften.
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Demnach ist die Lebensdauer und die Performance des Übersetzungsmoduls in hohem Maße von einer geeigneten Schmierung abhängig, und eine regelmäßige Nachschmierung ist bei konventionellen linearen elektromechanischen Aktuatoren erforderlich. Eine derartige Nachschmierung ist üblicherweise jedoch kompliziert aufgrund beispielsweise des Designs des Aktuators im Allgemeinen und des Übersetzungsmoduls im Speziellen.
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Die vorliegende Erfindung dient dazu, zumindest einen Teil der Probleme aus dem Stand der Technik zu lösen, indem ein linearer elektromechanischer Aktuator bereitgestellt ist, der dazu fähig ist, das Aufbringen eines Schmiermittels hinsichtlich Präzision und Funktionalität zu verbessern, während eine verwendbare Menge an Schmiermaterial bereitgestellt wird. Der lineare elektromechanische Aktuator gemäß vorliegender Erfindung kann den Bedarf für eine Nachschmierung nicht erforderlich machen oder zumindest minimieren.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein linearer elektromechanischer Aktuator zum Übersetzen einer Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung bereitgestellt. Der lineare elektromechanische Aktuator umfasst einen Kolben mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende. Der Kolben erstreckt sich in axialer Richtung. Der Kolben ist zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet und relativ zu dem Gehäuse in axialer Richtung bewegbar. Das Gehäuse definiert eine Innenumgebung. Der lineare elektromechanische Aktuator weist weiterhin ein Übersetzungsmodul, das ein Rotationsteil und ein Nicht-Rotationsteil aufweist, die operativ miteinander in Eingriff bringbar sind, auf. Das Rotationsteil hat eine lastaufnehmende Fläche. Das Nicht-Rotationsteil ist operativ mit dem proximalen Ende des Kolbens verbunden und das Rotationsteil ist dazu ausgelegt, operativ mit einem Motor verbunden zu sein. Das Übersetzungsmodul ist dazu ausgelegt, über das Nicht-Rotationsteil eine Rotationsbewegung des Rotationsteils, die von dem Motor erzeugt wird, in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung zu übersetzen. Der lineare elektromechanische Aktuator umfasst weiterhin ein Schmierelement, das eine poröse Polymermatrix und ein Schmiermaterial umfasst. Das Schmierelement ist in der Innenumgebung vorhanden. Das Schmierelement ist zu dem Rotationsteil bewegbar und in axialer Richtung drehfest an dem Nicht-Rotationsteil festgesetzt. Das Schmierelement ist neben dem Übersetzungsmodul angeordnet. Dadurch erlaubt der Aktuator eine Schmierung von zumindest einem Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche des sich drehenden Kolbens durch das Schmiermaterial bei einer Bewegung des Rotationsteils.
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Vorteile des linearen elektromechanischen Aktuators entsprechend der vorliegenden Erfindung werden genauer im gesamten Anmeldetext beschrieben, und sind auch untenstehend zusammengefasst:
- • Der lineare elektromechanische Aktuator kann leicht in einem trockenen Zustand des Schmierelements zusammengebaut werden, d. h. ohne, dass, mit Ausnahme von der porösen Polymermatrix des Schmierelements, schmierendes Fett, oder einer anderen Form eines flüssigen oder semiflüssigen Schmiermaterials, vorhanden ist.
- • Der lineare elektromechanische Aktuator kann eine genaue Anordnung des Schmierelements, das eine vorgegebene Größe und Form aufweist, an einem Ort an dem Aktuator, an dem es am meisten gebraucht wird, d. h. neben den lastaufnehmenden Flächen, die starken Belastungen beim Betrieb des Aktuators ausgesetzt sind, ermöglichen.
- • Der lineare elektromechanische Aktuator kann aufgrund des Nicht-Bedarfs an Nachschmierung während seiner Lebensdauer genauso wie aufgrund des geringeren Verschleißes der Komponenten des Aktuators weniger Wartung als für einen konventionellen Aktuator benötigt, zulassen. Weiterhin kann ein Hitzeaufbau aufgrund übermäßiger Schmierung in einem Anfangszustand und nach jeder Nachschmierung vermieden und/oder verhindert werden.
- • Der lineare elektromechanische Aktuator kann aufgrund eines relativ kontrollierten Verbrauchs des Schmiermaterials, das im Wesentlichen keine Leckage des Schmiermaterials verursacht, genauso wie aufgrund seiner Toleranzen hinsichtlich beispielsweise Abwaschens, einfach verwendet werden.
- • Der lineare elektromechanische Aktuator kann aufgrund einer hohen Stabilität des Schmierelements, was zu weniger Problemen, bei beispielsweise der Ölabscheidung führt, eine verbesserte Aufenthaltszeit und Vorratszeit haben.
- • Der lineare elektromechanische Aktuator kann aufgrund der bekannten Menge von Schmiermaterial in dem Schmierelement, genauso wie aufgrund einer bekannten Stelle des Schmierelements an dem Aktuator eine vorhersagbare Lebensdauer haben.
- • Der lineare elektromechanische Aktuator ermöglicht eine umweltfreundliche Handhabung des Schmierelements, inklusive des unverbrauchten Schmiermaterials am Ende der Lebensdauer, insbesondere wenn es als separates Element bereitgestellt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel ermöglicht der Aktuator eine Schmierung von im Wesentlichen der gesamten lastaufnehmenden Fläche des Rotationsteils durch das Schmiermaterial bei Bewegung des Rotationsteils. Unter dem Begriff "im Wesentlichen" sind hierin mindestens 90% der lastaufnehmenden Fläche des Rotationsteils, beispielsweise mindestens 95% der lastaufnehmenden Fläche des Rotationsteils, gemeint.
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Unter dem Term "Kolben" ist hierin ein bewegbares, üblicherweise arbeitstaktendes Bauteil des Aktuators gemeint, das eine lineare Bewegung in axialer Richtung ausführt. Der Kolben kann sich von einer Innenumgebung zur Außenumgebung erstrecken und kann bei Benutzung des Aktuators aus der Außenumgebung in die Innenumgebung zurückgezogen werden. In einem vollständig zurückgezogenen Zustand ist der Kolben zu einem Großteil, typischerweise in seiner Gesamtheit, in der Innenumgebung angeordnet. In einem vollständig ausgefahrenen Zustand ist der Kolben zu einem Großteil typischerweise in seiner Gesamtheit in der Außenumgebung angeordnet. Der Kolben kann manchmal als ein Ausziehelement, beispielsweise eine Teleskopröhre, eines linearen elektromechanischen Aktuators bezeichnet sein. Der Kolben hat typischerweise, ist aber nicht darauf beschränkt, die allgemeine Form eines Kreiszylinders. Der Kolben kann voll oder hohl sein. Typischerweise ist der Kolben zumindest teilweise hohl. Der Kolben kann metallisch sein. Beispielsweise kann der Kolben aus Stahl, beispielsweise aus Edelstahl, hergestellt sein.
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Die "axiale Richtung" bezieht sich auf die Richtung der Mittelachse des Kolbens, die üblicherweise auch die Richtung der Mittelachse des Rotationsteils ist. Die "radiale Richtung" bezieht sich auf die Richtung des Radius des Kolbens, die üblicherweise auch die Richtung des Radius des Rotationsteils ist.
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Unter dem Begriff "Schmierelement" ist hierin ein Element gemeint, das eine poröse Polymermatrix und ein Schmiermaterial aufweist. Das Schmierelement ist eine Komponente des Aktuators, die dazu dient, eine lastaufnehmende Fläche oder lastaufnehmende Flächen des Aktuators zu schmieren. Eine derartige lastaufnehmende Fläche kann die Außenfläche des Rotationsteils und/oder ein Teil des Nicht-Rotationsteils, das dem Rotationsteil zugewandt ist, sein. Das Schmierelement kann zu dem Rotationsteil bewegbar und in axialer Richtung drehfest an dem Nicht-Rotationsteil festgesetzt sein. Typischerweise ist das Schmierelement neben, also in einem geringen Abstand von, dem Nicht-Rotationsteil des Übersetzungsmoduls angeordnet. Das Schmierelement kann zumindest teilweise in eine Aussparung des Nicht-Rotationselements eintauchen, wobei die Aussparung dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil des Schmierelements aufzunehmen.
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Eine lastaufnehmende Fläche, beispielsweise die Außenfläche des Rotationsteils, die sich gegen das Schmierelement bewegt, beispielsweise gleitet, kann mit einem gleichmäßigen und durchgängigen Film eines Schmiermaterials ausgestattet werden. Ein gemäßigter Anstieg in der Temperatur, der beim Betrieb des Aktuators auftreten kann, kann verursachen, dass das Schmiermaterial in Richtung der Oberfläche der Polymermatrix gedrückt wird, da die thermische Expansion des Schmiermaterials üblicherweise größer ist als die der Polymermatrix. Die Viskosität des Schmiermaterials verringert sich üblicherweise mit ansteigender Temperatur. Wenn der Aktuator aufhört zu arbeiten, kann die Polymermatrix überschüssiges Schmiermaterial reabsorbieren.
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Üblicherweise ist die poröse Polymermatrix mit dem Schmiermaterial gesättigt. Das Schmierelement kann ungefähr 50–80%, beispielsweise 65–75%, beispielsweise 70% des Gewichts des Schmiermaterials aufnehmen. Das Schmiermaterial kann beispielsweise ein Schmieröl, wie beispielsweise ein hoch qualitatives Synthetiköl, ein sehr hoch qualitatives Synthetiköl oder ein anderes flüssiges Schmiermittel ausreichender Viskosität sein.
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Die Polymermatrix hat eine poröse Struktur. Üblicherweise umfasst die poröse Struktur Millionen an Poren, beispielsweise Mikroporen. Jede Pore hat eine Größe, die derart klein ist, dass sie das Schmiermaterial über Oberflächenspannung hält. Die poröse Polymermatrix kann eine Polymermatrix, wie beispielsweise eine mikroporöse Polymermatrix, beispielsweise eine Polyethylenmatrix, sein. Üblicherweise ist die poröse Polymermatrix geformt.
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Aufgrund der Porosität der Polymermatrix hat das Schmierelement eine relativ geringe Stärke und im Wesentlichen keine Tragkapazität. Allgemein ist das Schmierelement nicht lastaufnehmend, da zu viel Reibung und/oder Hitze die Poren des Schmierelements verstopfen würden.
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Das Schmierelement hat vorhersagbare Eigenschaften, wie beispielsweise ein vorbestimmtes Volumen und einen bekannten Inhalt des Schmiermaterials und demnach auch eine vorhersagbare Lebensdauer. Die vorhersagbare Natur des Schmierelements verhindert und vermeidet eine Nachschmierung des Aktuators. Die Größe, d. h. das Volumen, kann angepasst sein, um den Schmieranforderungen des Aktuators zu entsprechen. Der Grad der Sättigung des Schmiermaterials in dem Schmierelement kann angepasst sein, um den Schmieranforderungen des Aktuators zu entsprechen.
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Das Schmierelement hat einen Vorteil darin, dass es während seiner Lebensdauer in seiner Form fest bleibt. Ein Schmierelement gemäß vorliegender Erfindung ist einfach bei dem linearen elektromechanischen Aktuator anzuwenden, beispielsweise aufgrund seiner nicht schmierenden Natur. Manchmal wird das Schmierelement als Festkörperöl bezeichnet.
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Das Schmierelement kann ermöglichen, dass eine Lebensdauer der Aktuatorvorrichtung um zumindest eine Größenordnung, ausgedrückt in Hüben vor Bruch, verlängert ist, verglichen mit konventionellen Aktuatorvorrichtungen, die konventionelle Schmiermittel, wie beispielsweise Öl, Fett oder Ähnliches verwenden.
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Das Schmierelement kann eine verbesserte Bevorratungs- und Aufenthaltszeit ermöglichen. Das Schmierelement hält das Schmiermaterial, typischerweise ein Schmieröl, besser angebunden als beispielsweise Seife in Fett, und verringert dadurch das Problem der Ölabscheidung über die Zeit.
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Das Schmierelement hat eine gute Anfangsschmierung und ermöglicht einen trockenen Zusammenbau. Das Schmierelement ist relativ insensitiv gegenüber Schmutz, Reinigung und Temperaturänderungen. Beispielsweise kann das Schmierelement Temperaturen im Bereich von –40 bis +85 °C ertragen.
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In der vorliegenden Erfindung ist das Schmierelement in großer Nähe zu der/n Fläche/n des linearen elektromechanischen Aktuators, die starken Belastungen bei dem Betrieb des Aktuators ausgesetzt ist/sind, angeordnet. Das Schmiermaterial des Schmierelements wandert schrittweise zu der lastaufnehmenden Fläche.
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Üblicherweise ist das Schmierelement derart angeordnet, dass es mittels des Schmiermaterials eine Schmierung von zumindest einem Teil, entweder in axialer Richtung oder in radialer Richtung der lastaufnehmenden Fläche ermöglicht. Beispielsweise kann das Schmierelement den gesamten Umfang eines Querschnitts der lastaufnehmenden Fläche(n) schmieren. Vorzugsweise ist das Schmierelement derart angeordnet, dass es eine Schmierung der gesamten lastaufnehmenden Fläche durch das Schmiermaterial ermöglicht. Beispielsweise schmiert das Schmierelement die gesamte äußere lastaufnehmende Fläche des Rotationsteils und kann so die äußere lastaufnehmende Fläche des Rotationsteils über den gesamten Verfahrweg des Rotationsteils schmieren.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Schmierelement als separates Bauteil des linearen Aktuators ausgebildet. Dadurch, dass es eine separate Komponente des Aktuators ist, kann das Schmierelement leicht als ein fester Bestandteil (mit Ausnahme einer geringen Menge des Schmiermaterials, das graduell an die Fläche wandert, die einer Last bei Betrieb des Aktuators ausgesetzt ist) entfernt werden und am Lebensende des Aktuators recycelt werden. Ein Schmierelement, das als separate Komponente bereitgestellt ist, unterscheidet sich beispielsweise von einer Oberflächenbehandlungsschicht oder einer Oberflächenbehandlungszusammensetzung, die auf der lastaufnehmenden Fläche des Rotationsteils aufgebracht ist.
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Alternativ kann das Schmierelement eine integrierte Komponente des Aktuators sein. Beispielsweise kann das Schmierelement fest an dem Nicht-Rotationsteil angebracht sein.
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Das Schmierelement kann eine geeignete Form für die beabsichtige Verwendung aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel hat das Schmierelement die Form einer Hülse. Eine Hülse kann leicht um das Übersetzungsmodul, beispielsweise um das Rotationsteil, herum angeordnet sein, und kann auch leicht davon entfernt werden. In einer derartigen Anordnung kann das Schmierelement den gesamten Umfang eines Querschnitts, beispielsweise des Rotationsteils, umgeben.
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Alternativ kann das Schmierelement, das als separate Komponente bereitgestellt ist, die Form von zumindest drei separaten Punkten oder separaten Flanschen aufweisen. In einer derartigen Anordnung umgibt das Schmierelement üblicherweise nicht den gesamten Umfang eines Querschnitts des Übersetzungsmoduls, beispielsweise des Rotationsteils, aber einen Teil des Umfangs des Querschnitts des, beispielsweise Rotationsteils.
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Üblicherweise hat das Schmierelement eine zu der Form des Übersetzungsmoduls komplementäre Form. Beispielsweise ist ein Schmierelement in der Form einer Hülse, die ein Schraubenprofil aufweist und neben einer Mutter angeordnet ist, eine erfolgreiche Anordnung für eine kontinuierliche Schmierung der lastaufnehmenden Flächen des Übersetzungsmoduls, das aus eine Spindel und einer Mutter besteht. Das Schmierelement könnte entweder an ein Gleitübersetzungsmodul mit einem Profil, wie beispielsweise ACME, angepasst sein, oder an ein Rollenübersetzungsmodul mit Wälzkörpern, beispielsweise eine Kugelmutter oder eine Rollenmutter.
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Das Schmierelement kann axial relativ zu dem Rotationsteil, beispielsweise einer Spindel, treiben, um selbst nicht lastaufnehmend zu sein, und das Schmierelement kann relativ zu dem Nicht-Rotationsteil, beispielsweise einer Mutter, befestigt sein, um deren Bewegung in axialer Richtung zu folgen.
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Das Schmierelement kann eine Menge von Schmiermaterial aufweisen, die proportional zu den Bedürfnissen des elektromechanischen Aktuators während seiner gesamten Lebensdauer ist. Demnach kann die Menge des Schmiermaterials in dem Schmierelement, basierend auf der erwarteten Lebensdauer des Aktuators, sowohl ökonomisch als auch umweltfreundlich optimiert werden.
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Unter dem Begriff „Übersetzungsmodul“ ist hierin ein Modul von Komponenten des Aktuators gemeint, die dazu ausgelegt sind, eine Rotationsbewegung, die durch einen Motor erzeugt wird, in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung zu übersetzen.
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Das Übersetzungsmodul kann ein Rotationsteil und ein Nicht-Rotationsteil aufweisen, die operativ miteinander im Eingriff bringbar sind. Der Rotationsteil kann eine lastaufnehmende Fläche aufweisen und kann dazu ausgelegt sein, operativ mit einem Motor verbunden zu sein. Das Nicht-Rotationsteil kann operativ mit einem proximalen Ende eines Kolbens verbunden sein. Das Übersetzungsmodul kann dazu ausgelegt sein, über das Nicht-Rotationsteil eine Rotationsbewegung des Rotationsteils, die durch einen Motor erzeugt ist, in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung zu übersetzen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Rotationsteil eine Spindel, und das Nicht-Rotationsteil ist eine Mutter. Wenn das Rotationsteil eine Spindel ist, dann hat sie typischerweise eine mit einem Gewinde versehene äußere lastaufnehmende Fläche.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Rotationsteil eine Mutter, und das Nicht-Rotationsteil ist eine Spindel. Wenn das Rotationsteil eine Mutter ist, hat sie üblicherweise eine mit einem Gewinde versehene innere lastaufnehmende Fläche.
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Eine gewöhnliche Art von linearen Aktuatoren beinhaltet einen Spindelschaft mit einer Mutter, die darauf läuft. Der Spindelschaft erstreckt sich über die gesamte Länge des Aktuators und definiert die operative Länge des Aktuators. Da die Mutter in einem nicht drehenden Zustand gehalten ist, verschiebt sich die Mutter, wenn der Spindelschaft durch den Motor gedreht wird. Die Mutter kann zwischen dem Spindelschaft und der Mutter Wälzkörper beinhalten, wie beispielsweise Kugeln oder Rollen. Dies ermöglicht einen hoch effizienten linearen Aktuator mit einer hohen Lastübertragung und einer langen Lebensdauer. Die Mutter kann auch direkt mit dem Spindelschaft in Eingriff sein, das heißt ein Gleitspindeldesign. In diesem Fall ist die Mutter vorzugsweise aus einem Plastikmaterial.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Spindel gewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Gleitspindel, einer Rollenspindel oder einer Kugelrollenspindel. In einem Ausführungsbeispiel ist die Mutter gewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Torsionsverriegelungsmutter, wie beispielsweise eine Gleitmutter, oder einer Mutter mit Wälzkörpern, wie beispielsweise eine Kugelmutter oder eine Rollenmutter. Üblicherweise ist die Mutter komplementär zu der Spindel.
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Das Übersetzungsmodul kann eine Spindel mit einer mit einem Gewinde versehenen Außenfläche, und eine Mutter mit einer mit einem Gewinde versehene Innenfläche aufweisen, wobei die Spindel und die Mutter ineinander eingreifen können. Das Gewinde der Spindel und das Gewinde der Mutter haben üblicherweise die gleiche Steigung. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Mutter üblicherweise operativ mit dem proximalen Ende des Kolbens verbunden.
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Unter dem Begriff "Trennelement" ist hierin eine Komponente des Aktuators gemeint, die an der Schnittstelle zwischen der Innenumgebung und der Außenumgebung angeordnet ist, oder zumindest nahe an dieser Schnittstelle. Eine Funktion des Trennelements ist es, an oder nahe an der Öffnung des Gehäuses, die dazu ausgelegt ist, das distale Ende des Kolbens aufzunehmen, die Innenumgebung von der Außenumgebung zu trennen.
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Das Trennelement ist typischerweise, in radialer Richtung gesehen, zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet. Das Trennelement kann entweder den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens oder einen Teil davon umgeben. Das Trennelement kann um den Kolben herum angeordnet sein. Das Trennelement ist typischerweise dazu ausgelegt, das distale Ende des Kolbens aufzunehmen.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der lineare elektromechanische Aktuator weiterhin ein Trennelement auf. Das Trennelement kann benachbart zu einer Öffnung des Gehäuses und in radialer Richtung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet sein. Die Öffnung des Gehäuses kann dazu ausgelegt sein, das distale Ende des Kolbens aufzunehmen. Das Trennelement kann derart angeordnet sein, dass es den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens umgibt, der einen Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens bildet.
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Das Trennelement kann ein Abstreifer sein. Ein Abstreifer ist üblicherweise dazu ausgelegt, die äußere lastaufnehmende Fläche des Kolbens von Schmutz und Staub, die die Fläche des Kolbens verschmutzen, zu reinigen, während er aus der Außenumgebung in die Innenumgebung zurückgezogen wird. Demnach dient der Abstreifer dazu, eine relative reine Innenumgebung des Aktuators beizubehalten. Der Abstreifer ist üblicherweise aus geformtem Plastik. Der Abstreifer kann um den Kolben herum angeordnet sein.
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Das Trennelement kann ein Dichtungselement sein. Ein Dichtungselement ist typischerweise dazu ausgelegt, die Schnittstelle in radialer Richtung zwischen der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens und dem Gehäuse abzudichten. Demnach dient das Dichtungselement dazu, die Öffnung zwischen der Innenumgebung und der Außenumgebung abzudichten, um Leckage zu verhindern. Das Dichtungselement ist typischerweise aus geformtem Plastik. Das Dichtungselement kann um den Kolben angeordnet sein.
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Sowohl ein Abstreifer als auch ein Dichtungselement können bei dem linearen elektromechanischen Aktuator vorhanden sein. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst der Aktuator ein erstes Trennelement, das als Abstreifer ausgebildet ist, und ein zweites Trennelement, das als Dichtungselement ausgebildet ist. Der Abstreifer kann relativ näher an der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens angeordnet sein. Das Dichtungselement kann dazu angeordnet sein, die Öffnung, die in radialer Richtung zwischen dem Abstreifer und dem Gehäuse vorhanden ist, abzudichten.
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Unter dem Begriff "lastaufnehmendes Element" ist hierin eine Komponente des linearen elektromechanischen Aktuators gemeint, die dazu dient, den Kolben über seinen oftmals relativ langen Verfahrweg relativ zu dem Gehäuse zu lagern und zu führen. Das lastaufnehmende Element ist im Allgemeinen in der Innenumgebung des Aktuators angeordnet, die durch das Gehäuse ausgebildet ist (d. h. in der Innenumgebung des Gehäuses). Das lastaufnehmende Element kann zwischen dem Kolben und dem Gehäuse in radialer Richtung angeordnet sein. Das lastaufnehmende Element hat im Allgemeinen eine innere lastaufnehmende Fläche, die der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens zugewandt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst der lineare elektromechanische Aktuator weiterhin ein lastaufnehmendes Element. Das lastaufnehmende Element kann in radialer Richtung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet sein. Das lastaufnehmende Element kann derart angeordnet sein, dass es den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens, der einen Teil der lastaufnehmenden Fläche des Kolbens bildet, umgibt. Das lastaufnehmende Element kann um den Kolben herum angeordnet sein. Das lastaufnehmende Element kann die Form einer Hülse oder einer Buchse aufweisen.
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Das lastaufnehmende Element kann ein Führungselement sein. Das Führungselement kann die Form einer Buchse oder einer Hülse aufweisen, wodurch es im Allgemeinen den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens umgibt. Das Führungselement muss jedoch nicht notwendigerweise den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens umgeben, sondern kann beispielsweise aus drei separaten Punkten oder Flanschen bestehen. Das Führungselement kann ein lineares Führungselement sein. Beispielsweise kann das Führungselement ein perforiertes Blech sein.
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Das Führungselement kann ein integrierter Teil des Aktuators, beispielsweise ein integrierter Teil des Gehäuses sein. Alternativ kann das Führungselement eine separate Komponente des Aktuators sein.
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Unter dem Begriff "Gehäuse" ist hierin eine Komponente des Aktuators gemeint, die die innere Umgebung definiert und dazu dient, die darin angeordneten Komponenten zu schützen. Das Gehäuse ist im Allgemeinen stationär in Relation zu dem bewegbaren Kolben. Das Gehäuse wird manchmal als Schutzelement, beispielsweise eine Schutzröhre, des linearen elektromechanischen Aktuators bezeichnet. Das Gehäuse kann zylindrisch oder röhrenförmig sein. Üblicherweise hat das Gehäuse die Form eines hohlen Kreiszylinders.
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In einem Ausführungsbeispiel hat das Gehäuse die Form eines Zylinders, wie beispielsweise eines Kreiszylinders. Das Gehäuse kann metallisch sein. Beispielsweise kann das Gehäuse aus Stahl, beispielsweise Edelstahl hergestellt sein. Das Übersetzungsmodul ist üblicherweise innerhalb des Gehäuses, in der Innenumgebung des Aktuators, angeordnet.
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Im Allgemeinen umfasst ein linearer elektromechanischer Aktuator weiterhin oder ist damit verbunden, einen Motor, wie beispielsweise einen Elektromotor. Der Elektromotor kann eine Drehbewegung auf das Übersetzungsmodul ausüben. Der Motor kann ein Motorelement aufweisen, das fest an dem Gehäuse befestigt ist, und ein Rotorelement, das fest an dem Übersetzungsmodul befestigt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei dem Studium der anhängigen Ansprüche und der folgenden Beschreibung klar. Der befähigte Ansprechpartner realisiert, dass verschiedene Merkmale vorliegender Erfindung kombiniert werden können, um Ausführungsbeispiele zu erzeugen, die anders sind als die im Folgenden beschriebenen, ohne dabei vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun genauer mit Bezug auf die anhängigen Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, beschrieben.
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In 1 ist ein linearer elektromechanischer Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht gezeigt.
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In 2 ist schematisch ein Teil des linearen elektromechanischen Aktuators gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht und in einem zusammengebauten Zustand gezeigt.
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In 3 ist schematisch ein Teil des linearen elektromechanischen Aktuators gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Explosionsansicht gezeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden ausführlicher mit Bezug auf die anhängigen Zeichnungen, in welchen momentan bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen ausgebildet sein und sollte nicht auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschränkt sein; diese Ausführungsbeispiele sind eher für die Gründlichkeit und Vollständigkeit bereitgestellt und vermitteln einem Fachmann den Rahmen der Erfindung vollständig.
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Vorliegende Erfindung betrifft einen linearen elektromechanischen Aktuator 100 zum Übersetzen einer Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung, der schematisch in 1 gezeigt ist. Es sollte leicht erkannt werden, dass der Einfachheit halber der lineare elektromechanische Aktuator manchmal als lineare Aktuator oder nur als Aktuator bezeichnet ist. Der Aktuator umfasst einen Kolben 10, ein Gehäuse 20, und ein Übersetzungsmodul 30. In 1 umfasst das beispielhafte Ausführungsbeispiel des Aktuators weiterhin ein Trennelement 40, ein lastaufnehmendes Element 60, wie beispielsweise ein Führungselement 62, und einen Motor 70. In der ganzen Beschreibung erstreckt sich der Kolben in axialer Richtung A und in radialer Richtung R. Der lineare elektromechanische Aktuator umfasst weiterhin ein Schmierelement (nicht in 1 gezeigt), das weiter unten genauer beschrieben wird.
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Der Kolben 10 hat ein distales Ende 14 und ein proximales Ende 16. Der Kolben 10 erstreckt sich in axialer Richtung A und hat eine äußere lastaufnehmende Fläche 12. Der Kolben 10 ist relativ zu dem Gehäuse 20 in der axialen Richtung A bewegbar. Das Gehäuse 20 hat eine Öffnung 22, die dazu ausgelegt ist, das distale Ende 14 des Kolbens 10 aufzunehmen. Das Gehäuse 20 definiert eine Innenumgebung 101. Hier hat das Gehäuse 20 die Form eines Kreiszylinders.
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Wie in 1 gezeigt, ist der Kolben 10 zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet. Der Teil 10a des Kolbens, der in dem Gehäuse angeordnet ist, ist in der Innenumgebung 101 angeordnet. Der Teil 10b des Kolbens, der sich außerhalb des Gehäuses erstreckt, ist in der Außenumgebung 102 angeordnet. In einem vollständig zurückgezogenen Zustand ist der Kolben zum Großteil, beispielsweise in seiner Gesamtheit, in der Innenumgebung 101 angeordnet. In einem vollständig ausgefahrenen Zustand ist der Kolben 10 zu einem Großteil, beispielsweise in seiner Gesamtheit, in der Außenumgebung 102 angeordnet. In 1 ist der Kolben in einem teilweise ausgefahrenen Zustand.
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Das Übersetzungsmodul 30 ist operativ mit dem proximalen Ende des Kolbens 10 verbunden und dazu ausgelegt, eine Rotationsbewegung, die durch den Motor 70 erzeugt wird, in eine lineare Bewegung des Kolbens 10 in axialer Richtung A zu übersetzen. Das Übersetzungsmodul 30 ist in dem Gehäuse 20 in der Innenumgebung 101 des Aktuators 100 angeordnet.
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Auch wenn nicht unbedingt erforderlich, umfasst das Übersetzungsmodul 30 hier eine drehbare Spindel 33 mit einer nicht drehbaren Mutter (nicht gezeigt), die darauf läuft. Die Spindel erstreckt sich über die gesamte Länge des Aktuators und definiert die operative Länge des Aktuators. Die Mutter ist in einem nicht drehbaren Zustand gehalten, und verschiebt sich, wenn der Spindelschaft durch den Motor 70 gedreht wird. Das Übersetzungsmodul 30 ist zumindest teilweise innerhalb des Kolbens 10 angeordnet.
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Wie oben erwähnt, kann üblicherweise, muss aber nicht notwendigerweise, der lineare Aktuator ein Trennelement aufweisen. Das Trennelement 40 ist neben der Öffnung des Gehäuses 20 und in radialer Richtung R gesehen, zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse angeordnet.
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Das Trennelement, das hier als Abstreifer 44 dargestellt ist, trennt die Innenumgebung 101 von der Außenumgebung 102 an der Öffnung 22 des Gehäuses, die dazu ausgelegt ist, das distale Ende 14 des Kolbens aufzunehmen. Der Abstreifer 44 dient weiterhin dazu, die Außenfläche 12 des Kolbens zu säubern, wenn er von der Außenumgebung 102 in die Innenumgebung 101 zurückgezogen wird.
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Wie oben erwähnt, kann der lineare Aktuator typischerweise, aber nicht notwendigerweise, ein lastaufnehmendes Element umfassen. In dem beispielhaften Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, ist das Führungselement 62 hier in der inneren Umgebung in radialer Richtung R zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet. Das Führungselement 62 kann entweder nahe dem proximalen Ende des Kolbens oder näher an dem distalen Ende des Kolbens angeordnet sein. In 1 ist das Führungselement eher in dem mittleren Teil des Kolbens angeordnet. Das Führungselement dient dazu, den Kolben 10 während seiner linearen Bewegung in axialer Richtung A in der Spur zu halten. Insbesondere dient das Führungselement dazu, den Kolben derart zu führen, dass er sich effizient bewegt, wenn er sich in axialer Richtung relativ zu dem Gehäuse bewegt.
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In 2 und 3 ist ein Teil des linearen elektromechanischen Aktuators 100 aus 1 mit größerem Detail dargestellt, nämlich das Schmierelement 50 und dessen Umgebung. 2 zeigt das Schmierelement und seine Umgebung im zusammengebauten Zustand, während 3 eine Explosionsdarstellung des Schmierelements 50 und seiner Umgebung ist. Nicht alle Merkmale des Aktuators 100 sind explizit in einer oder beiden 2 und 3 gezeigt.
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Der Kolben 10, der ein distales Ende (nicht gezeigt) und ein proximales Ende 16 hat, erstreckt sich in der axialen Richtung A. Das proximale Ende 16 ist innerhalb des Gehäuses 20 und somit innerhalb der Innenumgebung 101 angeordnet.
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Das Übersetzungsmodul 30 ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet, also in der Innenumgebung 101 des Aktuators. Das Übersetzungsmodul 30 umfasst ein Rotationsteil 32 und ein Nicht-Rotationsteil 36, die operativ miteinander im Eingriff sind bringbar sind. Das Rotationsteil 32 hat hier eine äußere lastaufnehmende Fläche, die hier mit einem Gewinde (34 in 2) versehen ist. Das Nicht-Rotationsteil 36 hat hier eine innere mit einem Gewinde versehenden Fäche (38 in 3). Das Nicht-Rotationsteil 36 ist operativ mit dem proximalen Ende 16 des Kolbens 20 verbunden, und das Rotationsteil 32 ist operativ mit einem Motor (nicht gezeigt in den 2 bis 3) verbunden. Das Übersetzungsmodul 30 ist dazu ausgelegt, eine Rotationsbewegung des Rotationsteils 32, die von einem Motor erzeugt ist, in eine lineare Bewegung des Kolbens 10 in axialer Richtung A über das Nicht-Rotationsteil 36 zu übersetzen.
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In den 2 bis 3 ist das proximale Ende 16 des Kolbens operativ mit dem Nicht-Rotationsteil 36 verbunden, der hierin als eine Mutter 37 dargestellt ist. Die Mutter 37 ist operativ mit dem Rotationsteil 32, das hierin als Spinde 33 dargestellt ist, in Eingriff bringbar. Es ist jedoch leicht zu erkennen, dass in allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, das Übersetzungsmodul nicht notwendingerweise aus einer Spindel und einer Mutter bestehen muss. Weiterhin ist es ebenso leicht zu erkennen, dass in alternativen Ausführungsbeispielen das Nicht-Rotationsteil die Spindel und das Rotationsteil die Mutter sein kann.
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Wie in 2 dargestellt, ist das Schmierelement 50 in dem Gehäuse 20 vorhanden, also in der Innenumgebung 101 des Aktuators 100. Das Schmierelement 50 ist neben dem Übersetzungsmodul 30 angeordnet und genauer gesagt neben dem Nicht-Rotationsteil 36, der hierin die Mutter 37 ist. Vorzugsweise ist das Schmierelement neben der lastaufnehmenden Fläche des Rotationsteils 32, das hierin die äußere mit am Gewinde versehende Fläche 34 der Spindel 33 ist, angeordnet.
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Das Schmierelement 50 ist in einem geringen Abstand von (das heißt neben) dem Nicht-Rotationsteil 36, in axialer Richtung A gesehen, angeordnet. Das Schmierelement 50 ist, in radialer Richtung R gesehen, in einem geringen Abstand von dem Rotationsteil 32 angeordnet. Das Schmierelement ist üblicherweise, in radialer Richtung R gesehen, zwischen dem Rotationsteil 32 und dem Gehäuse 20, wie in 2 dargestellt, angeordnet.
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Das Schmierelement 50 hat hier die Form einer Buchse 52. Dennoch sollte leicht erkannt werden, dass in allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Schmierelement nicht notwendigerweise eine Buchse sein muss. Dementsprechend kann das Schmierelement in verschiedenen unterschiedlichen Formen vorliegen, solange das Schmierelement eine poröse Polymermatrix und ein Schmiermaterial aufweisen kann, während es die erforderlichen Funktionen des Schmierelements ausführt.
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In 2 ist die Buchse 52 um den Rotationsteil 32, das hier die Spindel 33 ist, herum angeordnet. Die Spindel 33 hat eine mit einem Gewinde versehene äußere Fläche 34. Die Mutter 37 bzw. die Buchse 52 haben jeweils eine mit einem Gewinde versehende Innenfläche (gezeigt als 38 in 3 der Mutter 37). Die Gewinde der Spindel 33 und das Gewinde der Mutter 37 bzw. die Buchse 52 sind im Allgemeinen jeweils komplementär und haben üblicherweise die gleiche Steigung.
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Demnach sollte, um einen laufruhigen Betrieb des linearen Aktuators sicherzustellen, das Drehelement 32 frei in axialer Richtung A relativ zu zumindest dem Schmierelement 50 bewegbar sein. Das Schmierelement 50 sollte vorzugsweise an dem Nicht-Rotationsteil 36 rotationsarretiert sein, um diesen laufruhigen Betrieb, inklusive der Übersetzung der Rotationsbewegung des Rotationsteils 32 in eine lineare Bewegung des Kolbens 10 mittels des Nicht-Rotationsteils 36 sicherzustellen. Wie in 2 zu sehen, kann das Nicht-Rotationsteil 36 eine Aussparung 39 aufweisen, in welcher zumindest ein Teil des Schmierelements 50 eingepasst ist. Wie beispielsweise hier dargestellt, hat die Aussparung 39 üblicherweise den gleichen, oder zumindest einen ähnlichen, Querschnitt wie das Schmierelement 50. Üblicherweise ist das Schmierelement 50 nicht lastaufnehmend.
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Weiterhin ist in den 2–3 das lastaufnehmende Element 60 gezeigt. Das lastaufnehmende Element 60 ist an einem proximalen Ende 16 des Kolbens angeordnet, zumindest wenn der Kolben in seinem völlig zurückgezogenen Zustand ist. Das lastaufnehmende Element 60 ist in seiner Gesamtheit in der Innenumgebung 101 angeordnet. Wie in 2 dargestellt, ist das lastaufnehmende Element 60, in radialer Richtung R gesehen, zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse 20 angeordnet. Das lastaufnehmende Element 60 hat hier die allgemeine Form einer Hülse. Das lastaufnehmende Element 60 umgibt fast den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens. Das lastaufnehmende Element 60 ist um den Kolben 10 herum angeordnet.
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Die Anordnung des linearen elektromechanischen Aktuators, die im Allgemeinen in 1 und genauer in den 2 und 3 gezeigt ist, ermöglicht eine Schmierung von zumindest einem Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche 34 des Rotationsteils 32, durch das Schmiermaterial des Schmierelements 50 bei Bewegung des Rotationsteils 32.
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In allen Ausführungsbeispielen vorliegender Erfindung ist ein linearer elektromechanischer Aktuator bereitgestellt, der dazu fähig ist, das Aufbringen einer Schmierung hinsichtlich der Genauigkeit und Funktionalität zu verbessern, während eine genau bemessene Menge eines Schmiermaterials bereitgestellt ist. In diesem Zusammenhang kann der lineare elektromechanische Aktuator gemäß vorliegender Erfindung keine Nachschmierung benötigen. Genauer gesagt wird es durch die Anordnung des linearen elektromechanischen Aktuators, wie oben beschrieben, möglich, den Aktuator leicht in einem trockenen Zustand des Schmierelements zusammenzubauen, d. h. ohne, dass, außer in der porösen Polymermatrix des Schmierelements, schmierendes Fett oder eine andere Form von flüssigem oder semiflüssigem Schmiermaterial vorhanden ist. Zusätzlich kann der lineare elektromechanische Aktuator leicht benutzt werden aufgrund eines relativ kontrollierten Verbrauchs des Schmiermaterials, was im Wesentlichen keine Leckage des Schmiermaterials verursacht, genauso wie aufgrund seiner Toleranz gegenüber beispielsweise Abwaschen, genauso wie der lineare elektromechanische Aktuator eine umweltfreundliche Handhabung des Schmierelements inklusive des unverbrauchten Schmiermaterials am Lebensdauerende ermöglicht, insbesondere, wenn es durch ein separates Element bereitgestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- linearer elektromechanischer Aktuator
- 101
- Innenumgebung
- 102
- Außenumgebung
- A
- axiale Richtung
- R
- radiale Richtung
- 10
- Kolben
- 10a
- Kolbenteil in der Innenumgebung
- 10b
- Kolbenteil in der Außenumgebung
- 12
- äußere lastaufnehmende Fläche des Kolbens
- 14
- distales Ende des Kolbens
- 16
- proximales Ende des Kolbens
- 18
- Querschnitt des Kolbens
- 19
- Umfang des Querschnitts des Kolbens
- 20
- Gehäuse
- 22
- Öffnung, die dazu ausgelegt ist, das distale Ende des Kolbens aufzunehmen
- 30
- Übersetzungsmodul
- 32
- Rotationsteil
- 33
- Spindel
- 34
- mit Gewinde versehene Außenfläche (lastaufnehmende Fläche des Rotationsteils)
- 36
- Nicht-Rotationsteil
- 37
- Mutter
- 38
- mit Gewinde versehene Innenfläche (lastaufnehmende Fläche des Nicht-Rotationsteils)
- 39
- Aussparung
- 40
- Trennelement
- 42
- Dichtungselement
- 44
- Abstreifer
- 50
- Schmierelement
- 52
- Buchse
- 60
- lastaufnehmendes Element
- 62
- Führungselement
- 70
- Motor
