DE112014005369T5

DE112014005369T5 - Linearer elektromechanischer Aktuator

Info

Publication number: DE112014005369T5
Application number: DE112014005369.4T
Authority: DE
Inventors: Mikael Brage; Pär Högberg
Original assignee: SKF AB
Current assignee: Ewellix AB
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-08-04
Also published as: WO2015076725A1; US20160298754A1; US9964198B2; CN105899852A; CN105899852B

Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft einen linearen elektromechanischen Aktuator zum Übersetzen einer Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung. Der Aktuator umfasst einen Kolben mit einer äußeren lastaufnehmenden Fläche und der zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist. Der Aktuator umfasst weiterhin ein Übersetzungsmodul, das dazu ausgelegt ist, eine Rotationsbewegung, die durch einen Motor erzeugt ist, in eine Linearbewegung des Kolbens zu übersetzen. Der Aktuator umfasst weiterhin ein Trennelement und ein Schmierelement mit einer porösen Polymermatrix und einem Schmiermaterial, wobei das Trennelement und das lastaufnehmende Element nebeneinander angeordnet sind. Dadurch ermöglicht der Aktuator eine Schmierung von zumindest einem Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens durch das Schmiermaterial bei einer Bewegung des Kolbens. Beispielsweise kann der lineare Aktuator nicht mehr den Bedarf einer Nachschmierung erfordern oder kann diese zumindest minimieren.

Description

Technisches Umfeld der Erfindung
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, ein Trennelement und ein Schmierelement.
Hintergrund
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.
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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem linearen elektromechanischen Aktuator ist üblicherweise eine Schnittstelle vorgesehen, die eine innere Umgebung von einer äußeren Umgebung trennt. Ein Kolben, der sich in axialer Richtung erstreckt, kann zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet sein und ist relativ zu dem Gehäuse in axialer Richtung bewegbar. Das Gehäuse definiert im Allgemeinen die Innenumgebung und kann eine Öffnung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, ein distales Ende eines Kolbens aufzunehmen. Die Öffnung ist üblicherweise ein Teil der Schnittstelle zwischen der Innenumgebung und der Außenumgebung.
Der Kolben ist dazu ausgelegt, in axialer Richtung zu arbeiten, wobei er sich über die Öffnung in dem Gehäuse zwischen der Innenumgebung und der Außenumgebung bewegt. Um die Innenumgebung nicht zu verunreinigen und zu beschädigen, kann ein Trennelement an der Schnittstelle oder nahe der Schnittstelle angeordnet sein. Die Lebensdauer und Performance des Trennelements ist jedoch in hohem Maß von einer zufriedenstellenden Schmierung der lastaufnehmenden Flächen genauso wie der der Außenfläche des Kolbens abhängig, wobei Letztere zumindest teilweise dem Trennelement zugewandt ist.
Wie oben bemerkt, können die im Stand der Technik bekannten Aktuatoren typischerweise nicht die Anforderungen hinsichtlich, beispielsweise, einer definierten Lokalisierung des Schmiermittels und einer definierten Menge des Schmiermittels erfüllen. Typischerweise brauchen die aus dem Stand der Technik bekannten Aktuatoren eine regelmäßige Nachschmierung aufgrund beispielsweise einer Migration der Schmiermittel und eines exzessiven Verbrauchs von Schmiermittel.
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.
Gemäß einem Aspekt vorliegender 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 und hat eine äußere lastaufnehmende Fläche. Der Kolben ist zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet und relativ zu dem Gehäuse in axialer Richtung bewegbar. Das Gehäuse hat eine Öffnung, die dazu ausgelegt ist, das distale Ende des Kolbens aufzunehmen und definiert eine Innenumgebung. Der lineare elektromechanische Aktuator weist weiterhin ein Übersetzungsmodul auf, das operativ mit dem proximalen Ende des Kolbens verbunden ist und dazu ausgelegt ist, eine Rotationsbewegung, die von einem Motor erzeugt wird, in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung zu übersetzen. Der lineare elektromechanische Aktuator umfasst weiterhin ein Trennelement, das neben der Öffnung des Gehäuses und, in radialer Richtung gesehen, zwischen dem Gehäuse und dem Kolben angeordnet ist. Der lineare elektromechanische Aktuator umfasst weiterhin ein Schmierelement, das eine poröse Polymermatrix und ein Schmiermaterial umfasst. Das Schmierelement ist in der Innenumgebung vorhanden und neben der Öffnung des Gehäuses und, in radialer Richtung gesehen, zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet. Das Schmierelement ist neben dem Trennelement angeordnet. Dadurch erlaubt der Aktuator eine Schmierung von zumindest einem Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens durch das Schmiermaterial bei einer Bewegung des Kolbens. Vorzugsweise erlaubt die Anordnung weiterhin eine Schmierung eines Teils des Trennelements, wie beispielsweise der dem Kolben zugewandten Fläche, über die Schmierung der Außenfläche des Kolbens.
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 schmierendes Fett, oder einer anderen Form eines flüssigen oder semiflüssigen Schmiermaterials, mit Ausnahme von der porösen Polymermatrix des Schmierelements, 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.
• 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.

In einem Ausführungsbeispiel ermöglicht der Aktuator eine Schmierung von im Wesentlichen der gesamten äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens durch das Schmiermaterial. Unter dem Begriff "im Wesentlichen" sind hierin mindestens 90% der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens, beispielsweise mindestens 95% der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens, gemeint.
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.
Die "axiale Richtung" bezieht sich auf die Richtung der Mittelachse des Kolbens. Die "radiale Richtung" bezieht sich auf die Richtung des Radius des Kolbens.
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 Kolbens, ein Teil des Trennelements, das dem Kolben zugewandt ist, und/oder ein Teil des Führungselements, das dem Kolben zugewandt ist, sein. Das Schmierelement ist neben dem Trennelement angeordnet. Das Schmierelement kann in radialer Richtung gesehen zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet sein. Typischerweise ist das Schmierelement nahe dem distalen Ende des Kolbens angeordnet, wenn der Kolben in seinem vollständig zurückgezogenen Zustand ist.
Eine lastaufnehmende Fläche, beispielsweise die Außenfläche des Kolbens, 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.
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.
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.
Aufgrund der Porosität der Polymermatrix hat das Schmierelement ein 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Kolbens und kann so die äußere lastaufnehmende Fläche des Kolbens über den gesamten Verfahrweg des Kolbens schmieren.
Das Schmierelement kann in großer Nähe zu dem Trennelement angeordnet sein. Demnach kann das Schmierelement in einem geringen Abstand von dem Trennelement angeordnet sein. Das Trennelement ist an einer Schnittstelle, oder nahe an der Schnittstelle, zwischen der Innenumgebung und der Außenumgebung angeordnet, wodurch es einem relativ harschen Milieu ausgesetzt ist, inklusive einer Reibung und eines Verschleißes beim Betrieb des Aktuators. Vorzugsweise ermöglicht das Schmierelement eine Schmierung des Trennelements, insbesondere von Teilen des Trennelements, die dem Kolben zugewandt sind.
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 äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens aufgebracht ist. Alternativ kann das Schmierelement eine integrierte Komponente des Aktuators sein.
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 den Kolben herum angeordnet sein, und kann auch leicht davon entfernt werden. In einer derartigen Anordnung kann das Schmierelement den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens umgeben.
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 Kolbens aber einen Teil des Umfangs des Querschnitts des Kolbens.
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.
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.
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.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Trennelement derart angeordnet, dass es den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens umgibt, der einen Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens bildet.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Trennelement ein Abstreifer. 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.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Trennelement ein Dichtungselement. 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.
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.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst der lineare elektromechanische Aktuator weiterhin ein Führungselement. Das Schmierelement ist in axialer Richtung zwischen dem Trennelement und dem Führungselement angeordnet. Optional kann das Schmierelement eine Schmierung des Führungselements über die Schmierung der äußeren Fläche des Kolbens ermöglichen.
Unter dem Begriff "Führungselement" 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 Führungselement ist im Allgemeinen in der Innenumgebung des Aktuators angeordnet, die durch das Gehäuse ausgebildet ist (d. h. in der Innenumgebung des Gehäuses). Das Führungselement kann zwischen dem Kolben und dem Gehäuse in radialer Richtung angeordnet 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 kann um den Kolben herum angeordnet sein. 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.
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.
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.
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.
Unter dem Begriff "Übersetzungsmodul" ist hierin das Modul der Komponenten des Aktuators gemeint, die dazu ausgelegt sind, eine Drehbewegung, die durch einen Motor erzeugt wird, in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung zu übersetzen.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Übersetzungsmodul ein Rotationsteil und ein Nicht-Rotationsteil, die operativ ineinander eingreifen können. Das Nicht-Rotationsteil ist operativ mit dem proximalen Ende des Kolbens verbunden. Das Übersetzungsmodul ist dazu ausgelegt, eine Rotationsbewegung des Rotationsteils in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung über das Nicht-Rotationsteil zu übersetzen.
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.
Die Spindel kann eine Gleitspindel, eine Rollenspindel oder eine Kugelrollenspindel sein. Die Mutter kann eine Torsionsverriegelungsmutter, wie beispielsweise eine Gleitmutter, oder eine Mutter mit Wälzkörpern, wie beispielsweise eine Kugelmutter oder eine Rollenmutter sein. Üblicherweise ist die Mutter komplementär zu der Spindel.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Rotationsteil eine Spindel und der Nicht-Rotationsteil eine Mutter.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Rotationsteil eine Mutter und der Nicht-Rotationsteil eine Spindel.
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 bei einem Gleitspindeldesign. In diesem Fall ist die Mutter vorzugsweise aus einem Plastikmaterial.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun genauer mit Bezug auf die anhängigen Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, beschrieben.
In 1 ist ein linearer elektromechanischer Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Ansicht gezeigt.
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.
In 3 ist schematisch ein Teil des linearen elektromechanischen Aktuators gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Explosionsansicht gezeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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.
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 linearer Aktuator oder nur als Aktuator bezeichnet ist. Der Aktuator umfasst einen Kolben 10, ein Gehäuse 20, ein Übersetzungsmodul 30 und ein Trennelement 40. In 1 umfasst das beispielhafte Ausführungsbeispiel des Aktuators weiterhin 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.
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.
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.
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. Auch wenn nicht unbedingt erforderlich, umfasst das Übersetzungsmodul 30 hier einen drehbaren Spindelschaft 33 mit einer nicht drehbaren Mutter (nicht gezeigt), die darauf läuft. Der Spindelschaft 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.
Das Trennelement 40 ist neben der Öffnung des Gehäuses 20 und, in radialer Richtung R gesehen, zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse angeordnet.
Das Trennelement 40, 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.
Wie oben erwähnt, kann der lineare Aktuator typischerweise, aber nicht notwendigerweise, ein Führungselement 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.
Wenn das Führungselement 62 relativ nahe dem distalen Ende des Kolbens in seinem vollständig zurückgezogenen Zustand angeordnet ist, dient das Führungselement 62 vorteilhafterweise dazu, einen Verschleiß an dem Trennelement 40 zu verhindern, der durch den Kolben 10 genauso wie durch das Abstreifen des Schmiermaterials von der Außenfläche 12 des Kolbens, während des Durchlaufens der Öffnung 22 und des Trennelements verursacht wird.
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 beiden 2 und 3 gezeigt.
Der Kolben 10, der ein distales Ende 14 und ein proximales Ende 16 hat, erstreckt sich in der axialen Richtung A. Das distale Ende erstreckt sich in der Außenumgebung 102, und das proximale Ende ist innerhalb des Gehäuses 20 und somit innerhalb der Innenumgebung 101 angeordnet.
Das proximale Ende 16 des Kolbens ist operativ mit einer Mutter 37 des Übersetzungsmoduls verbunden. Die Mutter 37 hat eine mit einem Gewinde ausgestattete Innenfläche 38 und ist in operativen Eingriff mit einer Spindel 33 des Übersetzungsmoduls bringbar. Die Spindel hat eine mit einem Gewinde versehene Außenfläche 34. Eine Rotationsbewegung der Spindel kann durch einen Motor 70 erzeugt werden.
Das Schmierelement 50 umfasst eine poröse Polymermatrix und ein Schmiermaterial. Wie in 2 dargestellt, ist das Schmierelement 50 in der Innenumgebung 101 vorhanden und nahe der Öffnung 22 des Gehäuses 20 und, in radialer Richtung R gesehen, zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse 20 angeordnet.
An der Schnittstelle zwischen der Innenumgebung und der Außenumgebung sind ein Dichtungselement 42 bzw. ein Abstreifer 44 angeordnet. Sowohl das Dichtungselement 42 als auch der Abstreifer 44 sind in radialer Richtung gesehen zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse angeordnet. In 2 sind beide Trennelemente 42, 44 um den Kolben herum angeordnet und umgeben den gesamten Umfang 19 eines Querschnitts 18 des Kolbens.
Dementsprechend umfasst in diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel der lineare Aktuator ein erstes Trennelement, das ein Abstreifer ist, und ein zweites Trennelement, das ein Dichtungselement ist. Dennoch kann wie oben erwähnt, der lineare Aktuator nur ein Trennelement in der Form eines Abstreifers aufweisen. In einem anderen beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der lineare Aktuator nur ein Trennelement in der Form eines Dichtungselements aufweisen.
Wie in 3 dargestellt, hat das Dichtungselement 42 hier die Form einer Hülse. Das Dichtungselement dichtet den Raum zwischen der Außenfläche 12 des Kolbens und der Innenfläche des Gehäuses ab. Die Innenfläche des Gehäuses zeigt zu der Außenfläche des Kolbens.
Darüber hinaus hat hier der Abstreifer 44 eine konische Form mit einem ersten Ende 45, das einen im Wesentlichen gleichen oder geringfügig größeren Umfang als den Umfang des Querschnitts des Kolbens aufweist, und ein zweites Ende 46, das einen Umfang aufweist, der im Wesentlichen gleich oder geringfügig kleiner als der Umfang eines Querschnitts des Gehäuses ist. Wie in 2 dargestellt, zeigt das erste Ende 45 des Abstreifers zu der Außenumgebung und das zweite Ende 46 des Abstreifers zeigt zur Innenumgebung.
Das Dichtungselement 42 und der Abstreifer 44 sind in Kontakt miteinander, oder in naher Nähe zueinander angeordnet, wie in 2 dargestellt. Demnach kann das Dichtungselement 42 mit einem kleinen Abstand von dem Abstreifer 44 angeordnet sein, ohne von dem Rahmen vorliegender Erfindung abzuweichen, solange die Funktionen der Anordnung aufrechterhalten sind.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, umfasst der Aktuator 100 hier weiterhin ein Führungselement 62, das die Form einer Hülse aufweist, die den gesamten Umfang des Querschnitts des Kolbens umgibt. Das Führungselement 62 ist in seiner Gesamtheit in der Innenumgebung, in radialer Richtung R gesehen, zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet. Wie oben erwähnt ist es zu bemerken, dass das Führungselement nur eine optionale Komponente des Aktuators ist.
Wie in 2 dargestellt, ist das Schmierelement 50 neben dem Trennelement 40 angeordnet. D. h. das Schmierelement 50 ist, in axialer Richtung A gesehen, neben dem Trennelement 40 angeordnet. Weiterhin ist, in axialer Richtung A gesehen, hier das Schmierelement 50 des Aktuators zwischen dem Führungselement 62 und dem Dichtungselement 42 angeordnet.
In 2 hat das Dichtungselement die Form einer Hülse 52, die den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens umgibt. Das Schmierelement 50 ist derart angeordnet, dass es eine Schmierung der Außenfläche des Kolbens, des Dichtungselements und des Abstreifers ermöglicht.
Wie leicht erkannt werden kann, muss in allen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Schmierelement nicht notwendigerweise eine Hülse sein. 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.
Wie in 2 dargestellt, sind die Trennelemente 42, 44 hier um den Kolben herum angeordnet. Analog ist das Schmierelement 50 um den Kolben herum angeordnet. Analog ist hier das Führungselement 62 um den Kolben herum angeordnet.
Typischerweise ist das Führungselement 62 lastaufnehmend, während das Schmierelement 50 nicht lastaufnehmend ist. Optional, auch wenn nicht unbedingt nötig, ist auch zumindest eines der Trennelemente 42, 44 lastaufnehmend.
Um einen laufruhigen Betrieb des linearen Aktuators sicherzustellen, sollte der Kolben 10 in axiale Richtung relativ zu den Führungselementen 62, dem Schmierelement 50 und den Trennelementen 42, 44 frei bewegbar sein.
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 12 des Kolbens 10, durch das Schmiermaterial des Schmierelements 50 bei Bewegung des Kolbens.
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.
Beispiele
Funktionalitätstests wurden von den Erfindern durchgeführt, um die erfinderische Tätigkeit vorliegender Erfindung zu stützen. Wie weiter unten gezeigt werden wird, zeigten die Funktionalitätstests überraschend gute Resultate. Es ist zu bemerken, dass die Funktionalitätstests einige weitere Komponenten des linearen Aktuators umfassten, die nur als optional für vorliegende Erfindung betrachtet werden.
Genauer gesagt bezogen sich die Funktionalitätstests, die auf den Verschleiß unter normalen Umständen fokussiert waren, auf das Schmieren des Kolbens, des Führungselements und eines Dichtungselements in einem sogenannten Aktuator des Typs SKF ActSys GBG 0407538 (SKF, Schweden). Ein konventioneller SKF ActSys GBG 0407538 Aktuator, der Fett als Schmiermaterial aufweist, wurde mit einem modifizierten SKF ActSys GBG 0407538 Aktuator verglichen, der ein Schmierelement gemäß der Erfindung, nämlich ein sogenanntes Festkörperöl aufweist.
In beiden getesteten Aktuatoren wurde der Kolben durch ein Führungselement geführt und durch ein Dichtungselement in dem Gehäuse abgedichtet. Das Führungselement hat die Form einer Hülse. Das Dichtungselement hat die Form einer Hülse (eine sogenannte Lippendichtung). In dem getesteten modifizierten Aktuator war das Schmierelement zwischen dem Dichtungselement und dem Führungselement in axialer Richtung angeordnet. Das Schmierelement hat die Form einer Hülse, die um den Umfang eines Querschnitts des Kolbens herum angeordnet ist. In dem Test hat die Hülse einen äußeren Durchmesser von 33 mm und einen inneren Durchmesser von 28 mm und eine Breite von 10 mm, was ein Volumen von 2,4 cm³ ergibt. Das Schmierelement, das Dichtungselement und der Kolben werden in einem trockenen Zustand (d. h. in einem nicht geschmierten Zustand) zusammengebaut.
Die Tests wurden aufgesetzt, um einige 500000 Zyklen zu laufen, um sowohl den Verschleiß für eine reguläre Nutzung anzugeben als auch eine Nutzungsindikation des SKF ActSys GBG 0407538 Aktuators anzugeben, bei dem ein L₁₀-Wert von 1500000 Zyklen verwendet wird. Der L₁₀-Wert gibt eine Indikation der Lebensdauer des Aktuators aus, indem festgelegt ist, dass weniger als 10% der Aktuatoren versagen, bevor die gegebene Anzahl der Zyklen erreicht ist.
Um eine radiale Last auf das Führungselement zur Geltung zu bringen, wurde der Aktuator um 3 cm verschoben, wodurch eine ungleiche Last angelegt wurde. Keine weiteren zusätzlichen, künstlichen Verschleißbedingungen, wie beispielsweise Schmutz, Hitze oder Feuchtigkeit wurden während der Tests eingeführt.
Test 1: Vergleichstest zwischen einem konventionellen SKF ActSys GBG 0407538 Aktuator (SKF, Schweden) und einem SKF ActSys GBG 0407538 Aktuator mit einem Schmierelement
Die Aktuatoren wurden vertikal mit einer drückenden Last während des Tests angeordnet.
Während der initialen 50000 Zyklen wurde eine erzwungene radiale Last von 15 mm und 50 kg Gewicht, was einer Radiallast von ungefähr 50 N auf das Führungselement entspricht, verwendet. Die Geschwindigkeit wurde auf ungefähr 75 mm/s gesetzt.
Während der nachfolgenden 450000 Zyklen wurde eine erzwungene radiale Last von 3,5 mm und einem Gewicht von 10 kg, was ungefähr der gleichen radialen Last wie oben, entspricht, (aber mit weniger Rücktriebkraft), verwendet. Die Geschwindigkeit wurde auf ungefähr 85 mm/s gesetzt.
Die Länge der Hübe war ungefähr 220 mm, was in einem gesamten Verfahrweg des Dichtungselements relativ zu dem Kolben von 220 km während des Tests resultierte.
Verschleiß und Sauberkeit wurden an dem Kolben und dem Dichtungselement bei jedem der Aktuatoren während des Tests beobachtet. An manchen Stellen während der Tests und letztendlich beim Erreichen von 500000 Zyklen, wurden die Aktuatoren auseinandergebaut und das Dichtungselement, der Kolben und das Führungselement wurden weiterhin visuell auf Verschleiß untersucht.
Während der initialen 75000 Zyklen lief der Kolben des konventionellen Aktuators trocken und begann Rückstände an dem Dichtungselement anzusammeln und zeigte ein typisches Schwarzwerden an seiner Oberfläche. Während der nachfolgenden Zyklen bis zu einer Gesamtzahl von 500000 Zyklen, zeigte der Aktuator einen steigenden Verschleiß des Dichtungselements und des Führungselements, genauso wie eine zunehmende Verfärbung des Kolbens.
Während der initialen 75000 Zyklen wurde der Kolben des modifizierten Aktuators, der ein Schmierelement umfasste, relativ ölig mit einem ausgeprägten Nassring am Ende von jedem Hub und blieb sauber. Während der nachfolgenden Zyklen bis zu der Gesamtzahl von 500000 Zyklen blieb der Verschleiß des Dichtungselements und des Führungselements genauso wie die Verfärbung des Kolbens marginal.
Das Gewicht des Schmierelements, das hier eine Hülse aus Festkörperöl ist, wurde vor bzw. nach dem Test gemessen, um den Verbrauch des Schmiermaterials des Schmierelements zu quantifizieren.
Vor dem Test wog das Schmierelement 1,94 g. Nach 160000 Zyklen wog das Schmierelement 1,92 g. Am Ende des Tests, d. h. nach 500000 Zyklen, wog das Schmierelement 1,89 g. Das Schmierelement in dem modifizierten Aktuator ermöglicht während der von dem Aktuator durchlaufenen Zyklen zumindest einen fast linearen Verbrauch von Schmiermaterial. Dieses Resultat impliziert, dass, sowohl im Hinblick auf den Ort als auch die Menge des Schmiermaterials, eine effizientere Schmierung in dem modifizierten Aktuator als in dem konventionellen Aktuator ermöglicht wird.
Test 2: Test zum Beobachten des Verschleißes des Dichtelements
In Test 2 wurden die gleichen Aktuatoren wie im Test 1 verwendet. Die Aktuatoren wurden horizontal ohne äußere Last während des Tests angeordnet. Insgesamt wurden 500000 Zyklen durchlaufen.
Die initialen 250000 Zyklen wurden mit 85 mm/s durchlaufen, und die finalen 250000 Zyklen wurden mit 100 mm/s durchlaufen. Die aufgezwungene radiale Last wurde bei 35 mm gehalten, was einer radialen Last von ungefähr 50 N entspricht. Die Länge der Hübe war ungefähr 230 mm, was in einem totalen Verfahrweg des Dichtungselements relativ zu dem Kolben von 230 km während des Tests resultiert.
Der Druck in dem Aktuator wurde nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen gemessen. Die Zeit zum Erreichen eines Atmosphärendrucks wurde ebenfalls gemessen. In einem idealen Zustand entspricht die Druckdifferenz in der Innenumgebung der Ausgleichszeit der Druckdifferenz in dem ausgefahrenen Zustand des Aktuators. Demnach wurde angenommen, dass die Varianz in den gemessenen Parametern dem Verschleiß des Dichtungselements bzw. des Führungselements entspricht. Der Druck in dem Aktuator wird bei einem Rückfahrhub aufgebaut. Vakuum wird in dem Aktuator bei einem Ausfahrhub ausgebildet.
In dem Test wurde gesehen, dass der Druck, der sich bei einem Rückfahrhub bildet, und die Zeit, um den Atmosphärendruck wieder herzustellen, sich leicht während der Laufzyklen erhöht. In 1 entspricht die durchgängige Linie dem Druck, gemessen in MPa, die in dem Aktuator bei einem Rückfahrhub ausgebildet wird, und die gestrichelte Linie entspricht der Zeit, gemessen in Sekunden, um den Atmosphärendruck zu erreichen.
Fig. 1. Druck, der in dem Aktuator bei einem Rückhub ausgebildet ist, bzw. Zeit, um den Atmosphärendruck zu erreichen.
Beide Resultate zeigen, dass sich die Leckage von Luft durch das Dichtungselement bzw. durch das Führungselement über die Laufzyklen verringert.
In dem Test wurde gesehen, dass sich das Vakuum, das sich bei einem Ausfahrhub ausbildet, und die Zeit, um den Atmosphärendruck wieder herzustellen, leicht über die Laufzyklen erhöhen.
In 2 entspricht die durchgehende Linie dem Vakuum, gemessen in MPa, die sich in dem Aktuator bei einem Ausfahrhub ausbildet, und die gestrichelte Linie entspricht der Zeit, gemessen in Sekunden, um den Atmosphärendruck zu erreichen.
Fig. 2. Vakuum, das in dem Aktuator beim Ausfahrhub ausgebildet ist, bzw. Zeit, um den Atmosphärendruck zu erreichen.
Beide Ergebnisse zeigen, dass sich die Leckage von Luft durch das Dichtungselement bzw. das Führungselement während der Laufzyklen verringert.
Vor dem Test wog das Schmierelement 1,95 g. Am Ende des Tests, d. h. nach 500000 Zyklen, wog das Schmierelement 1,90 g.
Im Endergebnis waren die Resultate der Tests die, dass der Aktuator mit einem Schmierelement weniger Anzeichen von Verschleiß zeigte, eine beständigere und kontrollierte Schmierung hatte, und eine nettere Ansicht zeigte, als der Aktuator mit konventionellem Fett.
Diese Vorteile führen zu weniger Problemen bezüglich einer exzessiver Fettleckage von dem Aktuator auf einen Türmechanismusraum, genauso wie zu einem erleichterten Zusammenbauprozess des Aktuators aufgrund eines festen Schmierelements statt losem Fetts.
Zusätzlich können Variationen der offenbarten beispielhaften Ausführungsbeispiele verstanden, und von Fachmännern ausgeführt werden, in dem die beanspruchte Erfindung durch ein Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der anhängigen Ansprüche praktiziert wird. In den Ansprüchen schließt der Begriff "umfassen/mit" nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel "ein" oder "eine" schließt keine Mehrheit aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in für beide Seiten unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen angeführt werden, zeigt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht zur Vorteilnahme verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

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
33: Spindel
34: mit Gewinde versehene Außenfläche
37: Mutter
38: mit Gewinde versehene Innenfläche
40: Trennelement
42: Dichtungselement
44: Abstreifer
50: Schmierelement
52: Buchse
62: Führungselement
70: Motor

Claims

Linearer elektromechanischer Aktuator zum Übersetzen einer Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung mit einem Kolben mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende, wobei sich der Kolben in axialer Richtung (A) erstreckt und eine äußere lastaufnehmende Fläche aufweist, wobei der Kolben zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, und relativ zu dem Gehäuse in axialer Richtung (A) bewegbar ist, einem Gehäuse, das eine Öffnung aufweist, die dazu ausgelegt ist, das distale Ende des Kolbens aufzunehmen, und das eine Innenumgebung definiert, einem Übersetzungsmodul, das operativ mit dem proximalen Ende des Kolbens verbunden ist, und dazu ausgelegt ist, eine Rotationsbewegung, die von einem Motor erzeugt ist, in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung (A) zu übersetzen, ein Trennelement, das neben der Öffnung des Gehäuses und, in einer radialen Richtung gesehen, zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet ist, und einem Schmierelement, das eine poröse Polymermatrix und ein Schmiermaterial aufweist, wobei das Schmierelement in der Innenumgebung vorhanden ist, und neben der Öffnung des Gehäuses und, in radialer Richtung (R) gesehen, zwischen dem Kolben und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Schmierelement neben dem Trennelement angeordnet ist, wodurch eine Schmierung von zumindest einem Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens durch das Schmiermaterial bei einer Bewegung des Kolbens ermöglicht ist.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 1, der eine Schmierung von im Wesentlichen der gesamten äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens durch das Schmiermaterial ermöglicht.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schmierelement eine separate Komponente des linearen Aktuators ist.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schmierelement die Form einer Hülse hat.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Trennelement derart angeordnet ist, dass es den gesamten Umfang eines Querschnitts des Kolbens umgibt, der einen Teil der äußeren lastaufnehmenden Fläche des Kolbens bildet.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Trennelement ein Abstreifer ist.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Trennelement ein Dichtungselement ist.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend ein Führungselement, wobei das Schmierelement, in axialer Richtung (A) gesehen, zwischen dem Trennelement und dem Führungselemente angeordnet ist.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gehäuse die Form eines Zylinders, beispielsweise eines Kreiszylinders hat.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Übersetzungsmodul ein Rotationsteil und ein Nicht-Rotationsteil umfasst, die operativ miteinander in Eingriff bringbar sind, und wobei das Nicht-Rotationsteil operativ mit dem proximalen Ende des Kolbens verbunden ist, wobei das Übersetzungsmodul dazu ausgelegt ist, über das Nicht-Rotationsteil eine Rotationsbewegung des Rotationsteils in eine lineare Bewegung des Kolbens in axialer Richtung (A) zu übersetzen.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 10, wobei das Rotationsteil eine Spindel und das Nicht-Rotationsteil eine Mutter ist.
Linearer elektromechanischer Aktuator nach Anspruch 10, wobei das Rotationsteil eine Mutter und das Nicht-Rotationsteil eine Spindel ist.