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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem elektromotorischen Verstellantrieb
nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs.
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Aus
der
DE 102 18 569
A1 ist ein elektromotorischer Verstellantrieb bekannt geworden,
dessen Verstellelement als Gewindespindel ausgebildet ist, die in
einer Spindelmutter geführt
und gelagert ist. Die Spindelmutter ist am Rotor des Elektromotors
koaxial angeordnet und befestigt. Durch das Drehen der Spindelmutter
zusammen mit dem Rotor wird die gegenüber der Spindelmutter verdrehfest
gelagerte Gewindespindel in axialer Richtung des Elektromotors hin-
und herbewegt.
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Aus
der
DE 195 12 349
A1 ist ein elektromotorischer Verstellantrieb bekannt geworden,
dessen Verstellelement ebenfalls als Gewindespindel ausgebildet
ist, die mit einem koaxial zur Gewindespindel angeordneten Kolben
zusammenwirkt, der ein hydraulisch beaufschlagtes Volumen begrenzt.
Die Gewindespindel, deren Durchmesser geringer als der des Kolbens
ist, wird von einer Spindelmutter gelagert und mittels des Kol bens
geführt.
Die Spindelmutter ist über
eine Kupplung mit einer Hohlwelle des Elektromotors verbunden.
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Aus
der
DE 299 19 701
U1 ist ein elektromotorischer Verstellantrieb bekannt geworden,
bei dem der Rotor eines Elektromotors über eine Hohlwelle die Mutter
eines Kugelgewindetriebes dreht. Die feststehende Gewindespindel
des Kugelgewindetriebes ist mit einer verdreh- und spielfrei in
Führungen
gelagerten Hülse
verbunden, die den Elektromotor außen weitgehend umschließt. Der
elektromotorische Verstellantrieb enthält ein Messsystem zum Erfassen der
Drehung der Hohlwelle des Elektromotors.
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Aus
der
EP 612 651 A1 ist
ein elektromotorischer Verstellantrieb bekannt geworden, der zum
Antrieb einer Lenkung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. In einer
Hohlwelle eines Elektromotors ist eine Spindelmutter konzentrisch
eingeklebt, die eine Verstellstange der Lenkung mit einem Spindelteil übergreift
und über
Kugelrollen axial verschiebbar antreibt. Die Hohlwelle ist axial
beidseitig über
Schrägkugellager
im Gehäuse
des Verstellantriebs axial vorgespannt gelagert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromotorischen Verstellantrieb
anzugeben, der eine hohe Laufruhe und kompakte Abmessungen aufweist
sowie preiswert realisierbar ist.
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Die
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen jeweils
angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße elektromotorische Verstellantrieb
geht davon aus, dass ein Rotor eines Elektromotors kraftschlüssig mit
einer Hohlwelle und mit einem Gewindeteil verbunden ist, das in
eine Spindel zur Umsetzung einer Rotationsbewegung des Rotors in
eine hin- und hergehende Bewegung der Spindel eingreift.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hohlwelle wenigstens näherungsweise
einen konstanten Innendurchmesser aufweist und dass der Hohlwellen-Innendurchmesser
und der Außendurchmesser
der Spindel aufeinander abgestimmt sind, derart, dass die Spindel
in der Hohlwelle geführt
und gelagert ist.
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Mit
diesen Maßnahmen
wird zunächst
ein äußerst kompakter
Aufbau des elektromotorischen Verstellantriebs erreicht. Als Führungs-
und Lagerteil der Spindel dient die Hohlwelle des Elektromotors. Zusätzliche
Komponenten sind nicht erforderlich.
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Zur
Umsetzung der Rotationsbewegung in die Verstellbewegung der Spindel
ist nur das Gewindeteil vorgesehen, sodass eine hohe Laufruhe erreicht
wird.
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Die
geringe Anzahl von Komponenten erhöht einerseits die Zuverlässigkeit
des Verstellantriebs und ermöglicht
andererseits die kostengünstige
Realisierung, die sich insbesondere in der Serienproduktion des
erfindungsgemäßen elektromotorischen
Verstellantriebs positiv bemerkbar macht.
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Gemäß einer
selbständigen
anderen Ausführungsform
der Erfindung, die gegebenenfalls die erste Ausführungsform der Erfindung weiterbildet,
ist vorgesehen, dass die Spindel-Steigung und der Spindel-Durchmesser aufeinander
abgestimmt sind, wobei die Spindel-Steigung in einem Bereich von 0,15 × Spindel-Durchmesser
bis 0,30 × Spindel-Durchmesser liegt.
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Die
gezielte Abstimmung der Spindel-Steigung und des Spindel-Durchmessers aufeinander führen zu
einem Optimum zwischen der Verstellkraft des elektromotorischen
Verstellantriebs und der statischen sowie dynamischen Selbsthemmung.
Der erfindungsgemäße elektromotorische
Verstellantrieb kann damit präzise
an die Aufgabenstellung angepasst werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektromotorischen Verstellantriebs
ergeben sich aus abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
erste Ausgestaltung sieht vor, dass das Gewindeteil als Spindelmutter
ausgebildet ist, die im Bereich einer Stirnseite des Elektromotors
angeordnet ist. Gewindemuttern sind handelsübliche, äußerst preiswert erhältliche
Teile. Die Anordnung im Bereich einer Stirnseite des Elektromotors
ermöglicht
eine einfache konstruktive Realisierung, bei der ein Eingriff in
den Elektromotor nicht erforderlich ist.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass das Gewindeteil in die Hohlwelle
integriert ist. Die Hohlwelle kann bei dieser Ausgestaltung auf
ihrer Innenseite zumindest auf einem Teil der axialen Ausdehnung
mit dem in die Spindel eingreifenden Gewinde versehen werden. Ein
separates Gewindeteil kann somit entfallen.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass der Spindel-Durchmesser in
einem Bereich von 5 – 15
Millimetern liegt. Vorzugsweise ist der Spindel-Durchmesser auf wenigstens näherungsweise
10 mm festgelegt. Mit der speziellen Bemessung des Spindel-Durchmessers
kann eine gegebene Aufgabenstellung optimal hinsichtlich der Verstellkraft,
dem Drehmoment des Elektromotors und hinsichtlich der Kosten gelöst werden.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spindel-Steigung in einem
Bereich von 2 – 3
mm liegt. Vorzugsweise ist die Spindel-Steigung wenigstens näherungsweise
auf 2,2 mm festgelegt. Mit der speziellen Bemessung der Spindel-Steigung
kann ebenfalls eine gegebene Aufgabenstellung optimal gelöst werden.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spindel ein vorzugsweise
eingängiges
Trapezgewinde aufweist.
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Besonders
vorteilhaft ist die Kombination der zuletzt beschriebenen Ausgestaltungen.
Insbesondere die Kombination aus dem vorgegebenen Spindel-Durchmesser
und der vorgegebenen Spindel-Steigung hat in einer speziellen Anwendung
des erfindungsgemäßen elektromotorischen
Verstellantriebs zu optimalen Ergebnissen geführt.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spindel aus Stahl und die
Spindelmutter aus Kunststoff hergestellt sind. Allgemein spielt
die Materialauswahl eine Rolle bei dem optimalen Zusammenspiel zwischen
dem Spindel-Durchmesser und der Spindel-Steigung.
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Eine
Ausgestaltung sieht den Einsatz wenigstens eines Dämpfungselements
vor, das im Bereich der Hohlwelle zur Dämpfung von Geräuschen der
sich drehenden Spindel vorgesehen ist. Das wenigstens eine Dämpfungselement
kann als Beschichtung der Innenseite der Hohlwelle oder als Einsatz ausgebildet
sein. In einer einfachen Ausgestaltung ist wenigstens ein Dämpfungselement
auf der gegenüberliegenden
Seite des Elektromotors bezogen auf das Gewindeteil vorgesehen.
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Eine
Weiterbildung sieht vor, dass ein Positions- und/oder Drehrichtungs-
und/oder Drehzahlsensor vorgesehen ist, der vorzugsweise im Elektromotor
angeordnet ist. Der Sensor ermöglicht
die Positions- und/oder
die Drehzahl- und/oder zumindest die Drehrichtungs-Rückmeldung der Spindel an ein Steuergerät. Die vom
Sensor bereitgestellten Signale können zur Synchronisation von
mehreren Antrieben verwendet werden.
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Eine
andere Weiterbildung sieht vor, dass das Gewindeteil über ein
Getriebe mit dem Rotor des Elektromotors verbindbar ist. Das Getriebe
ermöglicht
eine Anpassung der Motordrehzahl an eine vorgegebene Verstellgeschwindigkeit
der Spindel. Das Getriebe ermöglicht
weiterhin eine Anpassung des Elektromotor-Drehmoments an die aufzubringende Verstellkraft.
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Eine
Ausgestaltung betrifft den Elektromotor, der vorzugsweise als Kollektormotor,
vorzugsweise Gleichstrom-Kollektormotor realisiert ist. Kollektormotoren
sind aufgrund der Massenfertigung äußerst preiswert erhältlich.
Insbesondere Gleichstrom-Kollektormotoren mit Permanentmagnet-Erregung
sind mit einfachen Schaltungsmitteln ansteuerbar.
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Eine
Ausgestaltung des Elektromotors sieht vor, dass das Gehäuse zumindest
eine Abflachung aufweist. Ein derart ausgestalteter Elektromotor
kann besonders einfach montiert werden, wobei spezielle Maßnahmen
zum Verhindern des Verdrehens des Elektromotor-Gehäuses entfallen
können.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und
aus der folgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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1 zeigt ein vereinfachtes
Schnittbild durch einen erfindungsgemäßen elektromotorischen Verstellantrieb
und 2 zeigt eine Draufsicht
auf eine Stirnseite des elektromotorischen Verstellantriebs.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen elektromotorischen
Verstellantrieb, der als Verstellelement eine Spindel 10 aufweist,
die in einer Hohlwelle 11 eines Elektromotors 12 geführt und
gelagert ist. Der Hohlwelle 11 ist wenigstens ein Dämpfungselement 11a zugeordnet.
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Der
in einem Gehäuse 13 untergebrachte Elektromotor 12 ist
im gezeigten Ausführungsbeispiel als
Kollektormotor realisiert. Der Betriebsstrom des Elektromotors 12 gelangt über einen
Bürsten-Anschluss 14,
eine Bürste 15,
einen Kollektor 16 und über
einen Wicklungs-Anschluss 17 zu einem Wicklungspaket 18,
das kraftschlüssig
mit der Hohlwelle 11 verbunden ist. Im Folgenden wird das
Wicklungspaket als Rotor 18 des Elektromotors 12 bezeichnet.
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Die
Erregung des Elektromotors 12 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel
mit Permanentmagneten 19, die am Gehäuse 13 angeordnet
sind.
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Zur
Lagerung der Hohlwelle 11 sind an einer Stirnseite 20 des
Elektromotors 12 beispielsweise ein Kugellager 21 und
am gegenüberliegenden
Ende des Elektromotors 12 beispielsweise ein Sinterlager 22 vorgesehen.
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Ein
Sensor 23a, 23b erfasst beispielsweise die Position
und/oder die Drehrichtung und/oder die Drehzahl der Hohlwelle 11 gegenüber dem
Gehäuse 13.
Ein erstes Teil 23a des Sensors 23a, 23b ist
gegenüber
der Hohlwelle 11 drehfest angeordnet, während ein zweites Teil 23b des
Sensors 23a, 23b zusammen mit der Hohlwelle 11 dreht.
Wenigstens ein Signal des Sensors 23a, 23b wird
einem nicht näher gezeigten
Steuergerät
des Verstellantriebs zur Verfügung
gestellt, das den Elektromotor 12 in Abhängigkeit
von der Position und/oder der Drehrichtung und/oder der Drehzahl
der Hohlwelle 11 ansteuern kann. Das wenigstens eine Signal
des Sensors 23a, 23b kann zur Synchronisation
mehrerer elektromotorischer Verstellantriebe verwendet werden.
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Ein
Gewindeteil 24 setzt die Rotationsbewegung der Hohlwelle 11 in
eine axiale Bewegung der Spindel 10 um. Die Spindel kann
in Abhängigkeit
von der Drehrichtung des Elektromotors 12 eine hin- und hergehende Bewegung
in axialer Richtung des Elektromotors 12 ausführen. Das
Gewindeteil 24 wird vorzugsweise als Spindelmutter realisiert.
Muttern sind Standardbauteile, die preisgünstig erhältlich sind.
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In
einer alternativen Ausgestaltung kann zumindest das Gewinde des
Gewindeteils 24 in der Hohlwelle 11 integriert
sein. Hierzu muss die Hohlwelle 11 auf einem vorgegebenen
Abschnitt eine erhöhte
Materialstärke
aufweisen, damit das Gewinde eingeschnitten werden kann.
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Eine
Anpassung der Drehzahl des Elektromotors 12 an eine vorgegebene
Nenn-Verstellgeschwindigkeit der Spindel 10 kann mit einem
gegebenenfalls vorhandenen Getriebe erfolgen, von dem ein erstes
und zweites Getriebeteil 25a, 25b schematisch
gezeigt sind. Das Getriebe 25a, 25b ermöglicht weiterhin
eine Anpassung des Drehmoments des Elektromotors 12 an
die vorgegebene Verstellkraft der Spindel 10. Das erste
Getriebeteil 25a ist kraftschlüssig mit dem Gewindeteil 24 verbunden.
Die Getriebeübersetzung
findet zwischen dem ersten Getriebeteil 25a und dem mit
der Hohlwelle 11 kraftschlüssig verbundenen zweiten Getriebeteil 25b statt.
Die Getriebeteile 25a, 25b sind vorzugsweise außerhalb
des Elektromotors 12, beispielsweise an der Stirnseite 20 angeordnet.
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Die
Spindel 10 weist einen Spindel-Durchmesser 26 sowie
eine Spindel-Steigung 27 auf. Eine erste wesentliche Bedeutung kommt
der Festlegung des Spindel-Durchmessers 26 im Hinblick
auf den Hohlwellen-Innendurchmesser 28 zu. Der Hohlwellen-Innendurchmesser 28 berücksichtigt
das vorzugsweise wenigstens eine vorhandene Dämpfungselement 11a.
Der Spindel-Durchmesser 26 und
der Hohlwellen-Innendurchmesser 28 sind derart aufeinander
abzustimmen, dass die Spindel 10 in der Hohlwelle 11 oder
im wenigstens einen Dämpfungselement 11a geführt und
gelagert ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein separates
Lager für
die Spindel 10 entfallen kann. Bei der Festlegung der beiden Durchmesser 26, 28 kann
eingeplant werden, dass die Spindel 10 die Innenfläche der
Hohlwelle 11 berührt.
Zu berücksichtigen
sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Spindelmaterials
und des Hohlwellen- oder Dämpfungselementmaterials,
sodass die Leichtgängigkeit
der Spindel 10 jederzeit sichergestellt ist.
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Wenn
der elektromotorische Antrieb in Betrieb ist, kann die Spindel 10 trotz
der Führung
und Lagerung in der Hohlwelle 11 in Schwingungen geraten.
Die Schwingungen können
mit einer Geräuschentwicklung
verbunden sein, die durch ein Schlagen der Spindel 11 auf
die Innenwandung der Hohlwelle 11 entsteht. Vorzugsweise
ist deshalb das wenigstens eine Dämpfungselement 11a vorgesehen,
das der Hohlwelle 11 zugeordnet ist. Das Dämpfungselement 11a kann
beispielsweise als Beschichtung der Hohlwelle 11 realisiert
werden. In einer einfachen Ausgestaltung reicht es aus, die Beschichtung
lediglich an demjenigen Ende des Elektromotors 12 anzubringen,
das dem Gewindeteil 24 gegenüber liegt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das Dämpfungselement 11a auf
nahezu der gesamten axialen Ausdehnung der Hohlwelle 11 vorhanden.
In einer Ausgestaltung kann das wenigstens eine Dämpfungselement 11a als
ein Rohr realisiert werden, das in die Hohlwelle 11 eingeschoben
wird. Eine andere Möglich keit
sieht den Einsatz von Federstahlelementen in der Hohlwelle 11 vor,
die im eingesetzten Zustand über
federnde Ausbuchtungen verfügen,
die in den Hohlraum reichen und somit die Schwingungen der Spindel 10 dämpfen.
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Weiterhin
kommt der Ausgestaltung der Hohlwelle 11 Bedeutung zu.
Die Lagerung und Führung
der Spindel 10 in der Hohlwelle 11 oder dem wenigstens
einen Dämpfungselement 11a wird
um so stabiler, je länger
die Hohlwelle 11 oder das wenigstens eine Dämpfungselement 11a die
Spindel 10 umschließt.
Vorzugsweise ist deshalb vorgesehen, dass die Hohlwelle 11 oder
das wenigstens eine Dämpfungselement 11a sich
wenigstens näherungsweise über die
gesamte Motorlänge 29 erstreckt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ragt die Hohlwelle 28 aus dem Elektromotor 12 heraus.
Die Umschließung
der Spindel 10 durch die Hohlwelle 11 oder das
wenigstens eine Dämpfungselement 11a ist
sichergestellt, wenn die Hohlwelle 11 oder das wenigstens
eine Dämpfungselement 11a wenigstens
näherungsweise auf
der gesamten Länge
einen konstanten Hohlwellen-Innendurchmesser 28 aufweisen,
wobei beim Hohlwellen-Innendurchmesser 28 das wenigstens eine
Dämpfungselement 11a bereits
berücksichtigt ist.
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Eine
wesentliche Rolle kommt der Festlegung des Spindel-Durchmessers 26 in
Verbindung mit der Festlegung der Spindel-Steigung 27 zu. Besonders vorteilhaft
hat sich eine Abstimmung herausgestellt, wobei die Spindel-Steigung 27 in
einem Bereich von 0,15 × Spindel-Durchmesser 26 bis 0,30 × Spindel-Durchmesser 26 liegt.
Mit dieser Abstimmung wird ein wirtschaftlich günstiges Verhältnis zwischen
der Maximierung der Verstellkraft der Spindel 10 und der
statischen sowie dynamischen Selbsthemmung des elektromotorischen
Verstellantriebs erzielt.
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Als
Einzelmaßnahme
hat sich ein Spindel-Durchmesser 26 von 5 – 15 mm
bewährt.
In einem realisierten Ausführungsbeispiel
wurde mit einem Spindel-Durchmesser 26 von wenigstens näherungsweise
10 mm die besten Ergebnisse erzielt. Ein solcher Spindel-Durchmesser ermöglicht den
Einsatz von preiswerten Standard-Spindeln 10.
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Als
Einzelmaßnahme
hat sich weiterhin eine Spindel-Steigung von 2 – 3 mm bewährt. In einem realisierten
Ausführungsbeispiel
wurden mit einer Spindel-Steigung von 2,2 mm und einem Spindel-Durchmesser 26 von
10 mm die besten Ergebnisse hinsichtlich Verstellkraft und Selbsthemmung
erzielt.
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Einen
weiteren Einfluss auf die Effizienz des Verstellantriebs und insbesondere
auf die Selbsthemmung hat die Auswahl des Gewindes der Spindel 10.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein vorzugsweise vorgesehenes eingängiges Trapezgewinde dargestellt,
das sich bewährt
hat.
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Eine
Bedeutung kommt der Auswahl des Materials zu. Vorzugsweise ist die
Spindel 10 aus Stahl und das Gewindeteil 24 aus
Kunststoff hergestellt. Die Materialkombination führt zu Unterschieden
in der Rautiefe und der Materialhärte. Dies kann zu einer Verschiebung
des optimalen Verhältnisses
zwischen dem Spindel-Durchmesser 26 und
der Spindel-Steigung 27 führen. Die bereits beschriebenen Bereiche
berücksichtigen
die Zusammenhänge,
die sich insbesondere auf die Haftreibung zwischen der Spindel 10 und
dem Gewindeteil 24 auswirken, welche die Selbsthemmung
bei abgeschaltetem Elektromotor 12 bestimmen.
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Anstelle
des im Ausführungsbeispiel
gezeigten Kollektormotors können
elektronisch kommutierte Elektromotoren eingesetzt wer den. Neben
der Permanentmagnet-Erregung kann eine elektromagnetische Erregung
vorgesehen sein, die ein Betreiben des Elektromotors 12 mit
Wechselstrom ermöglicht.
In einer speziellen Ausgestaltung kann als Elektromotor 12 ein
Schrittmotor vorgesehen sein.
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2 zeigt eine Draufsicht
auf die Stirnseite 20 des Elektromotors 12. Übereinstimmende
Teile in den 1 und 2 sind jeweils mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Der
Darstellung in 2 ist
die Ausgestaltung des Gewindeteils 24 als Spindelmutter
zugrunde gelegt.
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2 zeigt insbesondere eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Gehäuses 13, das wenigstens eine
Gehäuse-Abflachung 30a, 30b aufweisen
soll. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind eine erste Gehäuse-Abflachung 30a und
eine zweite Gehäuse-Abflachung 30b gezeigt,
die symmetrisch gegenüber
liegen. Durch die wenigstens eine Gehäuse-Abflachung 30a, 30b kann
der Elektromotor 12 besonders einfach montiert werden,
wobei spezielle Maßnahmen
zum Verhindern des Verdrehens des Elektromotor-Gehäuses 13 gegenüber einem
nicht näher gezeigten
Teil eines Verstellantriebs entfallen können.