DE3416938A1

DE3416938A1 - Kompaktes elektromechanisches stellglied

Info

Publication number: DE3416938A1
Application number: DE19843416938
Authority: DE
Inventors: John H. Mabie; Stephen P. Radford Va. Smith
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1984-05-04
Publication date: 1984-12-06
Also published as: GB8411114D0; DE3416938C2; GB2141203B; FR2545624B1; FR2545624A1; IE56983B1; IE841096L; US4579012A; GB2141203A

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung und insbesondere ein kompaktes (raumsparendes) lineares Stellglied. Stellglieder werden in verschiedenen Bereichen zur Bewegungssteuerung verwendet. Beispielsweise werden Stellglieder zum Schwenken der Höhenruder in Plugzeugen oder zum Heben der Ladekästen von Lastwagen verwendet. In bestimmten Anwendungsbereichen können beschränkte Raumverhältnisse ein Problem beim Einbau von Stellgliedern darstellen. In Flugzeugen sind z.B. Gewicht und Abmessung eines Bauteiles von. vorrangiger Bedeutung. Es besteht deshalb ein Bedarf an Stellgliedern, die an die beschränkten Raumverhältnisse angepaßt sind, die aber die für den Verwendungszweck erforderliche Leistung und den notwendigen Vorschub erbringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stellglied herzustellen, das bei möglichst geringen äußeren Abmessungen eine verhältnismäßig große Leistung und einen ausreichenden Schub erbringt. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist durch eine integrierte Bauweise gekennzeichnet, die eine erheb- ■ liehe Raumeinsparung bewirkt, ohne Leistung und Vorschub negativ zu beeinflussen. Nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden Motor, Reduktionsgetriebe und Bewegungssteuerung des elektromechanischen Stellgliedes eine geschlossene Anordnung, die auf einem verhältnismäßig kleinen Raum untergebracht werden kann, ohne daß hierdurch Ausgangsleistung und Vorschub auf einen nicht mehr zulässigen Wert reduziert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Das erfindungsgemäße elektromechanische Stellglied stellt ein aus Motor, Reduktionsgetriebe und Bewegungssteuerung gebildetes integriertes Bauteil dar und besteht nicht, wie 5 sonst üblich, aus mehreren einzelnen, untereinander verbundenen Einheiten. Das Stellglied nach der Erfindung ist ein integriertes Bauteil, das alle Funktionen ausführt. Im

Gegensatz zu den bisher üblichen Stellgliedern, bei welchen der Motor mit einer getrennten Reduktionsgetriebe-Einheit verbunden ist, werden nach der vorliegenden Erfindung Motor und Reduktionsgetriebe in einer Einheit untergebracht, indem die Motorwelle im Träger des Planetengetriebes gelagert ist und der Getriebeantrieb ein integrales Bauteil mit der Motorwelle bildet statt, wie sonst üblich, als getrennte Einheit mit eigener Steuerung und eigenem Reduktionsgetriebe. Die Vorrichtung zur Bewegungssteuerung, die die Vorrichtung zur Umwandlung der Rotations- in die Linearbewegung enthält, ist ebenfalls in der gleichen Einheit untergebracht. Das zylindrische Bauteil ist mit dem Getriebeträger in einem Stück gearbeitet und sowohl Antriebsrad als auch Motorwelle sind Hohlkörper, die das lineare Bauteil im eingefahrenen Zustand aufnehmen.

•Durch die beschriebene Anordnung können die Gesamtlänge und das Gewicht des Stellgliedes bei vorgebener Leistung und Vorschub erheblich reduziert werden. Weiterhin weist diese Bauweise optimale Bedingungen für die Lagerung des Planetengetriebes, das die Reduktionsgetriebeeinheit enthält, auf.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen kompakten linearen Stellgliedes, das mit einem Hufeisenjoch zur Steuerung eines Flugzeug-Höhenruders verbunden ist.

Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt durch das Stellglied entsprechend Fig. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Stellglied weist ein Gehäuse (10) auf, das, wie in den meisten Fällen, zylindrisch ist entsprechend der zylindrischen oder kreisförmigen Anordnung der innen liegenden Bauteile. An einem Ende (12) ragt die Umlaufspindel oder SpindeIschraube (14) zur linearen Übersetzung heraus. Die Spindelschraube (14) ist mit dem vom Stellglied zu bewegenden und zu steuernden Bauteil verbunden. In Fig. 1 ist die Spindelschraube (14) mit einem Hufeisenjoch (16) verbunden, das das Höhenruder eines Flugzeugs steuert. Es ist selbstverständlich, daß die Form des mit der Spindel (14)

verbundenen Bauteils vom -Verwendungszweck des Stellgliedes abhängt.

In Fig. 2 wird das Stellglied von einem bürstenlosen Gleichstrommotor (18) angetrieben, der einen gewickelten Stator (20) aufweist. Als Rotor dient die Welle (22), auf der eine in eine Kunststoffmasse eingegossene Permanentmagnet-Anordnung (24) mit Hilfe eines Haftvermittlers angebracht ist. Selbstverständlich können in dem Stellglied nach der Erfindung auch andere Motoren verwendet werden. In der hier dargestellten Ausführung ist der Stator (20) für den Drei-Phasenbetrieb gewickelt; es können aber auch Zwei-Phasenoder andere Konfigurationen verwendet werden. Mit einer üblichen Servosteuerung (nicht gezeigt) erfolgt die Kommutationssteuerung.

Ebenfalls auf der Motorwelle (22) befestigt ist eine zweite Permanentmagnet-Anordnung (26) , mit der die Kommutationssteuerung des Motors (18) erfolgt. Hierzu dient ein Kommutationspositions-Sensor (28), der die Winkelposition der Motorwelle (22) mit Hilfe der Position der Permanentmagnet-Anordnung (26) feststellt. Diese Daten dienen der Motorsteuerung zum Bestimmen des geeigneten Schaltzeitpunktes. In einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung wird hierfür ein bistabiler Hall-Sensor verwendet, der seinen Zustand bei Annäherung an einen der Permanentmagneten der Anordnung (26) ändert.

Der Motor (18) und das gesamte Stellglied wird von einer typischen Servosteuerung gesteuert (nicht gezeigt). Ein Tachometer (30) mißt die Geschwindigkeit der Motorwelle (22) und erzeugt ein entsprechendes Signal, das zu Steuerzwecken auf die Servovorrichtung gegeben wird.

Die für den vorgesehenen Anwendungszweck erforderliche Leistung wird mit Hilfe eines Reduktionsgetriebes durch Verminderung der Drehgeschwindigkeit der Motorwelle (22) erzielt. Das Reduktionsgetriebe enthält ein Planetengetriebe (32). Der Motor (18) und das Getriebe (32) sind mit Hilfe eines an einem Ende der Welle (22) befestigten zentralen- oder Sonnenradgetriebes (34) zu einer Einheit zusammengefaßt. An

dem gleichen Ende ist die Welle (22) in einem drehbaren Hülsenlager (36) gelagert und zwar innerhalb des Planetenträgers (38) innerhalb der Planetengetriebeeinheit. Das Getriebe (34) ist von einem am Gehäuse (10) befestigten koaxialen oder inneren Ringtellerrad (40) umgeben. Ein oder mehrere auf dem Träger (38) befestigte Ritzel oder Planetenräder (42) sind mit den koaxialen Rädern (34) und (40) im Eingriff.
Durch die Lagerung der Motorweile (22) im Planetenträger (38) werden die Gesamtlänge sowie das Gesamtgewicht des Stellgliedes erheblich verringert. Durch diese Anordnung kann die Endkappe, in der üblicherweise die Motorwelle gelagert ist, entfallen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die erfindungsgemäße benachbarte Anordnung von Lager (36) und Sonnenrad.(34) die Last der Getrieberäder nur ein minimales Durchbiegen der Motorwelle (22) bewirkt. Hierdurch wird ebenfalls die Abweichung von der Konzentrizität zwischen Sonnenrad (34) und Planetenrädern in sehr engen Grenzen gehalten, insbesondere, da der Planetenträger auch als Gehäuse für das Lager (36) dient.

Die Verwendung des Lagers (36) hat ebenfalls eine Reduzierung von Durchmesser und Gewicht des Stellgliedes zur Folge. Da das Verhältnis zwischen Innen- und Außendurchmesser bei derartigen Lagern wesentlich günstiger ist als bei den herkömmlichen Lagern, können auch die dieses umgebenden Bauteile kleiner und leichter sein.

Im Betrieb dreht sich die Motorwelle (22) mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Da das Sonnenrad (34) eine Einheit mit der Welle (22) bildet, dreht es sich ebenfalls mit der gleichen Geschwindigkeit und kommt gleichzeitig mit den Planetenrädern (42) in Eingriff, so daß sich diese in der entgegengesetzten Richtung auf dem Tellerrad (40) um das Sonnenrad (34) drehen. Die Bewegung der Planetenräder (42) veranlaßt den Planetenträger (38), sich in die gleiche Richtung zu drehen wie das Sonnenrad (34) und die Welle (22) , jedoch mit geringerer Geschwindigkeit, wodurch die. Nutzleistung des Stellgliedes erhöht wird.

Größe und Material der Getrieberäder werden durch das maximale Drehmoment bestimmt, dem diese im Betrieb ausgesetzt werden. Hiernach richten sich der Durchmesser des Zahnkranzes sowie die Größe der Zähne und das Material. Vorzugsweise bestehen die Zähne aus gehärtetem Einsatzstahl. Nach der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die erforderliche Ausgangsleistung für die Bewegungssteuerung durch die lineare Übersetzung eines linearen Bauteils geliefert. Vorzugsweise ist das. lineare Bauteil die Spindelschraube (14); der Planetenträger (38) ist konzentrisch zu dieser angeordnet. Ein Teil (44) des Planetenträgers (38) ist als Walzen- oder Kugelmutter ausgebildet (je nachdem, ob die Spindelschraube (14) eine Walzen- oder Kugelschraube ist), die mit der Spindelschraube (14) in Eingriff ist und diese bewegt. Diese Anordnung des Stellgliedes verbessert seine Steifigkeit und macht das Bauteil überflüssig, das normalerweise zur Verbindung von getrenntem Planetenträger und getrennter Walzenmutter erforderlich ist. Hierdurch kann die Gesamtlänge des Stellgliedes weiter verringert werden. Im Betrieb wird der Planetenträger (38) durch das Planetengetriebe (42) angetrieben und das Gewinde des Teiles (44) greift in das Gewinde der Spindelschraube (14) ein und veranlaßt die übersetzung in eine lineare Bewegung. Richtung und Geschwindigkeit dieser Linearbewegung werden durch Richtung und Rotationsgeschwindigkeit des Planetenträgers (38) und die Gewindesteigung der Spindelschraube (14) bestimmt. Die eine Rotationsrichtung der Stellachse veranlaßt die Spindel (14), aus dem Stellglied auszufahren; dreht sich die Stellachse in die andere Richtung, so zieht sich die Spindel (14) in das Stellglied zurück. Um dies zu ermöglichen, sind das Sonnenrad (34) und die Motorwelle (22) als Hohlzylinder ausgebildet.

Durch diese Anordnung wird eine nochmalige Reduzierung der Gesamtlänge des Stellgliedes erreicht.

Der Durchmesser der Spindel (14) muß ausreichen, um der im Betrieb zu erwartenden Spitzenleistung gewachsen zu sein. Des weiteren muß die Steigung des Spindelgewindes ausrei-

chen, um die erforderliche Maximalgeschwindigkeit ohne Last zu erzielen. Die Steigung bestimmt das für den Teil (44) erforderliche Drehmoment zur Erzeugung der gewünschten Kraft an der Spindel (14) und die Entfernung, die diese bei jeder Umdrehung des Teiles (44) zurücklegt.

Der Planetengetriebeträger (38) ist mit Hilfe von zwei gewinkelten Kontakt-Kugellagern (46) und (48) , die den Teil (44) tragen,, im Gehäuse (10) des Stellgliedes gelagert. Es können auch andere Lager, wie beispielsweise Kegelrollenlager, verwendet werden. Die Lager (46) und (48) sind im gleichen Teil (50) des Gehäuses (10) untergebracht wie das Tellerrad (40) .. Diese Anordnung sichert die Konzentrizität zwischen den Planetenrädern (42) und dem Tellerrad (40). Die beiden Lager (46) und (48) sind durch ein Distanzstück (52) voneinander getrennt.

Beim Zusammenbau des Stellgliedes werden diese Lager einer Vorlast unterworfen, um eventuell vorhandenes Spiel zu beseitigen, wodurch gleichzeitig die Steifigkeit des Stellgliedes verbessert wird.

Die Daten des Motors (18), wie beispielsweise Spitzendrehmoment und minimale Geschwindigkeit ohne Last, werden von einigen Konstruktionsmerkmalen des entsprechenden Stellgliedes bestimmt. Diese Merkmale sind die erforderliche maximale Ausgangsleistung der Spindel (14), die erforderliehe maximale Geschwindigkeit ohne Last, die Gewindesteigung der Spindel (14) und die Gesamtabmessungen des Planetengetriebes (32) .

Für jede Verwendungsart muß das Stellglied eine bestimmte Leistung und eine bestimmte Geschwindigkeit ohne Last erbringen. In Anbetracht dieser Einschränkungen und bei der Verwendung auf kleinstem Raum kann nach der Erfindung ein . Stellglied mit voller Leistung bei gleichzeitig kleinsten Abmessungen und geringstem Gewicht zur Verfügung gestellt werden ..

Claims

405-053

PATENTANWÄLTE HzNKEL₁ PFENNING, FEILER

HÄNZEL& MEINIG

KURFÜRSTENDAMM 170 "4. MAI '984

1000 BERLIN 15

KOLLMORGEN TECHNOLOGIES CORPORATION

Dallas, Texas , USA

Kompaktes elektromechanisches Stellglied

Patentansprüche:

1 . Kompaktes Stellglied bestehend aus einem Gehäuse (10), einem zylindrischen und einem linearen Bauteil, wobei das zylindrische Bauteil einen Elektromotor (18) mit einer Motorwelle (22) und einem Reduktionsgetriebe (32) enthält und das lineare Bauteil eine Spindelschraube (14) , d a durch gekennnzeichnet, daß das Reduktionsgetriebe (32) und die Stellachse ein integriertes Bauteil mit der Motorwelle (22) bilden, und daß die Spindelschraube (14) des linearen Bauteile in ihrem eingefahrenen Zustand vollständig in den als Hohlzylinder ausgebildeten Wellen untergebracht ist.
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2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Bauteil eine mit einem Gewinde versehene Welle aufweist, und daß die Stellachse sowohl ein mit einem Gewinde versehenes zylindrisches Bauteil, das mit der Gewindespindel konzentrisch ist, aufweist, als auch als Träger für mindestens ein Ritzel ausgebildet ist.
3.. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe mindestens aus dem konzentrisehen Rad und dem Antriebsrad und einem Ritzel besteht.
4. Stellglied nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe mehr als ein Ritzel aufweist.
5. Stellglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Bauteil aus dem Gehäuse aus-und wieder in dieses eingefahren wird.
6. Stellglied nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle des Motors im Gehäuse relativ zu diesem drehbar gelagert ist.
7. Stellglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwelle in der Stellachse benachbart zum Getriebe gelagert ist.
8-. Stellglied nach den Ansprüchen 1 und 8 , dadurch gekennzeichnet, daß dieses weiterhin einen Träger enthält, der mit der Stellachse fest verbunden ist und der das Reduktionsgetriebe aus Antriebsrad, konzentrischem Rad und mindestens einem Ritzel und das Antriebsteil und damit die Stellachse in Rotation versetzt, und ein lineares Teil, welches mit der Stellachse verbunden ist, so daß die Drehbewegung der Stellachse die lineare Bewegung des linearen Bauteils bewirkt.
9. Stellglied nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein integraler Bestandteil der Stellachse ist.
10. Stellglied bestehend aus Gehäuse, Reduktionsgetriebe und einem Motor, dessen Welle mit einem Ende im Gehäuse und mit dem anderen Ende im Planetengetriebeträger drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwelle mit einem Sonnengetrieberad ausgerüstet ist, das benachbart zum Lager der Motorwelle im Planetenträger angeordnet ist, und daß koaxial zu diesem ein Tellerrad im Gehäuse befestigt ist, und daß wenigstens ein Planetenrad mit dem Sonnenrad und dem Tellerrad kooperiert und dadurch die Mutter, in der die sich relativ zu dieser drehende Motorwelle gelagert ist, in Rotation versetzt.
11. ' Stellglied nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mutter im Planetengetriebeträger sowie die Motorwelle hohl sind und die SpindeIschraube im eingefahrenen Zustand aufnehmen, und daß die Mutter im Planetenträger sowie die Spindelschraube mit einem Gewinde versehen sind, um die Drehbewegung der Planetenträgermutter in die lineare Bewegung der Spindelschraube zu übertragen.
12. Stellglied nach Anspruch 11., dadurch gekennzeichnet, daß das Sonnenrad mit der Motorwelle ein integrales Bauteil bildet.