WO2011079982A2 - Elektrischer antrieb mit schneckengetriebe - Google Patents

Elektrischer antrieb mit schneckengetriebe Download PDF

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    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/081—Structural association with bearings specially adapted for worm gear drives

Definitions

  • Electric drives for example for use in motor vehicles, often include an electric drive motor and a reduction or Vorlegegetriebe.
  • By appropriate adaptation of the drive motor and gearbox to each other can be electrical drives in different power ranges, with different usable speeds and torques and in different external dimensions produced.
  • a rotor of the electric drive motor and a worm shaft of a worm gear run on a common shaft.
  • the common shaft is usually mounted on both sides of the electric drive motor with shaft bearings.
  • a third bearing exists at the end of the common shaft facing the worm shaft.
  • an electric drive comprises a worm gear with a worm shaft and an electric drive motor with a rotor.
  • the rotor and the worm shaft are arranged on axial sections of a shaft.
  • the electric drive comprises two shaft bearings bearing shaft, of which only one is arranged in the vicinity of the rotor on the shaft.
  • the shaft bearing which is not in the vicinity of the rotor, may be arranged on a side of the worm shaft facing away from the rotor. This results in two alternative distribution options for the shaft bearing arranged on the shaft in the vicinity of the rotor.
  • this shaft bearing is located between the rotor and the worm shaft. The end of the worm shaft, on which the rotor is arranged, is thereby supported only on one side (also: "flying" or "free”), so that a space required for the electric drive can be reduced.
  • the bearing may be arranged on a side of the rotor remote from the worm shaft.
  • the electric drive motor may be a brushless DC motor.
  • Such a motor requires less space along the shaft, which can lead to a further space reduction for the electric drive.
  • the electric drive may further comprise a housing in which the shaft bearings and a stator of the electric drive motor are mounted.
  • a housing in which the shaft bearings and a stator of the electric drive motor are mounted.
  • a sensor for determining a rotational position of the rotor can be mounted in the housing.
  • a sensor can be used in particular in connection with a brushless DC motor as an electric drive motor to perform an electrical control of the brushless DC motor.
  • the sensor is protected against harmful environmental influences, such as heat, vibration and dust.
  • Figure 1 shows an electric drive with brushless electric motor
  • Figure 2 shows a variant of the electric drive of Figure 1
  • Figure 3 show an electric drive with commutated electric motor.
  • FIG. 1 shows an electric drive 100 with a brushless electric motor.
  • the electric drive 100 comprises a housing 1 10, in which the components of the electric drive 100 are accommodated.
  • a worm shaft 120 and a worm wheel 130 together form a worm gear 140.
  • a rotor 150 and a stator 160 together form an electric drive motor 170.
  • On a shaft 175, the rotor 150 and the worm shaft 120 are arranged axially one behind the other.
  • a first shaft bearing 180 is disposed on the shaft 175 between the rotor 150 and the worm shaft 120.
  • a second shaft bearing 185 is located at the right end of the shaft, on one side of the worm shaft 120, which faces away from the rotor 150 of the electric drive motor 170.
  • a first position sensor 190 and a second position sensor 195 take a rotational position, a rotational speed and / or a direction of rotation of the rotor 150.
  • the shaft 175 is usually made of steel.
  • the first shaft bearing 180 and the second shaft bearing 185 may, for example, rolling bearings, in particular
  • the worm shaft 120 may be integral with the shaft 175 and the worm thread may be rolled onto the shaft 175 or cut into the shaft 175.
  • the worm thread may be a separate, with the shaft 175 axially or radially composite element.
  • the worm shaft 120 can also consist of a different material than the shaft 175, in particular made of plastic.
  • the material of the worm wheel 130 is selected as a function of the material properties of the worm shaft 120 and the expected forces during operation of the electric drive 100.
  • the worm wheel 130 may also be made of plastic.
  • the electric drive motor 170 is a brushless DC motor with internal rotor 150. This type of electric motor may require less space compared to a commutated DC motor of comparable power, especially in the axial direction. The space requirement in the radial direction can be increased simultaneously compared to the commutated DC motor.
  • the rotor 150 of the electric drive motor 170 may be pressed, shrunk, or otherwise connected to the shaft 175.
  • the rotor 150 carries a number of permanent magnets and optionally a return ring and the stator 160 carries a number of coil windings for generating cooperating magnetic fields.
  • the permanent magnets of the rotor endeavor to align themselves in a specific rotational position with respect to the stator. With proper electrical control of the coils of the stator 160, the rotor 150 rotates about a rotational axis of the shaft 175 in a predetermined direction at a predetermined speed.
  • the rotational position of the rotor 150 can be determined. For example, the first
  • Position sensor 190 and / or the second position sensor 195 are used the. Other than the illustrated mounting positions of the position sensors 190 and 195 between the rotor 150 and the housing 1 10 are also possible and not shown in Figure 1.
  • the coils of the stator 160 are driven in operation of the electric drive 100 based on the determined rotational position of the rotor 150 such that the rotor 150 rotates and drives the shaft 175. Radial and axial forces on the shaft 175 are supported by the shaft bearings 180 and 185 on the housing 1 10.
  • the shaft 175 drives the worm shaft 120, which then moves the worm wheel 130 about its axis of rotation.
  • the electric drive 100 is self-locking, so that when the electric drive motor 170 is switched off, an external torque acting on the worm wheel 130 is not suitable for causing the rotor 150 to rotate.
  • FIG. 2 shows a variant of the electric drive from FIG. 1.
  • the essential difference between the electric drive 100 of FIG. 2 and the electric drive of FIG. 1 is that the first shaft bearing 180 in FIG. 2 is disposed at a left end of the shaft 175 instead of between the worm shaft 120 and FIG
  • the arrangement of the first shaft bearing 180 shown in FIG Shaft 175 by the extended distance between the first shaft bearing 180 and the second shaft bearing 185 to store more accurate and resilient.
  • bending vibrations in the shaft 175 are not passed through the first shaft bearing 180 in this way, so that a resonance frequency of the shaft 175 is reduced with respect to bending vibrations.
  • FIG. 3 shows an electric drive 100 with a commutated electric motor.
  • the embodiment of the electric drive 100 shown in FIG. 3 is used for comparison with the electrical drives 100 from FIGS. 1 and 2.
  • the electric drive motor 170 is commutated, that is, brushes 310 are provided in order to control coils in the interior of the motor electric drive motor 170 in response to a rotational position of the shaft 175 to Taxes.
  • Position sensors 190 and 195 of Figures 1 and 2 are not required for this purpose.
  • the first shaft bearing 180 is located at a left end of the shaft 175 and is supported on an outer casing 320 of the electric drive motor 170.
  • the second shaft bearing 185 is disposed on the shaft 175 between the electric drive motor 170 and the brushes 310.

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Abstract

Ein elektrischer Antrieb, insbesondere zum Antrieb einer Scheibenwischanlage eines Kraftfahrzeugs, weist ein Schneckengetriebe mit einer Schneckenwelle und einen elektrischen Antriebsmotor mit einem Rotor auf. Der Rotor und die Schneckenwelle sind auf axialen Abschnitten einer Welle angeordnet. Ferner weist der elektrische Antrieb zwei die Welle lagernde Wellenlager auf, von denen nur eines in Nachbarschaft zum Rotor auf der Welle angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrischer Antrieb mit Schneckengetriebe
Stand der Technik
Elektrische Antriebe, beispielsweise zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, umfassen häufig einen elektrischen Antriebsmotor und ein Untersetzungs- oder Vorlegegetriebe. Durch entsprechende Anpassung von Antriebsmotor und Getriebe aneinander lassen sich elektrische Antriebe in unterschiedlichen Leistungsbereichen, mit unterschiedlichen nutzbaren Drehzahlen und Drehmomenten und in unterschiedlichen äußeren Abmessungen herstellen.
In einer Variante, die beispielsweise zum Antrieb einer Scheibenwischanlage des Kraftfahrzeugs verwendet wird, laufen ein Rotor des elektrischen Antriebsmotors und eine Schneckenwelle eines Schneckengetriebes auf einer gemeinsamen Welle. Die gemeinsame Welle ist üblicherweise auf beiden Seiten des elektrischen Antriebsmotors mit Wellenlagern gelagert. In einer Variante existiert ein drittes Lager an dem Ende der gemeinsamen Welle, das der Schneckenwelle zugewandt ist. Dadurch wird die Verzahnung zwischen der Schneckenwelle und dem Schneckenrad zusätzlich abgestützt und ist nicht mehr allein von der Steifigkeit der Schneckenwelle abhängig, doch können bei Einsatz dreier Wellenlager Schwingungs- und Torsionsbeanspruchungen der sich drehenden Welle leichter über das mittlere Lager übertragen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Antrieb bereitzustellen, der eine verbesserte Lagerung seiner Welle aufweist. Offenbarung der Erfindung
Das Problem wird gelöst durch einen elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Erfindungsgemäß umfasst ein elektrischer Antrieb ein Schneckengetriebe mit einer Schneckenwelle und einen elektrischen Antriebsmotor mit einem Rotor. Der Rotor und die Schneckenwelle sind auf axialen Abschnitten einer Welle angeordnet. Ferner umfasst der elektrische Antrieb zwei die Welle lagernde Wellenlager, von denen nur eines in Nachbarschaft zum Rotor auf der Welle angeordnet ist.
Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch die Möglichkeit, Bauraum einzusparen und gleichzeitig eine Verteilung von Wellenlagern auf der Welle zu realisieren, bei der die Lager aufgrund von verkürzten Hebeln weniger stark belastet sind und daher eine höhere Lebenserwartung aufweisen können.
Das Wellenlager, das nicht in Nachbarschaft zum Rotor liegt, kann auf einer dem Rotor abgewandten Seite der Schneckenwelle angeordnet sein. Daraus ergeben sich zwei alternative Aufteilungsmöglichkeiten für das in Nachbarschaft zum Ro- tor auf der Welle angeordnete Wellenlager. In einer ersten Ausführungsform liegt dieses Wellenlager zwischen dem Rotor und der Schneckenwelle. Das Ende der Schneckenwelle, auf welcher der Rotor angeordnet ist, ist dadurch nur einseitig (auch:„fliegend" oder„frei") gelagert, sodass ein für den elektrischen Antrieb erforderlicher Bauraum reduziert sein kann. In einer zweiten Ausführungsform kann das Lager auf einer der Schneckenwelle abgewandten Seite des Rotors angeordnet sein. Dadurch ist die Welle an ihren beiden Enden gelagert, woraus sich eine vorteilhafte Reduzierung von Hebelkräften bei Belastungen der Welle im Betrieb des elektrischen Antriebs ergeben kann. Der elektrische Antriebsmotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Ein solcher Motor erfordert weniger Bauraum entlang der Welle, das zu einer weiteren Bauraumreduzierung für den elektrischen Antrieb führen kann.
Der elektrische Antrieb kann ferner ein Gehäuse umfassen, in dem die Wellenlager und ein Stator des elektrischen Antriebsmotors gelagert sind. Durch Integration des Stators in das Gehäuse kann eine weitere Bauraumreduzierung realisiert sein; darüber hinaus kann ein verbesserter Schutz des elektrischen Antriebsmotors gegen Verschmutzung und Vibrationen realisiert sein.
Ferner kann ein Sensor zur Bestimmung einer rotatorischen Position des Rotors im Gehäuse gelagert sein. Ein solcher Sensor kann insbesondere in Verbindung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor als elektrischer Antriebsmotor verwendet sein, um eine elektrische Steuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors durchzuführen. Durch das Gehäuse ist der Sensor gegen schädliche Umwelteinflüsse, wie Hitze, Vibrationen und Staub geschützt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, in denen:
Figur 1 einen elektrischen Antrieb mit bürstenlosem Elektromotor; Figur 2 eine Variante des elektrischen Antriebs aus Figur 1 und Figur 3 einen elektrischen Antrieb mit kommutiertem Elektromotor zeigen.
Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt einen elektrischen Antrieb 100 mit bürstenlosem Elektromotor. Der elektrische Antrieb 100 umfasst ein Gehäuse 1 10, in dem die Komponenten des elektrischen Antriebs 100 aufgenommen sind. Eine Schneckenwelle 120 und ein Schneckenrad 130 bilden zusammen ein Schneckengetriebe 140. Ein Rotor 150 und ein Stator 160 bilden gemeinsam einen elektrischen Antriebsmotor 170. Auf einer Welle 175 sind der Rotor 150 und die Schneckenwelle 120 axial hintereinander angeordnet. Ein erstes Wellenlager 180 ist auf der Welle 175 zwischen dem Rotor 150 und der Schneckenwelle 120 angeordnet. Ein zweites Wellenlager 185 befindet sich am rechten Ende der Welle, auf einer Seite der Schneckenwelle 120, die dem Rotor 150 des elektrischen Antriebsmotors 170 abgewandt ist. Ein erster Positionssensor 190 und ein zweiter Positionssensor 195 er- fassen eine rotatorische Position, eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Drehrichtung des Rotors 150.
Die Welle 175 ist üblicherweise aus Stahl gefertigt. Das erste Wellenlager 180 und das zweite Wellenlager 185 können beispielsweise Wälzlager, insbesondere
Kugellager, oder auch Gleitlager, wie beispielsweise Sinterlager sein. Die Schneckenwelle 120 kann einstückig mit der Welle 175 ausgeführt sein und das Schneckengewinde kann auf die Welle 175 aufgerollt oder in die Welle 175 geschnitten sein. In einer anderen Ausführungsform kann das Schneckengewinde ein separates, mit der Welle 175 axial oder radial Verbundes Element sein. Dabei kann die Schneckenwelle 120 auch aus einem anderen Material als die Welle 175 bestehen, insbesondere aus Kunststoff. Das Material des Schneckenrads 130 ist in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Schneckenwelle 120 und den zu erwartenden Kräften im Betrieb des elektrischen Antriebs 100 gewählt. Das Schneckenrad 130 kann auch aus Kunststoff gefertigt sein.
Der elektrische Antriebsmotor 170 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit innen liegendem Rotor 150. Dieser Typ von Elektromotoren kann im Vergleich zu einem kommutierten Gleichstrommotor vergleichbarer Leistung weniger Bauraum erfordern, insbesondere in axialer Richtung. Der Platzbedarf in radialer Richtung kann gleichzeitig gegenüber dem kommutierten Gleichstrommotor vergrößert sein. Der Rotor 150 des elektrischen Antriebmotors 170 kann beispielsweise auf die Welle 175 aufgepresst, aufgeschrumpft oder auf eine andere Weise mit ihr verbunden sein. Der Rotor 150 trägt eine Anzahl von Permanentmagneten und gegebenenfalls einen Rückschlussring und der Stator 160 eine Anzahl von Spulenwicklungen zur Erzeugung von zusammenwirkenden Magnetfeldern. Je nach elektrischer Ansteuerung der Spulenwicklungen sind die Permanentmagneten des Rotors bestrebt, sich in eine bestimmte rotatorische Position bezüglich des Stators auszurichten. Bei geeigneter elektrischer Ansteuerung der Spulen des Stators 160 dreht sich der Rotor 150 um eine Drehachse der Welle 175 in einer vorbestimmten Richtung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit.
Um die Ansteuerung der Spulen des Stators 160 in Abhängigkeit einer rotatorischen Position des Rotors 150 durchführen zu können, kann die rotatorische Po- sition des Rotors 150 bestimmt werden. Dazu können beispielsweise der erste
Positionssensor 190 und/oder der zweite Positionssensor 195 verwendet wer- den. Andere als die dargestellten Einbaulagen der Positionssensoren 190 und 195 zwischen dem Rotor 150 und dem Gehäuse 1 10 sind ebenfalls möglich und nicht in Figur 1 dargestellt. Die Spulen des Stators 160 werden im Betrieb des elektrischen Antriebs 100 auf der Basis der bestimmten rotatorischen Position des Rotors 150 derart angesteuert, dass sich der Rotor 150 dreht und die Welle 175 antreibt. Radiale und axiale Kräfte auf die Welle 175 werden durch die Wellenlager 180 und 185 am Gehäuse 1 10 abgestützt. Die Welle 175 treibt die Schneckenwelle 120 an, die daraufhin das Schneckenrad 130 um dessen Drehachse bewegt.
Durch Verwendung des Schneckengetriebes 140 ist der elektrische Antrieb 100 selbstsperrend ausgeführt, so dass bei abgeschaltetem elektrischen Antriebsmotor 170 ein externes, auf das Schneckenrad 130 wirkendes Drehmoment nicht geeignet ist, eine Drehung des Rotors 150 herbeizuführen.
Figur 2 zeigt eine Variante des elektrischen Antriebs aus Figur 1 . Der wesentliche Unterschied des elektrischen Antriebs 100 aus Figur 2 gegenüber dem elektrischen Antrieb aus Figur 1 besteht darin, dass das erste Wellenlager 180 in Fi- gur 2 an einem linken Ende der Welle 175 angeordnet ist, statt wie in Figur 1 zwischen der Schneckenwelle 120 und dem Rotor 150. Dadurch kann es erforderlich sein, den elektrischen Antrieb 100 nach Figur 2 entlang der Welle 175 geringfügig länger zu gestalten als den elektrischen Antrieb 100 aus Figur 1. Andererseits hat die in Figur 2 gezeigte Anordnung des ersten Wellenlagers 180 den Vorteil, die Welle 175 durch den verlängerten Abstand zwischen dem ersten Wellenlager 180 und dem zweiten Wellenlager 185 genauer und belastbarer zu lagern. Außerdem werden auf diese Weise Biegeschwingungen in der Welle 175 nicht durch das erste Wellenlager 180 geleitet, sodass eine Resonanzfrequenz der Welle 175 gegenüber Biegeschwingungen reduziert ist.
Figur 3 zeigt einen elektrischen Antrieb 100 mit kommutiertem Elektromotor. Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform des elektrischen Antriebs 100 dient zum Vergleich mit den elektrischen Antrieben 100 aus Figuren 1 und 2. Der elektrische Antriebsmotor 170 ist kommutiert, dass heißt, dass Bürsten 310 vorgese- hen sind, um eine Ansteuerung von Spulen im Inneren des elektrischen Antriebsmotors 170 in Abhängigkeit einer rotatorischen Position der Welle 175 zu steuern. Positionssensoren 190 und 195 aus den Figuren 1 und 2 sind hierfür nicht erforderlich.
Das erste Wellenlager 180 befindet sich an einem linken Ende der Welle 175 und stützt sich an einer äußeren Umhüllung 320 des elektrischen Antriebsmotors 170 ab. Das zweite Wellenlager 185 ist auf der Welle 175 zwischen dem elektrischen Antriebsmotor 170 und den Bürsten 310 angeordnet.
Da der kommutierte elektrische Antriebsmotor prinzipbedingt entlang der Welle 175 relativ lang baut und wegen des zusätzlichen Platzbedarfs der Bürsten 310 ist eine Ausdehnung des elektrischen Antriebs 100 in axialer Richtung größer als die der elektrischen Antriebe 100 nach Figuren 1 und 2. Zusätzlich ist ein Abstand zwischen dem rechten Ende der Schneckenwelle 120 und dem nächstliegenden Wellenlager 185 größer als in den elektrischen Antrieben 100 nach Figuren 1 und 2, wodurch die Welle 175 bei gleicher Belastbarkeit steifer ausgeformt sein muss.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrischer Antrieb (100), umfassend:
- ein Schneckengetriebe (140) mit einer Schneckenwelle (120);
- einen elektrischen Antriebsmotor (170) mit einem Rotor (150);
- wobei der Rotor (150) und die Schneckenwelle (120) auf axialen Abschnitten einer Welle (175) angeordnet sind, und
- zwei die Welle (175) lagernde Wellenlager (180, 185),
dadurch gekennzeichnet, dass
- nur eines der Wellenlager (180) in Nachbarschaft zum Rotor (150) auf der Welle (175) angeordnet ist.
2. Antrieb (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das andere der Wellenlager (185) auf einer dem Rotor (150) abgewandten Seite der Schneckenwelle (120) angeordnet ist.
3. Antrieb (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (170) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.
4. Antrieb (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in Nachbarschaft zum Rotor (150) auf der Welle (175) angeordnete Wellenlager (180) zwischen dem Rotor (150) und der Schneckenwelle (120) angeordnet ist.
5. Antrieb (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in Nachbarschaft zum Rotor (150) auf der Welle (175) angeordnete Wellenlager (180) auf einer der Schneckenwelle (120) abgewandten Seite des Rotors (150) angeordnet ist.
Antrieb (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1 10), in dem die Wellenlager (180, 185) und ein Stator (160) des elektrischen Antriebsmotors (170) gelagert sind.
Antrieb (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (190, 195) zur Bestimmung einer rotatorischen Position des Rotors (150) im Gehäuse (1 10) gelagert ist.
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