WO2020233848A1

WO2020233848A1 - Elektromechanischer aktuator zur erzeugung einer axialen betätigungskraft

Info

Publication number: WO2020233848A1
Application number: PCT/EP2020/055990
Authority: WO
Inventors: Matthias Reisch; Andreas Füssl; Jürgen WAFZIG; Andreas Wendzel; Lorenz Fischer; Holger Gohmert; Uwe Fehr; Michael Arnegger
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2020-11-26
Also published as: CN113785144A; DE102019207602A1; US20220221052A1; US11852237B2; CN113785144B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft, insbesondere für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes. Der elektromechanische Aktuator umfasst eine elektrische Maschine mit einem Stator (1) und mit einem Rotor (2). Weiterhin umfasst der elektromechanische Aktuator einen Spindeltrieb mit einem drehbaren Element (6) und mit einem translatorisch bewegbaren Element, wobei eine Drehung des drehbaren Elements (6) zu einer translatorischen Bewegung des translatorisch bewegbaren Elements führt. Der Rotor (2) und das drehbare Element (6) des Spindeltriebs sind derart in einer Umfangsrichtung (U) miteinander gekoppelt, dass eine Drehung des Rotors (2) zu einer Drehung des drehbaren Elements (6) des Spindeltriebs (5) führt, wobei in der Umfangsrichtung (U) ein Drehspiel (8) zwischen dem Rotor (2) und dem drehbaren Element (6) des Spindeltriebs besteht.

Description

Elektromechanischer Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätiqunqskraft

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator zur Erzeugung einer axia len Betätigungskraft, insbesondere für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes. Weitere Ansprüche sind auf ein Kraftfahrzeuggetriebe mit dem elektromechanischen Aktuator und auf ein Kraftfahrzeug mit dem Kraftfahrzeuggetriebe gerichtet.

Durch elektromechanische Aktuierung oder Betätigung eines Getriebeelements lässt sich der Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs senken. Es gibt Sonderfälle, in de nen die Aktuierungskräfte besonders hoch sind. Für eine Schaltaktuatorik ist häufig der Kraftbedarf für das Ausschalten eines Ganges bei Tieftemperatur auslegungsre levant. Dies liegt daran, dass ein temperaturbedingtes erhöhtes Getriebeschleppmo ment über das auszulegende Schaltelement geleitet wird und in dessen Schalt- und Schiebeverzahnung zu einer vergrößerten Reibkraft führt, gegen die aktuiert werden muss. Diese seltenen Fälle sind auslegungsbestimmend. Die Auslegung der Betäti gungseinrichtung auf entsprechende Schaltkräfte verursacht Mehrkosten (Aktuator und Leistungselektronik), erhöhte Stromaufnahme und Bauraumnachteile.

Aus der DE 10 2006 049 274 A1 sind elektromechanische Aktuatoren bekannt, bei denen die in einem Elektromotor erzeugte Rotationsbewegung mittels eines Spindel triebes in eine translatorische Bewegung gewandelt wird. Um hierbei eine ge wünschte Stellkraft zu erzielen, ist abhängig von der gewählten Spindelübersetzung und dem vorliegenden Spindelwirkungsgrad ein zugehöriges Motordrehmoment er forderlich. Für dieses Motordrehmoment wird der Elektromotor ausgelegt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, einen kosten günstigen elektromechanischen Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungs kraft für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes dahingehend zu verbessern, dass die Stellkraft des elektromechanischen Aktuators bezogen auf seine Baugröße er höht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektromechanischer Aktuator mit Stell krafterhöhung durch Nutzung von Drehimpulsen vorgeschlagen. Der elektromechani sche Aktuator kann zur Betätigung eines Elements eines Kraftfahrzeuggetriebes ein gesetzt werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, funktional zwischen einer elektri schen Maschine und einem Spindeltrieb ein Drehspiel anzuordnen, sodass im Falle einer zu hohen Stellkraftanforderung an den elektromechanischen Aktuator dieser zurücksetzt und die Bewegung mit Schwung wiederholt. Der elektromechanische Ak tuator kann, wenn er wegen der hohen Stellkraftanforderung nicht stehen bleibt und nicht weiter rotieren kann, innerhalb des Drehspiels zurücksetzen und die Stellbewe gung mit Schwung wiederholen. Eine Rücklaufsicherung kann währenddessen dafür sorgen, dass während des Zurücksetzens ein bereits erreichter Aktuierungsweg nicht wieder verloren geht. Vorzugsweise wird als Rücklaufsicherung ein selbsthemmen der Spindeltrieb vorgesehen.

In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein elektromechani scher Aktuator zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft bereitgestellt, insbeson dere für ein Element eines Kraftfahrzeuggetriebes. Der elektromechanische Aktuator umfasst eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor. Der Rotor ist insbesondere innerhalb des Stators angeordnet. Weiterhin umfasst der elektrome chanische Aktuator einen Spindeltrieb mit einem drehbaren Element (Spindel/Spin delmutter) und mit einem translatorisch bewegbaren Element (Spindelmutter/Spin del), wobei eine Drehung des drehbaren Elements zu einer translatorischen Bewe gung des translatorisch bewegbaren Elements führt. Das drehbare Element und das translatorisch bewegbare Element sind dazu in an sich bekannter Weise entspre chend gekoppelt, z.B. mittels eines Trapezgewindes.

Der Rotor und das drehbare Element des Spindeltriebs sind derart in einer Umfangs richtung miteinander gekoppelt, dass eine Drehung des Rotors (insbesondere in ei ner Vorwärtsdrehrichtung des Rotors) zu einer Drehung des drehbaren Elements des Spindeltriebs führt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Mitnahme verzahnung vorgesehen, mittels welcher der Rotor und das drehbare Element des Spindeltriebs miteinander gekoppelt sind. Wenn sich der Rotor in Vorwärtsdrehrichtung dreht, dann dreht sich auch das dreh bare Element des Spindeltriebs in Vorwärtsdrehrichtung. Dies führt dazu, dass das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebs in vorwärtsgewandter axialer Richtung verschoben wird. Durch diese axiale Verschiebung kann das translatorisch bewegbare Element eine Betätigungskraft auf ein Element des Kraftfahrzeuggetrie bes ausüben. So können insbesondere Losräder des Kraftfahrzeuggetriebes mitei nander gekoppelt werden und wieder voneinander entkoppelt werden. So kann bei spielsweise ein erstes Zahnrad mit einem zweiten Zahnrad in Eingriff gebracht wer den, wenn sich der Rotor in Vorwärtsdrehrichtung dreht und dadurch das drehbare Element unmittelbar und das translatorisch bewegbare Element mittelbar antreibt. Wenn der Rotor sich in einer Rückwärtsdrehrichtung dreht, die der Vorwärtsdrehrich tung entgegengesetzt ist, dann dreht sich auch das drehbare Element des Spindel triebs in Rückwärtsdrehrichtung, sodass das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebs nunmehr in rückwärtsgewandter axialer Richtung verstellt wird, um auf diese Weise die Kopplung zwischen den zwei Zahnrädern aufzuheben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass in der Umfangsrichtung ein Drehspiel zwischen dem Rotor und dem drehbaren Element des Spindeltriebs be steht. Das Drehspiel kann konstruktiv innerhalb des Rotors angeordnet sein. Bei spielsweise kann die Mitnahmeverzahnung in der Umfangsrichtung ein Drehspiel zwischen dem Rotor und dem drehbaren Element des Spindeltriebs aufweisen. Ins besondere kann die Mitnahmeverzahnung erste Zähne aufweisen, die am Rotor an geordnet sind, und zweite Zähne, die am drehbaren Element des Spindeltriebs ange ordnet sind. Ein erster Zahn kann dabei mit einem benachbarten zweiten Zahn in Eingriff gebracht werden, wobei zwischen dem ersten Zahn dem zweiten Zahn das Drehspiel besteht. Das Drehspiel kann in Grad angegeben werden und beispiels weise 20° betragen. Dies ist jedoch rein beispielhaft. Weitere mögliche Werte für das Drehspiel sind beispielsweise 10°, 1 1 °, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19°, 21 °,

22° 23°, 24°, 25°, 26°, 27°, 28°, 29° oder 30° oder Zwischenwerte davon. Das Dreh spiel ist insbesondere derart groß, dass es übliche Toleranzen einer Mitnahmever zahnung überschreitet. Es handelt sich somit um ein„gewolltes“ Drehspiel. Das Drehspiel ist derart groß, dass es ermöglicht, dass der Rotor in Rückwärtsdrehrichtung im Rahmen des Dreh spiels zurückgesetzt werden kann und anschließend innerhalb des Drehspiels wieder in Vorwärtsdrehrichtung angetrieben werden kann, um mit Schwung auf das dreh bare Element des Spindeltriebs zu treffen. Auf diese Weise wird ein Drehimpuls von dem Rotor auf das drehbare Element des Spindeltriebs übertragen. Dieses Drehspiel kann insbesondere dann genutzt werden, wenn der Rotor durch eine sehr hohe Stell kraftanforderung stehen bleibt, weil das Gegenmoment des drehbaren Elements des Spindeltriebs größer ist als das Drehmoment des Rotors. Eine derartige Stellkraftan forderung mag zwar nur ein sehr selten auftretender Fall sein, jedoch muss dieser Fall bei der Auslegung der elektrischen Maschine des elektromechanischen Aktua tors berücksichtigt werden. Mit anderen Worten muss die elektrische Maschine auf die hohe Stellkraftanforderung ausgelegt sein. Dies führt bei aus dem Stand der Technik bekannten elektromechanischen Aktuatoren zu relativ großen elektrischen Maschinen. Ein Beispiel für eine derartig hohe Stellkraftanforderung ist der Betrieb bei Tieftemperatur in Verbindung mit einer temporär ungünstigen Schmierölvertei lung, was zu einem erhöhten Schleppmoment im Getriebe führt. Wird dieses

Schleppmoment über eine Klaue oder eine Synchronisierung geleitet, so erhöht sich der Kraftbedarf zu deren Aktuierung bzw. Betätigung. Auch wenn diese Situation in der Realität selten vorkommt, so muss doch die Aktuatorik dafür ausgelegt sein, ins besondere die elektrische Maschine des elektromechanischen Aktuators.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen elektromechanischen Aktuators im Vergleich bei spielsweise zu mechanischen Schlagwerken liegt nun darin, dass ein Drehspiel mit sehr wenig Bauraumbedarf und kostengünstig umgesetzt werden kann. Je nach kon struktivem Umfeld kann das Drehspiel bauraumneutral im Rotor der elektrischen Ma schine angeordnet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass mit lediglich einem Drehwinkelsensor alle erforderlichen Funktionen erfüllt werden können (Kommutie rung, Schlagwerksfunktion, Wegmessung des Schaltelements). Bei einem konventio nellen Schlagwerk wären mehrere Sensoren erforderlich, da Motor und Stellglied temporär entkoppelt werden. In einer Ausführungsform umfasst der elektromechanische Aktuator eine Rücklaufsi cherung für den Spindeltrieb. Die Rücklaufsicherung ist dazu eingerichtet, den Spin deltrieb festzuhalten, während der Rotor in der Rückwärtsdrehrichtung zurückgesetzt wird. Die Rücklaufsicherung kann insbesondere um gesetzt werden, indem der Spin deltrieb selbsthemmend ausgeführt ist.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der elektromechanische Aktuator eine elektronische Steuerungseinheit. Die elektronische Steuerungseinheit kann in den elektromechanischen Aktuator integriert sein. Die elektronische Steuerungseinheit ist dazu eingerichtet, bei einem Stillstand des Rotors aufgrund eines zu hohen Gegen moments des drehbaren Elements des Spindeltriebs den Rotor innerhalb des Dreh spiels in einer Rückwärtsdrehrichtung zurückzusetzen, wobei die Rückwärtsdrehrich tung entgegengesetzt zu der Vorwärtsdrehrichtung verläuft. Weiterhin ist die Steue rungseinheit dazu eingerichtet, den Rotor erneut in der Vorwärtsdrehrichtung anzu treiben, nachdem der Rotor in der Rückwärtsdrehrichtung zurückgesetzt worden ist, sodass sich der Rotor innerhalb des Drehspiels frei gegenüber dem drehbaren Ele ment des Spindeltriebs in der Vorwärtsdrehrichtung dreht und das drehbare Element bei Greifen der Mitnahmeverzahnung mit Schwung antreibt.

Das drehende Element des Spindeltriebs kann eine Spindel umfassen, und das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebes kann eine Spindelmutter um fassen. Die Spindel und die Spindelmutter können derart miteinander gekoppelt sein, dass eine Drehung der Spindel zu einer translatorischen Bewegung der Spindelmut ter führt. Die Mitnahmeverzahnung kann dabei eine Innenverzahnung des Rotors und eine Außenverzahnung der Spindel umfassen, wobei die Außenverzahnung in die Innenverzahnung eingreift, sodass eine Drehung des Rotors zu einer Drehung des Spindeltriebs führt, und wobei das Drehspiel zwischen der Innenverzahnung und der Außenverzahnung besteht. Gemäß dieser Ausführungsform rotiert die Spindel bezüglich des Gehäuses des Aktuators.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das drehende Element des Spindeltriebs eine Spindelmutter, und das translatorisch bewegbare Element des Spindeltriebes umfasst eine Spindel. Die Spindel und die Spindelmutter können derart miteinander gekoppelt sein, dass eine Drehung der Spindelmutter zu einer translatorischen Be wegung der Spindel führt, wobei die Mitnahmeverzahnung eine Innenverzahnung des Rotors und eine Außenverzahnung der Spindelmutter umfasst, und wobei das Drehspiel zwischen der Innenverzahnung und der Außenverzahnung besteht. Ge mäß dieser Ausführungsform werden die Spindel und die Spindelmutter dahingehend vertauscht, dass nicht die Spindel bezüglich des Gehäuses des Aktuators rotiert, sondern die Spindelmutter. Dadurch lässt sich die Spindelmutter im Inneren des Ak tuators anordnen und verlängern, ohne dass sich die Baulänge des Aktuators insge samt erhöht. Durch die Verlängerung der Spindelmutter kann bei unveränderter Flan kenpressung im Gewindetrieb der Durchmesser der Spindel verkleinert werden. Dadurch wiederum verbessert sich der Übertragungswirkungsgrad des Spindeltriebs und es kann aus unverändertem Moment des Aktuators eine größere Axialkraft gene riert werden. Des Weiteren lässt sich das Massenträgheitsmoments des drehbaren Elements des Spindeltriebs, in diesem Fall der Spindelmutter, weiter reduzieren, was eine geringere Drehmomentbelastung der spielbehafteten Mitnahmeverzahnung zur Folge hat.

Der Rotor weist eine erste Drehmasse auf, und das rotierende Element des Spindel triebs weist eine zweite Drehmasse auf. In einer Ausführungsform sind die erste Drehmasse und die zweite Drehmasse mittels einer Drehelastizitätseinheit voneinan der entkoppelt. Bei der Drehelastizitätseinheit kann es sich um ein federndes Ele ment halten, welches in der Umfangsrichtung eine Elastizität aufweist. Die Drehelas tizitätseinheit kann beispielsweise zwischen der spielbehafteten Mitnahmeverzah nung und einem Trapezgewinde des drehbaren Elements des Spindeltriebs, insbe sondere der Spindel, angeordnet sein. Die Drehelastizitätseinheit ermöglicht, dass ein Flauptanteil des Massenträgheitsmoments des drehbaren Elements des Spindel triebs, beispielsweise der Spindel, elastisch entkoppelt wird. Dadurch können die in der Mitnahmeverzahnung beim Stoß auftretenden Drehmomentspitzen in ihrer Flöhe begrenzt werden. Somit kann die Mitnahmeverzahnung kleiner ausgelegt werden und die akustische Anregung wird reduziert. In diesem Zusammenhang kann alterna tiv oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass ein erstes Massenträgheitsmoment des Rotors größer ist als ein zweites Massenträgheitsmoment des drehbaren Ele ments des Spindeltriebs. Der elektromechanische Aktuator kann zumindest teilweise im Inneren einer Welle angeordnet sein. Damit verbundene Effekte, Vorteile und Ausführungsformen sind beispielsweise in der DE 10 2006 049 274 A1 beschrieben. Weiterhin kann der elekt romechanische Aktuator mit der Welle drehfest verbunden sein, d. h. der elektrome chanische Aktuator rotiert mit einer Drehzahl der Welle. Der elektromechanische Ak tuator kann ferner als elektrische Maschine einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) umfassen.

Der Rotor kann über eine vorgespannte Feder spielfrei an eine axiales Führungsla ger angedrückt werden. Diese Ausführungsform ermöglicht, dass die axiale Lagerung des Motors nicht indirekt über beispielsweise die Spindel erfolgen muss, sondern di rekt über ein Anlaufen an das axiale Führungslager realisiert werden kann. Die Feder kann eine Vorspannung aufweisen. Die Vorspannung der Feder kann verhindern, dass sich der Rotor in axialer Richtung von dem axialen Führungslager abhebt.

Durch diese Ausführungsform lässt sich die axiale Position des Rotors sehr präzise mit kurzer Toleranzkette und ohne den Einfluss von Lagerspielen definieren. Dies ist vorteilhaft, da eine axiale Fehlpositionierung des beispielsweise über einen Adapter flansch am Rotor befestigten Sensormagnetfelds zu einer ungenauen Drehwinkeler fassung am Winkelsensor und somit im Falle beispielsweise eines BLDC-Aktuators aufgrund der vom Drehwinkel abhängigen Kommutierung zu einer Drehmomentein buße führen kann.

Der Rotor kann in radialer Richtung auf dem drehbaren Element des Spindeltriebs gelagert sein, beispielsweise auf der Spindel, was besonders wenig apparativen Auf wand erfordert. Weiterhin kann die radiale Lagerung des Rotors nicht ausschließlich beispielsweise auf der Spindel erfolgen, sondern beispielsweise im Bereich einer Stirnseite des Rotors mittels eines radialen Lagers erfolgen. In diesem Sinne kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Rotor sowohl auf dem drehbaren Element des Spindeltriebs als auch in einem radialen Lager gelagert ist, wobei das radiale Lager zwischen dem Rotor und einem Gehäuse des elektromechanischen Aktuators angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders direkte Lagerung des Ro tors und somit einen kleineren Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor. Außer dem kann dadurch das Massenträgheitsmoments der Spindel reduziert werden, was zu einer Verringerung der Belastung der Mitnahmeverzahnung führt. Das drehbare Element des Spindeltriebs kann bezüglich des Gehäuses des Aktua tors in axialer Richtung und in radialer Richtung gelagert sein. Beispielsweise kann die Spindel mittels eines Festlagers und mittels eines Loslagers bezüglich des Ge häuses des Aktuators drehbar und axial fest gelagert sein. Dadurch kann der Rotor frei von Axialkräften reibungsarm und reproduzierbar seine Schlagbewegung auf das drehbare Element des Spindeltriebs durchführen.

Der elektromechanische Aktuator kann weiterhin einen Sensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine Rotation bzw. eine Drehbewegung des Rotors zu erfassen. Mit tels des Sensors kann während einer Bestromung des Aktuators überwacht werden, ob sich der Rotor mit einer ausreichend hohen Drehzahl dreht. Dabei kann erkannt werden, dass sich keine ausreichende Rotation einstellt oder dass der Rotor stillsteht (n=0). In diesem Fall kann die elektronische Steuerungseinheit den elektrischen Mo tor für die entgegengesetzte Drehrichtung bestromen (Rückwärtsdrehrichtung), um das konstruktiv vorgesehene Drehspiel insbesondere der Mitnahmeverzahnung an teilsweise, jedoch nicht vollständig, zu lüften. Die Steuerungseinheit kann weiterhin dazu eingerichtet sein, nach der Lüftung des Drehspiels (in Rückwärtsdrehrichtung) den elektrischen Motor wieder in Vorwärtsdrehrichtung (Aktuierungsrichtung) zu bestromen, um kinetische Energie aufzubauen und anschließend durch einen Dreh impulsaustausch zwischen dem Rotor und dem drehbaren Element des Spindeltriebs die Stellbewegung fortzusetzen.

Für die Erkennung, ob eine Drehbewegung auch ohne die vorstehend beschriebenen Drehimpulse zielführend funktioniert, kann derselbe Sensor verwendet werden, der auch für die Erfassung der Rotation des Rotors und für die Kommutierung des Mo tors eingesetzt wird. Die Erkennung der Drehbewegung kann durch Beobachten des Drehwinkels mittels eines Drehwinkelsensors (z.B. ein Hall-Sensor) über einen defi nierten Zeitraum erfolgen. Der Sensor zur Erfassung der Rotation des Rotors kann weiterhin auch ein Stromsensor sein, der eine Stromaufnahme des elektrischen Mo tors über einen definierten Zeitraum beobachten kann.

Die elektronische Steuerungseinheit kann weiterhin einen Zeitraum, innerhalb des sen beobachtet wird, ob sich unter Bestromung eine Änderung des Drehwinkels des Motors ergibt, von Stoß zu Stoß (bzw. von Impuls zu Impuls) neu definieren. Dadurch entsteht ein akustischer Vorteil, da nicht ein einziger Ton resultiert, der im ungüns tigsten Falle weitere Komponenten zum Mitschwingen anregt. Durch die unterschied lichen Nachdrückzeiten entsteht akustisch eher ein Rauschen. Außerdem ergibt sich ein Leistungsvorteil (Performance), da nicht nach jedem Stoß die volle Wartezeit er folgen muss, die erforderlich wäre, um eine eventuelle impulsfreie Drehbewegung zweifelsfrei zu erkennen.

Ferner kann die elektronische Steuerungseinheit dazu eingerichtet sein, das Lüften des Drehspiels zeitgesteuert durchzuführen. Das Lüften des Drehspiels erfolgt ohne äußere Widerstände und ist somit durch zeitliche Steuerung gut reproduzierbar. Ein für die Kommutierung des Motors ausreichende Drehwinkelsensor würde für den beim Lüften des Drehspiels typischerweise kleinen Drehwinkel in der Regel zu wenig Informationen liefern.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Getriebe umfasst einen elektromechanischen Aktuator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, wel ches ein Getriebe gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schemati schen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem glei chen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsge mäßen elektromechanischen Aktuators mit einem Spindeltrieb, wobei eine Spindel des Spindeltriebs relativ zu einem Gehäuse des elektromechani schen Aktuators gedreht werden kann,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung durch den elektromechanischen Aktuator nach Fig. 1 im Bereich einer Mitnahmeverzahnung, Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines er findungsgemäßen elektromechanischen Aktuators mit einer Drehelastizitäts einheit zwischen einem Rotor und einer Spindel des elektromechanischen Aktuators,

Fig. 4 eine Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines er findungsgemäßen elektromechanischen Aktuators mit einem Spindeltrieb, wobei eine Spindelmutter des Spindeltriebs relativ zu einem Gehäuse des elektromechanischen Aktuators gedreht werden kann,

Fig. 5 ein Diagramm, welches einen Drehwinkel eines Rotors und eines drehbaren Elements eines Spindeltriebs eines elektromechanischen Aktuators gemäß der vorliegenden Erfindung über der Zeit darstellt, und

Fig. 6 grob schematisch und nicht maßstabsgetreu ein Fahrzeug mit einem Ge triebe, das einen elektromechanischen Aktuator umfasst, z.B. einen elektro mechanischen Aktuator nach Fig. 1 , 3 oder 4.

Fig. 1 zeigt einen elektromechanischen Aktuator 23, der sich zumindest teilweise in einer nicht durch Fig. 1 gezeigten Welle 35 eines Getriebes 32 eines Kraftfahrzeugs 33 befinden kann (vgl. hierzu Fig. 6). Der elektromechanische Aktuator 23 umfasst eine elektrische Maschine 24 mit einem Stator 1 und mit einem Rotor 2. Der Rotor 2 umfasst einen Rotorträger 3 und einen ringförmigen Magneten 4. Der ringförmige Magnet 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mehrpolig magnetisiert und an den Rotorträger 3 geklebt. Diese Ausführungsform des Magnets 4 ist besonders stoßunempfindlich bezüglich eines Drehimpulsaustausches. Alternativ können auch mehrere Rotormagnete 4 um den Umfang des Rotorträgers 3 verteilt sein. Weiterhin umfasst der elektromechanische Aktuator 23 einen Spindeltrieb 5 mit einer Spindel 6 und mit einer Spindelmutter 7. Ferner umfasst der elektromechanische Aktuator 23 einen Sensormagneten 20 und einen Drehwinkelsensor 21 .

Die Spindel 6 ist mittels eines Festlagers 14a und mittels eines Loslagers 14b bezüg lich eines Gehäuses 18 des Aktuators 23 in radialer Richtung r und in axialer Rich tung x fest gelagert. Die Spindel 6 kann innerhalb dieser Lager 14a, 14b rotieren. Der Rotor 2 ist auf der Spindel 6 drehbar gelagert. Zwei Lagerstellen 16a und 16b dienen dabei der drehbaren Lagerung des Rotors 2. Zwei weitere Lager 13a und 13b dienen der axialen Führung des Rotors 2. Durch die zwei Lagerstellen 16a und 16b wird eine Drehbewegung des Rotors 2 auf der Spindel 6 ermöglicht. Diese Drehbewe gung wird durch eine mit einem Drehspiel 8 behaftete Mitnahmeverzahnung 9 in ih rem Drehwinkel bezüglich der Spindel 6 begrenzt. Der Spindeltrieb 5 wandelt eine Drehbewegung der Spindel 6 in eine Axialbewegung der Spindelmutter 7. Die Axial kraft wird von der Spindelmutter 7 über ein Federpaket 11 auf ein Gehäuse 19 der Spindelmutter 7 übertragen und betätigt von dort aus ein Schaltelement mittels einer Axialbewegung.

Der Spindeltrieb 5 kann in einander entgegengesetzte Richtungen verfahren werden. Der Spindeltrieb 5 ermöglicht dabei eine Bewegungsübertragung von Rotation nach Translation und verhindert eine Bewegungsübertragung von Translation nach Rota tion durch Selbsthemmung. Dies geschieht unabhängig von einer Bewegungsrich tung. Der Spindeltrieb 5 ist somit selbsthemmend ausgeführt, d.h. der Spindeltrieb 5 ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment in eine Axialkraft zu wandeln, nicht jedoch eine Axialkraft in ein Drehmoment.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den elektromechanischen Aktuator nach Fig. 1 und sinngemäß auch nach Fig. 3 und 4. Die Mitnahmeverzahnung 9 weist erste Zähne 25 auf, die am Rotorträger 3 angeordnet und in radialer Richtung nach innen gerichtet sind. Weiterhin weist die Mitnahmeverzahnung 9 zweite Zähne 26 auf, die an der Spindel 6 angeordnet und in radialer Richtung nach außen gerichtet sind. Die ersten Zähne 25 sind in einer Umfangsrichtung U um einen Innenumfang 27 des Ro torträgers 3 angeordnet. Die zweiten Zähne 26 sind in der Umfangsrichtung um einen Außenumfang 28 der Spindel 6 angeordnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sechs erste Zähne 25 und sechs zweite Zähne 26 vorhanden. In der durch Fig.

2 gezeigten relativen Stellung des Rotors 2 zu der Spindel 6 befinden sich die ersten Zähne 25 nicht im Eingriff mit den zweiten Zähnen 26, weil in der Umfangsrichtung U zwischen den Zähnen 25 und 26 das Drehspiel 8 besteht. Das Drehspiel 8 kann bei spielsweise 20° betragen. Wenn der Rotorträger 3 durch eine entsprechende Bestro- mung der elektrischen Maschine 24 in Vorwärtsdrehrichtung U1 oder in Rückwärts drehrichtung U2 gedreht wird, so wird das Drehspiel 8 gelüftet, sodass die ersten Zähne 25 des Rotorträgers 3 an den zweiten Zähnen 26 der Spindel 6 anliegen und ein Drehmoment zwischen dem Rotor 2 und der Spindel 6 übertragen werden kann. Dadurch dreht sich die Spindel 6 und verschiebt die Spindelmutter 8 in axialer Rich tung x, wodurch ein Schaltelement, z.B. Losräder 31 , in einem Getriebe 32 eines Kraftfahrzeugs 33 miteinander gekoppelt oder voneinander entkoppelt werden kön nen (vgl. Fig. 6, die ebenfalls eine Lagerung 34 des Schaltelements 31 zeigt).

Über das Drehspiel 8 der Mitnahmeverzahnung 9 kann ein Drehimpuls des rotieren den Rotors 2 an die stehende Spindel 6 weitergeleitet werden. Hierdurch kann an der Spindel 6 ein Drehmomentstoß erreicht werden, der höher ist, als ein Drehmoment, welches der elektromechanische Aktuator 23 zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 mittels Magnetfelder erzeugen kann.

Der elektromechanische Aktuator gemäß Fig. 3 ist eine Abwandlung des elektrome chanischen Aktuators nach Fig. 1. So weist der elektromechanische Aktuator 23 nach Fig. 3 eine Drehelastizitätseinheit 10 auf, die zwischen der drehspielbehafteten Mitnahmeverzahnung 9 und einem Trapezgewinde 29 der Spindel 6 angeordnet ist. Dadurch wird der Hauptanteil des Spindelmassenträgheitsmomentes elastisch ent koppelt und somit eine in der Mitnahmeverzahnung 9 beim Stoß/Impuls auftretende Drehmomentspitze in ihrer Höhe begrenzt. Dadurch kann die Mitnahmeverzahnung 9 kleiner ausgelegt werden und die akustische Anregung wird reduziert.

Weiterhin erfolgt in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die radiale Lagerung des Rotors 2 nicht ausschließlich auf der Spindel 6 (wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ), sondern wird auf der gemäß Fig. 3 linken Seite mittels eines Lagers 15 zwi schen dem Rotor 2 und dem Gehäuse 18 des Aktuators 23 realisiert. Hierdurch wird die Lagerung des Rotors 2 direkter und somit ein kleinerer Luftspalt zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ermöglicht. Außerdem wird das Massenträgheitsmoment der Spindel 6 reduziert, was ebenfalls zu einer Verringerung der Belastung der Mit nahmeverzahnung führt.

Ferner erfolgt in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die axiale Lagerung des Ro tors 2 nicht indirekt über Spindel 6 (wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ), sondern direkt über ein Anlaufen an einem Axiallager 30. Eine Vorspannung einer Feder 12 verhindert dabei ein axiales Abheben des Rotors 2 von dem Axiallager 30. Durch diese Ausführung lässt sich die axiale Position des Rotors 2 sehr präzise mit kurzer Toleranzkette und ohne den Einfluss von Lagerspielen definieren. Dies ist vor teilhaft, da eine axiale Fehlpositionierung des über einen Adapterflansch 22 am Rotor 2 befestigten Sensormagnets 20 zu einer ungenauen Drehwinkelerfassung am Win kelsensor 21 und somit im Falle des hier gezeigten BLDC -Aktuators 23 aufgrund der drehwinkelabhängigen Kommutierung zu einer Drehmomenteinbuße führen würde.

Der elektromechanische Aktuator gemäß Fig. 4 ist eine Abwandlung des elektrome chanischen Aktuators nach Fig. 1 . Hier ist eine andere Weiterentwicklung des Aktua tors aus Abbildung 1 gezeigt.

Die Spindel 6 und die Spindelmutter 7 wurden dahingehend vertauscht, dass nun nicht mehr die Spindel 6 bezüglich des Gehäuses 18 des Aktuators 23 rotiert (wie in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 3), sondern die Spindelmutter 7.

Dadurch lässt sich die Spindelmutter 7 im Inneren des Aktuators 23 anordnen und verlängern, ohne dass die Gesamtbaulänge des Aktuators 23 größer wird. Durch die Verlängerung der Spindelmutter 7 kann bei unveränderter Flankenpressung im Ge windetrieb der Durchmesser der Spindel 6 verkleinert werden. Dadurch wiederum verbessert sich der Übertragungswirkungsgrad des Spindeltriebs 5 und es kann aus unverändertem Moment des Aktuators eine größere Axialkraft generiert werden. Des Weiteren lässt dich das Massenträgheitsmoment der Spindelmutter 7 weiter reduzie ren, was eine geringe Drehmomentbelastung der spielbehafteten Mitnahmeverzah nung 9 zur Folge hat.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 entfällt der separate Sensormagnet 20. Stattdessen wurde der Rotormagnet 4 verlängert. Dadurch wird eine Winkelerfas sung mittels des Drehwinkelsensors 21 präziser, da eine Fehlpositionierung von Sen sormagnet 20 zu Rotormagnet 4 konstruktiv ausgeschlossen ist. Weiterhin ist in dem Gehäuse 18 des Aktuators 23 eine elektronische Steuerungseinheit in Form einer Ansteuerelektronik 17 integriert. Auch die elektromagnetischen Aktuatoren nach Fig.

1 und 3 können eine entsprechende elektronische Steuerungseinheit 17 aufweisen. Fig. 5 zeigt, wie die Rotation des Rotors 2 und der rotatorische Antrieb der Spindel 6 (Fig. 1 und 3) bzw. der Spindelmutter (Fig. 4) durch die elektronische Steuerungsein heit 17 gesteuert werden kann. Die gestrichelte Linie zeigt den Drehwinkel cp2 der ro tierenden Komponente des Spindeltriebes über der zeit t. Die dünne durchgezogene Linie zeigt den Drehwinkel cp1 des Rotors 2.

Zu einem Zeitpunkt to beginnt der Aktuator 23 bzw. dessen Rotorträger 3 mit der Be wegung und dreht (bezogen auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 oder 3) an der Spindel 6 bzw. an der Spindelmutter 7 (bezogen auf die Ausführungsform gemäß Fig. 4). Zu einem Zeitpunkt ti ist die zu überwindende Axialkraft so groß, dass das elektromotorisch erzeugbare Drehmoment des Rotorträgers 3 nicht ausreicht, um die Drehbewegung aufrechtzuerhalten. Dies könnte alternativ natürlich auch von Anfang an (to) so der Fall sein. Zu einem Zeitpunkt t2 hat die elektronische Steuerungseinheit 17 erkannt, dass der Motor 24 im Normalbetrieb nicht weiterkommt und steuert den Motor 24 derart an, dass sich der Rotor 2 in Rückwärtsdrehrichtung U2 innerhalb des Drehspiels 8 zurückdreht. Die Tatsache, dass der Motor 24 sich nicht dreht, kann z.B. durch fehlende Impulse des Drehwinkelsensors 21 (z.B. Hall-Sensoren) erkannt werden oder durch Feststellung einer erhöhten elektrischen Stromaufnahme des Mo tors 24 bzw. dessen Wicklung. Die Rückwärtsdrehung U2 kann z.B. zeitgesteuert bei definierter Pulsweitenmodulation PWM erfolgen.

Zu einem Zeitpunkt t3 wechselt der Motor 24 angewiesen durch die elektronische Steuerungseinheit 17 wieder auf eine Vorwärtsbewegung U1 , noch bevor er die Grenze seines Drehspieles 8 erreicht hat. Zu einem Zeitpunkt t4 treffen die ersten Zähne 25 des Rotorträgers 3 nun über die spiel behaftete Mitnahmeverzahnung 9 mit Schwung auf die stehende Zähne 26 der anzutreibenden Spindeltriebkomponente (Spindel 6 oder Spindelmutter 7). Durch die wirkenden Massenkräfte nimmt der Rotor 2 die Spindeltriebkomponente 6/7 mit. Zu einem Zeitpunkt ts ist der Schwung aufge zehrt und die elektrische Maschine 24 bleibt trotz Bestromung wieder stehen. Zu ei nem Zeitpunkt tö ist der Stillstand erneut erkannt und das Zurücksetzen beginnt von Neuem. Zu einem Zeitpunkt t7 wird nach möglicherweise vielen solchen schnell aufei nander folgenden Stößen (Größenordnung 150 Stöße je Sekunde) erkannt, dass der Rotor 2 sich auch ohne Zurücksetzen drehen lässt. In diesem Fall wird wieder in den Normalbetrieb gewechselt und die Bewegung im konventionell motorischen Betrieb fortgesetzt.

Bezugszeichen

f1 Drehwinkel Rotor

f2 Drehwinkel Spindel/Spindelmutter

r radiale Richtung

c axiale Richtung

U Umfangsrichtung

U1 Vorwärtsdrehrichtung

U2 Rückwärtsdrehrichtung

1 Stator

2 Rotor

3 Rotorträger

4 Rotormagnet

5 Spindeltrieb

6 Spindel

7 Spindelmutter

8 Drehspiel

9 drehspielbehaftete Mitnahmeverzahnung

10 Drehelastizitätseinheit

1 1 Federpaket

12 Feder

13a erstes axiales Führungslager des Rotors

13b zweites axiales Führungslager des Rotors

14a Festlager

14b Loslager

15 Lager zwischen Rotor und Gehäuse des Aktuators

16a erste Lagerstelle Rotor auf Spindel

16b zweite Lagerstelle Rotor auf Spindel

17 elektronische Steuerungseinheit/integrierte Ansteuerelektronik

18 Gehäuse des elektromechanischen Aktuators

19 Gehäuse der Spindelmutter

20 Sensormagnet

21 Drehwinkelsensor

22 Adapterflansch

23 elektromechanischer Aktuator elektrische Maschine erste Zähne des Rotorträgers zweite Zähne der Spindel Innenumfang des Rotorträgers Außenumfang der Spindel Trapezgewinde der Spindel Axiallager

Schaltelement (Losrad) Getriebe

Kraftfahrzeug

Lagerung Schaltelement Getriebewelle

Claims

Patentansprüche

1 . Elektromechanischer Aktuator (23) zur Erzeugung einer axialen Betätigungskraft, der elektromechanische Aktuator (23) umfassend:

- eine elektrische Maschine (24) mit einem Stator (1 ) und mit einem Rotor (2) und

- einen Spindeltrieb (5) mit einem drehbaren Element (6/7) und mit einem translato risch bewegbaren Element (7/6), wobei eine Drehung des drehbaren Elements (6/7) zu einer translatorischen Bewegung des translatorisch bewegbaren Elements (7/6) führt,

wobei

- der Rotor (2) und das drehbare Element (6/7) des Spindeltriebs (5) derart in einer Umfangsrichtung (U) miteinander gekoppelt sind, dass eine Drehung des Rotors (2) zu einer Drehung des drehbaren Elements (6/7) des Spindeltriebs (5) führt, und

- in der Umfangsrichtung (U) ein Drehspiel (8) zwischen dem Rotor (2) und dem drehbaren Element (6/7) des Spindeltriebs (5) besteht.

2. Elektromechanischer Aktuator (23) nach Anspruch 1 , wobei

- der Rotor (2) und das drehbare Element (6/7) des Spindeltriebs (5) mittels einer Mit nahmeverzahnung (9) miteinander gekoppelt sind, und

- die Mitnahmeverzahnung (9) das Drehspiel (8) in der Umfangsrichtung (U) aufweist.

3. Elektromechanischer Aktuator (23) nach Anspruch 1 oder 2 der elektromechani sche Aktuator (23) weiterhin umfassend eine Rücklaufsicherung, wobei die Rücklauf sicherung dazu eingerichtet ist, den Spindeltrieb (5) festzuhalten, während der Rotor in einer Rückwärtsdrehrichtung (U2) zurückgesetzt wird.

4. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der elektromechanische Aktuator (23) weiterhin umfassend eine Steuerungseinheit (17), wobei die Steuerungseinheit (17) dazu eingerichtet ist,

- bei einem Stillstand des Rotors (2) aufgrund eines zu hohen Gegenmoments des drehbaren Elements (6/7) des Spindeltriebs (5) den Rotor (2) innerhalb des Dreh spiels (8) in einer Rückwärtsdrehrichtung (U2) zurückzusetzen, wobei die Rückwärts drehrichtung (U2) entgegengesetzt zu der Vorwärtsdrehrichtung (U1 ) verläuft, und - den Rotor (2) erneut in der Vorwärtsdrehrichtung (U1 ) anzutreiben, nachdem der Rotor (2) in der Rückwärtsdrehrichtung (U2) zurückgesetzt worden ist, sodass sich der Rotor innerhalb des Drehspiels (8) frei gegenüber dem drehbaren Element (6/7) des Spindeltriebs (5) in der Vorwärtsdrehrichtung (U1 ) dreht und das drehbare Ele ment (6/7) bei Greifen der Mitnahmeverzahnung (9) mit Schwung antreibt.

5. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei

- das drehende Element (6) des Spindeltriebs (5) eine Spindel (6) umfasst,

- das translatorisch bewegbare Element (7) des Spindeltriebes (5) eine Spindelmutter (7) umfasst,

- die Spindel (6) und die Spindelmutter (7) derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Drehung der Spindel (6) zu einer translatorischen Bewegung der Spindelmutter (7) führt,

- die Mitnahmeverzahnung (9) eine Innenverzahnung (25) des Rotors (2) und eine Außenverzahnung (26) der Spindel (6) umfasst,

- die Außenverzahnung (26) in die Innenverzahnung (25) eingreift, sodass eine Dre hung des Rotors (2) zu einer Drehung des Spindeltriebs (5) führt, und

- das Drehspiel (8) zwischen der Innenverzahnung (25) und der Außenverzahnung (26) besteht.

6. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei

- das drehende Element (7) des Spindeltriebs (5) eine Spindelmutter (7) umfasst,

- das translatorisch bewegbare Element (6) des Spindeltriebes (5) eine Spindel (6) umfasst,

- die Spindel (6) und die Spindelmutter (7) derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Drehung der Spindelmutter (7) zu einer translatorischen Bewegung der Spindel (6) führt,

- die Mitnahmeverzahnung (9) eine Innenverzahnung (25) des Rotors (2) und eine Außenverzahnung (26) der Spindelmutter (7) umfasst, und

7. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei eine Drehmasse des Rotors (2) und eine Drehmasse des rotierenden Elements (6) des Spindeltriebs (5) durch eine Drehelastizitätseinheit (10) voneinander entkop pelt sind.

8. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei der elektromechanische Aktuator (23) zumindest teilweise im Inneren einer Welle (35) eines Getriebes (32) angeordnet ist.

9. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei der Rotor (2) über eine vorgespannte Feder (12) spielfrei an ein axiales Füh rungslager (30) angedrückt wird.

10. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei der Rotor (2) auf dem drehbaren Element (6) des Spindeltriebs (5) gelagert ist.

1 1 . Elektromechanischer Aktuator (23) nach Anspruch 10, wobei der Rotor (2) so wohl auf dem drehbaren Element (6) des Spindeltriebs (5) als auch in einem radialen Lager (15) gelagert ist, wobei das radiale Lager (15) zwischen dem Rotor (2) und ei nem Gehäuse (18) des elektromechanischen Aktuators (23) angeordnet ist.

12. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo bei das drehbare Element (6) des Spindeltriebs (5) bezüglich eines Gehäuses (18) des Aktuators (23) in axialer Richtung (x) und in radialer Richtung (r) gelagert ist.

13. Elektromechanischer Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der elektromechanische Aktuator (23) weiterhin umfassend einen Sensor (21 ), wobei der Sensor (21 ) dazu eingerichtet ist, eine Rotation (cp1 ) des Rotors (2) zu erfassen.

14. Kraftfahrzeuggetriebe (32) umfassend einen elektromechanischen Aktuator (23) nach einem der vorstehenden Ansprüche.

15. Kraftfahrzeug (33) umfassend ein Kraftfahrzeuggetriebe (32) nach Anspruch 14.