WO2022007988A1

WO2022007988A1 - Kugelgewindetrieb und verfahren zum betrieb eines kugelgewindetriebs

Info

Publication number: WO2022007988A1
Application number: PCT/DE2021/100489
Authority: WO
Inventors: Nicky HEINRICH; Sedat OEZDEMIR; Robert Drechsler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-01-13
Also published as: CN115867737A; KR20230021110A; DE102020118230A1; US20230258249A1

Abstract

Ein Kugelgewindetrieb (1), insbesondere für eine Feststellbremse, umfasst eine Gewindespindel (2), eine Spindelmutter (3), sowie zwischen der Gewindespindel (2) und der Spindelmutter (3) in einem Gewindegang (4) angeordnete Wälzkörper (5), nämlich Kugeln, wobei in dem Gewindegang (4) weiterhin Federelemente (8, 9) zwischen mutterseitigen Anschlägen (6, 7) angeordnet sind. Es existiert mindestens eine Einstellung von Gewindespindel (2) und Spindelmutter (3), in welcher die Kugeln (5) und die Federelemente (8, 9) spielbehaftet im Gewindegang (4) angeordnet sind.

Description

Kuqelqewindetrieb und Verfahren zum Betrieb eines Kuqelqewindetriebs

Die Erfindung betrifft einen zur Verwendung in einem elektromechanischen Aktuator geeigneten Kugelgewindetrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kugelgewindetriebs.

Ein gattungsgemäßer, zum Betrieb in einer elektromechanisch betätigbaren Feststell bremse eines Kraftfahrzeugs vorgesehener Kugelgewindetrieb ist beispielsweise aus der EP 2 207 982 B1 bekannt. Der bekannte Kugelgewindetrieb weist Kugeln als Wälzkörper auf, welche in einem Gewindegang des Kugelgewindetriebs begrenzt be weglich angeordnet sind. Hierbei ist zwischen einem Anschlag und den Wälzkörpern ein Federelement in Form einer Schraubenfeder angeordnet. Zusätzlich ist mindes tens ein Zwischenfederelement vorgesehen, welches zwischen Wälzkörpern ange ordnet ist und entweder ebenfalls als Schraubendruckfeder oder als Elastomerfeder ausgebildet ist. Sind mehrere Zwischenfederelemente vorhanden, so sind diese gleichmäßig zwischen den Wälzkörpern verteilt, um Reibkräfte zwischen den Wälz körpern zu reduzieren.

Ein weiterer Kugelgewindetrieb, welcher die Merkmale nach dem Oberbegriff des An spruchs 1 aufweist, ist in der DE 10 2014 223 021 A1 offenbart. Im Unterschied zum Kugelgewindetrieb nach der genannten Patentschrift EP 2 207 982 B1 sind in diesem Fall, welcher ebenfalls eine Schwimmsattel-Scheibenbremse betrifft, statt Zwischen federelementen starre Trennkörper vorgesehen. Mit Hilfe der Trennkörper wird die Reibkraft zwischen den Kugeln des Kugelgewindetriebs reduziert. Als Werkstoff, aus welchem die Trennkörper herstellbar sind, ist in der DE 102014 223 021 A1 nichtelas tischer Kunststoff genannt. Die Trennkörper können Trennkugeln sein, deren Durch messer kleiner als der Durchmesser der als Wälzkörper fungierenden Kugeln ist.

Ein Kugelgewindetrieb, welcher Federelemente aufweist, die in einen Gewindegang eingelegt sind und die Kugeln des Gewindetriebs mit einer Kraft beaufschlagen, ist auch in der DE 102017 127 404 B4 beschrieben. In diesem Fall ist ein Anschlag für ein Federelement durch ein Formteil gebildet, welches mit der Gewindemutter des Kugelgewindetriebs verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen unter anderem für eine Parkbremse eines Kraftfahrzeugs geeigneten Kugelgewindetrieb gegenüber dem genannten Stand der Technik dahingehend weiterzuentwickeln, dass ein besonders günstiges Verhält nis zwischen Herstellungsaufwand, beanspruchtem Bauraum und beim Betrieb des Kugelgewindetriebs auftretender Reibung gegeben ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kugelgewindetrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Kugelgewindetriebs gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zu sammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Kugelgewinde trieb, und umgekehrt.

Der Kugelgewindetrieb umfasst in an sich bekanntem Grundaufbau eine Gewinde spindel, eine Spindelmutter, sowie zwischen der Gewindespindel und der Spindelmut ter in einem Gewindegang angeordnete Wälzkörper, nämlich Kugeln, wobei in dem Gewindegang weiterhin Federelemente zwischen mutterseitigen Anschlägen ange ordnet sind. Als rotierendes Antriebselement des Kugelgewindetriebs kann entweder die Gewindespindel oder die Spindelmutter, welche die Anschläge für die beiden Fe derelemente aufweist oder mit solchen Anschlägen fest verbunden ist, vorgesehen sein, während die andere Komponente des Gewindetriebs, das heißt die Spindelmut ter beziehungsweise die Gewindespindel, als gegen Verdrehung gesichertes, ver schiebbares Abtriebselement des Kugelgewindetriebs fungiert.

Prinzipiell ist auch ein Antrieb des Kugelgewindetriebs durch lineare Verschiebung ei ner der genannten Komponenten möglich, wobei das Abtriebselement des Gewinde triebs in einem solchen Fall ein rotierendes Element darstellt, das heißt ein Linear- Rotativ-Getriebe ausgebildet ist. Unabhängig davon, bei welcher Komponente des Kugelgewindetriebs es sich um die Antriebskomponente handelt, kann das Gewinde des Kugelgewindetriebs grundsätzlich entweder als eingängiges oder als mehrgängi ges Gewinde gestaltet sein.

Gemäß Anspruch 1 existiert mindestens eine Einstellung des Kugelgewindetriebs, das heißt eine Positionierung der Spindelmutter relativ zur Gewindespindel, in welcher die Wälzkörper und die Federelemente spielbehaftet im Gewindegang angeordnet sind. Das Spiel kann dabei zwischen verschiedenen Elementen des Kugelgewindetriebs auftreten, insbesondere zwischen einzelnen Wälzkörpern und/oder zwischen einem Federelement und einem Wälzkörper. Hierbei kann gleichzeitig an einer, zwei oder mehr Stellen innerhalb des zwischen den beiden Anschlägen gebildeten Kugel-Feder- Strangs, welcher auch als Kugel-Feder-Paket oder vereinfachend als Kugelkette be zeichnet wird, Spiel vorhanden sein.

Der Kugelgewindetrieb ist betreibbar, indem er, ausgehend von einer ersten Positio nierung, in welcher genau eines der zwei Federelemente gespannt, das heißt kom primiert, ist, zunächst in eine Mittenposition gebracht wird, in welcher beide Federele mente entspannt sind und dementsprechend die Kugeln mit Spiel im Gewindegang angeordnet sind. Der Begriff „Mittenposition“ bedeutet nicht zwangsläufig, dass diese Position exakt in der Mitte zwischen zwei Anschlagpositionen liegt. Vielmehr kann die Mittenposition auch exzentrisch zwischen zwei Anschlagpositionen liegen. In jedem Fall kann der Kugelgewindetrieb von der Mittenposition aus in eine zweite Einstellung gebracht werden, in welcher im Gegensatz zur ersten Einstellung das zweite Fe derelement gespannt und das erste Federelement entspannt ist.

Durch die spielbehaftete Anordnung der Kugeln im Gewindegang kann es im mittleren Abschnitt des Verstellbereichs des Kugelgewindetriebs zu einem Durchrutschen der Kugeln kommen, was in Kauf genommen wird. Zum Ende des Verstellbereichs hin, bei ansteigenden Kräften, rollen die Kugeln dagegen praktisch ohne Schlupf ab. Eine Kugelrückführung mit ringförmig geschlossenem Kugelkanal existiert nicht. Von daher ist der Kugelgewindetrieb für Anwendungen mit geringen Verstellwegen, wie sie bei- spielsweise für elektromechanische Feststellbremsen typisch sind, konzipiert. Die je nach Betriebszustand durch Federkraft belasteten Kugeln wälzen in dieser Anwen dung sowohl beim Spannen als auch beim Lösen der Bremse im Gewindegang ab, wobei gleichzeitig eine hydraulische Vorlast gegeben sein kann.

Die Wälzkörper des Kugelgewindetriebs können zu mehreren Gruppen zusammenge fasst sein, wobei zwischen einzelnen Gruppen jeweils ein Distanzelement angeordnet ist. Als Distanzelemente kommen insbesondere Kugeln, das heißt Trennkugeln, in Be tracht, welche kleiner als die Wälzkörper, das heißt tragenden Kugeln, des Kugelge windetriebs sind. Zum Beispiel beträgt der Durchmesser einer jeden Trennkugel, das heißt Distanzkugel, mindestens 80% und höchstens 95% des Durchmessers einer je den tragenden Kugel des Gewindetriebs.

Was die Werkstoffwahl betrifft, können die Distanzelemente entweder aus demselben Werkstoff wie die Wälzkörper oder aus einem anderen Werkstoff, zum Beispiel aus einem anders zusammengesetzten und/oder auf eine andere Art wärmebehandelten metallischen Material oder auch aus einem Kunststoff, gefertigt sein. Bei den Wälz körpern des Kugelgewindetriebs handelt es sich in typischen Anwendungsfällen um metallische Wälzkörper. Prinzipiell kommt auch die Verwendung keramischer Wälz körper in Betracht.

Unabhängig davon, aus welchen Werkstoffen die Wälzkörper und die Distanzelemen te gefertigt sind, sind beispielsweise Wälzkörpergruppen, welche jeweils aus mindes tens zwei und maximal vier Wälzkörpern gebildet sind, jeweils durch ein Distanzele ment, insbesondere eine Distanzkugel, voneinander getrennt.

Beispielsweise umfasst die dem ersten Federelement benachbarte Gruppe an Wälz körpern genau drei Wälzkörper, während die dem zweiten Federelement benachbarte Gruppe an Wälzkörpern genau zwei Wälzkörper umfasst, wobei zwischen diesen äu ßersten Wälzkörpergruppen mindestens ein Distanzelement angeordnet ist, typi scherweise mehrere Distanzelemente, insbesondere Trennkugeln, angeordnet sind. Das erste Federelement wird auch als Nachstellfeder, das zweite Federelement auch als Vordruckfeder bezeichnet. Beide Federelemente sind typischerweise als Schrau bendruckfedern ausgebildet. Gemäß möglicher Ausführungsformen ist das erste Fe derelement - in Richtung der Erstreckung des Gewindegangs gemessen - länger als das zweite Federelement.

Insgesamt sind zwischen der Vordruck- und der Nachstellfeder beispielsweise min destens zwölf und höchstens 30 Gruppen an Wälzkörpern angeordnet, wobei jede diese Gruppe an Wälzkörpern nicht mehr als vier tragende Kugeln umfasst.

Die gesamte Länge des in Richtung der Erstreckung des Gewindegangs gemesse nen, nicht notwendigerweise an nur einer Stelle gebildeten Freiraums, welcher gleich bedeutend mit vorhandenem Spiel im Kugel-Feder-Strang ist, beträgt bei entspannten Federelementen zum Beispiel mindestens 0,2% und höchstens 5% der zwischen den beiden mutterseitigen Anschlägen zu messenden Gesamtlänge des Gewindegangs.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass bei einem Kugelgewindetrieb ohne Kugelrückführung durch Spiel im Kugel-Feder-Paket im Vergleich zu herkömmli chen Gewindetrieben mit Vorspannung im Kugel-Feder-Strang ein besonders hoher Wirkungsgrad ohne apparativen Mehraufwand erzielbar ist, wobei hiermit keine prak tisch relevanten Nachteile, etwa hinsichtlich des Verschleißverhaltens oder des akus tischen Verhaltens, verknüpft sind.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung nä her erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Kugelgewindetrieb in geschnittener Darstellung,

Fig. 2 Komponenten des Kugelgewindetriebs nach Figur 1 in abstrahierter Dar stellung. Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Kugelgewindetrieb ist zur Verwendung als Rotativ-Linear-Getriebe in einer Feststellbremse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen und umfasst eine Gewindespindel 2 sowie eine Gewindemutter 3. Mit 4 ist ein Gewindegang des Kugelgewindetriebs 1 bezeichnet. Zwischen der Gewindespin del 2 und der Gewindemutter 3 rollen Kugeln als Wälzkörper 5 im Gewindegang 4 ab. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Kugelgewindetriebs 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. Die Feststellbremse des Kraftfahrzeugs ist in an sich bekannter Weise mit einer hydraulischen Scheibenbremse kombiniert.

In der Gewindemutter 3, welche auch als Spindelmutter bezeichnet wird, befinden sich ein erster mutterseitiger Anschlag 6 und ein zweiter mutterseitiger Anschlag 7. Eine Wälzkörperrückführung, etwa in Form einer Außenumlenkung, ist nicht vorgesehen. Von daher kommt eine Verwendung des Kugelgewindetriebs 1 für Anwendungen mit großen Stellwegen nicht in Betracht.

Im Gewindegang 4 befinden sich ein erstes Federelement 8, welches am ersten An schlag 6 anschlagen kann, sowie ein zweites Federelement 9, welches sich am zwei ten Anschlag 7 abstützen kann. Beide Federelemente 8, 9 sind als Schraubenfedern ausgebildet.

Zusätzlich zu den Wälzkörpern 5, das heißt tragenden Kugeln, befinden sich mehrere Distanzelemente 10 im Gewindegang 4. Bei den Distanzelementen 10 handelt es sich um Kugeln, welche einen kleineren Durchmesser als die Wälzkörper 5 haben. Was die Anordnung der verschiedenen Kugeln 5, 10 im Gewindegang 4 betrifft, wird auf die symbolisierte Darstellung nach Figur 2 verwiesen. Unmittelbar anschließend an das erste Federelement 8, das heißt die Nachstellfeder, welche deutlich länger als die Vordruckfeder 9 ist, befindet sich in der dargestellten Anordnung eine Kugelanord nung 11 , die in definierter Weise aus Gruppen an Wälzkörpern 5 sowie Distanzele menten 10 aufgebaut ist: Alternierend sind in den Gewindegang 4 Gruppen aus drei Wälzkörpern 5 und einzelne Distanzelemente 10 eingelegt. Insgesamt ist die nur aus- schnittsweise dargestellte Kugelanordnung 11 aus 19 Gruppen aus jeweils drei Wälz körpern 5, das heißt insgesamt 57 Wälzkörpern 5, und zusätzlich 19 Distanzkugeln 10 aufgebaut. An diese Kugelanordnung 11 schließt eine Abschlusskugelanordnung 12 an, welche aus nur zwei Wälzkörpern 5 gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel weisen die Wälzkörper 5 sowohl der Kugelanordnung 11 als auch der Abschlusskugelanord nung 12 einen Durchmesser von 2,778 mm und die Distanzelemente 10 einen Durchmesser von 2,5 mm auf. Der Größenunterschied zwischen den Wälzkörpern 5 und den Distanzkugeln 10 ist in beiden Figuren überhöht dargestellt. Die Distanzku geln 10 haben den Zweck, die Reibung innerhalb des Kugelgewindetriebs 1 im Ver gleich zu Gewindetrieben, welche ausschließlich Kugeln einheitlicher Größe aufwei sen, zu reduzieren.

Als weitere Maßnahme zur Reduktion von Reibung und damit zur Steigerung des Wir kungsgrades, ist, wie aus beiden Figuren hervorgeht, im Gewindegang 4 ein Freiraum FR gebildet. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Wälzkörper 5 und Distanzele mente 10, selbst im vollkommen entspannten Zustand beider Federelemente 8, 9 spielbehaftet im Gewindegang 4 angeordnet sind, wobei sich das Spiel auf die Rich tung der Erstreckung des Gewindegangs 4 bezieht. Die gesamte, in der genannten Richtung zu messende Länge des Freiraums FR, welcher gestückelt, das heißt in Form einzelner freier Abschnitte, vorliegen kann, beträgt mindestens 0,2% und höchs tens 5% der Gesamtlänge des Gewindegangs 4. Sobald eines der beiden Federele mente 8, 9 gespannt wird, während das andere Federelement 9, 8 vollständig expan diert bleibt, vergrößert sich der Freiraum FR.

In der Anordnung nach Figur 2 ist - nicht maßstäblich - der Freiraum FR zwischen der Abschlusskugelanordnung 12 und der Vordruckfeder 9 eingezeichnet. Wird, aus gehend von dieser Anordnung, die Gewindemutter 3 relativ zur Gewindespindel 2 nach links verstellt, so bedeutet dies, dass der in Figur 2 angedeutete Freiraum FR kleiner wird, während beide Federelemente 8, 9 entspannt sind und ein zusätzlicher Freiraum FR zwischen dem ersten Federelement 8 und/oder - wie in Figur 1 ange deutet - innerhalb der Kugelanordnung 11 entsteht. Die Wälzkörper 8 stehen in die sem Zustand somit nicht unter Federvorspannung. Dies kann in einem lastfreien oder lastarmen Zustand dazu führen, dass Wälzkörper 5 durchrutschen. Werden dagegen bei ansteigenden Kräften innerhalb des Kugelgewindetriebs 1 die Wälzkörper 5 gegen eines der Federelemente 8, 9, verlagert, wobei entweder das erste Federelement 8 die Kugelanordnung 11 kontaktiert oder das zweite Federelement 9 gegen die Ab- schlusskugelanordnung 12 drückt, so sorgen die auftretenden Kräfte einschließlich der Federkräfte für ein kinematisch annähernd ideales Abrollen der Wälzkörper 5. Un ter Zuständen hoher Belastung weicht das Verhalten des Kugelgewindetriebs 1 damit kaum vom Verhalten eines herkömmlichen Wälzgewindetriebs mit permanenter Fe dervorspannung der Wälzkörper ab, wogegen insbesondere in einem mittleren Stell- bereich eine besonders reibungsarme Verstellung des Kugelgewindetriebs 1 möglich und damit insgesamt ein besonders hoher Wirkungsgrad realisiert ist.

Bezuqszeichenliste

1 Kugelgewindetrieb

2 Gewindespindel

3 Gewindemutter

4 Gewindegang der Gewindespindel

5 Wälzkörper, Kugel

6 erster mutterseitiger Anschlag

7 zweiter mutterseitiger Anschlag

8 erstes Federelement

9 zweites Federelement

10 Distanzelement, Kugel

11 Kugelanordnung

12 Abschlusskugelanordnung

FR Freiraum

Claims

Patentansprüche

1. Kugelgewindetrieb (1 ), mit einer Gewindespindel (2), einer Spindelmutter (3), sowie zwischen der Gewindespindel (2) und der Spindelmutter (3) in einem Gewindegang (4) angeordneten Wälzkörpern (5), nämlich Kugeln, wobei in dem Gewindegang (4) weiterhin Federelemente (8, 9) zwischen mutterseitigen Anschlägen (6, 7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindes tens eine Einstellung von Gewindespindel (2) und Spindelmutter (3) existiert, in welcher die Kugeln (5) und die Federelemente (8, 9) spielbehaftet im Gewinde gang (4) angeordnet sind.

2. Kugelgewindetrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwi schen mehreren Gruppen an Wälzkörpern (5) Distanzelemente (10) angeord net sind.

3. Kugelgewindetrieb (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Distanzelemente (10) Kugeln vorgesehen sind, welche kleiner als die Wälzkör per (5) sind.

4. Kugelgewindetrieb (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser einer jeden Distanzkugel (10) mindestens 80% und höchstens 95% des Durchmessers einer jeden als Wälzkörper (5) vorgesehenen Kugel beträgt.

5. Kugelgewindetrieb (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Gruppen aus mindestens zwei und maximal vier Wälzkör pern (5) jeweils durch ein Distanzelement (10) voneinander getrennt sind.

6. Kugelgewindetrieb (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten Federelement (8) benachbarte Gruppe an Wälzkörpern (5) genau drei Wälzkörper (5) und die dem zweiten Federelement (9) benachbarte Grup pe an Wälzkörpern (5) genau zwei Wälzkörper (5) umfasst, wobei zwischen diesen äußersten Wälzkörpergruppen mindestens ein Distanzelement (10) an geordnet ist.

7. Kugelgewindetrieb (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (8) - in Richtung der Erstreckung des Gewindegangs (4) gemessen - länger als das zweite Federelement (9) ist.

8. Kugelgewindetrieb (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Federelementen (8, 9) insgesamt min destens zwölf und höchstens 30 Gruppen an Wälzkörpern (5) angeordnet sind.

9. Kugelgewindetrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Länge eines in Richtung der Erstreckung des Ge windegangs (4) gemessenen Freiraums (FR) bei entspannten Federelementen (8, 9) mindestens 0,2% und höchstens 5% der zwischen den beiden muttersei tigen Anschlägen (6, 7) zu messenden Gesamtlänge des Gewindegangs (4) beträgt.

10. Verfahren zum Betrieb eines Kugelgewindetriebs (1), welcher in einem zwi schen einer Gewindespindel (2) und einer Spindelmutter (3) gebildeten Gewin degang (4) angeordnete Kugeln (5) als Wälzkörper sowie im selben Gewinde gang (4) angeordnete Federelemente (8, 9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend von einer ersten Einstellung des Kugelgewindetriebs (1), in welcher genau eines der Federelemente (8, 9) gespannt ist, der Kugelgewin detrieb (1) über eine Mittenposition von Gewindespindel (2) und Spindelmut ter (3), in welcher beide Federelemente (8, 9) entspannt sind, hinaus in eine zweite Einstellung gebracht wird, in welcher das zweite Federelement (9, 8) gespannt ist.