WO2025153142A1

WO2025153142A1 - Planetenwälzgetriebe, lenkungsaktuator und hinterachslenkung

Info

Publication number: WO2025153142A1
Application number: PCT/DE2025/100041
Authority: WO
Inventors: Simon Merz; Kenny Faske
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-01-18
Filing date: 2025-01-10
Publication date: 2025-07-24
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: DE102024101431A1; DE102024101431B4

Abstract

Ein Planetenwälzgetriebe (1 ), insbesondere in einem Lenkungsaktuator (20) einer Hinterachslenkung (10), umfasst eine Gewindespindel (2), eine Anzahl die Gewindespindel (2) kontaktierende Planeten (6), sowie ein mit den Planeten (6) zusammenwirkendes rotierbares Antriebselement (16), welches mittels einer Radiallagerung (13, 14), insbesondere Wälzlagerung, in einem Gehäuse (30) gelagert ist. Die Mittelachse (A₁₄) der Radiallagerung (13, 14) ist - bezogen auf den mechanisch unbelasteten Zustand - von der Mittelachse (A₂) der Gewindespindel (2) parallel beabstandet.

Description

Planetenwälzqetriebe, Lenkunqsaktuator und Hinterachslenkunq

Die Erfindung betrifft ein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gestaltetes Planetenwälzgetriebe. Ferner betrifft die Erfindung einen für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehenen Lenkungsaktuator sowie eine Hinterachslenkung.

Ein gattungsgemäßer Lenkungsaktuator ist beispielsweise aus der DE 10 2021 104 649 A1 bekannt. Der bekannte, für die Verwendung in einer Hinterachslenkung vorgesehene Lenkungsaktuator umfasst ein mehrteiliges Gehäuse sowie ein in dem Gehäuse angeordnetes Rotativ-Linear-Getriebe, welches als Planetenwälzgetriebe ausgebildet ist. Mehrere Gehäusekomponenten des Lenkungsaktuator nach der DE 10 2021 104 649 A1 sind durch einen Pressverband miteinander verbunden.

Weitere Gestaltungsmöglichkeiten von Planetenwälzgetrieben für Lenkeinrichtungen von Kraftfahrzeugen gehen beispielsweise aus den Dokumenten WO 2020/164654 A1 und WO 2022/117142 A1 hervor.

Die US 6,343,671 B1 hat einen Aktuator zum Korrigieren eines über das Lenkrad eines Fahrzeugs an die Räder einer gelenkten Fahrzeugachse eingegebenen Lenkwinkels zum Gegenstand. Dieser Aktuator arbeitet mit einem steigungstreuen Planetenwälzgetriebe, dem eine Sensorik zur Positionsbestimmung einer Spindelstange zugeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Planetenwälzgetriebe, welches insbesondere zur Verwendung in einem Lenkungsaktuator einer Hinterachslenkung geeignet ist, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen fertigungsfreundlichem Aufbau und langfristig möglichst gleichbleibenden Betriebseigenschaften, insbesondere mit einem niedrigen Geräusch- und Vibrationsniveau, angestrebt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Planetenwälzgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Planetenwälzgetriebe ist unter anderem zur Verwendung in einem Lenkungsaktuator nach Anspruch 8, insbesondere als Teil einer Hinterachslenkung nach Anspruch 10, geeignet.

In an sich bekannter Grundkonzeption umfasst das Planetenwälzgetriebe eine Gewindespindel mit einem ein- oder mehrgängigen Gewinde, eine Anzahl die Gewindespindel kontaktierende Planeten, sowie ein mit den Planeten zusammenwirkenden rotierbares Antriebselement, welches mittels einer Radiallagerung in einem Gehäuse, das heißt Getriebegehäuse, insbesondere Aktuatorgehäuse, gelagert ist.

Gemäß Anspruch 1 ist die Mittelachse der genannten Radiallagerung, bezogen auf den mechanisch unbelasteten Zustand dieser Lagerung, von der Mittelachse der Gewindespindel parallel beabstandet, wobei auch die Lage der Mittelachse der Gewindespindel im mechanisch unbelasteten Zustand zu betrachten ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass auf Komponenten eines Planetenwälzgetriebes, welches Teil eines Aktuators ist, der eine Rotation eines antreibenden Elementes in eine lineare Verstellung eines abtriebsseitigen Elementes umsetzt, verschiedene betriebsbedingte Kräfte und Momente wirken. Dies gilt insbesondere für Fälle, in denen ein eingangsseitiges Element des Planetenwälzgetriebes Radialkräften ausgesetzt ist, die beispielsweise von einem dem Planetenwälzgetriebe vorgeschalteten Rotativ-Rotativ-Getriebe herrühren. Um unter realen Betriebsbedingungen einem Achsversatz und/oder einer elastischen Verformung von Aktuatorkomponenten, beispielsweise in Form einer Wellenbiegung oder einer Gehäusedeformation, vorzubeugen, können nach gängigen Ansätzen die entsprechenden Komponenten massiver gestaltet werden.

Die anmeldungsgemäße Lösung wendet sich von solchen Ansätzen bewusst ab, indem vorgeschlagen wird, verschiedene Achsen, nämlich einerseits die geometrische Achse des eingangsseitigen, rotierbaren Elementes des Planetenwälzgetriebes, und andererseits die Mittelachse des ausgangsseitigen Elementes, das heißt der Gewindespindel des Planetenwälzgetriebes, gegeneinander zu versetzen. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird dieser Versatz durch die betriebsbedingten Kräfte zumindest näherungsweise aufgehoben, so dass eine Annäherung an den kinematisch idealen, vibrations-, geräusch- und verschleißarmen Betrieb erfolgt. Hierbei wird insbesondere berücksichtigt, dass die Lagerungen verschiedener Komponenten des Planetenwälzgetriebes eine signifikante Elastizität aufweisen oder spielbehaftet sein können.

Die Radiallagerung, mit welcher das Antriebselement des Planetenwälzgetriebes gelagert ist, kann beispielsweise als Wälzlagerung, insbesondere als Rollen- oder Nadeliagerung, ausgebildet sein. Auch Kugellager kommen als Radiallagerung in Betracht.

Unter den Begriff „Radiallagerung“ werden im vorliegenden Fall auch Lagertypen subsumiert, die zusätzlich zu Radialkräften auch Kräfte in axialer Richtung aufnehmen können. Dies trifft zum Beispiel auf zweireihige Rollen- oder Kugellager in X- oder O- Anordnung zu.

Auch die Lage der Mittelachse der Gewindespindel kann durch unterschiedlichste Lagertypen festgelegt sein. Insbesondere kommt hier eine Gleitlagerung in Betracht. Alternativ kann beispielsweise eine Linear-Wälzlagerung zur Lagerung der Gewindespindel vorgesehen sein. In jedem Fall ist die Gewindespindel verdrehgesichert in einem Gehäuse geführt.

Unabhängig von den Lagerungen der eingangs- und ausgangsseitigen Elemente des Planetenwälzgetriebes, das heißt einerseits des rotierbaren Antriebselementes und andererseits der Gewindespindel, kann der Versatz zwischen der Mittelachse der Gewindespindel und der im mechanisch unbelasteten Zustand gegebenen Mittelachse der Radiallagerung des Antriebselementes beispielsweise mindestens 100 ppm und maximal 2,5 % des mittleren Radius der Radiallagerung betragen. Insbesondere kann der genannte Versatz im Bereich von 500 ppm bis 1 ,5 % des mittleren Radius der Radiallagerung liegen. Im Fall einer als Wälzlagerung ausgebildeten Radiallagerung ist als mittlerer Radius dieser Lagerung der Radius des Teilkreises, das heißt des durch die Mittelpunkte sämtlicher Wälzkörper gelegten Kreises, zu verstehen. Im Fall einer an der entsprechenden Stelle vorhandenen Gleitlagerung ist der mittlere Radius durch denjenigen Kreis definiert, welcher mittig in den Spalt zwischen die gegeneinander gelagerten Elemente, das heißt zum einen das drehbare Antriebselement und zum anderen ein gehäusefestes Element der Radial-Gleitlagerung, gelegt ist.

Der Versatz zwischen der Mittelachse der Gewindespindel und der Mittelachse der Radiallagerung des Antriebselementes kann bei Bedarf auch genutzt werden, um den Wirkungsgrad des Planetenwälzgetriebes gezielt herabzusetzen. Insbesondere ist damit eine selbsthemmende Auslegung des Planetenwälzgetriebes möglich.

Eine mögliche Weiterbildung sieht vor, dass die Radiallagerung des Antriebselementes von einem Dämpfungselement umgeben ist. Im Fall einer zweireihigen Radiallagerung können zur Dämpfung beispielsweise zwei ringförmige dämpfende Elemente aus einem nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere einem Elastomer oder einem Kunststoff, vorhanden sein, in welche jeweils ein Radiallager, insbesondere in Form eines Rollen- oder Nadellagers, eingesetzt ist.

Was das Antriebselement des Planetenwälzgetriebes betrifft, sind verschiedene Gestaltungsvarianten möglich. Beispielsweise handelt es sich bei dem Antriebselement um die Mutter des Planetenwälzgetriebes. Alternativ kann ein die Planeten des Planetenwälzgetriebes führender Käfig, das heißt ein Planetenträger, als Antriebselement des Planetenwälzgetriebes fungieren. In diesem Fall ist das Planetenwälzgetriebe als steigungstreuer Gewindetrieb (SPWG) ausgeführt. Dies bedeutet, dass stets eine eindeutige Zuordnung zwischen der Winkelstellung des antreibenden Elementes und der Position des verschiebbaren Abtriebselementes gegeben ist.

Unabhängig davon, welches Element des Planetenwälzgetriebes als dessen rotierbar gelagertes Antriebselement genutzt wird, sind verschiedene Möglichkeiten der Einleitung eines Drehmoments in das Antriebselement gegeben. Beispielsweise ist ein direkter elektrischer, das heißt getriebeloser, Antrieb möglich. Das Antriebselement kann in diesem Fall, optional über eine Ausgleichskupplung, mit dem Rotor eines Elektromotors verbunden oder integraler Bestandteil eines solchen Rotors sein.

Alternativ kann das Planetenwälzgetriebe Teil einer Getriebeanordnung sein, die des Weiteren ein Rotativ-Rotativ-Getriebe umfasst. Beispielsweise ist dem Planetenwälzgetriebe ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Umschlingungsgetriebe, insbesondere in Form eines Ketten- oder Riementriebs, vorgeschaltet, wobei das Abtriebselement des Umschlingungsgetriebes drehtest mit dem Antriebselement des Planetenwälzgetriebes verbunden ist.

Das Planetenwälzgetriebe ist nicht nur zur Verwendung in einem Aktuator einer Hinterachslenkung, sondern beispielsweise auch in einer Steer-by-wire-Lenkung zur Lenkung der Vorderräder eines Fahrzeugs geeignet. Ferner kommen zum Beispiel Anwendungen in Brems-, Kupplungs- oder Getriebeaktuatoren in Betracht.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ausschnittsweise einen Lenkungsaktuator einer Hinterachslenkung einschließlich eines Planetenwälzgetriebes,

Fig. 2 in schematischer, überhöhter Darstellung geometrische Relationen innerhalb des Planetenwälzgetriebes nach Fig. 1 ,

Fig. 3 eine modifizierte Ausgestaltung einer Hinterachslenkung, welche ein Planetenwälzgetriebe als Rotativ-Linear-Getriebe umfasst.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Planetenwälzgetriebe kommt als Rotativ-Linear-Getriebe eines Lenkungsaktuators 20 in einer Hinterachslenkung 10 eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion der Hinterachslenkung 10 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.

Das Planetenwälzgetriebe 1 umfasst eine Gewindespindel 2, deren Gewinde mit 3 bezeichnet ist. Mit dem Gewinde 3 kämmen Profilierungen 4 mehrerer Planeten 6. Die Profilierungen 4 sind in einem Mittelabschnitt 7 eines jeden Planeten 6 ausgebildet. Der Mittelabschnitt 7 geht in zwei vergleichsweise dünne Seitenabschnitte 8 über, die mit einer Profilierung 5 versehen sind. Sämtliche Profilierungen 4, 5 des Planeten 6 sind steigungslos ausgeführt. Anschließend an die beiden Seitenabschnitte 8 läuft jeder Planet 6 in Form eines Endabschnitts 9 mit einer glatten zylindrischen Form aus. Die Endabschnitte 9 sind in Scheibenelementen 23 eines Planetenträgers 16 gelagert.

Beim Betrieb des Planetenwälzgetriebes 1 kontaktieren die Planeten 6 ausschließlich mit ihren Mittelabschnitten 7 die Gewindespindel 2. Die Profilierungen 5 der Seitenabschnitte 8 kämmen dagegen mit ebenfalls steigungslosen Profilierungen 11 einer Mutter 12. Die Mutter 12 kann einteilig, wie in den Figuren 1 und 3 skizziert, oder mehrteilig ausgeführt sein, wobei im Fall einer mehrteiligen Gestaltung die Mutterteile gegeneinander vorgespannt sein können.

Gegenüber dem Planetenträger 16 ist die Mutter 12 mit Hilfe von inneren Axiallagern 24, nämlich Axialrollenlagern, derart gelagert, dass Axialkräfte zwischen der Mutter 12 und den Scheibenelementen 23 des Planetenträgers 10 übertragbar sind. Eine Übertragung von Momenten über die Mutter 12 ist in den vorliegenden Fällen dagegen nicht vorgesehen. Vielmehr existiert zu diesem Zweck eine Außenhülse 15, die fest mit Planetenträger 10 verbunden ist. Die Außenhülse 15 weist in ihrem mittleren Bereich, in Axialrichtung betrachtet, eine Verzahnung auf, welche nutzbar ist, um den Planetenträger 16 umfasst, mittels eines Umschlingungsmittels 28, nämlich Riemens, anzutreiben. Der Riemen 28 ist Teil eines als Untersetzungsgetriebe ausgelegten Ro- tativ-Rotativ-Getriebes 26, nämlich Riementriebs. Ein in Form einer Riemenscheibe 27 vorliegendes ausgangsseitiges Element des Riementriebs 26 ist mit der Außenhülse 15 fest verbunden oder einstückig ausgebildet und fungiert damit als eingangsseitiges Element des Planetenwälzgetriebes 1. Alternativ kommt beispielsweise auch eine Ausführung des Rotativ-Rotativ-Getriebes 26 als Kettentrieb in Betracht. Dank des angetriebenen, das heißt als Antriebselement genutzten, Planetenträgers 16 ist das Planetenwälzgetriebe 1 als steigungstreuer Gewindetrieb (SPWG) ausgebildet.

Auf der Eingangsseite des Riementriebs 26 existiert eine Riemenscheibe 35, welche fest mit einer Welle 34 eines Elektromotors 29 verbunden ist. Der Rotor des Elektromotors 29 ist mit 33 bezeichnet.

Die Gewindespindel 2, welche mit Hilfe der Getriebeanordnung, die das Umschlingungsgetriebe 26 und das diesem nachgeschaltete Planetenwälzgetriebe 1 umfasst, in ihrer Längsrichtung verschiebbar ist, ist verdrehgesichert in einem Gehäuse 30 des Lenkungsaktuators 20 geführt. An ihren beiden Enden ist die Gewindespindel 2 mit Anschlusselementen 32 verbunden, welche zur gelenkigen Kopplung mit Fahrwerkskomponenten vorgesehen sind, über welche der Lenkeinschlag der Hinterräder des Kraftfahrzeugs verstellbar ist. Zwischen den Anschlusselementen 32 und dem Gehäuse 30 befindet sich, wie aus Fig. 3 hervorgeht, jeweils ein Faltenbalg 36. Der gesamte Lenkungsaktuator 20 ist mit Hilfe von Befestigungskonturen 31 , die durch das Gehäuse 30 ausgebildet sind, mit dem Chassis des Fahrzeugs verbindbar.

Zur Lagerung der Gewindespindel 2 im Gehäuse 30 ist eine Gleitlagerung 17 vorgesehen, wobei sich zwei hülsenförmige Gleitlagerelemente der Gleitlagerung 17 in den vorliegenden Fällen asymmetrisch neben der Anordnung aus dem Planetenträger 16, das heißt Antriebselement des Planetenwälzgetriebes 1 , der Mutter 12 und den Planeten 6 befinden. Die im mechanisch unbelasteten Zustand mit der Mittelachse der Gleitlagerung 17 identische Mittelachse der Gewindespindel 2 ist mit A2 bezeichnet. Der Planetenträger 16 ist mittels zweier äußerer Axiallager 25, nämlich Axialrollenlager, in Axialrichtung im Gehäuse 30 gelagert. Zur radialen Lagerung des Planetenträgers 16 im Gehäuse 30 ist eine Radiallagerung 13, 14 vorgesehen, welche ein erstes Wälzlager 13 und ein zweites Wälzlager 14 umfasst. Die Mittelachse der Radiallagerung 13, 14, wiederum bezogen auf den mechanisch unbelasteten Zustand, ist mit Au bezeichnet. Jedes Wälzlager 13, 14 ist als Nadellager ausgebildet und umfasst zwei Lagerringe 19, 22, nämlich einen Außenring 19 und einen Innenring 22, sowie zwischen den Lagerringen 19, 22 abrollende Wälzkörper 21 , das heißt Nadeln.

Der Teilkreis des Wälzlagers 13, 14 ist durch die Lage der Mittelpunkte der Wälzkörper 21 bestimmt. Der Radius des Teilkreises ist mit Ru bezeichnet. Wie aus Fig. 2 in überhöhter Darstellung hervorgeht, fallen die Achsen A2, Au nicht zusammen. Vielmehr ist zwischen den Achsen A2, Au, solange auf die verschiedenen Lagerungen 13, 14, 17 keine Radialkräfte wirken, ein Versatz VA gegeben.

Im Fährbetrieb wirken auf die Hinterachslenkung 10 Kräfte F, die in Fig. 3 beispielhaft angedeutet sind. Unter anderem resultieren Kräfte F auf Zugspannungen, welche innerhalb des Riementriebs 26 herrschen. Auch Biegebelastungen innerhalb der Gewindespindel 2 spielen eine Rolle. Insgesamt tragen die Kräfte F dazu bei, dass sich der Versatz VA verringert, das heißt die Achsen A2, Au zumindest näherungsweise zusammenfallen. Im Gegensatz zu nicht beanspruchten Gestaltungen, bei denen im mechanisch unbelasteten Zustand die Lagerungen 13, 14, 17 des Planetenträgers 16 einerseits und der Gewindespindel 2 andererseits koaxial sind, stellt der reale Betrieb des Planetenwälzgetriebes 1 somit eine Annäherung an den kinematisch idealen Betrieb dar. Hieraus ergibt sich ein besonders günstiges Geräuschverhalten sowie ein geringer Verschleiß des gesamten Lenkungsaktuators 20.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Außenringe 19 der Wälzlager 13, 14 jeweils in ein ringförmiges Dämpfungselement 18 eingesetzt. In die Auslegung des Versatzes VA zwischen den Achsen A2, Au gehen auch Eigenschaften des Dämpfungselementes 18 ein. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind im Fall von Fig. 3 die Außenringe 19 unmittelbar in Ausnehmungen des Gehäuses 30 eingesetzt, insbesondere eingepresst. Die geometrischen Relationen nach Fig. 2 gelten auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.

Bezuqszeichenliste

Planetenwälzgetriebe

Gewindespindel

Gewinde

Profilierung des Mittelabschnitts eines Planeten

Profilierung des Seitenabschnitts eines Planeten

Planet

Mittelabschnitt

Seitenabschnitt

Endabschnitt

Hinterachslenkung

Profilierung der Mutter

Mutter

Radiallagerung, Wälzlager

Außenhülse

Planetenträger

Gleitlagerung

Dämpfungselement

Lagerring, Außenring

Lenkungsaktuator

Wälzkörper, Nadel

Lagerring, Innenring

Scheibenelement inneres Axiallager äußeres Axiallager

Rotativ-Rotativ-Getriebe, Riementrieb

Riemenscheibe auf Seiten des PWGs

Riemen

Elektromotor

Gehäuse

Befestigungskontur 32 Anschlusselement

33 Rotor

34 Welle des Elektromotors

35 Riemenscheibe, E-Motor-seitig

36 Faltenbalg

A2 Achse der Gewindespindel

Au Achse der Radiallagerung

F Kraft

R14 mittlerer Radius der Radiallagerung

VA Versatz zwischen den Achsen A2 und A14

Claims

Patentansprüche

1 . Planetenwälzgetriebe (1 ), mit einer Gewindespindel (2), einer Anzahl die Gewindespindel (2) kontaktierender Planeten (6), sowie einem mit den Planeten (6) zusammenwirkenden rotierbaren Antriebselement (16), welches mittels einer Radiallagerung (13, 14) in einem Gehäuse (30) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (A14) der Radiallagerung (13, 14) - bezogen auf den mechanisch unbelasteten Zustand - von der Mittelachse (A2) der Gewindespindel (2) parallel beabstandet ist.

2. Planetenwälzgetriebe (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallagerung (13, 14) als Wälzlagerung ausgebildet ist.

3. Planetenwälzgetriebe (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Mittelachse (A2) der Gewindespindel (2) durch eine Gleitlagerung (17) festgelegt ist.

4. Planetenwälzgetriebe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (VA) zwischen der Mittelachse (A2) der Gewindespindel (2) und der im mechanisch unbelasteten Zustand gegebenen Mittelachse (A14) der Radiallagerung (13, 14) mindestens 100 ppm und maximal

2,5 % des mittleren Radius (R14) der Radiallagerung (13, 14) beträgt.

5. Planetenwälzgetriebe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein die Radiallagerung (13, 14) des Antriebselementes (16) umgebendes Dämpfungselement (18).

6. Planetenwälzgetriebe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Spindelmutter als dessen Antriebselement (16).

7. Planetenwälzgetriebe (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Planetenträger als dessen Antriebselement (16).

8. Lenkungsaktuator (20), umfassend ein Planetenwälzgetriebe (1 ) nach Anspruch 1 .

9. Lenkungsaktuator (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Planetenwälzgetriebe (1 ) ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Umschlingungsgetriebe (26) vorgeschaltet ist, wobei das Abtriebselement (27) des Umschlingungsgetriebes (26) drehfest mit dem Antriebselement (16) des Planetenwälzgetriebes (1 ) verbunden ist.

10. Hinterachslenkung (10), umfassend einen Lenkungsaktuator (20) nach Anspruch 9.