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Die Erfindung betrifft einen Spindeltrieb und ein Verfahren zu dessen Kalibrierung insbesondere in einem Betätigungssystem einer Reibungskupplung mit einer ersten axial feststehenden, drehangetriebenen Hülse und einer zweiten drehfest und bei Drehantrieb der ersten Hülse axial verlagerten zweiten Hülse sowie einem zwischen beiden Hülsen wirksamen Wälzantrieb mit über den Umfang verteilten, auf einer Laufbahn einer der Hülsen aufgenommenen, in Windungen einer mit einem vorgegebenen Axialspiel in der anderen Hülse aufgenommenen, zweite Laufbahnen bildenden Formfeder eingreifenden Wälzkörpern.
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Spindeltriebe sind Getriebe, welche eine Drehbewegung in eine axiale Bewegung umwandeln. Hierzu ist auf einem Gewinde einer Spindel eine Spindelmutter verdrehbar aufgenommen. Je nach erwünschter Kinematik kann die Spindel oder die Spindelmutter drehangetrieben und axial fest gehalten werden, so dass das andere Bauteil Spindel oder Spindelmutter bei drehfester Anordnung axial verlagert wird. Zur Verminderung der Reibung kann das Gewinde durch eine Wälzlagerung ersetzt werden, wobei Spindel und Spindelmutter jeweils Laufbahnen für Kugeln ausbilden, die an einer Seite des Spindeltriebs bei Drehantrieb unter Bildung eines Kugelumlaufspindeltriebs entnommen und über einen Kugelkanal an der anderen Seite wieder zugeführt werden. Derartige Spindeltriebe kommen insbesondere in Anwendungen in Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei der Betätigung von Reibungskupplungen und dergleichen zum Einsatz, wobei ein Bauteil von einem Elektromotor mit vergleichsweise geringer Leistung und hoher Drehzahl angetrieben wird und das andere Bauteil mit großer Übersetzung und daher großer Kraft axial verlagert wird.
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Um bei wälzender Verlagerung von Spindel und Spindelmutter einen vereinfachten Spindeltrieb ohne Kugelumlauf ausbilden zu können, werden in den Dokumenten
DE 100 33 649 A1 ,
DE 103 37 629 A1 ,
DE 10 2005 014 633 A1 und
DE 10 2006 001 575 A1 Spindeltriebe vorgeschlagen, bei denen ein Gewinde in Form einer Formfeder ausgebildet ist, in das zumindest ein einen Wälzkontakt ausbildender Wälzkörper radial zumindest teilweise eingreift. Hierbei werden an der Stelle der eingreifenden Wälzkörper die Windungen der Formfeder aufgespreizt. Die übrigen Windungen in Verlagerungsrichtung werden dabei gegenüber dem die Formfeder aufnehmenden Bauteil, beispielsweise eine Hülse auf Block verspannt, so dass das Bauteil axial bei Blocklage der Windungen verlagert wird, während sich die Wälzkörper bei Drehantrieb durch die Windungen schrauben. Die Wälzkörper können an einer weiteren Hülse aufgenommen sein, wobei der Drehantrieb beispielsweise in Form eines Elektromotors radial innerhalb der ineinander geschachtelten Hülsen angeordnet sein kann. Je nach erwünschter Kinematik kann die Hülse mit der Formfeder oder die Hülse mit den Wälzkörpern drehangetrieben und die andere Hülse entsprechend axial verlagert werden. Um einen einwandfreien Betrieb in jeweils eine von der Drehrichtung des Drehantriebs erfolgende axiale Verlagerungsrichtung zu erzielen, darf jeweils nur ein axial in Verlagerungsrichtung belasteter Wälzkontakt zu den Windungen der Formfeder auftreten, während ein zusätzlicher Antrieb der auf der anderen Seite der Blocklage angeordneten Windung zu erhöhter Reibung und schließlich zu einer Blockade des Spindelantriebs führen kann. Durch fertigungsbedingte Toleranzen treten in den Hülsen und der Formfeder Abweichungen auf, die einen sicheren Betrieb derartiger Spindeltriebe gefährden können.
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Es daher Aufgabe der Erfindung, einen Spindeltrieb mit kalibriertem Axialspiel der Formfeder und ein Verfahren zur Kalibrierung des Axialspiels vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch einen Spindeltrieb gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
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Hierzu ist ein Spindeltrieb insbesondere in einem Betätigungssystem einer Reibungskupplung mit einer ersten axial feststehenden, drehangetriebenen Hülse und einer zweiten drehfest und bei Drehantrieb der ersten Hülse axial verlagerten zweiten Hülse sowie einem zwischen beiden Hülsen wirksamen Wälzantrieb mit über den Umfang verteilten, auf einer Laufbahn einer der Hülse aufgenommenen, in Windungen einer in der anderen Hülse aufgenommenen, zweite Laufbahnen bildenden Formfeder eingreifenden Wälzkörpern vorgesehen, wobei die Formfeder mittels jeweils stirnseitig an der Formfeder angeordneter, rampenförmig einer Steigung der Windungen folgender Axialanschläge mit in Umfangsrichtung gegenüber Federenden der Formfedern wirksamen Anschlägen in der Hülse aufgenommen ist und mittels eines Drehwinkels der in Umfangsrichtung wirksamen Anschläge eine radiale Vorspannung und mittels zumindest einer zwischen zumindest einem Axialanschlag und der Hülse angeordneten Distanzscheibe vorgegebener Stärke ein vorgegebenes Axialspiel eingestellt ist. Insbesondere für den Einsatz eines Spindelantriebs zur Betätigung einer Reibungskupplung kann die radial innere Hülse von einem Elektromotor drehangetrieben werden, wobei diese Hülse um eine Getriebeeingangswelle angeordnet ist und die äußere Hülse die Formfeder enthält und axial verlagert wird. Ein je nach Ausbildung der Reibungskupplung als auf- oder zugedrückte Reibungskupplung vorgesehenes Aus- beziehungsweise Einrücklager ist dabei fest mit dieser Hülse verbunden und beaufschlagt die Tellerfeder, eine Hebelfeder oder die Anpressplatte direkt über einen Drucktopf.
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Abhängig von den toleranzbedingten Abweichungen wird dabei die Stärke der Distanzscheiben variiert, um stets dasselbe Axialspiel des Spindeltriebs einzustellen. Das Axialspiel ist dabei in vorteilhafter Weise so bemessen, dass jeweils in eine Verlagerungsrichtung der verlagerbaren Hülse die Wälzköper an der zweiten Laufbahn bei in Verlagerungsrichtung auf Block gepressten Windungen einen Wälzantrieb ausbilden und gegenüber der abgewandten Windung kraftfrei angeordnet sind. Dies bedeutet, dass zwischen den Wälzkörpern und den nicht angetriebenen Windungen keine oder nur eine vernachlässigbare Reibung wirksam ist.
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Die Axialanschläge können als Ringteile ausgeführt sein, welche eine axiale, rampenförmige Anlage für die Endwindungen der Formfeder bilden und jeweils einen Absatz aufweisen, der einen Anschlag für das Ende der jeweiligen Endwindung in Umfangsrichtung bildet. Hierbei kann ein Axialanschlag bereits fest in der die Formfeder innenumfangsseitig aufnehmenden Hülse befestigt sein oder einteilig aus dieser gebildet sein. Der zweite Axialanschlag wird nach Einbringen der Formfeder in die Hülse mit dieser form-, kraft- oder formschlüssig verbunden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest primär der Axialanschlag mit der Hülse verschraubt wird, um bei einer gegebenenfalls notwendigen Änderung der Distanzscheibe mit geänderter Stärke einen einfachen Austausch vornehmen zu können. Die Verbindung des Axialanschlags mit der Hülse kann über einen vorgegebenen Verdrehwinkel variierbar vorgesehen sein, so dass bei entsprechender Verdrehung der in Umfangsrichtung wirksamen Anschläge der Durchmesser der Formfeder an den Innenumfang angepasst und die Formfeder gegen den Innenumfang zumindest geringfügig vorgespannt werden kann. Hierzu hat sich die Aufnahme zumindest eines Axialanschlags an der Hülse mittels eines Gewindes als vorteilhaft erwiesen, so dass der Axialanschlag gezielt gegenüber der Hülse und dem anderen Anschlag verdreht werden kann. Durch Auswahl einer geringen Steigung des Gewindes kann die Axialverlagerung im Rahmen des vorgegebenen Verdrehwinkels vernachlässigt beziehungsweise eingerechnet werden. Der Verdrehwinkel kann durch ein entsprechend ausgeführtes Langloch einer Verschraubung des Axialanschlags als Verdrehsicherung vorgegeben werden.
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Die Ausbildung des Wälzantriebs erfolgt vorteilhafterweise mittels als Kugeln ausgebildeter Wälzkörper, welche in der ersten Laufbahn der bevorzugt drehangetriebenen Hülse aufgenommenen sind. Die Kugeln sind dabei gegenüber der Drehachse um die Steigung der Windungen der Formfeder verkippt angeordnet und bilden einen Wälzkontakt zu einer zweiten Laufbahn an der Formfeder. Die zweite Laufbahn ist hierzu im Querschnitt der Formfeder kreissegmentförmig ausgebildet, so dass die Kugeln entlang der Formfeder auf den Windungen abwälzen. Hierbei liegen die Kugeln jeweils nur an einer Seite der Formfeder an und verdichten die Windungen gegenüber dem in Verlagerungsrichtung angeordneten Axialanschlag in Blocklage, so dass sich die Kugeln bei einem Drehantrieb der Hülse mit der ersten Laufbahn durch die Windungen der Formfeder schrauben und die drehfest angeordnete Hülse mit der Formfeder axial verlagern. Hierbei bleibt die der Verlagerungsrichtung abgewandte Seite wegen des vorgegebenen Axialspiels kraftfrei und tritt erst bei Umkehrung der Verlagerung in Wälzkontakt mit den Kugeln unter Entlastung der bis dahin belasteten Seite der Formfeder.
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Um in Verlagerungsrichtung jeweils eine definierte Blocklage der zwischen dem betreffenden Axialanschlag und den Kugeln verspannten Windungen vorsehen zu können, weist die Formfeder bevorzugt eine an der die Formfeder aufnehmenden Hülse anliegende, ein Blocklage ausbildende Basis der Windungen auf, welche gegenüber der zweiten Laufbahn axial erweitert ist.
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Das Verfahren zur Kalibration des Axialspiels beinhaltet die Schritte einer Ermittlung des bei in die Hülse eingebrachter und radial vorgespannter Formfeder und mittels eines Distanzrings vorgegebener Stärke eingestellten Axialspiels und gegebenenfalls eine Korrektur des eingestellten Axialspiels durch Austausch des Distanzrings durch einen Distanzring angepasster Stärke. Hierbei können in einer ersten Variante in einer Verlagerungsposition zwischen den beiden Axialanschlägen die Hülsen mittels einer vorgegebenen Axialkraft in beide Richtungen gegeneinander verlagert und mittels eines Wegerfassungssystems ein Verlagerungsweg der Hülsen gegeneinander in beide Verlagerungsrichtungen erfasst werden und durch Differenzbildung der beiden Verlagerungswege das Axialspiel ermittelt werden. Alternativ kann die zweite Hülse mittels Drehantrieb der ersten Hülse axial über den gesamten Verlagerungsbereich entgegen der Wirkung einer Axialkraft in beide Verlagerungsrichtungen unter Aufzeichnung einer Kennlinie eines Verlagerungswegs des zweiten Schlittens gegen einen Drehwinkel der ersten Hülse aufgezeichnet und das Axialspiel aus der Differenz beider Kennlinien ermittelt werden. Hierbei kann der Drehantrieb der ersten Hülse mittels eines externen oder in dem Spindeltrieb aufgenommenen Elektromotors erfolgen. Ein durch das Wegerfassungssystem erfasster Verlagerungsweg kann mittels eines in dem Spindeltrieb vorgesehenen Wegsensors oder mittels einer oder mehrerer extern angebrachten Messuhren ermittelt werden.
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Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen Teilschnitt durch einen in einem Zentralausrücker einer Reibungskupplung eingesetzten Spindeltrieb,
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2 einen Schnitt durch eine die Formfeder enthaltende Hülse des Spindeltriebs der 1,
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3 eine Anordnung zur Kalibration des Axialspalts des Spindeltriebs der 1 gemäß einer ersten Variante in eine erste Verlagerungsrichtung,
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4 eine Anordnung zur Kalibration des Axialspalts des Spindeltriebs der 1 gemäß einer ersten Variante in die gegenüber der 3 entgegengesetzte Verlagerungsrichtung,
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5 eine Anordnung zur Kalibration des Axialspalts des Spindeltriebs der 1 gemäß einer zweiten Variante in eine erste Verlagerungsrichtung und
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6 eine Anordnung zur Kalibration des Axialspalts des Spindeltriebs der 1 gemäß einer zweiten Variante in die gegenüber der 5 entgegengesetzte Verlagerungsrichtung.
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1 zeigt im Teilschnitt den um die Drehachse d angeordneten Zentralausrücker 1 mit dem Spindeltrieb 2 mit der drehfest angeordneten Hülse 3 und der von dem Rotor 5 des Elektromotors 4 drehangetriebenen, axial fest gelagerten Hülse 6. Die Hülse 3 enthält das Ausrücklager 7, welches die Tellerfeder 8 der Reibungskupplung axial verlagert und damit die Reibungskupplung ein- und ausrückt.
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Der Elektromotor 4 ist mittels seines Stators 9 auf dem Trägerteil 10 des Zentralausrückers 1 aufgenommen. Weiterhin nimmt das Trägerteil 10 mittels des als Doppelrillenkugellagers aufgenommenen Lagers 11 die Hülse 6 axial und radial fest sowie verdrehbar auf. An dem Ringbund 12 der Hülse 6 ist die Laufbahn 13 für die Wälzkörper 14 in Form der Kugeln 15 aufgenommen. Die Kugeln 15 sind über den Umfang verteilt aufgenommen. Der Durchmesser der Laufbahn 13 ist gegenüber der Lotrechten der Drehachse d verkippt und im Winkel der Steigung der Windungen 17 der Formfeder 16 angeordnet. Die Formfeder 16 ist in dem Innenumfang der Hülse 3 innerhalb der Axialanschläge 18, 19 aufgenommen. Der Axialanschlag 18 ist einteilig aus der Hülse 3 gebildet, während der Axialanschlag 19 mittels des Gewindes 20 in die Hülse 3 eingeschraubt und mittels der Verschraubung 21 in Umfangsrichtung gesichert ist.
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Zwischen dem Axialanschlag 19 und der Hülse 3 ist die Distanzscheibe 22 mit vorgegebener Stärke angeordnet, um das Axialspiel 23 der Windungen 17 der Formfeder 16 zu kalibrieren.
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Bei korrekt eingestelltem Axialspiel 23 treten die Kugeln 15 abhängig von der Verlagerungsrichtung der Hülse 3 bei Drehantrieb der Hülse 6 mittels des Elektromotors 4 an nur einer der an den beiden Seiten der Formfeder 16 angeordneten Laufbahnen 24, 25 in Wälzeingriff, während die andere Laufbahn kraftfrei ist. Durch den Wälzkontakt schrauben sich die Kugeln 15 durch die Windungen 17 und bringen diese an derer axial verbreiterter Basis 26 in Verlagerungsrichtung in Blocklage und verschieben dadurch die Hülse 3 gegenüber der Hülse 6, was schließlich zur Betätigung der Tellerfeder 8 der Reibungskupplung mittels des Ausrücklagers 7 führt.
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Beispielsweise ist in der in 1 gezeigten Ausführungsform die Reibungskupplung eine aufgedrückte Reibungskupplung, die im gezeigten Zustand geschlossen ist. Soll die Reibungskupplung geöffnet werden, wird der Elektromotor 4 drehangetrieben, so dass die Kugeln 15 in Wälzkontakt mit der Laufbahn 24 der Formfeder 16 treten und sich durch die Windungen schrauben. Hierbei stützt sich die Hülse 6 axial an dem Lager 11 ab, so dass die drehfest gelagerte Hülse 3 zwangsweise unter Blocklage der Windungen rechts der Kugeln 15 unter Abstützung an dem Axialanschlag 18 in Richtung Tellerfeder 8 verlagert wird. Die Tellerfeder 8 wird von dem Ausrücklager 7 axial verlagert und öffnet damit die Reibungskupplung. Soll diese wieder schnell geschlossen werden, kehrt sich der Wälzkontakt der Kugeln 15 bei Drehrichtungsumkehr des Elektromotors 4 um und diese kommen in Anlage an die Laufbahn 25 und bringen die Windungen 17 zwischen Kugeln 15 und dem Axialanschlag 19 in Blocklage, so dass beim Durchschrauben der Kugeln 15 durch die Windungen 17 die Hülse 3 nach links verlagert wird und die Reibungskupplung wieder geschlossen wird.
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Die 2 zeigt einen Gesamtschnitt durch die um die Drehachse d angeordnete Hülse 3 mit der Formfeder 16 und dem Ausrücklager 7. Die Axialanschläge 18, 19 weisen in axiale Richtung Rampen 27 auf, welche an die Steigung der Windungen 17 der Formfeder 16 angeglichen sind. Weiterhin sind an den Axialanschlägen in Umfangsrichtung wirksame Anschläge 28 vorgesehen, an welchen die Federenden 30 angelegt beziehungsweise gegen diese in Umfangsrichtung vorgespannt sind. Bei einer Verdrehung der beiden Axialanschläge 18, 19 und damit der Anschläge 28 gegeneinander um die Drehachse d kann die Vorspannung der Formfeder 16 gegenüber dem Innenumfang der Hülse 3 eingestellt werden. Diese Einstellposition wird mittels der Verschraubung 21 gesichert, wobei der Axialanschlag 19 über ein im Einstellumfang ausgebildetes Langloch 29 verfügt. Das Axialspiel 23 der Formfeder 16 zwischen den Axialanschlägen 19, 18 wird durch die Stärke der Distanzscheibe 22 eingestellt, so dass Toleranzen der einzelnen Bauteile kompensiert werden können.
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Hierzu zeigen die 3 bis 6 zwei unterschiedliche Varianten der Ermittlung des Axialspiels 23 der Formfeder 16 der 1 und 2. In den 3 und 4 wird der Spindeltrieb 2 in dem Prüfwerkzeug 31 aufgenommen, wobei die Hülsen 3, 6 an einer vorgegebenen Verlagerungsposition gegeneinander verdrehgesichert gehalten sind und in jeweils eine Verlagerungsrichtung mit der Kraft F, welche ausreichend groß ist, die Windungen 17 der Formfeder 16 in Blocklage zu bringen, belastet werden. Mittels des Messwerterfassungssystems 32 – hier mittels der Messuhr 33 – wird der Verlagerungsweg der beiden Hülsen 3, 6 gegeneinander gemessen. Aus der Differenz der beiden Verlagerungswege wird das Axialspiel 23 ermittelt. Ist dieses zu gering, kann durch gleichzeitigen Wälzkontakt der Kugeln 15 mit beiden Laufbahnen 24, 25 (1) der Formfeder 16 eine erhöhte Reibung des Spindeltriebs oder eine Blockade auftreten. Es wird daher die Verschraubung 21 gelöst und eine Distanzscheibe 22 mit größerer Stärke eingesetzt. Ist das Axialspiel 23 zu groß, tritt unerwünschtes Spiel im Spindeltrieb 2 auf und die eingesetzte Distanzscheibe 22 wird durch eine Distanzscheibe mit geringerer Stärke ersetzt.
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Die 5 und 6 zeigen eine gegenüber der Kalibration des Spindeltriebs 2 der 3 und 4 abgeänderte Variante einer Kalibration des Spindeltriebs 2. Hierbei wird der Spindeltrieb 2 fest gelagert und das Ausrücklager 7 in beide Verlagerungsrichtungen mit der Kraft F – hier durch die Gewichtkraft einer abhängig von der Verlagerungsbewegung in den 5 und 6 unterschiedlich angehängten Masse 34. Die axiale Verlagerung der beiden Hülsen 3, 6 über den gesamten Arbeitsbereich wie Verlagerungsbereich erfolgt durch Drehantrieb der Hülse 3 mittels eines Elektromotors – hier dem Elektromotor 4 des Spindeltriebs. In anderen Ausführungsformen kann der Spindeltrieb ohne montierten Elektromotor 4 durch einen externen Elektromotor eines Prüfstands angetrieben werden. Das Axialspiel 23 wird ermittelt, indem in jede der Verlagerungsrichtungen eine Kennlinie des Verlagerungswegs über den Drehwinkel oder die Umdrehungszahl der Hülse 3 ermittelt und die Differenz der beiden Kennlinien ausgewertet wird. Als Messwerterfassungssystem 32 dienen dabei die angedeuteten, in dem Spindeltrieb 2 vorhandenen oder einem Prüfstand zugeordneten Wegsensoren 35. Der Drehwinkel kann anhand von in dem Elektromotor 4 oder in einem anderen Elektromotor beispielsweise zu deren elektronischen Kommutierung vorhandenen Inkrementalwinkelsensoren oder anderen Drehwinkelsensoren ermittelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zentralausrücker
- 2
- Spindeltrieb
- 3
- Hülse
- 4
- Elektromotor
- 5
- Rotor
- 6
- Hülse
- 7
- Ausrücklager
- 8
- Tellerfeder
- 9
- Stator
- 10
- Trägerteil
- 11
- Lager
- 12
- Ringbund
- 13
- Laufbahn
- 14
- Wälzkörper
- 15
- Kugel
- 16
- Formfeder
- 17
- Windung
- 18
- Axialanschlag
- 19
- Axialanschlag
- 20
- Gewinde
- 21
- Verschraubung
- 22
- Distanzscheibe
- 23
- Axialspiel
- 24
- Laufbahn
- 25
- Laufbahn
- 26
- Basis
- 27
- Rampe
- 28
- Anschlag
- 29
- Langloch
- 30
- Federende
- 31
- Prüfwerkzeug
- 32
- Messwerterfassungssystem
- 33
- Messuhr
- 34
- Masse
- 35
- Wegsensor
- d
- Drehachse
- F
- Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10033649 A1 [0003]
- DE 10337629 A1 [0003]
- DE 102005014633 A1 [0003]
- DE 102006001575 A1 [0003]
