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Die Erfindung betrifft einen Aktor mit Planetenwälzgewindespindel (PWG) nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Planetenwälzgewindespindeln (PWG) (auch bezeichnet als Planetenwälzgewindespindeltriebe) sind seit vielen Jahren Stand der Technik und werden beispielsweise in
DD 0277308 A5 beschrieben. Aus der Druckschrift
DE 10 2010 047 800 A1 ist beispielsweise ein Planetenwälzgewindetrieb bekannt, der in einem Hydrostataktor in Form eines hydrostatischer Kupplungsaktors enthalten ist, um eine mittels eines Elektromotors erzeugte Drehbewegung in eine Axialbewegung umzuwandeln. Ein Planetenwälzgewindetrieb, mit einer Gewindespindel, und mit einer auf der Gewindespindel angeordneten Mutter, und mit mehreren über den Umfang verteilten, zwischen der Gewindespindel und der Mutter angeordneten Planeten, die am Innenumfang der Mutter sowie am Außenumfang der Gewindespindel abwälzbar angeordnet sind, ist aus der Druckschrift
DE 10 2010 011 820 A1 bekannt. Bei dieser Lösung ist eine Vorspanneinrichtung für die Planeten vorgesehen, wobei die Mutter zwei axial zueinander bewegliche Mutterteile aufweist, und wobei die Vorspanneinrichtung ein gegen das eine Mutterteil angefedertes Federelement aufweist. Die Mutter übernimmt zwei Funktionen: einerseits ist sie Getriebeteil und andererseits ist sie Teil der Vorspanneinrichtung.
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Es ist weiterhin bekannt, (
DE 10 2011 088 995 A1 ) eine Absolutmessung für eine Schlupferfassung eines PWG mit einer auf einer Gewindespindel angeordneten Spindelmutter und mit einer Vielzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Planeten, die in Wälzeingriff mit der Gewindespindel sowie der Spindelmutter stehen vorzunehmen, wobei ein gegenüber der Spindelmutter axial unverschieblich angeordnetes Sensorelement eine axiale Verlagerung der Gewindespindel und der Spindelmutter zueinander erfasst, wobei die Spindelmutter an einem das Sensorelement aufweisenden Gehäuse um die Spindelachse herum drehbar gelagert ist.
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Aus der Druckschrift
WO 2011/050766 ist ein Hydrostataktor in der Art eines hydrostatischen Kupplungsaktors mit einem Geberzylinder enthaltend ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse axial verlagerbaren, eine Druckkammer mit Druck beaufschlagenden Kolben, mit einem einen Drehantrieb in eine Axialbewegung wandelnden Getriebe sowie mit einem das Getriebe drehantreibenden Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor bekannt. Zur Begrenzung des Bauraums werden die Bauteile des Hydrostataktors bauraumsparend ineinander integriert. Dabei greift eine Gewindespindel des Getriebes während einer Verlagerung des Kolbens zumindest teilweise axial in den Nachlaufbehälter ein, der radial außerhalb einer ringförmig ausgebildeten Druckkammer angeordnet ist.
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Die bekannten Systeme erfordern einen großen axialen Bauraum und gestalten sich relativ aufwendig.
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Aus einer noch nicht veröffentlichten Schutzrechtsanmeldung ist ein Aktor mit einer synchronisierten Planetenwälzgewindespindel (SPWG) bekannt, der insbesondere für die Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeuges eingesetzt wird und wobei mit einer Spindel mehrere Planetenrollen in Eingriff stehen, die mit einem die Planetenrollen umringenden Hohlrad kämmen. Die Planetenrollen sind an beiden Enden in einem Planetenrollenträger positioniert und die Planetenrollenträger drehfest in einer, das Hohlrad umringenden und an beiden Enden radial nach innen weisenden Hülse abgestützt. De Hülse und die darin abgestützten Planetenträger sind axial festgelegt und mit einem Rotor eines Antriebes drehfest verbunden und um eine Drehachse antreibbar, wobei die Spindel drehfest abgestützt ist und bei Rotation des Rotors und der in der Hülse abgestützten Planetenträger einen axialen Hub vollführt.
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Nachteilig ist der jedoch noch immer relativ große axiale Bauraumbedarf und der entsprechend hohe konstruktive und fertigungstechnische Aufwand, da die Planetenrollen der SPWG in der Hülse über zwei Axiallager gelagert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Aktor mit einem Planetenwälzgewindetrieb zu entwickeln, der einen geringen Bauraum benötigt und einen einfachen konstruktiven Aufbau aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Aktor weist ein Getriebe in Form einer Planetenwälzgewindespindel (nachfolgend PWG genannt) auf, mit dem eine rotatorische Bewegung, die durch einen elektrischen Antrieb erzeugt wird, in eine Axialbewegung umwandelbar ist und dient insbesondere zur Betätigung einer Kupplung eines Fahrzeuges mittels eines axial bewegbaren Kolbens, wobei mit einer, durch den Antrieb rotatorisch antreibbaren Spindel mehrere Planetenrollen in Eingriff stehen, die mit einem die Planetenrollen umringenden Hohlrad kämmen, wobei die Planetenrollen an beiden Enden in einem Planetenrollenträger (Käfig) drehbar um ihre eigene Achse aber drehfest in Bezug auf die Achse der Spindel positioniert sind, und der Planetenrollenträger drehfest in einer Hülse abgestützt ist, und die Planetenrollen erfindungsgemäß an einem ersten Ende mit der ersten Stirnseite, welche in einer Betätigungsrichtung des Kolbens zum Schließen der Kupplung liegt, über ein Axiallager und an ihrem gegenüber liegenden zweiten Ende über eine an der zweiten Stirnseite anliegende Kontaktscheibe in der Hülse axial abgestützt sind.
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Da eine unsymmetrische Belastung der PWG, die synchronisiert ausgeführt ist (SPWG) vorliegt, und dadurch lediglich in eine Richtung, nämlich in Richtung zum Schließen der Kupplung, hohe Betriebskräften wirken, die zum Schließen der Kupplung benötigt werden und in der andere Richtung die Hauptlast nur aus der Vorspannung, der Reibungen und eventuell dem Unterdruck besteht, wird in Richtung der hohen Last die axiale Abstützung wie nach dem Stand der Technik üblich über ein Axiallager realisiert und in die andere Richtung wird erstmalig auf ein Axiallager verzichtet und die axiale Abstützung lediglich über eine Kontaktscheibe mittels eines Reibkontaktes realisiert.
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Dadurch wird der konstruktive Aufbau des Aktors einfacher und der axiale Bauraum reduziert.
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Bevorzugt stützen sich die Planetenrollen mit ihren zweiten Stirnseiten über einen Bohrreibungskontakt an der Kontaktscheibe ab, der durch einen Kugel/Ebene Kontakt realisiert ist, wobei eine sphärisch gekrümmte Oberfläche an der zweiten Stirnseite der Planetenrollen und die ebene Fläche an der Kontaktscheibe ausgebildet sind.
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Die Planetenrollen werden an ihren ersten Stirnseiten, welche in Richtung der ersten Betätigungsrichtung zum Schließen der Kupplung weisen mittels des Axiallagers axial abgestützt, wobei eine zusätzliche axiale Abstützung über das als Rollmutter ausgebildete Hohlrad erfolgt, welches an dem Axiallager anliegt und mit dem in Richtung zum Axiallager weisenden ersten Ende der Planetenrollen kämmt.
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Die Hülse wird radial über ein innerhalb der Kontaktscheibe angeordnetes erstes Kunststofflager und/oder über ein radial innerhalb eines Axiallagerringes des Axiallagers angeordnetes zweites Kunststofflager abgestützt.
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Die radiale Abstützung der Planetenrollen wird über das als Rollmutter ausgebildete Hohlrad, welches an seinem Innendurchmesser mit den Planetenrollen kämmt, über die Spindel, welche an ihrem Außendurchmesser mit den Planetenrollen kämmt und über einen, am zweiten Ende der Planetenträger diese umfangsseitig zentrierenden Ring realisiert.
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Vorteilhafterweise ist zwischen einem sich radial nach innen erstreckenden Absatz der Hülse und einem sich radial nach innen erstreckenden Absatz einer sich an die Kontaktscheibe anschließenden Innenhülse wenigstens eine, eine axiale Vorspannung gegen die Kontaktscheibe bewirkende erste Druckfeder angeordnet, welche die Kontaktscheibe gegen die zweiten Stirnseiten der Planetenrollen mit einer axialen Vorspannkraft beaufschlagt.
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Weiterhin stützt sich die Kontaktscheibe im geöffneten Zustand der Kupplung an ihrer der zweiten Stirnseite abgewandten Fläche über einen Axial-Nadelkranz und eine Lagerscheibe gegen wenigstens eine zweite Druckfeder ab, wenn beim Öffnen der Kupplung eine Axialbewegung der axialbeweglichen Komponenten des PWG und des Kolbens gegenüber der axial festgelegten Spindel realisiert wird und ein höherer Lastfall beim Öffnen der Kupplung entsteht. Diese hohen Lastfälle sind nur in einem quasi statischen Zustand zu verzeichnen und repräsentieren weniger als 1% der Umdrehungen über die Lebensdauer.
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Vorzugsweise sind die erste und/oder die zweite Druckfeder aus mehreren Tellerfedern in der Art eines Federpaketes gebildet.
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Der Kolben ist auf der Seite der ersten Druckfeder beispielsweise mittels einer Sondermutter an der Hülse drehfest angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Hülse mittels einer Verdrehsicherung mit einem Gehäuse des Aktors drehfest verbunden, wobei das Gehäuse auch den elektrischen Antrieb beinhaltet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 die Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Aktors im Längsschnitt
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2 die Prinzipdarstellung des Kontakts zwischen dem zweiten Ende der Spindel und der Kontaktscheibe,
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3 die dreidimensionale Darstellung der Planetenrollen, die in einem Käfig positioniert sind,
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4 den Kraftfluss beim Schließen der Kupplung,
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5 den Kraftfluss beim Öffnen der Kupplung,
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6 den Kraftfluss der Vorspannung auf die Kontaktscheibe,
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7 den Kraftfluss am Anschlag beim Öffnen der Kupplung.
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In 1 wird die Prinzipdarstellung eines Teiles eines Aktors mit einer Planetenwälzgewindespindel PWG 1 gezeigt.
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Die Spindel 2 wird um ihre Längsachse 2.1 durch einen nicht dargestellten Rotor eines ebenfalls nicht dargestellten Elektromotors rotatorisch angetrieben, ist axial fest gelagert und weist ein Außenprofil 2.2 mit einer Steigung auf. Mit der Spindel 2 kämmen hier drei Planetenrollen 3, die ebenfalls um eine Längsachse 3.1 drehbar gelagert sind und ein mit dem Außenprofil 2.2 der Spindel 2 korrespondierendes erstes Außenprofil 3.2 aufweisen, welches in etwa mittig bei den Planetenrollen 3 angeordnet ist. Beidseitig, sich an das erste Außenprofil 3.2 anschließend, weisen die Planetenrollen 3 Führungsbereiche 3.3 auf, mit welchen sie in einem in Form eines Käfigs 4 ausgebildeten Planetenrollenträger drehbar um ihre eigene Achse 3.1 aber drehfest in Bezug auf die Achse 2.1 der Spindel 3 zueinander beabstandet und radial positioniert sind. Der Käfig 4 ist drehfest in einer Hülse 5 abgestützt, welche das PWG 1 ummantelt. Die Planetenrollen 3 weisen an einem ersten Ende 3.4 (in 1 rechts) eine erste Stirnseite 3.5 auf, welche an einem Axiallager 6 axial abgestützt ist. An ihrem gegenüber liegenden zweiten Ende 3.6 sind die Planetenrollen über eine an der zweiten Stirnseite 3.7 anliegende Kontaktscheibe 7 in der Hülse 5 axial abgestützt, wobei der Kontakt zwischen den zweiten Stirnseiten 3.7 und der Kontaktscheibe 7 über einen Bohrreibungskontakt realisiert wird (siehe auch 2).
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Das die Planetenrollen 3 am ersten Ende 3.5 abstützende Axiallager 6 ist dabei in Richtung der Betätigungsrichtung zum Schließen der nicht dargestellten Kupplung angeordnet. Eine zusätzliche axiale Abstützung erfolgt über ein als Rollmutter 8 ausgebildetes Hohlrad im Bereich des ersten Endes 3.5 der Planetenrollen 3, welches an dem Axiallager 6 anliegt und mit dem in Richtung zum Axiallager 6 weisenden ersten Ende der 3.5 Planetenrollen 3 kämmt.
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Das erste Ende 3.5 der Planetenrollen 3 weist dazu jeweils ein zweites Außenprofil 3.8 auf, welches mit einem Innenprofil 8.1 der Rollmutter 8 kämmt. An das Axiallager 6 schließt sich eine Verdrehsicherung 9 an, die drehfest mit der Hülse 5 und mit einem nicht dargestellten Gehäuse des Aktors verbunden ist, in dem auch der Antriebsmotor (bevorzugt ein Elektromotor) zum Antreiben der Spindel 2 angeordnet ist.
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Zur Verdrehsicherung der Hülse 5 gegenüber der Verdrehsicherung 9 und somit dem Gehäuse ist die Hülse 5 in eine umfangsseitige Rille (nicht bezeichnet) der Verdrehsicherung 9 eingerollt.
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Das zweite Ende 3.6 der Planetenrollen 3 wird radial über einen Ring 10 fixiert, der alle Planetenrollen 3 umringt und zwischen dem Käfig 4 und der Kontaktscheibe 7 angeordnet ist.
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Die radiale Lagerung der Planetenrollen 3 erfolgt somit über das als Rollmutter 8 ausgebildete Hohlrad, welches an seinem Innendurchmesser mit den Planetenrollen 3 kämmt, über die Spindel 2, welche an ihrem Außendurchmesser mit den Planetenrollen 3 kämmt und über den, am zweiten Ende 3.6 der Planetenrollen 3 diese umfangsseitig zentrierenden, Ring 10.
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Eine axiale Fixierung der Kontaktscheibe 7 wird über ein erstes Federpaket 11 aus zwei Tellerfedern realisiert, die sich zwischen einem radial nach innen erstreckenden Absatz 5.1 der Hülse 5 und einem sich radial nach innen erstreckenden Absatz 12.1 einer sich an die Kontaktscheibe 7 anschließenden Innenhülse 12 abstützen.
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An die Kontaktscheibe 7 schließen sich innerhalb der Innenhülse 12 ein Axial-Nadelkranz 13 und eine Lagerscheibe 14 sowie ein zweites Federpaket 15 aus mehreren Tellerfedern an.
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Der die nicht dargestellte Kupplung betätigende Kolben 16 ist auf der Seite des ersten Federpaketes 11 mittels einer Sondermutter 17 an der Hülse 5 drehfest angeordnet.
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Vorteilhafter Weise wird die Hülse 5 radial über ein innerhalb der Kontaktscheibe 7 angeordnetes erstes Kunststofflager 18 und über ein innerhalb eines Axiallagerringes 6.1 des Axiallagers 6 angeordnetes zweites Kunststofflager 19 abgestützt.
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An dem Ende 2.3 der Spindel 2 ist eine Anschlagscheibe 20 mittels eines Sprengrings 21 befestigt.
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Die Spindel 2, die Anschlagscheibe 20 und der Sprengring 21 sind axial festgelegt und vollführen nur eine Drehbewegung. Alle anderen Teile vollführen bei einer Drehbewegung der Spindel 2 eine reine Axialbewegung, wodurch auch der Kolben 16 axial betätigt wird – lediglich die Planetenrollen 3 rotieren um ihre Längsachse 3.1.
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Beim Anschlag der Tellerfedern des zweiten Federpaketes 15 an der Anschlagscheibe 20 werden diese Tellerfedern komprimiert und rotieren mit der Spindel 2 durch die Reibung zwischen der Anschlagscheibe 20 und der daran anliegenden ersten Tellerfeder. Das Axial-Nadellager 13 (Lagerscheibe und Nadelkranz) entkoppelt diese Drehbewegung von der Kontaktscheibe 7, die drehfest und axialfest in der Hülse 5 sitzt.
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Die Kupplung wird in Richtung Schließen betätigt, wenn der Kolben 16 sich bei Rotation der Spindel 2 gemäß 1 nach rechts bewegt.
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In 2 wird der Bohrreibungskontakt zwischen einem zweiten Ende 3.6 einer Planetenrolle 3 und der Kontaktscheibe 7 verdeutlicht. Das zweite Ende 3.6 Planetenrolle 3 weist an der zweiten Stirnseite 3.7 eine sphärisch gekrümmte Oberfläche auf, die an einer ebenen Fläche 7.1 an der Kontaktscheibe im Bohrreibungskontakt ist. Die Bohrreibung entsteht am Auflagepunkt eines sich um eine Achse drehenden Körpers auf einer Ebene und somit im vorliegenden Fall am Auflagepunkt der Stirnseite 3.7 der um die Längsachse 3.1 rotierenden Planetenrolle 3 an der Fläche 7.1.
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3 zeigt die dreidimensionale Darstellung der hier drei Planetenrollen 3, die in einem Käfig 4 umfangsseitig zueinander positioniert sind. Der Käfig 4 wird über Längsnuten 4.1 drehfest in der hier nicht dargestellten Hülse aufgenommen und weist radial nach innen gerichtete Stege 4.2 auf die axial voneinander beabstandet sind. Jeweils zwischen zwei Stegen 4.2 wird eine Planetenrolle 3 fixiert, so dass die drei Planetenrollen 3 in gleichen Abständen zueinander umfangsseitig zur Spindel angeordnet sind.
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Die Planetenrollen 3 werden um ihre Längsachse 3.1 drehbar aufgenommen, sind aber in Bezug auf die Längsachse 2.1 der Spindel 2 drehfest in dem Käfig 4 positioniert.
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Der Kraftfluss beim Schließen der Kupplung wird in 4 und beim Öffnen der Kupplung in 5 durch die gestrichelte Linie und die Pfeile verdeutlicht.
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Beim Schließen der Kupplung bewegt sich der Kolben 16 gem. 4 nach rechts und drückt mit seiner ringförmigen Stirnfläche 16.1 gegen die nicht dargestellten Tellerfederzungen einer Kupplung. Der Kraftfluss (Druck-Eingangspfeil) wird somit über die Stirnseite 16.1 in den Kolben 16 eingeleitet und über die Sondermutter 17, die Hülse 5, die Verdrehsicherung 9, das Axiallager 6, die Rollmutter 8, die Planetenrollen 3 auf die Spindel 2 als Spindellast (Ausgangspfeil) übertragen.
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Beim Öffnen der Kupplung (5) wirkt über die Spindel eingangsseitig die Spindellast (Eingangspfeil, die über die Planetenrollen, die Kontaktscheibe 7, die Innenhülse 12, das erste Federpaket 11 und die Hülse 5 auf den Kolben 16 übertragen wird der in Richtung zur Kupplung einen Unterdruck (Ausgangspfeil) und eine Reibung über die Stirnseite 16.1 des Kolbens 16 realisiert.
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Aus 6 ist gestrichelt der Kraftfluss der Vorspannung auf die Kontaktscheibe 7 verdeutlicht. Dieser wird durch das erste Federpaket 11 bewirkt, welches sich gegen die Hülse 5 und die Innenhülse 12 abstützt, so dass der Kraftfluss über die Hülse 5. die Verdrehsicherung 9, das Axiallager 6, die Rollmutter 8, die Planetenrollen 3, die Kontaktscheibe 7 führt zur Innenhülse 5 führt.
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7 zeigt den Kraftfluss am hier linken Anschlag beim Öffnen der Kupplung, wenn höhere Lastfälle in Richtung Öffnen entstehen. In diesem Fall schlägt das zweite Federpaket 15 an der Anschlagscheibe 20 der Spindel 2 an und der Kraftfluss führt über die Federn des zweiten Federpaketes 15 in die Anschlagscheibe 20, den Sprengring 21, die Spindel 2, die Planetenrollen 3, die Kontaktscheibe 7, den Axialnadelkranz 13 zur Lagerscheibe 14, an dem sich das zweite Federpaket bei Anschlag abstützt.
