DE102016200978B4

DE102016200978B4 - Aktuator mit einer Schraubverbindung

Info

Publication number: DE102016200978B4
Application number: DE102016200978.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Vortmeyer; Stefan Schmidt; Henning Schwenke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: DE102016200978A1

Abstract

Aktuator, umfassend ein Gehäuse (2), einen eine Spindel (4) und eine Spindelmutter (6) aufweisenden Spindelantrieb (3), wobei die Spindel (4) ein Bewegungsgewinde (5) aufweist und an mindestens einem Spindelende (4a, 4b) über eine Schraubverbindung (9, 18) mit einem im Gehäuse (2) geführten Aufschraubzapfen (10, 11) fest verbunden ist, wobei die Schraubverbindung zwischen dem, ein Außen- oder Bolzengewinde (5,19) aufweisenden Spindelende (4a) und dem, ein Innen- oder Muttergewinde aufweisenden Aufschraubzapfen (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bolzengewinde (5, 19) als Bewegungsgewinde (5, 19) ausgebildet ist, und das Muttergewinde als Muttersperrgewinde (16, 20) mit einer Keilrampe (17, 21) ausgebildet ist, wobei die Keilrampe (17, 21) eine schraubenförmig verlaufende Fläche des Muttersperrgewindes (16, 20) bildet, die um einen Keilwinkel β gegenüber einer achsparallelen Geraden geneigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Durch die DE 10 2014 206 934 A1 der Anmelderin wurde ein zweifach wirkender Aktuator, auch Stellmotor oder kurz Steller genannt, für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges bekannt. Der Aktuator ist mittig am Achsträger des Kraftfahrzeuges befestigt und wirkt gleichzeitig auf die Lenkung der beiden Hinterräder. Der Aktuator weist einen Spindelantrieb, bestehend aus Spindel und Spindelmutter, auf, welche drehbar im Gehäuse gelagert und axial fixiert ist. Die Spindelmutter wird über einen Elektromotor angetrieben und bewirkt eine Axialverschiebung der Spindel nach der einen oder anderen Seite. Die Spindel weist einen etwa mittig angeordneten Gewindeabschnitt mit einem Bewegungsgewinde, welches in Eingriff mit der Spindelmutter steht, sowie zwei Spindelenden auf, welche jeweils mit Lagerhülsen verbunden sind, die ihrerseits gleitend im Gehäuse geführt sind. An den Lagerhülsen, auch Aufschraubzapfen genannt, sind Gelenkgabeln für eine Verbindung mit einem Lenkgestänge angeordnet. Bekannt sind auch einfach wirkende Aktuatoren, auch Einzelsteller genannt, welche jeweils nur auf die Lenkung eines Hinterrades wirken.
Es ist bekannt, dass die Verbindung zwischen dem Spindelende und dem Aufschraubzapfen als Schraubverbindung ausgebildet ist, wobei ein Befestigungsgewinde verwendet wird, welches als Spitzgewinde ausgebildet ist und einen Flankenwinkel von 60 Grad aufweist. Um ein ungewolltes Lockern oder Lösen der Schraubverbindung während des Betriebes zu verhindern, ist es bekannt, das Befestigungsgewinde mittels eines Klebstoffes zu sichern.
Durch die US 5 282 707 A wurde eine Schraubverbindung mit einem so genannten Muttersperrgewinde bekannt, wobei das Bolzengewinde als genormtes Befestigungsgewinde mit einem Flankenwinkel von 60 Grad (Spitzgewinde) ausgebildet ist. Das Muttersperrgewinde, also das Innengewinde der Mutter, weist im Bereich der Wurzel zwischen benachbarten Gewindegängen eine so genannte Keilrampe auf, welche von den Außenkanten der Gewindegänge des Bolzengewindes kontaktiert wird. Durch die Keilrampe im Muttergewinde wird eine Sperrwirkung in der Weise erzielt, dass ein Lockern oder Lösen der Schraubverbindung unter Belastung, insbesondere bei Vibrationen verhindert wird.
Die Erfindung umfasst die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft einen Aktuator, umfassend ein Gehäuse, einen eine Spindel und eine Spindelmutter aufweisenden Spindelantrieb, wobei die Spindel ein Bewegungsgewinde aufweist und an mindestens einem Spindelende über eine Schraubverbindung mit einem im Gehäuse geführten Aufschraubzapfen fest verbunden ist, wobei die Schraubverbindung zwischen dem, ein Außen- oder Bolzengewinde aufweisenden Spindelende und dem, ein Innen- oder Muttergewinde aufweisenden Aufschraubzapfen ausgebildet ist
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei der Schraubverbindung mit dem Muttersperrgewinde vorgesehen, dass das Bolzengewinde, also das Außengewinde, als Bewegungsgewinde ausgebildet ist. In der Praxis und in der Fachliteratur werden für Schraubverbindungen, bei denen zwei oder mehrere Bauteile fest miteinander verbunden werden, grundsätzlich Befestigungsgewinde, d. h. metrische Spitzgewinde mit einem Flankenwinkel von 60 Grad verwendet, gegebenenfalls auch Feingewinde mit einer geringeren Steigung. Bewegungsgewinde werden ausschließlich - wie der Name bereits aussagt - zur Erzeugung einer Bewegung, also z. B. bei Spindelantrieben verwendet, wobei eine Drehbewegung der Mutter eine Axialbewegung der Spindel oder eine Drehbewegung der Spindel eine Axialbewegung der Mutter erzeugt. Die Erfinder haben sich von dieser klassischen Lehre gelöst und ein Vorurteil der Fachwelt überwunden, indem sie ein Bewegungsgewinde als Befestigungsgewinde verwendet haben. Um ein Lösen dieser Schraubverbindung mittels Bewegungsgewinde zu verhindern, ist das Muttergewinde, das ebenfalls als Bewegungsgewinde ausgebildet ist, als Muttersperrgewinde mit einer Keilrampe ausgebildet.
Bei dem vorgenannten Aktuator mit einem Spindelantrieb vorgesehen, dass die Schraubverbindung zwischen der Spindel und dem Aufschraubzapfen der vorgenannten Schraubverbindung wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Damit ergibt sich für die Herstellung des Aktuators ein deutlicher Kostenvorteil, weil die Spindel des Spindelantriebes zu geringeren Kosten herstellbar ist. Für die Spindel kann ein Halbzeugmaterial verwendet werden, welches außer dem Ablängen nicht weiter zu bearbeitet werden braucht. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass die Spindel durch die Keilrampe des Muttersperrgewindes gegenüber dem Aufschraubzapfen und damit gegenüber dem Gehäuse des Aktuators zentriert wird. Andere Zentriermaßnahmen, die sonst bei einem flankenzentrierten Trapezgewinde erforderlich sind, können entfallen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bewegungsgewinde als Trapezgewinde ausgebildet, d. h. ein genormtes Gewinde mit symmetrischem Gewindeprofil, welches in beiden Axialrichtungen gleich belastbar ist. Das Trapezgewinde weist einen Flankenwinkel von 30 Grad auf, während das Spitzgewinde - wie oben erwähnt - einen Flankenwinkel von 60 Grad aufweist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Keilrampe des Muttergewindes einen Keilwinkel von 30 Grad auf, wodurch eine hinreichende Sperrwirkung erzielt wird. Der Keilwinkel ist der Winkel zwischen der Keilrampe, einer schraubenförmig verlaufenden Fläche, und einer achsparallelen Geraden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Keilrampe einen Keilwinkel von ca. 5 Grad auf, wodurch eine erhöhte Sperrwirkung wegen erhöhter Selbsthemmung erreicht wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauteil als Spindel eines Spindelantriebes ausgebildet und steht über das Bewegungsgewinde mit einer Spindelmutter in Eingriff. Das Bewegungsgewinde der Spindel erfüllt somit zwei - scheinbar widersprüchliche - Funktionen, nämlich einerseits die Umwandlung einer Drehbewegung in eine Axialbewegung (Funktion des Spindelantriebes) und andererseits die Funktion eines Befestigungsgewindes am Ende der Spindel. Damit wird der Vorteil erreicht, dass die Spindel nur ein durchgehendes Gewinde, nämlich das Bewegungsgewinde aufweist und daher aus einem Halbzeugmaterial in Form einer Gewindestange hergestellt werden kann. Die zusätzliche Anbringung eines klassischen Befestigungsgewindes (Spitzgewinde) wie beim Stand der Technik entfällt damit.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Bauteil als Gleit- oder Aufschraubzapfen ausgebildet, welcher eine Komponente eines Aktuator darstellen kann. Der Aufschraubzapfen bildet einerseits ein Verbindungselement und andererseits ein Lagerelement für die Spindel.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen

1 einen Aktuator mit Spindelantrieb und erfindungsgemäßer Schraubverbindung,
2 die Schraubverbindung gemäß 1 als Einzelheit A und
3 einen weitere Ausführungsform der Schraubverbindung als Einzelheit B.

1 zeigt einen Aktuator 1 mit einem Gehäuse 2, in welchem ein Spindelantrieb 3 aufgenommen ist. Der Spindelantrieb 3 umfasst eine Spindel 4 mit einem durchgehenden, als Trapezgewinde ausgebildeten Bewegungsgewinde 5 sowie eine Spindelmutter 6, welche über das Trapezgewinde 5 mit der Spindel 4 in Eingriff steht und gegenüber dem Gehäuse 2 drehbar gelagert, jedoch axial fixiert ist. Die Spindelmutter 6 ist über einen Riementrieb 7 von einem Elektromotor 8 antreibbar, so dass die am Verdrehen gehinderte Spindel 4 eine Axialbewegung nach der einen oder anderen Seite ausführen kann. Die Spindel 4 weist zwei entgegengesetzt zueinander angeordnete Spindelenden 4a, 4b auf, welche jeweils über eine Schraubverbindung 9 mit Aufschraubzapfen 10, 11 dreh- und schubfest verbunden sind. Die beiden Aufschraubzapfen 10, 11 sind jeweils über eingeschraubte Gelenkzapfen 12a, 13a mit Gelenken 12, 13 verbunden. Die Aufschraubzapfen 10, 11 sind über Gleitlager 14, 15 gegenüber dem Gehäuse 2 geführt. Der Aktuator 1 wird vorzugsweise für die Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges verwendet und ist als zweifach wirkender Aktuator ausgebildet, welcher über beide Gelenke 12, 13 auf die Lenkung beider Hinterräder wirkt. Der Aktuator 1 ist mittig zwischen beiden Hinterrädern angeordnet und über das Gehäuse 2 und Befestigungsöffnungen 2a, 2b am Fahrzeug befestigt.
Wie oben erwähnt, weist die Spindel 4 ein durchgehendes Trapezgewinde 5, auch Bolzengewinde 5 genannt, auf, welches sich von dem ersten Spindelende 4a durch die Spindelmutter 6 hindurch bis zum zweiten Spindelende 4b erstreckt. Das Trapezgewinde 5 wirkt dabei einerseits - zwischen der Spindel 4 und der Spindelmutter 6 - als Bewegungsgewinde, indem es eine Drehbewegung der Spindelmutter 6 in eine Axialbewegung der Spindel 4 umwandelt, und andererseits als Befestigungsgewinde der Schraubverbindung 9, über welche die Aufschraubzapfen 10, 11 mit den beiden Spindelenden 4a, 4b verbunden sind. Die Spindel 4 kann somit kostengünstig aus einer Gewindestange, welche als Halbzeugmaterial vorliegt, hergestellt werden. Die Schraubverbindung 9 ist als Einzelheit A in 2 vergrößert dargestellt.
2 zeigt die Schraubverbindung 9 aus 1 als Einzelheit A. Das Spindelende 4a weist ein als Trapezgewinde 5 ausgebildetes Bolzengewinde auf, während der Aufschraubzapfen 10 ein als Muttersperrgewinde 16 ausgebildetes Muttergewinde aufweist. Das Bolzengewinde 5 und das Muttersperrgewinde 16 bilden die Schraubverbindung 9. Das Bolzengewinde 5 weist einen Flankenwinkel α von 30 Grad auf, welcher dem genormten Trapezgewinde entspricht. Das Muttersperrgewinde 16 weicht von einem normgerechten, als Trapezgewinde ausgebildeten Muttergewinde dahingehend ab, dass es eine Keilrampe 17 aufweist, welche eine schraubenförmig umlaufende, unter einem Keilwinkel β gegenüber der Achsrichtung geneigte Fläche bildet. Nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Keilwinkel β hier 30 Grad. Das Bolzengewinde 5 weist eine Außenkante 5a auf, welche mit der Keilrampe 17 in Linienkontakt kommt, wodurch eine Verkeilung und gleichzeitig auch eine Zentrierung des Spindelendes 4a mit dem Aufschraubzapfen 10, d. h. zwischen Bolzen und Mutter erreicht wird. Aufgrund dieser Verkeilung im Bereich der Selbsthemmung wird ein Lockern oder Lösen der Schraubverbindung 9 wirksam verhindert, ohne dass es dazu weiterer Sicherungsmittel wie z. B. Klebstoff bedarf.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schraubverbindung 18 zwischen einem als Trapezgewinde ausgebildeten Bolzengewinde 19 und einem korrespondierenden Muttersperrgewinde 20 mit einer Keilrampe 21. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist die Keilrampe 21 gegenüber der Achsrichtung um einen Winkel von β = 5 Grad geneigt. Durch diesen geringeren Keilwinkel ergibt sich eine erhöhte Sperrwirkung oder Selbsthemmung zwischen dem Bolzengewinde 19 und dem Muttersperrgewinde 20. Die Schraubverbindung 18 ist somit wirksamer gegen Lösen oder Lockern gesichert.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Gehäuse
2a: Befestigungsöffnung
2b: Befestigungsöffnung
3: Spindelantrieb
4: Spindel
4a: Spindelende
4b: Spindelende
5: Trapezgewinde/Bolzengewinde
5a: Außenkante
6: Spindelmutter
7: Riementrieb
8: Elektromotor
9: Schraubverbindung
10: Aufschraubzapfen
11: Aufschraubzapfen
12: Gelenk
12a: Gelenkzapfen
13: Gelenk
13a: Gelenkzapfen
14: Gleitlager
15: Gleitlager
16: Muttersperrgewinde
17: Keilrampe
18: Schraubverbindung
19: Bolzengewinde
20: Muttersperrgewinde
21: Keilrampe
A: Einzelheit
α: Flankenwinkel
β: Keilwinkel

Claims

Aktuator, umfassend ein Gehäuse (2), einen eine Spindel (4) und eine Spindelmutter (6) aufweisenden Spindelantrieb (3), wobei die Spindel (4) ein Bewegungsgewinde (5) aufweist und an mindestens einem Spindelende (4a, 4b) über eine Schraubverbindung (9, 18) mit einem im Gehäuse (2) geführten Aufschraubzapfen (10, 11) fest verbunden ist, wobei die Schraubverbindung zwischen dem, ein Außen- oder Bolzengewinde (5,19) aufweisenden Spindelende (4a) und dem, ein Innen- oder Muttergewinde aufweisenden Aufschraubzapfen (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bolzengewinde (5, 19) als Bewegungsgewinde (5, 19) ausgebildet ist, und das Muttergewinde als Muttersperrgewinde (16, 20) mit einer Keilrampe (17, 21) ausgebildet ist, wobei die Keilrampe (17, 21) eine schraubenförmig verlaufende Fläche des Muttersperrgewindes (16, 20) bildet, die um einen Keilwinkel β gegenüber einer achsparallelen Geraden geneigt ist.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsgewinde als Trapezgewinde (5, 19) ausgebildet ist.
Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trapezgewinde (5, 19) einen Flankenwinkel (α) von 30 Grad aufweist.
Aktuator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilrampe (17) einen Keilwinkel (β) von ca. 30 Grad aufweist.
Aktuator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keilrampe (21) einen Keilwinkel (β) von ca. 5 Grad aufweist.