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Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb für einen Aktuator, umfassend eine Spindel und eine über ein Bewegungsgewinde mit der Spindel in Eingriff stehende Spindelmutter, wobei das Bewegungsgewinde ein Außen- oder Spindelgewinde sowie ein Innen- oder Muttergewinde und die Spindelmutter eine erste sowie eine zweite Stirnseite, zwischen denen sich das Muttergewinde mit einer Vielzahl von Gewindegängen erstreckt, aufweist. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Aktuators mit einem Spindelantrieb in einer Lenkung, insbesondere Hinterachslenkung.
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Derartige Spindelantriebe, auch Spindeltriebe oder Bewegungsschrauben genannt, sind aus dem Stand der Technik, insbesondere der Fachliteratur (u. a.
G. Niemann, H. Winter, B.-R. Höhn, Maschinenelemente, Band 1, 4. Aufl., 2005, Seite 391 und 451 ff.) bekannt. Das Bewegungsgewinde, über welches die Spindel und die Spindelmutter miteinander in Eingriff stehen, ist in der Regel als Trapezgewinde, kann aber auch als Flach- oder Sägegewinde ausgebildet sein. Spindelantriebe werden auch in Aktuatoren für die Hinterradlenkung von Kraftfahrzeugen eingesetzt, wie beispielsweise durch die
EP 1 911 660 B1 bekannt wurde. Dabei wird eine im Gehäuse des Aktuators gelagerte Spindelmutter von einem koaxial angeordneten Rotor eines Elektromotors angetrieben. Die Spindelmutter steht über ein Bewegungsgewinde mit einer Spindel in Eingriff, welche axial verschiebbar und mit Radträgern der Hinterräder des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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In der älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2014 206 934.3 ist ein Aktuator für eine Hinterradlenkung eines Kraftfahrzeuges offenbart, wobei die Spindelmutter eines Spindelantriebes durch einen achsversetzt angeordneten Elektromotor über einen Zugmitteltrieb angetrieben wird.
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Um die Reibung des Spindelantriebes im Bewegungsgewinde zu reduzieren und einen Aktuator mit möglichst hohem Wirkungsgrad zu erzielen, wird das Bewegungsgewinde mit einem Schmiermittel, insbesondere einem Schmierfett geschmiert. Beim Betrieb des Aktuators können relativ hohe Verstellkräfte und damit hohe Flächenpressungen zwischen den Flanken der Gewindegänge auftreten, welche den Schmierfilm zwischen dem Mutter- und dem Spindelgewinde lokal verdrängen können, was zu einer erhöhten Reibung und einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führen kann. Dieses Problem der Schmierung wird dadurch verstärkt, dass keine gleichmäßige Lastverteilung über sämtliche Gewindegänge vorliegt, vielmehr werden die ersten Gewindegänge besonders stark beansprucht.
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Die Erfindung befasst sich mit der Verbesserung eines Spindelantriebes für einen Aktuator in einer Lenkung, um einen möglichst reibungsarmen und störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.
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Dieses wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist bei einem Spindelantrieb der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Gewindegänge des Muttergewindes eine variable Geometrie zur Erzielung einer annährend gleichmäßigen Lastverteilung in allen Gewindegängen aufweisen. Die variable Geometrie des Muttergewindes, welche eine Vielzahl von konstruktiven Ausführungsvarianten beinhaltet, bezweckt eine Verbesserung der Lastverteilung in den Gewindegängen, so dass die Lasten möglichst gleichmäßig auf alle Gewindegänge verteilt sind. Damit wird der Vorteil einer gleichmäßigen Flächenpressung und damit einer verbesserten Schmierung durch Aufrechterhaltung des Schmierfilmes auch bei höheren Stellkräften erreicht. Eine variable Geometrie des Muttergewindes ist bei Befestigungsschrauben, welche von Bewegungsschrauben oder Bewegungsgewinden zu unterscheiden sind, bekannt, beispielsweise durch G. Jacobs, Vorlesungsumdruck der RWTH Aachen, 2009 Aachen, Seite 239 ff.. Dort ist dargestellt und beschrieben, dass bei Befestigungsschrauben herkömmlicher Art eine stark ungleiche Lastverteilung in den Gewindegängen auftritt, wobei die ersten zwei oder drei Gewindegänge 40 bis 60 % der Last tragen. Diese aus der Fachliteratur für Befestigungsschrauben bekannten Maßnahmen können erfindungsgemäß in angepasster Form auf Bewegungsgewinde, insbesondere das Innengewinde der Spindelmutter, das Muttergewinde eines Spindelantriebes, angewendet werden, wobei sich hierbei der überraschende Effekt verbesserter Reibungsverhältnisse und einer größeren Betriebssicherheit für den Spindelantrieb und somit ein verbesserter Wirkungsgrad für einen Aktuator bei Lenkungen ergibt. Aufgrund der verbesserten Reibverhältnisse wird eine bessere Schmierung erreicht.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten, von einer oder beiden Stirnseiten ausgehenden Gewindegänge, insbesondere der Spindelmutter, eine variable Geometrie auf. Da die Spindel – je nach Einsatzzweck – in axialer Richtung auf Zug und Druck beansprucht wird, ist es vorteilhaft, die variable Geometrie auf beiden Stirnseiten symmetrisch anzuordnen. Damit wird erreicht, dass alle Gewindegänge bei einer Axialverschiebung der Spindel in beiden Richtungen annähernd gleichmäßig tragen und ein durchgehender Schmierfilm im Bewegungsgewinde sichergestellt ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die variable Geometrie Vertiefungen zwischen den Flanken der ersten Gewindegänge. Durch diese Vertiefungen, die als Entlastungskerben wirken, wird der Kerndurchmesser des Muttergewindes örtlich vergrößert; die Steifigkeit der ersten Gewindegänge wird reduziert, oder die Biegeweichheit der Gewindegänge wird mit anderen Worten vergrößert. Daher nehmen die ersten Gewindegänge eine geringere Last auf, wodurch sich insgesamt eine gleichmäßige Lastverteilung ergibt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kerndurchmesser des Muttergewindes im Bereich der Stirnseiten am größten und nimmt mit zunehmendem Abstand von der Stirnseite ab – die Vertiefungen werden also mit zunehmendem Abstand flacher. Dadurch verringert sich die Biegeweichheit der Gewindegänge mit zunehmendem Abstand von den Stirnseiten.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die variable Geometrie abgeflachte Spitzen der ersten Gewindegänge, d. h. die Höhe der ersten Gewindegänge, also der Abstand zwischen Gewindeinnen- und Kerndurchmesser ist variabel, wobei der Kerndurchmesser konstant bleibt, der Gewindeinnendurchmesser jedoch variabel ist. Im oben genannten Stand der Technik zu Befestigungsgewinden (G. Jacobs) wird diese Maßnahme auch als Aussenken des Muttergewindes bezeichnet.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Spindelmutter im Bereich der ersten Gänge eine ringförmige Eindrehung mit einer konischen Fläche auf der Innenseite der Eindrehung auf. Die gegenüberliegende Fläche hingegen ist zylindrisch ausgebildet. Durch diese von der Stirnseite der Spindelmutter ausgehende, konzentrisch zum Kopfkreis der Spindelmutter ausgebildeten Kerbe werden die ersten zur Stirnseite hin liegenden Gewindegänge entlastet, da sowohl in der Spindel als auch in der Spindelmutter Zugspannungen auftreten, welche die ersten Gewindegänge entlasten können.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Spindelmutter im Bereich zumindest einer der beiden Stirnseiten der Spindelmutter konisch ausgebildet – bei Befestigungsschrauben auch als Zugmutter bezeichnet. Dabei treten sowohl in der Spindelmutter als auch in der Spindel Zugspannungen auf, was eine gleichmäßige Lastverteilung zur Folge hat.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind im Bereich der Gewindegänge, insbesondere durchgehende, Axialnuten, vorzugsweise zwei diametral zueinander angeordnete Axialnuten vorgesehen, welche die Gewindegänge in Umfangsabschnitte von ca. 180 Grad oder weniger aufteilen. Damit wird eine erhöhte Biegeweichheit der einzelnen Gewindegänge erreicht. Auch dies führt zu einer Vergleichmäßigung der Lastverteilung für alle Gewindegänge.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Aktuator einer Lenkung, insbesondere Hinterradlenkung, für Kraftfahrzeuge ein erfindungsgemäßer Spindelantrieb vorgesehen, welcher die vorgenannten Merkmale und Vorteile aufweist. Da es sich bei Lenkungen, vorzugsweise „by-wire-Lenkungen“, speziell Hinterradlenkungen, für Kraftfahrzeuge um sicherheitsrelevante Systeme handelt, sind Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit des Systems besonders wichtig. Daher wird mit der erfindungsgemäßen Verbesserung, insbesondere der Reibungs- und Schmierverhältnisse, des Spindelantriebs ein wichtiger Beitrag zur Erhöhung der Betriebssicherheit einer Lenkung geleistet. Bei geringerer Reibung steigt die Effektivität des Aktuators hinsichtlich der für einen elektromotorischen Antrieb benötigten Energie. Gleichzeitig kann somit bei gleichem Antrieb eine höhere Stellgeschwindigkeit bei einer Lenkung, insbesondere Hinterradlenkung, erreicht werden. Letzteres ist insbesondere mit Blick auf Reaktionszeiten bei Fahrzeugen mit Fahrerassistenzsystemen mit Zusatzlenkungen wie z.B. einer Hinterradlenkung von Vorteil.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen 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
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1 einen Spindelantrieb,
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1a einen weiteren Spindelantrieb,
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2 einen Aktuator mit Spindelantrieb nach 1,
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3 einen Aktuator mit Spindelantrieb nach 1a,
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4 eine alternative Ausführung einer Spindelmutter.
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Die 1 zeigt einen Spindelantrieb 1, welcher eine axial verschiebbare Spindel 2 und eine in Drehrichtung antreibbare Spindelmutter 3 umfasst. Bevorzugt wird der Spindelantrieb 1 in einem in 2 oder 3 dargestellten Aktuator 10 für die Hinterradlenkung von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Ein derartiger Aktuator, auch Stellmotor genannt, ist in der eingangs genannten älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2014 20 69 34.3 offenbart, welche voll umfänglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Die Spindelmutter 3 ist ortsfest, z. B. gegenüber dem dargestellten Aktuatorgehäuse 11 gelagert, was hier schematisch durch schraffierte Lager 4, 5 angedeutet ist. Die Spindel 2 weist einen Abschnitt mit einem Außen- oder Spindelgewinde 2a auf, welches als Bewegungsgewinde, vorzugsweise als Trapezgewinde ausgebildet ist. Die Spindelmutter 3 weist ein Innen- oder Muttergewinde 3a auf, welches erfindungsgemäß einzelne Gewindegänge mit variabler Geometrie aufweist. Das Spindelgewinde 2a weist einen Kerndurchmesser di und einen Außen- oder Gewindedurchmesser da auf. Das Muttergewinde 3a weist einen Innendurchmesser Di und einen Kerndurchmesser Da auf, wobei der Kerndurchmesser Da lokal variabel ist, was durch eine gestrichelt dargestellte Hüllkurve 6 verdeutlicht ist.
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Die Spindelmutter 3 weist eine erste Stirnseite 3b und eine zweite Stirnseite 3c auf, zwischen denen sich das Muttergewinde 3a mit einer Vielzahl von Gewindegängen erstreckt. Ausgehend von der ersten Stirnseite 3b, sind die Gewindegänge x1, x2, x3, x4 mit variabler Geometrie und, ausgehend von der zweiten Stirnseite 3c, sind die Gewindegänge y1, y2, y3, y4 mit variabler Geometrie angeordnet, wobei die Gewindegänge x1 bis x4 und die Gewindegänge y1 bis y4 einen variablen Kerndurchmesser Da, begrenzt durch die Hüllkurve 6, aufweisen. Zwischen den Gewindegängen x1 bis x4 und den Gewindegängen y1 bis y4 sind Vertiefungen oder Entlastungskerben x5, x6, x7, x8 respektive Vertiefungen y5, y6, y7, y8 angeordnet, welche jeweils eine in radialer Richtung variable Tiefe, gekennzeichnet durch den variablen Kerndurchmesser Da, aufweisen. Durch die Entlastungskerben x5 bis x8 respektive y5 bis y8 erhalten die Gewindegänge x1 bis x4 respektive y1 bis y4 eine erhöhte Biegeweichheit, woraus eine Vergleichmäßigung der Lastverteilung auf die Gesamtheit der Gewindegänge resultiert. Die Anzahl von vier variablen Gewindegängen x1, x2, x3, x4 respektive y1, y2, y3, y4 ist nur beispielhaft für das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel; es können ebenso mehr oder weniger als vier variable Gewindegänge sein, die jeweils von einer oder beiden Stirnseiten 3b, 3c ausgehen. Die Zahl der variablen Gewindegänge und die Tiefe der Entlastungskerben ist so zu bemessen, dass sich eine möglichst gleichmäßige Lastverteilung auf alle Gewindegänge ergibt.
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1a zeigt eine ähnlich der 1 ausgebildete Variante des Spindelantriebes 1. Hierbei sind die Gewindegänge x1 bis x8 der Spindelmutter 3 derart ausgebildet, dass der Innendurchmesser Di des Muttergewindes 3a zur Stirnseite hin langsam zunimmt. Die Spindelmutter 3 ist im Vergleich mit Befestigungsgewinden wie eine Druckmutter ausgebildet. Beispielhaft sind ein erster Innendurchmesser Di1 und ein an der Stirnseite 3b der Spindelmutter 3 vorliegender Innendurchmesser Di2 eingezeichnet. Dabei ist deutlich erkennbar, dass Di2 größer als Di1 ist. Der Durchmesser der Gewindegänge nimmt mit anderen Worten langsam zu. Es ergibt sich dadurch ebenfalls eine möglichst gleichmäßige Lastverteilung auf die Gesamtheit der Gewindegänge.
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Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wird die Spindelmutter 3 in Drehrichtung angetrieben, während die Spindel 2 am Verdrehen mittels einer Verdrehsicherung (nicht gezeigt) gehindert und in Axialrichtung verschiebbar ist.
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2 und 3 zeigen jeweils einen Aktuator 10 für eine Hinterradlenkung von Kraftfahrzeugen mit einem Gehäuse 11, welches den in 1 gezeigten Spindelantrieb 1 aufnimmt. Die Spindelmutter 3 ist drehbar zwischen Wälzlagern gelagert und wird über einen Elektromotor 13 mittels eines Antriebsriemens 12 angetrieben. Der Antriebsriemen 12 wirkt auf ein Antriebsrad 14, mittels welchem die Spindelmutter 3 drehfest verbunden ist. Durch Drehen der axial ortsfest gelagerten Spindelmutter 3 wird die Spindel innerhalb des Aktuators, je nach Drehrichtung, axial in die eine oder andere Richtung verschoben. Hierzu wird an der Spindel eine Verdrehsicherung benötigt, die zeichnerisch nicht dargestellt ist. Durch das axiale Verschieben der Spindel 2 wird ein Anschlussbauteil 15 ebenfalls axial verschoben und es kann damit beispielsweise ein Radträger bewegt werden und es wird somit eine Lenkbewegung durch den Aktuator über die Spindel auf den Radträger und das daran drehbar gelagerte Rad übertragen.
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2 zeigt einen Aktuator 10 mit einer Spindelmutter 3 gemäß der Ausführung nach 1. 3 zeigt einen Aktuator 10 mit einer Spindelmutter 3 gemäß der Ausführung nach 4. Diese Spindelmutter 3 weist Eindrehungen 3e auf, die bedingen, dass sich zu den Stirnseiten 3b, 3c hin der wirksame Außendurchmesser der Spindelmutter 3 verjüngt.
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In 4 ist die Spindelmutter 3 in einer weiteren Variante gezeigt. Im Vergleich zur Variante gemäß 3 weist die Spindelmutter 3 keine bis an die Stirnseite der Spindelmutter reichende zylindrische Form auf. Mittig zwischen den äußeren annähernd konischen Bereichen 3k ist der tragende zylindrische Außenbereich 3t der Spindelmutter 3 angeordnet, mit dem sich die Spindelmutter 3 an Lagern innerhalb des Gehäuses 11 des Aktuators 10 abstützt (nicht gezeigt, jedoch ähnlich 2 und 3). Die annähernd konische Außenform bzw. Außenfläche 3k kann die Form eines Kegelstumpfes aufweisen. Vorliegend sind in der Schnittdarstellung der Spindelmutter 3 in 3 und 4 die Bereiche 3k in Form von Ellipsenabschnitten ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelantrieb
- 2
- Spindel
- 2a
- Spindelgewinde
- 3
- Spindelmutter
- 3a
- Muttergewinde
- 3b
- Stirnseite
- 3c
- Stirnseite
- 3e
- Eindrehung
- 3k
- (annähernd) konische Fläche bzw. Innenfläche
- 3t
- Außenfläche
- 4
- Lager (Spindelmutter)
- 5
- Lager (Spindel)
- 6
- Hüllkurve
- 10
- Stellmotor, Aktuator
- 11
- Gehäuse
- 12
- Antriebsriemen
- 13
- E-Motor
- 14
- Antriebsrad
- 15
- Anschlussbauteil
- di
- Kerndurchmesser (Spindelgewinde)
- da
- Gewindedurchmesser (Spindelgewinde)
- Di
- Innendurchmesser (Muttergewinde)
- Di1
- Innendurchmesser (Muttergewinde)
- Di2
- Innendurchmesser (Muttergewinde)
- Da
- Kerndurchmesser (Muttergewinde)
- x1–x4
- Gewindegänge
- x5–x8
- Vertiefungen
- y1–y4
- Gewindegänge
- y5–y8
- Vertiefungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. Niemann, H. Winter, B.-R. Höhn, Maschinenelemente, Band 1, 4. Aufl., 2005, Seite 391 und 451 ff. [0002]
- G. Jacobs, Vorlesungsumdruck der RWTH Aachen, 2009 Aachen, Seite 239 ff. [0007]
- G. Jacobs [0011]
