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Die Erfindung betrifft eine Abtriebsschnittstelle mit Formschlussprofil in Komponentenbauweise umfassend eine außenverzahnte Steckprofilwelle und eine dazu korrespondierend innenverzahnte Wellenaufnahme als Gegenstück zur drehfesten Steckkupplung eines Getriebemotorantriebs mit einem angetriebenen Stellglied.
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Prinzipiell sind gattungsgemäße Abtriebsschnittstellen in Steckausführung universell bei einem Kraftfahrzeug einsetzbar. Eine bevorzugte und vergleichsweise neuartig wie auch anspruchsvoll arrangierte Applikation erfolgt anhand von einer elektrischen Kraftfahrzeugradbremse.
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Eine elektromechanisch betätigbare Radbremse vom sogenannten Schwimmsatteltyp umfasst prinzipiell ein Bremsgehäuse mit angeflanschtem Getriebemotorantrieb und einen Halter zur fahrzeugfesten Anordnung von Bremsgehäuse und Reibbelägen am Fahrzeug. Eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbremse kann prinzipiell ausschließlich elektromechanisch betätigbar sein, oder die elektromechanische Betätigung erstreckt sich ausschließlich auf eine Feststellbremsfunktion. Jedes Getriebemotorantriebsmodul umfasst zu diesem Zweck einen Elektromotor der ein mehrstufiges Getriebe, insbesondere ein zweistufiges Schneckengetriebe, antreibt, und wobei dieses Antriebsmodul/Aktuator mit Hilfe von einer Abtriebsschnittstelle, die beispielsweise als Wellenschnittstelle vom Formschlusstyp vorliegt, mit einem Betätigungsorgan, wie insbesondere mit einer Spindelwelle vom Bremssattel, gekoppelt ist. Das Schneckengetriebe ist als Untersetzungsgetriebe ins Langsame ausgelegt. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass ein vergleichsweise kleiner, kostengünstiger Antriebsmotor mit vergleichsweise hoher Nenndrehzahl und verhältnismäßig niedrigem Drehmoment bei geringem Strombedarf ausgewählt werden kann, und wobei das Schneckengetriebe eine Drehmomentwandlung ermöglicht. Dadurch werden sowohl Kosten als auch Strombedarf und Dimension (Baugröße) des Elektromotors abgesenkt. Das Schneckengetriebe ermöglicht auch eine selbsthemmende Ausbildung, so dass prinzipiell eine stromlose (Park)Bremsfunktion realisierbar ist. Die Getrieberäder und insbesondere das Abtriebsrad auf einer Ausgangsseite des Untersetzungsgetriebes stellt ein wesentliches Getriebebauteil der Schnittstelle dar, welches vergleichsweise hohe Stellmomente (zum Zuspannen der Bremse) in Richtung Abtrieb - also auf ein Stellorgan wie insbesondere eine Spindelwelle - überträgt. Denn die Zuspannkräfte einer Parkbremsfunktion in Höhe von etwa 17 Kilonewton bewirken eine entsprechend hohe Beanspruchung dieser Aktuatorik durch Biegemomente, Axialkräfte und ähnliches mehr.
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Insbesondere die Abtriebsschnittstelle zwischen einem Getriebemotorantriebsmodul und einem Bremsgehäuse leidet im Bereich der drehfesten Kupplung unter Zielkonflikten. Denn einerseits erfordert es eine günstige, einfache Herstellung und Montage der Baugruppen und Komponenten, wie auch eine elastische Deformation im Betrieb, dass sich das Antriebsmodul und das Bremssattelmodul zueinander bei formschlüssiger Kopplung gegenseitig vergleichsweise großzügig ausgeführte Spiele und Toleranzen einräumen. Denn dies erleichtert deren gegenseitige Justierung beim Zusammenfügen und nebenbei wird auch Temperaturdehnung dauerfest ertragen. Elastische Deformation wird also automatisch kompensiert. Andererseits führt jedwedes Spiel im Antriebsstrang einer Radbremse zu reduzierter Systemdynamik. Spiel im Getriebestrang kann zudem Zuspannkraftverlust einer Feststellbremsfunktion erlauben. Spiel im Getriebestrang befördert in jedem Fall hörbares Lastwechselklacken (Komfortbeanstandung) .
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Die
WO 2001/021974 A1 empfiehlt in Verbindung mit einem Getriebemotorantrieb für eine elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse eine Abtriebsschnittstelle mit einer außenverzahnten Gewindespindel, welche steckbar, formschlüssig, torsionssteif sowie radial nachgiebig am Planetenkäfig vom Antriebsmodul des Getriebemotorantriebs aufgenommen ist. Dies beinhaltet beispielsweise eine gegenseitige Sechskant- oder Torx-Profilierung.
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Zur Vermeidung von Lastwechselklacken bei automobilen Kardanantriebssträngen erhellt aus der
DE 10 2013 224 191 A1 eine spielbehaftete gefertigte Kerbverzahnung in Verbindung mit einer Welle mit Innenvorspannung. Die Welle ist konisch hohlgebohrt und nimmt einen konifizierten Spreizdorn auf. Der Spreizdorn ermöglicht eine radial gerichtete Aufweitung der Welle in Relation zur innenverzahnten Wellenaufnahme. Also sind die formschlüssig gepaarten Bauteile der Antriebs- und Abtriebsseite in der Fertigung mit sehr viel Spiel toleriert, und die Eliminierung vom Spiel erfolgt nach der Paarung mittels Wellendeformation mit Spreizdorn.
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Die
DE 10 2013 225 861 A1 empfiehlt zwecks gegenseitig spielfrei formschlüssig gepaarter Abtriebsschnittstelle ein übermaßig toleriertes Bauteil aus weichem Werkstoff einschließlich Kerbverzahnung. Ein kerbverzahntes Gegenstück ist aus härterem Werkstoff ausgebildet. Bei gegenseitiger Paarung also Einsteckmontage erfolgt die Zerspanung oder Einebnung der übermaßigen Komponente. Dadurch erhält die härter ausgeführte Schnittstellenkomponente (Steckprofilwelle oder Wellenaufnahme) eine zerspanende Werkzeugfunktion. Es soll eine besonders präzise Paarung einfach darstellbar sein.
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Die
DE 101 50 705 A1 sieht für eingeschränkte Einbauräume als Abtriebsschnittstelle eine gegenseitiger Keilwellenprofilierung zwischen Welle und Wellenaufnahme mit einer radial äußeren Spannmutter auf der Wellenaufnahme zur radial spielfrei gerichteten Einspannung der Welle in der längs geschlitzten Wellenaufnahme vor.
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Wegen unterschiedlichster Nachteile (zu großes Spiel, hochpräzise teure Teilefertigung bei kleinen Toleranzen, Zusatzbauteile oder Fehlmontagetendenz bzw. Bauraumnachteil) empfehlen sich die bekannten Vorschläge nur eingeschränkt zur Ausbildung einer einfach steckbaren sowie spielreduzierten Abtriebsschnittstelle mit Formschlussprofil in Komponentenbauweise für elektrische Getriebemotorantriebe. Zudem sind unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (Werkstoffunterschiede) der Schnittstellenkomponenten bei den spielfrei eingespannten Kupplungen nur sehr aufwändig und schwer beherrschbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine neuartige Abtriebsschnittstelle für einen Getriebemotorantrieb vorzulegen, dessen Schnittstellenkonfiguration es auch ohne zusätzliche Komponenten quasiautomatisch ermöglicht, die geschilderten Zielkonflikte und Nachteile nach dem Stand der Technik möglichst bauraumsparend und fertigungsgerecht zu überwinden.
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Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäß gestalteten Anordnung erfindungsgemäß in Kombination mit den kennzeichnenden Merkmalen vom Patentanspruch 1 gelöst. Demzufolge ist vorgesehen, dass das Formschlussprofil über einen Einführabschnitt E und über einen Zentrierabschnitt Z verfügt, dass Einführabschnitt E und Zentrierabschnitt Z an wenigstens einer der Schnittstellenkomponenten vorgesehen ist, und dass die Schnittstellenkomponente den Einführabschnitt E am distal freien Ende neben dem Zentrierabschnitt Z aufweist. Der Kern der Erfindung liegt demzufolge in einer separierten sowie axial voneinander distanzierten Platzierung von Einführabschnitt E und Zentrierabschnitt Z. Im Ergebnis wird erfindungsgemäß implizit anhand axial steckbarer Kupplung der intelligent formschlüssig gepaarten Schnittstellenkomponenten eine integrale Einführung sowie Zentrierung bei rationeller Konzentration auf den nötigsten Bauaufwand erzielt.
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In weiterer Präzisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einführabschnitt E eine Spielpassung zwischen den Schnittstellenkomponenten - insbesondere Keil- oder Polygonprofilwelle und Wellenaufnahme - definiert, und wobei der Zentrierabschnitt Z eine Lichtraumprofilverengung durch Übergangs-, Press- oder Federpassung zwischen den Schnittstellenkomponenten definiert. Die Erfindung wird also auf Grundlage von bestehenden Konstruktionsgrundlagen sehr rationell erhalten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zentrierabschnitt Z mehrere Nockenschnitte 4 integriert, und dass die Nockenabschnitte 4 zur Lichtraumprofilverengung im Wesentlichen radial, vorzugsweise schräg gerichtet, zwischen Steckprofilwelle 2 und Wellenaufnahme 3 angeordnet sind. Demzufolge erfolgt der Drehmoment- bzw. Kraftfluss in der gegenseitigen Drehmitnahme der gepaarten Schnittstellenkomponenten in besonders ausgeglichener Weise über die zueinander versetzten Nockenabschnitte 4.
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Vorteilhafterweise sind die Nockenabschnitte 4 integriert, also einstückig an einer Schnittstellenkomponente, wie insbesondere an der Steckprofilwelle 2 und/oder einstückig an der Wellenaufnahme 3 vorgesehen. Dadurch ist die Lagerhaltung und Logistik erleichtert. Ganz grundsätzlich ist es bei entsprechendem Bedarf auch denkbar, dass die Nockenabschnitte 4 gesondert als zusätzliche Komponente, wie beispielsweise mit Hilfe von einem Träger also im Satz oder segmentiert austauschbar zwischen den Schnittstellenkomponenten eingefügt sind.
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Die Erfindung kann es zur weiteren Verbesserung ihrer Funktionseigenschaften weiterhin vorsehen, dass die Nockenabschnitte 4 jeweils federnd elastisch und/oder plastisch deformierbar an einer Schnittstellenkomponente arrangiert sind. Die elastische deformierbare Gestaltung integriert dabei eine selbsttätig-reversible Zentrierung zwischen den Schnittstellenkomponenten, wohingegen die plastische Deformation eine vergleichmäßigte Tragzahl über mehrere Nockenabschnitte ermöglicht.
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Die Nockenabschnitte 4 können jeweils auf Profilflanken 5 einer Schnittstellenkomponente platziert sein. Es ist sinnvoll, wenn die Nockenabschnitte 4 außerhalb vom Kopfkreis Kk beziehungsweise vom Fußkreis Fk einer Komponente platziert sind. Die Platzierung der Nockenabschnitte 4 in einem Bereich zwischen Fußkreis Fk und Kopfkreis Kk dient demzufolge dem Schutz der einzelnen Nockenabschnitte 4 gegen Beschädigung. Demzufolge lassen sich logistische Aufgaben (Transport) mit den Schnittstellenkomponenten beschädigungsfrei abwickeln, ohne besondere Umverpackungen für die Nockenabschnitte 4 vorsehen zu müssen.
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Es ist möglich, dass die Nockenabschnitte 4 mit regelmäßiger, oder mit unregelmäßiger Teilung, also im Winkel α zueinander versetzt an einer Schnittstellenkomponente vorgesehen sind. Dadurch wird beispielsweise eine gegenseitige Kollision von zueinander diametral gegenüberliegend platzierten Nockenabschnitten 4 zuverlässig vermieden. Die unregelmäßige Teilung kann sich aus maschinenakustischen Gründen empfehlen, um Resonanz auszuschließen, also Resistenz gegen Schwingungsanregung vorzusehen. Nockenabschnitte 4 können gleichermaßen einseitig oder wechselweise an Wellenaufnahme 3 und/oder Steckprofilwelle 2 vorgesehen sein.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung in Verbindung mit einem 6-Zahn-Profil in Evolventenrundverzahnung gemäß Zeichnung sieht vor, dass an jedem Profilvorsprung 6 von der Wellenaufnahme 3 jeweils zwei Nockenabschnitte 4,4' symmetrisch zu einer Zahnachse Za vorgesehen sind. Es ist allerdings genauso möglich, dass die Nockenabschnitte 4,4' in gewissermaßen gespiegeltem Arrangement im Profiltal 7 von der Steckprofilwelle 2 vorgesehen sind. Mischformen zwischen den beiden Gestaltungen wie insbesondere eine wechselweise Allokierung an der Wellenaufnahme 3 und an der Steckprofilwelle 2 sind ebenfalls sinnvoll und möglich, ohne die Erfindung zu verlassen.
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Die Einzelheiten und Merkmale eines Ausführungsbeispiels einer verbesserten Abtriebsschnittstelle 1 für einen entsprechend verbesserten Getriebemotorantrieb werden nachstehend im Einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
- 1 explosionsartig - perspektivisch eine Abtriebsschnittstelle 1, teilweise geschnitten sowie etwa zehnfach vergrößert, und
- 2 entsprechend vergrößerter Querschnitt durch eine montierte Abtriebsschnittstelle 1 in dem Zentrierabschnitt Z.
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Die Erfindung wird beispielhaft in Verbindung mit einem Getriebemotorantrieb am Anwendungsbeispiel einer kombiniert hydraulisch und elektrisch betätigbaren Kraftfahrzeugbremse beschrieben.
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Diese weist eine hydraulisch betätigbare Betriebsbremsfunktion und eine elektromechanisch betätigbare Feststellbremsfunktion auf. Die Kraftfahrzeugbremse ist exemplarisch als Schwimmsattel-Scheibenbremse ausgeführt. Eine Bremszange umgreift einen Reibring einer Bremsscheibe und verfügt über wenigstens einen entlang der Achse verschiebbar in einer Kolbenbohrung angeordneten Kolben der einen Betriebsdruckraum begrenzt und zur direkten Beaufschlagung eines ersten Reibbelags dient. Weiterhin ist die Bremszange (sogenannter Faustsattel) axial in Relation zu einem fahrzeugfest angeordneten Halter verschiebbar ausgebildet, so dass faustfingerseitig auf hydraulische Betätigungsmittel verzichtet werden kann, indem Reaktionskräfte ausgenutzt werden, um einen indirekt betätigten Reibbelag zur Anlage an den Reibring zu bringen. Der elektromechanischen Betätigung für eine Feststellbremsfunktion dient ein drehrichtungsumkehrbarer Elektromotor und ein zweistufig ausgebildetes Getriebe, wobei gegebenenfalls zusätzlich (Dreh-) Sensorik und eine integrierte, elektronische Steuereinheit vorgesehen sein kann. Das Getriebe verfügt über ein zumindest teilweise hohl ausgebildetes Gehäuse aus Kunststoffwerkstoff zur zumindest teilweisen Aufnahme vom Elektromotor sowie zur Aufnahme und Lagerung von weiteren Getriebeelementen sowie über ein Verschlußelement (Deckel) . Das Gehäuse ist an der Bremszange angeflanscht befestigt. Das Getriebe ist durch zwei, im Wesentlichen bauähnliche, Getriebestufen ausgeführt, die insbesondere schräg- oder schraubenförmig verzahnte Schnecke-Schneckenrad-Anordnungen aufweisen. Die erste Getriebestufe verfügt über eine Schnecke auf einer Motorwelle, die mit einem Schneckenrad kämmt, auf dessen Welle die Schnecke der zweiten Getriebestufe angeordnet ist, welche mit dem Abtriebsrad kämmt. Das Abtriebsrad (Getrieberad) ist bevorzugt aus Stahlwerkstoff und verfügt radial außen über eine Radscheibe und radial innen über eine Nabe. Weiterhin ist ein Schaft einer Gewindespindel mit dem Abtriebsrad verbunden. Die Gewindespindel ist ihrerseits drehbar sowie axial relativ zur Bremszange unverschiebbar mit einem Axiallager in der Bremszange angeordnet. Die Gewindespindel ist Bestandteil eines Wälzkörpergetriebes, das Wälzkörper, zwischengeschaltete Federelemente und eine drehfest sowie axial relativ zur Bremszangen verschiebbare Gewindemutter umfasst, und zur Umwandlung in eine Translationsbewegung dient.
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Für eine stromlos verriegelte Feststellbremsfunktion ist bevorzugt die zweite Getriebestufe selbsthemmend ausgeführt. Zum Lösen der Feststellbremsfunktion wird der Elektromotor 7 einfach reversiert betrieben.
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Erfindungsgemäß sind jeweils in axialem Abstand zueinander an den zu paarenden Schnittstellenkomponenten besonders separiert sowie mit unterschiedlicher Funktion versehene Abschnitte vorgesehen. In der gegenseitigen Kooperation beim zusammenstecken der beiden Schnittstellenkomponenten kooperieren jeweils zuerst Einführabschnitte E und danach Zentrierabschnitte Z. Dieser Vorteil im Montageprozess wird konstruktiv durch eine axial zueinander versetzte Konstruktion der beiden Abschnitte erzielt. Demzufolge gelangen zunächst die distalen Einführabschnitte E der gepaarten Schnittstellenkomponenten in den gegenseitigen Eingriff, so dass zuerst ein quasiautomatisiertes gegenseitiges Finden und Einschäbeln der beiden Schnittstellenhälften vom Formschlussprofil über das distal freie Ende der Steckprofilwelle 2 ermöglicht ist. Jeweils mit Abstand zum Steckprofilwellenende 8 versetzt befindet sich ein Zentrierabschnitt Z, welcher dadurch eine örtlich und montagetechnisch zeitlich nachgelagerte gegenseitig-automatisierte Zentrierung der Schnittstellenkomponenten zueinander gewährleistet. Für eine integrale Lösung sind einstückig am Mitnehmerprofil angeformte Nockenabschnitte 4,4' vorgesehen, welche parallel zur Achse A vom Formschlussprofil als Rippen arrangiert sind. Durch den axialen Versatz dieser Rippen - in Relation zum Zentierabschnitt Z - ist das gegenseitige Finden und Einschnäbel der Schnittstellenkomponenten besonders erleichtert. Die Nockenabschnitte (Rippen) 4 können beispielhaft an der Steckprofilwelle 2 oder an der Wellenaufnahme 3 beziehungsweise wechselweise vorgesehen sein. Die Nockenabschnitte 4, also Rippen, können parallel zur Achse A mit einer durchgehend einheitlichen Höhe h versehen sein, oder die Höhe ist variiert gestaltet. Zur Höhenvariation der Nockenabschnitte bietet es sich insbesondere an, wenn diese geneigt zur Achse A vom Formschlussprofil, also gewissermaßen in Richtung auf den Einführabschnitt E spritz zulaufend, konifiziert, vorgesehen sind. Dadurch erfolgt der gegenseitige Zentrierungsprozess beim axialen einstecken der Komponenten keineswegs ruck- bzw. schlagartig sondern quasikontinuierlich fortschreitend mit dem Vorteil einer besonders hohen Reproduzierbarkeit sowie Prozesssicherheit. Die Erfindung eignet sich auch ganz besonders für Wellenaufnahmen 3 die über eine Abtriebsradnabe aus Kunststoff (Kunststoffrad) verfügen, weil dann die Nockenabschnitte 4, also Rippen, gewissermaßen nebenbei kostenneutral in einem Arbeitsgang mit angeformt werden können. Die Nockenabschnitte 4 können in Anzahl, Platzierung sowie Gestaltung so optimiert werden, dass eine elastisch Relativverformung der Schnittstellenkomponenten zueinander möglich ist. Dies kann eine gegenseitig federelastische Verspannung der Schnittstellenkomponenten über die Nockenabschnitte 4 einschließen. Im Ergebnis wird eine elastisch selbstausgleichende Zentriermaßnahme mit elastischer Deformation unter Last ermöglicht. Dadurch ist eine gegenseitige Verzwängung der Schnittstellenkomponenten, beziehungsweise deren statisch überbestimmte Kooperation vorteilhafterweise ausgeschlossen. Beispielhaft ist gleichzeitig eine Drehspielreduktion bis auf etwas +- 1° ermöglicht.
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Es ist möglich, dass der Zentrierabschnitt eine gesonderte Komponente erfordert, welche die dezidierten Nockenabschnitte 4 als Vorsprünge trägt. Diese zusätzliche Komponente mit den Nockenabschnitten kann als Träger aus Kunststoff, wie insbesondere aus elastomerem Werkstoff, ausgeführt sein. Das Grundprinzip folgt jedoch der integralen Anordnung und wobei der Zentrierabschnitt Z erst nach dem Einführabschnitt E entweder sprungartig oder durch abgeschrägt-konifizierte Formgebung der Nockenabschnitte 4 allmählich in Eingriff gelangt, um das Lichtraumprofil zu verengen, beziehungsweise das gegenseitige Verdrehspiel der Schnittstellenkomponenten zu reduzieren.
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Zusammenfassend ermöglichen die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung folgende Vorteile:
- • Einfache Montagefähigkeit und präzise Zentrierung sind ohne Zielkonflik nebeneinander möglich
- • Vermeidung von spielbedingtem Zuspannkraftverlust
- • Reduktion von Leerweg - also erhöhte Systemdynamik beim Zuspannen und beim Lösen - einer elektrischen Parkbremse
- • Eliminierung von Noise-Vibration-Harshness-Problemen - keine „Klackgeräusche“ nach Lastrichtungswechseln
- • Kostengünstige Herstellbarkeit (insbesondere bei integrierter Gestaltung in Verbindung mit einer Steckprofilwellenaufnahme in einem Kunststoffabtriebsrad)
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Die Erfindung wurde zwar vorrangig zur Drehspielreduktion bei einer Radbremse mit elektromotorischer Betätigung zur Umsetzung automatisierter Parkbremseingriffe geschildert. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf derartige Applikationen in einem Kraftfahrzeug beschränkt. Vielmehr ist auch eine Anwendung bei anderen Getriebemotorantrieben die präzise Verstellung erfordern prinzipiell ermöglicht, wie beispielsweise Getriebemotorantriebe für Verschlußelemente nämlich Türen, Dächer, Verdecke, Fenster oder Lenkungen. Denn sämtliche elektromechanisch betriebene Systeme und Aktuatoren ermöglichen grundsätzlich interessante Fahrzeug-Zusatzfunktionalitäten, welche elektronisch gesteuert oder geregelt sowie fremdbetätigt, also fahrerunabhängig, umgesetzt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abtriebsschnittstelle
- 2
- Steckprofilwelle
- 3
- Wellenaufnahme
- 4
- Nockenabschnitt
- 5
- Profilflanke
- 6
- Profilvorsprung
- 7
- Profiltal
- 8
- Steckprofilwellenende
- A
- Achse
- E
- Einführabschnitt
- Z
- Zentrierabschnitt
- h
- Höhe
- s
- Spiel
- Kk
- Kopfkreis
- Fk
- Fußkreis
- Za
- Zahnachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2001/021974 A1 [0005]
- DE 102013224191 A1 [0006]
- DE 102013225861 A1 [0007]
- DE 10150705 A1 [0008]
