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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Schneckengetriebe und Aktor, insbesondere Elektromotor.
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Es ist allgemein bekannt, dass ein Schneckengetriebe eine Schnecke und ein Schneckenrad aufweist, deren Verzahnungen miteinander im Eingriff sind.
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Aus der
DE 101 49 479 A1 ist ein Stellmotor für KFZ-Funktionsteile bekannt mit einem eine zuschaltbare Selbsthemmung aufweisenden Getriebe.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schneckengetriebe weiterzubilden, dessen Schnecke von einem Elektromotor insbesondere mit Drehmoment beaufschlagbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung mit Schneckengetriebe nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung, dass sie mit Schneckengetriebe und Elektromotor vorgesehen ist,
wobei das Schneckengetriebe ein Schneckenrad und eine Schnecke aufweist, wobei die Verzahnung der Schnecke mit der Verzahnung des Schneckenrades im Eingriff ist,
wobei die Rotorwelle des Elektromotors insbesondere über eine Kupplung drehfest mit der Schnecke verbunden ist,
wobei das Schneckengetriebe weist dabei rückwärtige Selbsthemmung auf, insbesondere sind die Verzahnungen derart ausgelegt, dass eine rückwärtige Selbsthemmung vorgesehen ist,
wobei das vom Elektromotor maximal erzeugbare Drehmoment kleiner ist als das zum Überwinden der Selbsthemmung notwendige Drehmoment.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Schneckengetriebe als Bremse oder Arretierung benutzbar ist. Zur Überwindung der Selbsthemmung genügt das vom Motor erzeugte Drehmoment nicht sondern es muss zusätzlich vom Schneckenrad her Drehmoment eingebracht werden. Eintriebsseitig und abtriebsseitig eingebrachtes Drehmoment ergänzen sich also. Der Elektromotor muss also nur die Reibmomente des Schneckengetriebes samt seiner Lager überwinden, er muss aber nicht treibend wirken. Bei der Drehbewegung bewirkt der Elektromotor also immer das Vorauseilen, also Anliegen der unbelasteten Zahnflanke der Verzahnung der Schnecke an der entsprechenden Zahnflanke der Verzahnung des Schneckenrades. Somit wird die Drehbewegung des Schneckenrades über das über das Schneckenrad eingebrachte Drehmoment, also über das über die Abtriebswelle eingebrachte Drehmoment bewirkt.
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Somit wird die Drehbewegung des Schneckenrades über das über das Schneckenrad eingebrachte Drehmoment, also über das über die Abtriebswelle eingebrachte Drehmoment bewirkt.
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Vorzugsweise wird eintriebsseitig vom Motor nur so viel Drehmoment eingebracht, dass das Spiel stets überwunden bleibt, damit das Schneckenrad im Wesentlichen unbeeinflusst vom Motor drehbar ist.
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Am Ende der Drehbewegung wird der Motor wieder unbestromt gehalten und somit fungiert das dann selbsthemmend wirkende Schneckengetriebe als Arretierung oder Bremse.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schnecke zu einem Gehäuseteil des Schneckengetriebes gleitgelagert. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache kostengünstige Lagerung bewirkt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schneckenrad mit einem Schneckenradträger kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden,
wobei der Schneckenradträger lösbar verbunden ist mit einem Lagerinnenring eines Gleitlagers, dessen Lageraußenring mit einem Gestell der Vorrichtung verbindbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige Herstellung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schneckenrad aus demselben Material wie der Schneckenradträger gefertigt, insbesondere wobei das Schneckenrad aus Stahl und der Schneckenradträger aus Stahl gefertigt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Festigkeit erreichbar ist. Da das Schneckengetriebe nur kurzzeitig und nicht im Dauerlauf betrieben ist, tritt somit keine wesentliche Reibung auf und daher ist die Verwendung gleich harten Materials, wie Stahl, möglich.
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Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung das Schneckenrad aus einem weicheren Material als der Schneckenradträger gefertigt ist, insbesondere wobei das Schneckenrad aus Messing und der Schneckenradträger aus Stahl gefertigt ist. Von Vorteil ist dabei die Verwendung eines Materials wie bei Schneckengetriebe üblich.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kupplung ein erste Kupplungsteil auf, das drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist, und ein zweites Kupplungsteil, das drehfest mit der Schnecke verbunden ist,
wobei axial zwischen erstem und zweitem Kupplungsteil ein Zwischenteil angeordnet ist,
wobei das Zwischenteil aus einem weicheren Material, insbesondere Kunststoff, als das erste und das zweite Kupplungsteil gefertigt ist. Von Vorteil ist dabei, dass Achsabweichungen ausgleichbar sind. Durch das vorzugsweise weiche Zwischenteil ist ein besonders hoher Schutz der Verzahnungen erreichbar, da das Aufschlagen der Flanken abdämpfbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am Schneckenradgetriebe ein Sensor zur Erfassung der Winkellage des Schneckenrades angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drehmomentenregelung und/oder Drehzahlregelung des Motors besonders einfach und präzise ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung ein Fahrzeug,
wobei am Gestell des Fahrzeugs Rollen, insbesondere Lenkrollen, drehbar angeordnet sind, insbesondere zum Verfahren des Fahrzeugs auf einer Verfahrfläche. Von Vorteil ist dabei, dass auf dem Gestell ein Transportgut aufnehmbar ist, dessen Gewichtskraft über die Lenkrollen in den Boden, also die Verfahrfläche, also Fahrfläche, ableitbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Fahrzeug eine Lenkeinheit auf, welche Fahrtrichtung des Fahrzeugs steuert und das Fahrzeug antreibt. Von Vorteil ist dabei, dass die Gewichtskraft des Gestells unabhängig in den Boden abgeleitet wird. Somit sind die Räder der Lenkeinheit nur von der Gewichtskraft an die Verfahrfläche angedrückt. Die Lenkeinheit ist also formschlüssig in dem Gestell gehalten, wobei in Normalenrichtung zur Verfahrfläche die Lenkeinheit lose angebunden ist ans Gestell und wobei die Lenkeinheit in Umfangsrichtung zur Drehachse des Schneckenrades relativ zum Gestell drehbar angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Lageraußenring mit dem Gestell des Fahrzeugs drehfest verbunden,
wobei die Lenkeinheit mit dem Gehäuseteil des Schneckengetriebes drehfest verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Lenkeinheit relativ zum Gestell drehbar angeordnet ist. Hierzu ist das Schneckengetriebe vorgesehen. Somit ist also über Betätigen des Schneckengetriebes ein Drehen der Lenkeinheit ausführbar. Wenn also die Lenkeinheit in der Verfahrfläche ihre Fahrtrichtung ändert, wird ein entsprechendes Drehen des Schneckenrades ermöglicht, weil mittels des Motors ein entsprechendes Drehen der Schnecke ausführbar ist. Die Schnecke wird dabei an der kraftfreien Flanke des Schneckenrades angelegt. Somit wird im Wesentlichen kein Drehmoment übertragen. Dabei wird die Schnecke derart synchron zum Schneckenrad gedreht, dass die Schnecke dem Übersetzungsverhältnis entsprechend schneller gedreht wird als das Schneckenrad dreht oder gedreht wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Lenkeinheit mindestens ein erstes und ein zum ersten koaxial angeordnetes, zweites Rad aufweist,
wobei das erste und das zweite Rad jeweils von einem Elektromotor antreibbar ist, insbesondere so dass der Drehzahlunterschied eine Lenkwinkeländerung bewirkt. Von Vorteil ist dabei, dass wie bei einem Panzerantrieb die unterschiedliche Drehzahl zu einer Änderung der Fahrtrichtung führt. Bei gleichmäßiger, also zueinander synchroner, Drehzahl fährt die Lenkeinheit in Fahrtrichtung geradeaus und nimmt das Gestell mit.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung sind, dass die folgenden Verfahrensschritte zeitlich aufeinander folgend ausgeführt werden, nämlich dass in einem ersten Verfahrensschritt der Elektromotor kein Drehmoment erzeugt und somit das Schneckengetriebe selbsthemmend wirkt, insbesondere also als Arretierung oder Bremse wirkt,
in einem zweiten Verfahrensschritt der Elektromotor in Drehmomentenregelung betrieben wird, insbesondere die Schnecke innerhalb des Zahnflankenspiels zur in Kraftflussrichtung unbelasteten Zahnflanke voreilt,
in einem dritten Verfahrensschritt der Aktor in Drehzahlregelung betrieben wird, insbesondere also auf eine Solldrehzahl hin regelt, wobei die Solldrehzahl proportional zur Drehzahl des Schneckenrads ist, wobei die Proportionalitätskonstante das Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes ist,
insbesondere wobei Drehzahl des Schneckenrades von einem Sensor erfasst wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass zunächst die Verzahnungen an die unbelastete Zahnflanke angelegt werden und somit dann das Spiel überwunden ist; danach geht der Elektromotor in Drehzahlregelung synchron zur Drehzahl des Schneckenrades.
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„Synchron“ bedeutet dabei, dass die Schnecke derart synchron zum Schneckenrad gedreht wird, dass die Schnecke dem Übersetzungsverhältnis entsprechend schneller gedreht wird als das Schneckenrad dreht oder gedreht wird.
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Auf diese Weise ist das Schneckengetriebe betreibbar. Das Drehmoment des Elektromotors für sich allein genommen würde nicht ausreichen, um eine Drehbewegung zu bewirken.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine Schrägansicht eines Schneckengetriebes für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt.
- In der 2 ist das Schneckengetriebe explodiert dargestellt.
- In der 3 ist der das Schneckengetriebe umfassend Antrieb in Schrägansicht dargestellt.
- In 4 ist eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug, schematisch skizziert.
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Wie in den 1 bis 3 gezeigt, weist das Schneckengetriebe ein drehbar gelagertes Schneckenrad 1 auf, dessen Verzahnung mit der Verzahnung einer drehbar gelagerten Schnecke 4 im Eingriff ist.
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Dabei ist das aus einem ersten Material ausgeführte Schneckenrad 1 in einem aus einem zweiten Material ausgeführten Schneckenradträger 2 aufgenommen und kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden.
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Da das Getriebe nicht im Dauerbetrieb verwendet wird und somit keine zu beachtende Reibung auftritt, ist als erstes und als zweites Material jeweils Stahl, insbesondere sogar derselbe Stahl, verwendbar. Auf diese Weise wird eine hohe Festigkeit erreicht.
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Der Schneckenradträger 2 ist mit einem Lageraußenring 3 schraubverbunden, also drehfest verbunden, wobei im Lageraußenring 3 ein Lagerinnenring 5 gleitgelagert ist. Somit ist eine relative Drehbewegung, deren Drehachse koaxial zur Drehachse des Schneckenrads 1 ist, ermöglicht.
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Innerhalb des Gehäuseteils 8 ist die Schnecke 4 angeordnet.
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Die Schnecke 4 ist über Gleitlager (6, 7) drehbar zum Gehäuseteil 8 gelagert. Dabei sind zwischen dem jeweiligen Gleitlager (6, 7) und dem Gehäuseteil 8 Passringscheiben 16 angeordnet. Mittels jeweils geeigneter Passringscheiben 16 ist die Schnecke 4 in ihrer Achsrichtung relativ zum Gehäuseteil 8 verschiebbar und somit axial positionierbar.
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Das Gehäuseteil 8 ist mittels Schrauben 18 schraubverbunden mit dem Lageraußenring 3, wobei zwischen Gehäuseteil 8 und Lageraußenring 3 ein Ausgleichsstreifen 11 angeordnet ist zur Einstellung des Achsabstandes zwischen Schnecke 4 und Schneckenrad 1.
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Die Schnecke 4 ist über eine Kupplung mit einem Elektromotor 14 drehfest verbunden. Hierzu ist die Schnecke 4 mit einem ersten Kupplungsteil 22 drehfest verbunden, das in Umfangsrichtung formschlüssig mit einem Zwischenteil 10, insbesondere Mitnehmer, verbunden ist, das auf seiner vom ersten Kupplungsteil 22 abgewandten Seite mit einem zweiten Kupplungsteil 21 in Umfangsrichtung formschlüssig verbunden ist. Das zweite Kupplungsteil 21 ist mit der Rotorwelle des Elektromotors 14 drehfest verbunden.
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Das Zwischenteil 10 ist aus einem weicheren Material, vorzugsweise aus Kunststoff, gefertigt als das erste und zweite Kupplungsteil (21, 22).
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Das Gehäuse, insbesondere also auch der Stator, des Elektromotors 14 ist mittels einer Klemmscheibe 9 drehfest verbunden mit dem Gleitlager 7 der Schnecke 4.
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Die Betätigung der Klemmscheibe 9 erfolgt über Einschrauben von Gewindestiften 15.
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Dabei zieht sich die Klemmscheibe 9 an einem herausragenden Absatz des Elektromotors 14 fest, wird also aufgeschrumpft auf den herausragenden Absatz des Elektromotors. Außerdem ist die Klemmscheibe 9 im Gleitlager 7 aufgenommen und kraftschlüssig verbunden. Somit ist das Gehäuse des Elektromotors 14 über das Gleitlager 7 drehfest verbunden mit dem Gehäuseteil 8.
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Die Verzahnung der Schnecke 4 und des Schneckenrades 1 ist dabei derart dimensioniert, dass Selbsthemmung auftritt. Das vom Motor 14 maximal erzeugbare Drehmoment ist aber kleiner als das kritische Drehmoment, also derjenige Wert an Drehmoment, welcher zum Überwinden der Selbsthemmung notwendig ist. Daher zum Überwinden der Selbsthemmung ein weiteres Drehmoment notwendig, das über das Schneckenrad 1 eingebracht werden kann Eine erste Leiterplatte 12 ist zusammen mit einer zweiten Leiterplatte 13 ist mittels schrauben mit dem Lageraußenring 3 verbunden. Auf der ersten Leiterplatte 12 ist ein Sensor zur Erfassung der relativen Winkellage des Schneckenrades 1 zum Lageraußenring 3 und/oder Gehäuseteil 8, angeordnet.
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Wie in 4 dargestellt, ist der Lagerinnenring 5 mit einer Lenkeinheit 43 verbunden, die das Fahrzeug antreibt. Hierzu weist die Lenkeinheit 43 Räder 42 auf, welche jeweils von einem Antrieb, insbesondere Elektromotor, angetrieben sind. Abhängig vom Drehzahlunterschied der Räder 42 ergibt sich ein entsprechender Lenkwinkel. Die Wirkweise entspricht hierbei einem Panzerantrieb.
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Die Drehachsen der beiden Räder 42 sind koaxial zueinander angeordnet.
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Wenn somit beide Räder 42 denselben Drehzahlbetrag, aber unterschiedliche Drehrichtungen aufweisen, dreht die Lenkeinheit sich auf der Stelle, also ohne Zurücklegen einer Fahrstrecke.
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Der Lageraußenring 3 ist am Gestell 40 des Fahrzeugs befestigt, wobei das Gestell 40 über Rollen 41auf der Verfahrfläche bewegbar angeordnet ist. Die Rollen 41 leiten dabei die Gewichtskraft des Gestells 40 samt einer auf ihm angeordneten, zu transportierenden Last in den Boden ab. Die Gewichtskraft der Lenkeinheit wird über Räder 42 in den Boden eingeleitet. Hierzu ist der Lagerinnenring 5 axial, also in Normalenrichtung der Verfahrfläche, relativ zum Lageraußenring 3 verschiebbar angeordnet.
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Die Rollen 41 sind vorzugsweise als drehbare Lenkrollen ausgeführt, so dass die Lenkrollen sich abhängig von der Fahrtrichtung des Fahrzeugs entsprechend ausrichten.
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Die Fahrtrichtung und die Bewegung des Fahrzeugs wird durch die Lenkeinheit 43 bestimmt.
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Auf diese Weise ist ein konstanter Anpressdruck der Räder 42 erreichbar.
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Somit ist das Fahrzeug von der Lenkeinheit, insbesondere von deren Antrieben, antreibbar.
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Zur Änderung der Fahrtrichtung, also Änderung des Lenkwinkels, wird die Lenkeinheit mittels der unterschiedlichen Drehzahlen der beiden Räder 42 gedreht. Damit hierbei die Selbsthemmung des Schneckengetriebes überwunden wird, wird nicht nur von der Lenkeinheit ein Drehmoment eingeleitet in das Schneckengetriebe sondern auch vom Elektromotor 14.
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Im Einzelnen werden dabei folgende Verfahrensschritte ausgeführt.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird der Elektromotor 14 von seiner elektronischen Ansteuerung in Momentenregelung betrieben. Dies bedeutet, dass das vom Motor 14 erzeugte Drehmoment hingeregelt wird auf einen vorgegebenes Sollwert, also Drehmoment-Sollwert.
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Dabei wird die Schnecke 4 derart angetrieben, dass eine die Selbsthemmung bewirkende Flanke der Verzahnung der Schnecke 4 nicht mehr an einer entsprechenden Flanke der Verzahnung des Schneckenrades 1 anliegt. Die Erkennung de Auftreffens auf die jeweilige andere Flanke ist mittels des Auswertens des Verlaufs des Istwert des Drehmoments ermöglicht.
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In einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt wird der Elektromotor 14 in Drehzahlregelung betrieben. Dies bedeutet, dass die Drehbewegung der Lenkeinheit, also die Änderung des Lenkwinkels und somit der Fahrtrichtung des Fahrzeugs, durch den Elektromotor 14 zusammen mit der Drehbewegung der Lenkeinheit bewirkt wird, wobei der Elektromotor 14 und die Lenkeinheit synchron geregelt werden. Hierzu wird eine Drehgeschwindigkeit für den Elektromotor 14 vorgegeben, welche entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes der Änderungsgeschwindigkeit des Lenkwinkels entspricht. Dabei ist die Änderungsgeschwindigkeit des Lenkwinkels durch Drehzahlunterschiede der Räder 42 der Lenkeinheit bewirkt.
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Nach Erreichens des Sollwertes des Lenkwinkels wird der Motor 14 abgeschaltet und die Lenkeinheit behält ihre Ausrichtung, also Lenkwinkel und/oder Fahrtrichtung, bei.
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Somit ist dann das Schneckengetriebe selbsthemmend und wirkt als Arretierung. Das Gestell 40 wird also relativ zur Lenkeinheit nicht gedreht.
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Die Erfindung ist also auch auf Schneckengetriebe anwendbar, welche eine mit dem Schneckenrad 1 drehfest verbundene rotierende Masse aufweisen.
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Das Schneckengetriebe weist dabei eine rückwärtige Selbsthemmung auf, die eine rotierende Masse, beispielsweise das Gestell 40, bremst, hält und/oder arretiert. Der Kraftfluss erfolgt dabei umgekehrt im Vergleich zur Nutzung des Schneckengetriebes als Antrieb.
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Das zu haltende Drehmoment der rotierenden Masse liegt am Schneckenrad 1 an. Von dort wird das Moment als am Umfangs wirkende Kraft in Axialrichtung der Schneckenwelle 4 weitergegeben und in das Gleitlager ( 6, 7) eingeleitet.
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Der Schneckenradträger 2 samt drehfest verbundenem Lageraußenring 3 sowie Lagerinnenring 5 bilden die Aufnahmewelle und Lagerung der zu sperrenden rotierenden Masse. Die Welle ist als Hohlwelle ausgeführt.
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Zum Lösen der Arretierung wird ein drehrichtungsabhängiges Signal benötigt. Die Verzahnungen des Schneckenrades 1 und der Schneckenradwelle sind so ausgeführt und angeordnet, dass immer ein minimales Zahnflankenspiel zu Grunde liegt. Die Aktion des Lösens der Arretierung wird von einem rotorisch wirkendem Aktor, insbesondere Elektromotor 14, ausgeführt. Die Drehzahl des Aktors muss größer der Drehzahl der rotierenden Masse unter Einbeziehung der Schneckenraduntersetzung sein.
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Liegt das Signal am Aktor an, so eilt die Schneckenradwelle im Zahnflankenspiel der Verzahnung zur in Kraftflussrichtung unbelasteten Zahnflanke vor. Bei Erreichen der Zahnflanke beginnt die Momentenregelung für den Aktor. Die rotierende Masse ist dann zum Drehen freigegeben. Durch die Aktordrehzahl, die größer der aus der Untersetzung resultierenden Achsdrehzahl ist, eilt die Schneckenradwelle 4 immer an der unbelasteten Zahnflanke voraus. Der Aktor muss somit nur genügend Drehmoment aufbringen, um die Reibungsmomente in den Gleitlagern 6 und 7 zu überwinden.
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Der Aktor muss nicht aktiv treibend wirken, er dient ausschließlich zum Wegnehmen der Selbsthemmung des Getriebes.
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Die Gleitlager 6 und 7 sind jeweils im Gehäuseteil 8 aufgenommen.
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Mittels des auf der ersten und zweiten Leiterplatte (12, 13) angeordneten Winkelsensors wird die Winkelerfassung der rotirerenden Masse durchgeführt.
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Alternativ ist das zweite Material härter als das erste Material, vorzugsweise Messing. Vorzugsweise wird als zweites Material Stahl verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schneckenrad, insbesondere aus Stahl
- 2
- Schneckenradträger
- 3
- Lageraußenring
- 4
- Schnecke
- 5
- Lagerinnenring
- 6
- Gleitlager
- 7
- Gleitlager
- 8
- Gehäuseteil
- 9
- Klemmscheibe
- 10
- Zwischenteil
- 11
- Ausgleichsstreifen
- 12
- erste Leiterplatte
- 13
- zweite Leiterplatte
- 14
- Elektromotor
- 15
- Gewindestift
- 16
- Passringscheibe
- 17
- Schraube
- 18
- Schraube
- 19
- Abstandsbolzen
- 20
- Schraube
- 21
- zweites Kupplungsteil
- 22
- erstes Kupplungsteil
- 40
- Gestell
- 41
- Rolle
- 42
- Rad
- 43
- Lenkeinheit mit Antrieben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10149479 A1 [0003]
- DE 102005034636 B3 [0004]
