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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gewindetrieb, sowie einen Linearaktuator mit diesem Gewindetrieb, insbesondere für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges.
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Aus
DE 10201410019 A1 ist eine Hinterachslenkung bekannt geworden, die einen Linearaktuator aufweist, dessen Radführungselement die beiden Räder einer Achse anlenkt. Der Linearaktuator weist einen durch einen Kugelgewindetrieb gebildeten Gewindetrieb auf. Dieser Linearaktuator weist ein Gehäuse auf, in dem der Gewindetrieb untergebracht ist, wobei die drehbeweglich in dem Gehäuse gelagerte Mutter von einem Elektromotor drehangetrieben ist. Die Mutter ist mittels eines Rillenkugellagers in dem Gehäuse gelagert. Die Mutter ist auf einer Gewindespindel angeordnet, die unter Betätigung der Mutter relativ zu der Mutter axial verschoben wird. Die Gewindespindel ist Teil des Radführungselementes, und ist an ihren beiden axialen Enden mit Spurlenkern verbunden, die die beiden Räder anlenken.
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Da der Kugelgewindetrieb nicht selbsthemmend ausgeführt ist, ist eine Blockiereinrichtung vorgesehen, die eine axiale Verschiebung der Gewindespindel verhindert, wenn der Elektromotor stromlos ist. Diese Blockiereinrichtung umfasst eine Scheibe mit Ausnehmungen, einen Elektromagneten, sowie Bolzen, die von dem Elektromagneten betätigt werden, und die in dieser Ausnehmungen eingreifen können.
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Aus
DE 19523395 A1 ist ein Gewindetrieb nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Der Gewindetrieb weist auf: ein Gehäuse, und eine drehantreibbare Mutter, die auf einer gegenüber der Mutter axial verlagerbaren Gewindespindel angeordnet ist, und ein Axialwälzlager zur axialen Lagerung der Mutter an dem Gehäuse. Das Axialwälzlager weist über den Umfang verteilt angeordnete als Rollen ausgebildete stabförmige Wälzkörper auf, die an Laufbahnen des Axialwälzlagers abwälzen.
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Derartige Gewindetriebe werden üblicherweise mit leicht drehbaren Muttern versehen, um unerwünschte Reibung zu vermeiden. Im Fall einer an der Gewindespindel angreifenden äußeren Axiallast kann eine unerwünschte Drehbewegung der Mutter erzeugt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Gewindetrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, dessen Mutter keine unerwünschten Drehbewegungen unter axialer Belastung der Gewindespindel durchführt.
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Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe durch den Gewindetrieb gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Gewindetrieb weist auf: ein Gehäuse und eine Mutter, die auf einer gegenüber der drehbaren Mutter axial verlagerbaren Gewindespindel angeordnet ist, und ein Axialwälzlager zur axialen Lagerung der Mutter an dem Gehäuse. Das Axialwälzlager weist über den Umfang verteilt angeordnete stabförmige Wälzkörper auf, die an Laufbahnen des Axialwälzlagers abwälzen.
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Der Gewindetrieb kann als Trapezgewindetrieb, Kugelgewindetrieb, Rollengewindetrieb und insbesondere als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet sein. Die Ausführungsart des Gewindetriebs, die Größe der Gewindesteigung und innere Reibung bestimmen dessen Fähigkeit, die Gewindespindel in einer axialen Position zu halten unter einer an der Gewindespindel angreifenden Axiallast, wenn der Gewindetrieb nicht aktiv angetrieben ist. Die Mutter kann drehangetrieben sein. Alternativ kann auch im Fall eines an sich bekannten Planetenwälzgewindetriebes dessen Käfig drehangetrieben sein, in dessen Taschen Planeten angeordnet sind.
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Wenigstens einer der stabförmigen Wälzkörper des Axialwälzlagers ist als Reibwälzkörper ausgebildet, dessen Rotationsachse radial beabstandet angeordnet ist zur Lagerachse des Axialwälzlagers. Die Lagerachse und die Spindelachse der Gewindespindel fallen zusammen. Üblicherweise sind die als Nadeln oder Rollen ausgebildeten stabförmigen Wälzkörper sternförmig um die Lagerachse des Axialwälzlagers angeordnet, wobei die Rotationsachsen dieser Wälzkörper die Lagerachse des Axialwälzlagers schneiden, also nicht mit radialem Abstand zur Wälzlagerachse angeordnet sind.
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Dadurch, dass die Rotationsachse des Reibwälzkörpers radial beabstandet ist zur Lagerachse, wird eine erhöhte Reibung zwischen den Reibwälzkörpern und den Laufbahnen des Axialwälzlagers erzeugt, wenn diese Reibwälzkörper an den Laufbahnen abwälzen und rutschen. Nicht sämtliche Rotationsachsen der Wälzkörper und Reibwälzkörper dieses Axialwälzlagers schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt.
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In anderen Worten ausgedrückt: gegenüber der sternförmigen Ausrichtung der Rollen oder Nadeln auf die Lagerachse des Axialwälzlagers ist der Reibwälzkörper in der Ebene des Axialwälzlagers um einen Winkel alpha schräg gestellt. Eine gerade Linie, die ausgehend von der Lagerachse des Axialwälzlagers die Rotationsachse des Reibwälzkörpers in dessen axialer Mitte schneidet, bildet einen Schenkel des Winkels alpha. Die Rotationsachse des Reibwälzkörpers bildet den anderen Schenkel des Winkels alpha.
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In anderen Worten ausgedrückt: die Rotationssachse des wenigstens einen Reibwälzkörpers liegt in einer Ebene, die quer zur Lagerachse des Axialwälzlagers angeordnet ist und schneidet eine Normale zur Lagerachse, die ebenfalls in dieser Ebene liegt. Die Normale und die Rotationsachse schneiden sich unter einem Winkel alpha.
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Dieser Winkel alpha ist größer als Null Grad und kann bis zu 45 Grad betragen. Je größer dieser Winkel alpha ist, desto höher ist der Gleitreibungsanteil im Reibkontakt zwischen Reibwälzkörper und Laufbahn. Die Reibkraft ist abhängig von der axialen Belastung der Gewindespindel. Ein Winkel von etwa 20 Grad bei einer bestimmten Anzahl von Reibwälzkörpern hat sich als ausreichend erwiesen, um einen Gesamtwirkungsgrad des Gewindetriebs unter 50 Prozent zu halten.
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Wenn der Gewindetrieb nicht drehangetrieben - ein antreibender Elektromotor abgeschaltet - ist, und eine äußere Axiallast an der Gewindespindel angreift, wird diese Axiallast in das Axialwälzlager übertragen. Je größer diese Axiallast ist, desto größer ist auch eine resultierende Reibkraft. Diese zwischen der Mutter und dem Gehäuse wirkende Reibkraft verhindert eine unerwünschte Rotation der Mutter.
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In dem erfindungsgemäßen Axialwälzlager wird ein Reibmoment erzeugt als Produkt der Reibkraft mit ihrem wirksamen Hebelarm um die Rotationsachse der Mutter. Die Reibkraft wirkt zwischen den Laufbahnen und den Reibwälzkörpern. Die eine Laufbahn ist der Mutter zugeordnet, die andere Laufbahn ist dem Gehäuse zugeordnet. Die Reibkraft wirkt zwischen der Mutter und dem Gehäuse.
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Mit dem erfindungsgemäßen Axialwälzlager kann eine Selbsthemmung des Gewindetriebs sichergestellt werden. Das Axialwälzlager kann derart dimensioniert sein, dass der Gesamtwirkungsgrad des Gewindetriebs auf höchstens 50 % begrenzt ist. Gewindetriebe sind unterhalb dieses Wirkungsgrades selbsthemmend (vgl Fachbuch Roloff Matek, „Maschinenelemente, 18. Auflage, Kap. 8.5.5.).
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Jedenfalls stellt das erfindungsgemäße Axialwälzlager ein ausreichendes Reibmoment bereit, das ein Stillstehen der Mutter gegenüber der Gewindespindel gewährleistet, wenn Axiallasten an der Gewindespindel angreifen.
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Vorzugsweise ist der Gewindetrieb mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Reibwälzkörpern versehen, die sämtlich mit ihrer Rotationsachse einen um die Spindelachse oder die Achse des Axialwälzlagers herum gezogenen Kreis tangieren. Auf diese Weise können die Reibkräfte gleichmäßig über den Umfang verteilt wirken.
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In günstiger Weise ist wenigstens ein Paar von Reibwälzkörpern vorgesehen, deren Rotationsachsen parallel zueinander angeordnet sind. Diese Symmetrie kann die Herstellung des Axialwälzlagers vereinfachen und trägt gleichzeitig zu einer symmetrischen Verteilung der Reibkräfte bei.
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Das Axialwälzlager kann zwei Lagerscheiben aufweisen, an deren einander zugewandten Stirnseiten die Laufbahnen ausgebildet sind, wobei die eine Lagerscheibe dem Gehäuse und die andere Lagerscheibe der Mutter zugeordnet ist. Die gehäuseseitige Lagerscheibe kann in Bezug auf das Gehäuse verdrehgesichert sein. Die Mutterseitige Lagerscheibe kann in Bezug auf die Mutter verdrehgesichert sein.
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Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Gewindetrieb durch einen Planetenwälzgewindetrieb mit axial vorgespannten Planeten gebildet, die zwischen der Mutter und der Gewindespindel über den Umfang verteilt angeordnet sind, wobei die Mutter eine Hülse und zwei quer zur Längsachse geteilte Mutterteile aufweist, zwischen denen eine Distanzscheibe angeordnet ist. Die Distanzscheibe hält die beiden Mutterteile auf eine vorbestimmte Distanz, in der eine Spielfreiheit des Planetenwälzgewindetriebes gewährleistet ist. Derartige, an sich bekannte Planetenwälzgewindetriebe zeichnen sich durch eine hohe Stellgenauigkeit aus. Derartige Planetenwälzgewindetriebe können einen Wirkungsgrad größer als 50 % aufweisen, sodass mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Axialwälzlagers der Gesamtwirkungsgrad auf höchstens 50 % begrenzt werden kann. Jedenfalls können ausreichend hohe Reibungsverluste bereitgestellt werden, so dass bei großen axialen Lasten eine unerwünschte Rotation der Mutter gegenüber der Gewindespindel ausgeschlossen ist.
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Im Fall des Planetenwälzgewindetriebes hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Planeten in Taschen eines gemeinsamen Käfigs angeordnet sind und der Käfig über einen Elektromotor drehangetrieben wird. Wenn der Käfig um die drehfeste Gewindespindel rotiert erfolgt zwingend eine Rotation der Mutter, mit der die Planeten kämmen. Die erfindungsgemäße axiale Lagerung der Mutter ermöglicht die oben beschriebene Drehhemmung der Mutter, wenn der Elektromotor abgeschaltet ist und axiale Lasten über die Gewindespindel auf die Planeten und über die Mutter und das Axialwälzlager in das Gehäuse geleitet werden.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht einen Linearaktuator mit einem erfindungsgemäßen Gewindetrieb vor, mit einem die Mutter antreibenden Motor. Die Hülse der Mutter kann einen mit einem Antriebsrad - beispielsweise ein Riemenrad eines Zugmitteltriebs - versehenen Endabschnitt aufweisen, der axial benachbart zu einem die beiden Mutterteile aufnehmenden Mittelabschnitt der Hülse angeordnet ist.
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In diesem Fall kann der die Mutter antreibende Elektromotor außerhalb des Gehäuseabschnitts angeordnet sein, in dem die Mutter aufgenommen ist. Der Endabschnitt der Hülse kann durch einen Ringspalt zwischen Gehäuse und Gewindespindel durchgeführt sein. Das Antriebsrad ist in diesem Fall außerhalb dieses Gehäuseabschnitts auf diesem Endabschnitt drehfest angeordnet.
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Vorzugsweise ist dieser Linearaktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges weitergebildet, dessen Radführungselement zwei Räder einer Achse anlenkt, wobei die Gewindespindel Teil des Radführungselementes ist.
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Bei derartigen Linearaktuatoren muss sichergestellt sein, dass eine eingestellte Lage der beiden Räder auch unter großen axialen Belastungen des Radführungselementes beibehalten wird. Die vorgeschlagene Erfindung ermöglicht auf einfache Art und Weise diese erforderliche Lageeinhaltung durch ausreichend große Reibungsverluste oder Selbsthemmung des Linearaktuators.
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Nachstehend wird die Erfindung eines in insgesamt neun Figuren abgebildeten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Linearaktuator im Längsschnitt,
- 2 einen erfindungsgemäßen Gewindetrieb des Linearaktuators aus 1 im Längsschnitt
- 3 eine Ansicht des Gewindetriebs aus 2
- 4 einen Belastungsfall des Linearaktuators aus 1
- 5 einen weiteren Belastungsfall des Linearaktuators aus 1
- 6 ein Axialwälzlager des Gewindetriebs
- 7 das Axialwälzlager aus 6 im Längsschnitt
- 8 das Axialwälzlager aus 6 in Explosionsdarstellung
- 9 eine Einzelheit des Axialwälzlagers aus 6
- 10 den erfindungsgemäßen Linearaktuator in perspektivischer Darstellung
- 11 eine Unteransicht eines Kraftfahrzeuges mit Hinterachslenkung mit dem Linearaktuator aus 10 und
- 12 einen Ausschnitt aus 11.
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1 zeigt im Längsschnitt einen Linearaktuator, der für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist. Dieser Linearaktuator ist mit einem Gewindetrieb versehen.
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Der Gewindetrieb umfasst eine auf einer Gewindespindel 1 drehbar angeordnete Mutter 2.
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Unter Drehantrieb der Mutter 2 wird die drehfest angeordnete Gewindespindel 1 entlang ihrer Längsachse relativ zu der Mutter 2 verschoben.
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Zu beiden axialen Seiten der Mutter 2 sind jeweils ein Axialwälzlager 3 sowie ein Radialwälzlager 4 angeordnet. Über diese Wälzlager ist die Mutter 2 in einem Gehäuse 5 des Linearaktuators axial und radial gelagert.
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Der Gewindetrieb ist durch einen an sich bekannten Planetenwälzgewindetrieb mit axial vorgespannten Planeten 6 gebildet, die zwischen der Mutter 2 und der Gewindespindel 1 über den Umfang verteilt angeordnet sind. Die Mutter 2 umfasst eine Hülse 7 und zwei quer zur Längsachse geteilte Mutterteile 8, zwischen denen ein Distanzring 9 angeordnet ist. Die Planeten 6 sind in bekannter Weise mit einem nicht näher abgebildeten zahnförmigen Rillenprofil versehen, das mit zahnförmigen Rillenprofilen der Mutterteile 8 kämmt. Der Distanzring 9 drückt gegen die Mutterteile 8. Die Planeten 6 werden im Flankeneingriff mit der Mutter 2 radial in Richtung auf die Gewindespindel 1 gedrückt. Auf diese Weise ist ein spielfreier Planetenwälzgewindetrieb gebildet.
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Die Hülse 7 weist einen Mittelabschnitt 10 auf, an den axial zu beiden Seiten jeweils ein Endabschnitt 11 anschließt, der gegenüber dem Mittelabschnitt 10 im Durchmesser verjüngt ist. Die beiden Endabschnitte 11 sind mit dem Mittelabschnitt 10 über Radialborde 12 verbunden. Auf beiden Endabschnitten 11 sind die Radialwälzlager 4 angeordnet.
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Die Mutter 2 wird mittels eines Riementriebs 13 drehangetrieben. Der Riementrieb 13 umfasst ein Riemenrad 16, das drehfest auf dem einen Endabschnitt 11 der Hülse 7 befestigt ist. Ein Riemen 15 umschlingt das Riemenrad 14. Nicht abgebildet ist hier ein Elektromotor 16 (10), der mit seinem Antriebsrad von dem Riemen 15 umschlungen ist.
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2 zeigt den Gewindetrieb im Längsschnitt. An beiden axialen Enden der Gewindespindel 1 sind Kupplungszapfen 17 zum Anschließen von Klauen 29 (10) und Spurlenkern 30 (11) ausgebildet. Die Gewindespindel 1 ist Teil eines Radführungselementes 32 (12) einer Hinterachslenkung.
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3 zeigt eine Ansicht des Gewindetriebs aus 2.
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Die 4 und 5 zeigen Belastungsfälle, in denen eine äußere axiale Last F an der Gewindespindel 1 angreift, mit Krafteinleitung von rechts (4) und mit Krafteinleitung von links (5), angedeutet mit den gestrichelten Linien. In beiden Fällen wird die Axiallast über die Planeten 6, das jeweilige Mutterteil 8 und das jeweilige Axialwälzlager 3 in das Gehäuse 5 eingeleitet. In beiden Lastfällen wird im Axialwälzlager 3 ein Reibmoment erzeugt, das ein unerwünschtes Drehen der Mutter 2 verhindert.
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Die 6 bis 9 zeigen das Axialwälzlager 3. Zwischen zwei Lagerscheiben 20,21 ist ein Nadelkranz 22 angeordnet, der einen Nadelkäfig 23 aufweist, in dessen über den Umfang verteilt angeordneten Taschen 24 Nadeln 25 drehbar angeordnet sind. Die Nadeln 25 wälzen an Laufbahnen 18, 19 ab, die an einander zugewandten Stirnseiten der beiden Lagerscheiben 20,21 ausgebildet sind.
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9 zeigt den Nadelkranz 22.die Nadeln 25 können auch in allgemeiner Form als stabförmige Wälzkörper 26 bezeichnet werden. Insgesamt vier Nadeln 25 bilden in diesem Ausführungsbeispiel Reibwälzkörper 27, die gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind. Je zwei dieser Reibwälzkörper 27 bilden ein Paar, deren Rotationsachsen parallel zueinander angeordnet sind. Die Rotationsachsen der beiden Paare sind etwa unter einem Winkel von 90 Grad angeordnet.
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Eine gerade Linie, die parallel in einem Abstand s zu der Rotationsachse eines Reibwälzkörpers angeordnet ist schneidet die Achse des Axialwälzlagers 3. Bei einem gegebenen Durchmesser des Nadelkranzes 22 bedeutet ein größerer Abstand s eine größere Schrägstellung des Reibwälzkörpers gegenüber den anderen Nadeln 25. Ein demgegenüber kleinerer Abstand s bedeutet eine geringere Schrägstellung des Reibwälzkörpers gegenüber den anderen Nadeln 25.
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Der Reibwälzkörper 27 ist gegenüber einer der Nadeln 25 um einen Winkel alpha schräg gestellt. In der 9 ist dies dadurch angedeutet, dass die Rotationsachse des Reibwälzkörpers 27 in einer Ebene liegt, die quer zur Lagerachse des Axialwälzlagers angeordnet ist und eine Normale zur Lagerachse schneidet, die ebenfalls in dieser Ebene liegt. Die Normale und die Rotationsachse schneiden sich unter diesem Winkel alpha.
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Im Ausführungsbeispiel beträgt dieser Winkel ca 20 Grad. Im Ausführungsbeispiel ermöglicht dieses Axialwälzlager einen Gesamtwirkungsgrad unter 50 %, so dass dieser Gewindetrieb im Selbsthemmungsbereich arbeitet
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In anderen Worten ausgedrückt: die Rotationssachse des wenigstens einen Reibwälzkörpers
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Der hier vorgeschlagene Linearaktuator einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges arbeitet in einem Stellbereich, der im mittleren Bereich bei ca. 5-6 kN angesiedelt ist.
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Die 10 zeigt einen erfindungsgemäßen Linearkatuator mit dem beschriebenen Gewindetrieb. Deutlich ist das Gehäuse 5 zu erkennen mit einem Flansch 28 zur Aufnahme des Elektromotors 16. Klauen 29 sind an die hier nicht dargestellte Gewindespindel angeschlossen. An diesen Klauen 29 sind Spurlenker 30 gelenkig gelagert, die die Räder 31 (11 und 12) einer Fahrzeugachse eines Kraftfahrzeuges anlenken. In dieser Anwendung ist die Gewindespindel 1 Teil eines Radführungselementes 32.
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Im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges ist sichergestellt, dass bei abgeschaltetem Elektromotor 16 unter der Wirkung von äußeren Kräften. die über die Räder 31 als axiale Kraft in das Radführungselement 32 und somit in die Gewindespindel 1 eingeleitet werden, der Gewindetrieb stillsteht, also keine unerwünschte Drehbewegung der Mutter erfolgt.
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Die 11 und 12 zeigen ein Kraftfahrzeug mit Hinterachslenkung, dessen Hinterachse mit einem erfindungsgemäßen Linearaktuator versehen ist.
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Der hier beschriebene Linearaktuator kann mit einem anderen Gewindetriebstyp versehen sein, dessen Mutter über das erfindungsgemäße Axialwälzlager an dem Gehäuse abgestützt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewindespindel
- 2
- Mutter
- 3
- Axialwälzlager
- 4
- Radialwälzlager
- 5
- Gehäuse
- 6
- Planet
- 7
- Hülse
- 8
- Mutterteil
- 9
- Distanzring
- 10
- Mittelabschnitt
- 11
- Endabschnitt
- 12
- Radialbord
- 13
- Riemenscheibe
- 14
- Riemenrad
- 15
- Riemen
- 16
- Elektromotor
- 17
- Kupplungszapfen
- 18
- Laufbahn
- 19
- Laufbahn
- 20
- Lagerscheibe
- 21
- Lagerscheibe
- 22
- Nadelkranz
- 23
- Nadelkäfig
- 24
- Tasche
- 25
- Nadel
- 26
- stabförmiger Wälzkörper
- 27
- Reibwälzkörper
- 28
- Flansch
- 29
- Klaue
- 30
- Spurlenker
- 31
- Rad
- 32
- Radführungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10201410019 A1 [0002]
- DE 19523395 A1 [0004]
