DE102019112480B3

DE102019112480B3 - Fahrwerksaktuator und Verfahren zum Betrieb einer Getriebeanordnung eines Fahrwerksaktuators

Info

Publication number: DE102019112480B3
Application number: DE102019112480.8A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Wübbolt-Gorbatenko; Alexander Hausmann; Daniel Faber; Alena Pöhnlein
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2039-05-14
Also published as: KR20220007590A; US20220252141A1; CN113574295A; WO2020228891A1

Abstract

Ein Fahrwerksaktuator (1), insbesondere für eine Hinterachslenkung, umfasst ein Rotativ-Linear-Getriebe (5), welches ausgangsseitig zur Kopplung mit einem Fahrwerkselement vorgesehen ist, wobei ein rotierbares, eingangsseitiges Element (9) des Getriebes (5) mittels mindestens einer Axiallagerung (16, 17) in einem Gehäuse (13) gelagert ist. Durch eine die Axiallagerung (16, 17) mit einer Axialkraft belastenden, verstellbaren Vorspanneinrichtung (21) ist das Getriebe (5) selbsthemmend eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Verwendung in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs geeigneten Fahrwerksaktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Getriebeanordnung eines solchen Fahrwerksaktuators.
Ein gattungsgemäßer Fahrwerksaktuator ist beispielsweise aus der WO 2018/149441 A1 bekannt. Der bekannte Fahrwerksaktuator ist Teil einer Vorrichtung zur Niveauverstellung eines Kraftfahrzeugs und umfasst eine Spindelmutter, welche mit Hilfe eines Axiallagers drehbar gelagert ist. Zum Blockieren der Spindelmutter ist eine Sperreinheit vorgesehen, welche eine bei Rotation der Spindelmutter drehende Sperrkontur sowie einen auslenkbaren Sperrhebel umfasst.
Eine Vorrichtung zum Lenken einer Hinterachse eines Kraftfahrzeugs ist zum Beispiel in der DE 2013 211 230 A1 beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst einen Aktuator, mit dem eine Lenkbewegung zwischen einem fahrzeugfesten Punkt und einem Anlenkpunkt eines Lenkgestänges ausgeführt werden kann. Der Aktuator weist zur Erzeugung einer Verschiebebewegung ein relativ zu einem Gehäuseelement drehbar gelagertes Wellenelement auf. Als Mittel, um eine Drehbewegung zwischen dem Wellenelement und dem Gehäuseelement zeitweise zu unterbinden, sind bei der Vorrichtung nach der DE 10 2013 211 230 A1 zwei Stifte vorhanden, welche entweder im Gehäuseelement oder im Wellenelement angeordnet sind und in Ausnehmungen des anderen Elementes eingreifen können.
In der DE 10 2008 024 910 A1 ist ein Aktuator mit einer Lastmomentsperre offenbart, welcher im Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen kann. Die Lastmomentsperre umfasst in diesem Fall eine Schlingfeder.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrwerksaktuator besonders hinsichtlich des Einsatzes in einer Hinterachslenkung gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Fahrwerksaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer zweistufigen, ein Umschlingungsgetriebe sowie ein Rotativ-Linear-Getriebe umfassenden, Getriebeanordnng eines Fahrwerksaktuators gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammen mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Fahrwerksaktuator, und umgekehrt.
Der Fahrwerksaktuator umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Rotativ-Linear-Getriebe, welches ausgangsseitig zur Kopplung mit mindestens einem Fahrwerkselement vorgesehen ist, wobei ein rotierbares, eingangsseitiges Element des Rotativ-Linear-Getriebes mittels einer Axiallagerung in einem Gehäuse gelagert ist.
Erfindungsgemäß ist eine verstellbare Vorspannvorrichtung vorgesehen, welches die Axiallagerung mit einer Axialkraft belastet, wobei das Rotativ-Linear-Getriebe, gegebenenfalls in Zusammenwirkung mit einem weiteren, vorgeschalteten Getriebe, durch die Axialkraft selbsthemmend eingestellt ist.
Ist die Getriebeanordnung des Fahrwerksaktuators zweistufig, nämlich aus einem Umschlingungsgetriebe und ein diesem nachgeschaltetes Rotativ-Linear-Getriebe aufgebaut, so wird ein eingangsseitiges Element, insbesondere eine rotierbare Mutter, des Rotativ-Linear-Getriebes mit Hilfe eines Nach-Feinjustierungselementes, typischerweise in Form einer Vorspannmutter, derart mittels einer auf eine Axiallagerung des Rotativ-Linear-Getriebes wirkenden Axialkraft belastet wird, dass der Gesamtwirkungsgrad der zweistufigen Getriebeanordnung unterhalb von 50 % gehalten wird.
Unabhängig von der Anzahl der Getriebestufen wird die Vorspannung vorzugsweise derart eingestellt, dass einerseits zuverlässig ein selbsthemmender Betrieb, das heißt ein Betrieb der Getriebeanordnung mit einem Gesamtwirkungsgrad von weniger als 50 %, gegeben ist und andererseits keine unnötig hohen Reibungsverluste in einer der Getriebestufen auftreten. Vorzugsweise wird der Gesamtwirkungsgrad auf einen Wert von mindestens 35 % und maximal 45 % eingestellt. Die Einstellung des Wirkungsgrades erfolgt in jedem Fall durch die Axialkraft, welche das eingangsseitige Element des Rotativ-Linear-Getriebes belastet.
Zur Verstellung der Vorspannung der Axiallagerung und damit des Wirkungsgrades des Rotativ-Linear-Getriebes ist vorzugsweise eine Vorspannmutter vorgesehen, welche in ein Innengewinde eines Gehäuses eingeschraubt ist. Optional kann die Einstellung der Vorspannmutter, welche als Nach-Feinjustierungselement nutzbar ist, mit Hilfe einer Kontermutter gesichert werden.
Die Vorspannmutter liegt entweder direkt an einem Lagerelement der Axiallagerung an oder übt indirekt eine Axialkraft auf ein Lagerelement aus. In beiden Fällen handelt es sich bei dem Lagerelement vorzugsweise um einen Lagerring oder eine Lagerscheibe einer Wälzlagerung. Zusätzlich zur Axiallagerfunktion erfüllt die Wälzlagerung in bevorzugter Ausgestaltung auch eine Radiallagerfunktion. Dies kann mit Hilfe gesonderter Wälzkörpersätze realisiert sein, wobei ein erster Wälzkörpersatz ausschließlich der Axiallagerung dient und ein zweiter Wälzkörpersatz ausschließlich der Radiallagerung dient. Hierbei können beide Wälzkörpersätze auf ein und demselben Lagerelement abrollen.
Alternativ kann die Wälzlagerung als Schrägwälzlager aufgebaut sein, wobei Wälzkörper, beispielsweise Kugeln, Zylinderrollen oder Nadeln, mit einem Druckwinkel, der größer als 0° und kleiner als 90° ist, insbesondere mindestens 20° und höchstens 70° beträgt, in der Lagerung angeordnet sind und damit sowohl zur Übertragung von Radialkräften als auch zur Übertragung von Axialkräften nutzbar sind.
Das Rotativ-Linear-Getriebe, welches die Rotation des mittels der vorgespannten Axiallagerung gelagerten eingangsseitigen Getriebeelements in einen Vorschub eines ausgangsseitigen Getriebeelements umsetzt, ist beispielsweise als Planetenwälzgetriebe aufgebaut. Hinsichtlich des Aufbaus eines Planetenwälzgetriebes wird beispielhaft auf die Dokumente WO 2015/081951 A1 und DE 10 2015 212 333 A1 hingewiesen. Im Fall des Fahrwerksaktuators kann es sich bei dem eingangsseitigen Getriebeelement um die Spindelmutter des Planetenwälzgetriebes oder um ein mit der Spindelmutter drehfest verbundenes Teil handeln. Alternativ ist es möglich, den Planetenträger als Antriebselement des Planetenwälzgetriebes vorzusehen. In diesem Fall ist das Planetenwälzgetriebe als steigungstreues Rotativ-Linear-Getriebe aufgebaut und unter diesem Gesichtspunkt mit einem einfachen Bewegungsgewinde vergleichbar. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus eines steigungstreuen Planetenwälzgetriebes wird beispielhaft auf die DE 195 40 634 C1 hingewiesen.
Dem Rotativ-Linear-Getriebe, insbesondere Planetenwälzgetriebe, ist in vorteilhafter Ausgestaltung ein weiteres Getriebe, insbesondere ein Umschlingungsgetriebe, vorgeschaltet. Bei dem Umschlingungsgetriebe kann es sich um ein Riemengetriebe oder um ein Kettengetriebe handeln. Alternativ ist auch ein Antrieb des eingangsseitigen Elements des Rotativ-Linear-Getriebes über ein Zahnradgetriebe möglich. In allen Fällen ist das Getriebe, welches dem Rotativ-Linear-Getriebe vorgeschaltet ist, vorzugsweise elektrisch angetrieben, sodass der Fahrwerksaktuator insgesamt als elektromechanischer Aktuator ausgebildet ist.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 einen elektromechanischen Fahrwerksaktuators einer Hinterachslenkung in einer schematisierten Übersichtsdarstellung,
2 ein Detail eines Fahrwerksaktuators für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs in einer Schnittdarstellung,
3 eine alternative Ausgestaltung eines Fahrwerksaktuators für eine Hinterachslenkung in einer Darstellung analog 2.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf alle Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Fahrwerksaktuator ist zur Verwendung in einer Hinterachslenkung eines zweiachsigen Fahrzeugs, nämlich eines Personenkraftwagens, vorgesehen. Der Fahrwerksaktuator 1 stellt damit einen Lenkungsaktuator einer Hinterachslenkung dar. Dem Fahrwerksaktuator 1 ist ein Elektromotor 2 sowie eine durch den Elektromotor 2 betätigte Getriebeanordnung 3 zuzurechnen. Eine Motorsteuerung des Elektromotors 2 ist mit 27 bezeichnet. Die Getriebeanordnung 3 umfasst ein Umschlingungsgetriebe 4, nämlich Riemengetriebe, sowie ein dem Umschlingungsgetriebe 4 nachgeschaltetes Rotativ-Linear-Getriebe 5 in Form eines Planetenwälzgetriebes. Ein Riemen des Riemengetriebes 4 ist mit 6 bezeichnet. Durch den Riemen 6 ist ein Antriebsriemenrad 7, welches fest mit der Motorwelle des Elektromotors 2 verbunden ist, mit einem Abtriebsriemenrad 8 gekoppelt. Das Abtriebsriemenrad 8 wiederum ist fest verbunden mit einer Spindelmutter 9, die ein rotierbares, eingangsseitiges Element des Rotativ-Linear-Getriebes 5 darstellt. Die zugehörige, mit 10 bezeichnete Gewindespindel des Rotativ-Linear-Getriebes 5 stellt dessen Abtriebselement dar.
Die Gewindespindel 10 ist mit Hilfe von Linearführungen 11, 12 in einem Gehäuse 13 des Fahrwerksaktuators 1 verschiebbar geführt. An den Enden der Gewindespindel 10 befinden sich Anbindungselemente 14, 15, die über nicht dargestellte Fahrwerkselemente die Kopplung mit den zu lenkenden Rädern des Fahrzeugs ermöglichen.
Zur Lagerung der Spindelmutter 9 im Gehäuse 13 sind zwei Axiallager 16, 17 vorgesehen. Jedes Axiallager 16, 17 umfasst eine Gehäusescheibe 18 und eine Wellenscheibe 19 als Lagerscheiben. Zwischen den Lagerscheiben 18, 19 rollen Kugeln 20 als Wälzkörper ab, welche in einem nicht dargestellten Käfig geführt sein können.
Ferner umfasst der Fahrwerksaktuator 1 eine Vorspanneinrichtung 21, welche die Gehäusescheibe 18 des Axiallagers 17 mit einer Axialkraft belastet. Der Wirkungsgrad des als Planetenwälzgetriebe ausgebildeten Rotativ-Linear-Getriebes 5 ist von dieser Axialkraft zwar nicht stark, jedoch in signifikantem Maße abhängig. Die Axialkraft ist mittels der Vorspanneinrichtung 21 derart eingestellt, dass der Wirkungsgrad des Fahrwerksaktuators 1 - genauer: der Getriebeanordnung 3 - bei mindestens 35 % und maximal 45 % und damit zuverlässig im selbsthemmenden Bereich, das heißt unterhalb von 50 %, liegt. Der genannte Wirkungsgrad der gesamten Getriebeanordnung 3 ergibt sich aus der Multiplikation des Wirkungsgrades des Umschlingungsgetriebes 4 mit dem Wirkungsgrad des Rotativ-Linear-Getriebes 5.
Verschiedene mögliche Ausgestaltungen der Vorspanneinrichtung 21, welche für die Anordnung nach 1 geeignet sind, sind, teils in grober Vereinfachung, in den 2 und 3 veranschaulicht.
Im Ausführungsbeispiel nach 2 sind zusätzlich zu den Axiallagern 16, 17 zwei Radiallager 22, 23 erkennbar. Die Radiallager 22, 23 umfassen in der in 2 skizzierten Bauform Kugeln 24 als Wälzkörper. Die Wälzkörper 24 der Radiallagerung 22, 23 sind nicht notwendigerweise übereinstimmend mit den Wälzkörpern 20 der Axiallager 16, 17 dimensioniert. In jedem Fall rollt die Reihe an Wälzkörpern 20, welche die Axiallagerfunktion übernimmt, auf derselben Gehäusescheibe 18 ab, auf der auch die die Radiallagerfunktion übernehmenden Wälzkörper 24 abrollen.
Das Ausführungsbeispiel nach 3 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 2 dadurch, dass jeweils genau eine Reihe an Wälzkörpern 20 einer Wälzlagerung 16, 17 zuzurechnen ist, wobei diese, wie auch in 1 erkennbar, als Axial-Radial-Lager, das heißt als Schrägkugellager ausgebildet ist. Da die Hauptbelastungsrichtung in Axialrichtung des Fahrwerksaktuators 1, das heißt in Längsrichtung der Gewindespindel 10, ausgerichtet ist, wird auch in diesem Fall von den Wälzlagern 16, 17 als Axiallagern gesprochen.
In sämtlichen Ausführungsbeispielen umfasst die Vorspanneinrichtung 21 eine Vorspannmutter 25, welche in das Gehäuse 13 eingeschraubt ist und allgemein auch als Nach-Feinjustierungselement bezeichnet wird. Ein Einschrauben der Vorspannmutter 25 in das Gehäuse 13 geht einher mit einer zunehmenden Vorspannung und einem abnehmenden Wirkungsgrad des Rotativ-Linear-Getriebes 5.
In den 2 und 3 ist ferner ansatzweise der Riemen 6 sowie das Abtriebsriemenrad 8 erkennbar. Das Abtriebsriemenrad 8 ist über eine Hülse 26 drehfest mit der Spindelmutter 9 verbunden und stellt damit ein Antriebselement des Rotativ-Linear-Getriebes 5 dar.
Bezugszeichenliste

1: Fahrwerksaktuator
2: Elektromotor
3: Getriebeanordnung
4: Umschlingungsgetriebe, Riemengetriebe
5: Rotativ-Linear-Getriebe, Planetenwälzgetriebe
6: Riemen
7: Antriebsriemenrad
8: Abtriebsriemenrad
9: Spindelmutter
10: Gewindspindel
11: Linearführung
12: Linearführung
13: Gehäuse
14: Anbindungselement
15: Anbindungselement
16: Axiallager
17: Axiallager
18: Gehäusescheibe
19: Wellenscheibe
20: Wälzkörper, Kugel
21: Vorspanneinrichtung
22: Radiallager
23: Radiallager
24: Wälzkörper, Kugel
25: Vorspannmutter, Nach-Feinjustierungselement
26: Hülse
27: Motorsteuerung

Claims

Fahrwerksaktuator (1), mit einem Rotativ-Linear-Getriebe (5), welches ausgangsseitig zur Kopplung mit mindestens einem Fahrwerkselement vorgesehen ist, wobei ein rotierbares, eingangsseitiges Element (9) des Getriebes (5) mittels mindestens einer Axiallagerung (16, 17) in einem Gehäuse (13) gelagert ist, gekennzeichnet durch eine die Axiallagerung (16, 17) mit einer Axialkraft belastenden, verstellbaren Vorspanneinrichtung (21), wobei das Getriebe (5) durch die Axialkraft selbsthemmend eingestellt ist.
Fahrwerksaktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspanneinrichtung (21) eine in ein Innengewinde des Gehäuses (13) eingeschraubte Vorspannmutter (25) als Nach-Feinjustierungselement umfasst.
Fahrwerksaktuator (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmutter (25) ein Lagerelement (18) der Axiallagerung (16, 17) kontaktiert.
Fahrwerksaktuator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagerung (16, 17) als Wälzlagerung ausgebildet ist.
Fahrwerksaktuator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagerung (16, 17) zusätzlich zu Wälzkörpern (20), welche die Axiallagerfunktion übernehmen, Wälzkörper (24) zur Radiallagerung umfasst, wobei sämtliche Wälzkörper (20, 24) ein und dasselbe Lagerelement (18) kontaktieren.
Fahrwerksaktuator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagerung (16, 17) Wälzkörper (20) umfasst, welche sowohl die Axiallagerfunktion als auch eine Radiallagerfunktion übernehmen.
Fahrwerksaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Rotativ-Linear-Getriebe (5) ein Planetenwälzgetriebe vorgesehen ist.
Fahrwerksaktuator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Planetenwälzgetriebe (5) ein Umschlingungsgetriebe (4) vorgeschaltet ist.
Verfahren zum Betrieb einer zweistufigen Getriebeanordnung (3) eines Fahrwerksaktuators (1), welche ein Umschlingungsgetriebe (4) und ein diesem nachgeschaltetes Rotativ-Linear-Getriebe (5) umfasst, wobei ein eingangsseitiges Element (9) des Rotativ-Linear-Getriebes (5) mit Hilfe eines Nach-Feinjustierungselementes (25) derart mittels einer auf eine Axiallagerung (16, 17) des Rotativ-Linear-Getriebes (5) wirkenden Axialkraft belastet wird, dass der Gesamtwirkungsgrad der Getriebeanordnung (3) unterhalb von 50 % gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad der gesamten Getriebeanordnung (3) durch die im Rotativ-Linear-Getriebe (5) wirkende Axialkraft auf einen Wert von mindestens 35% und maximal 45% eingestellt wird.