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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, welche eine Freilauffunktion aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen Linearaktuator sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Linearaktuators.
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Aus der
DE 1 145 446 A ist ein als Freilaufkupplung ausgebildetes Lager, nämlich Radialkugellager, bekannt. Das bekannte Lager, durch welches zugleich eine Freilauffunktion gegeben sein soll, umfasst einen inneren und einen äußeren Laufring, sowie zwischen den Laufringen abrollende Kugeln, welche zugleich mit einem Sperrring mit Schrägflächen zusammenwirken. Als Sperrring ist im Fall der
DE 1 145 446 A ein geteilter, unsymmetrisch gestaltete Taschen aufweisender Käfig vorgesehen, dessen beide Teile durch die Wälzkörper, das heißt Kugeln, bei Relativdrehung der Laufringe in Sperrrichtung axial gespreizt und gegen konische Flächen der Lagerringe gedrückt werden. In Freilaufrichtung wird der Sperrring dagegen durch die Kugeln mitbewegt. Insgesamt handelt es sich bei der Anordnung nach der
DE 1 145 446 A um einen reibschlüssigen Freilauf.
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Eine weitere Lager-Freilauf-Anordnung, bei welcher ein und dieselben Laufringe sowohl eine Funktion innerhalb einer Freilaufkupplung haben als auch Wälzlagerringe darstellen, ist aus der
DE 10 2007 040 029 A1 bekannt. Die gesamte Lager-Freilauf-Anordnung ist in diesem Fall als Dreiringlager ausgebildet.
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Weitere Lager-Freilauf-Kombinationen sind in den Dokumenten
DE 42 19 143 A1 ,
DE 10 2009 022 206 B3 und
DE 44 42 404 C2 beschrieben. In allen diesen Fällen kontaktieren Wälzkörper einerseits und Klemmelemente andererseits verschiedene Oberflächenbereiche der jeweiligen Lager-Freilauf-Anordnung.
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Die
EP 2 895 772 B1 offenbart eine kombinierte Fahrzeugbremse, welche eine hydraulisch betätigbare Betriebsbremse und eine elektromechanisch betätigbare Feststellbremsvorrichtung umfasst. Zur Übertragung einer Rotation in eine lineare Bewegung weist die elektromechanisch betätigbare Feststellbremsvorrichtung einen Spindeltrieb in Form eines Kugelgewindetriebs auf. An einer Gewindespindel des Spindeltriebs kann ein Kragen ausgebildet sein, welcher von einem topfförmigen Drehmomentübertragungselement umgriffen wird, wobei zwischen dem Drehmomentübertragungselement und dem Kragen eine Freilaufmechanik wirksam ist, welche als Rampen-Wälzkörper-Anordnung ausgeführt sein kann.
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Eine in der
DE 10 2014 202 189 A1 beschriebene Bremsvorrichtung, welche ebenfalls eine Betriebsbremse und eine Feststellbremse umfasst, weist eine Sperrklinke auf, die zwischen einer Spindelmutter und einem Bremssattelgehäuse wirksam ist. Die Sperrklinke soll derart mit einer Wand des Bremssattelgehäuses zusammenwirken, dass eine Bewegung der Spindelmutter weg von einer Bremsscheibe der Feststellbremse gesperrt ist. Die Sperrklinke hat eine Funktion innerhalb einer automatischen Verschleißnachstellung der Bremsvorrichtung nach der
DE 10 2014 202 189 A1 .
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Aus
DE 838 844 B ist ein Wälzlager mit Freilaufgesperre bekannt geworden, in dessen Käfigtaschen des Lagers je eine die Sperrung herbeiführende Vorrichtung untergebracht ist. Jede Sperrvorrichtung besteht aus einer Sperrrolle, dem Bremsschuh und einer nachgiebigen Abstützung für die Sperrrolle. Die nachgiebige Abstützung ist durch einen Pflock aus künstlichem Gummi gebildet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Lager-Freilauf-Anordnungen anzugeben, welche sich insbesondere für die Verwendung in Linearaktuatoren, beispielsweise in elektromechanisch betätigten Bremsen, eignen und sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand, Raumbedarf und, soweit ein motorischer Antrieb vorgesehen ist, Energieverbrauch auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen eine solche Lageranordnung umfassenden Linearaktuator gemäß Anspruch 8. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Linearaktuators gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Lageranordnung sowie den Linearaktuator, und umgekehrt.
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Die Lageranordnung hat eine Freilauffunktion und umfasst ein Wälzlager, welches zwei relativ zueinander drehbare Lagerelemente aufweist, die die Wälzkörper des Lagers kontaktieren. Hierbei können die Lagerelemente durch Ringe oder Scheiben oder unmittelbar durch ein Gehäuse oder eine Welle gebildet sein. In jedem Fall sind die Wälzkörper des Lagers oder eine Teilmenge der Wälzkörper in einem Käfig geführt, welcher zugleich eine Komponente einer Freilaufkupplung darstellt. Bei dem Lager kann es sich um ein Axiallager, um ein Radiallager oder um ein Schrägrollen- oder Schrägkugellager, das heißt ein sowohl zur Übertragung von Axialkräften als auch zur Übertragung von Radialkräften vorgesehenes Lager, handeln. In allen Fällen kann die Freilaufkupplung, welche den Käfig umfasst, entweder als formschlüssige oder als reibschlüssige Kupplung gestaltet sein. Zumindest der als Bestandteil der Freilaufkupplung sperrende Teil des Käfigs ist in sich starr. Dies bedeutet, dass der Käfig entweder einteilig ausgebildet ist oder die den Käfig bildenden Käfigteile, welche eine Funktion innerhalb der Freilaufkupplung haben, fest miteinander verbunden sind.
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Die rotierende Komponente des Wälzlagers, das heißt typischerweise der rotierende Lagerring, die rotierende Lagerscheibe oder eine mit dem betreffenden Ring beziehungsweise der genannten Scheibe drehfest gekoppelte Welle, wird somit bei sperrender Freilaufkupplung nicht direkt, sondern indirekt, nämlich über den Käfig des Wälzlagers, gesperrt. Diese Freilauffunktion tritt in Kraft, wenn das Lager mechanisch belastet ist. Existiert dagegen kein Kraftfluss vom ersten Lagerelement über zumindest einen Teil der Wälzkörper zum zweiten Lagerelement, so ist keine Freilauffunktion gegeben. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sämtliche Wälzkörper spielbehaftet zwischen den Lagerelementen angeordnet sind.
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Handelt es sich bei dem Wälzlager um ein Axiallager, so ist die rotierende Lagerscheibe, das heißt die Wellenscheibe, welche mittels der Freilaufkupplung festgehalten werden kann, typischerweise derart mit weiteren rotierbaren Komponenten gekoppelt, dass ein Drehmoment zwischen der Wellenscheibe und den weiteren Komponenten übertragbar ist, das heißt auch die genannten weiteren Komponenten mittels der Freilaufkupplung an einer Rotation in einer bestimmten Richtung gehindert werden können. Gesonderte Mittel zum unmittelbaren Stoppen der weiteren Komponenten sind hierfür nicht erforderlich. Dies gilt in analoger Weise auch für sonstige Bauformen von Wälzlagern mit integrierter, teilweise durch den Käfig gebildeter Freilaufkupplung.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist eines der beiden Lagerelemente der Lageranordnung, welche in allen Fällen eine kombinierte Lager-Freilauf-Anordnung darstellt, drehbar, während es sich bei dem anderen Lagerelement um eine drehfest in einer Umgebungskonstruktion angeordnete Komponente handelt. Abweichend hiervor sind auch Ausführungsformen möglich, bei welchen beide Lagerelemente drehbar sind. Sowohl im Fall einer Ausbildung der Lageranordnung als Axiallagerung als auch bei Ausbildung der Lageranordnung als Radiallagerung oder als kombinierte Axial-Radial-Lagerung sind auch Bauformen realisierbar, bei welchen das Gehäuse eine als Ganzes drehbare Maschinenkomponente darstellt.
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Ein besonderer Vorteil der Blockade nicht der Welle oder Wellenscheibe, sondern des Käfigs des Wälzlagers, insbesondere Axialwälzlagers, liegt darin, dass bei Belastung der Freilaufkupplung in Sperrrichtung eine Überwindung des durch den blockierten Käfig erzeugten Haltemoments möglich ist, sodass die Freilaufkupplung in einem bestimmten Betriebsbereich, nämlich unterhalb des Haltemomentes, eine Sperrfunktion erfüllt und bei höheren Momenten als Bremse wirkt. Im letztgenannten Zustand ist das Axialwälzlager zu einer Gleitlagerung umfunktioniert.
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Das Haltemoment, welches in verschiedenen möglichen Ausgestaltungen in einem durch einen motorischen Antrieb überwindbaren Bereich liegt, legt somit einen möglichen Umschaltpunkt zwischen einer Nutzung der Lager-Freilauf-Anordnung als Wälzlager mit Freilauffunktion einerseits und einer Nutzung derselben Anordnung als Gleitlager andererseits fest, wobei die Nutzung im letztgenannten Fall mit der umgekehrten Drehrichtung, verglichen mit dem ersten Fall, erfolgt. Das Bereithalten einer gesonderten Gleitlagerung für eine von zwei möglichen Drehrichtungen ist nicht erforderlich.
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Das zugleich als Freilauf fungierende Axiallager, Radiallager oder sonstiges Wälzlager kann als einreihiges oder als mehrreihiges Lager aufgebaut sein. Ist ein mehrreihiger, insbesondere zweireihiger, Aufbau gegeben, so können die Wälzkörper der verschiedenen Wälzkörperreihen entweder durch einen gemeinsamen Käfig oder durch separate Käfige geführt sein. Im letztgenannten Fall ist beispielsweise lediglich der äußerste Käfig oder ein einer Stirnseite der Lageranordnung benachbarter Käfig als Freilaufkomponente ausgebildet, während der mindestens eine weitere Käfig ausschließlich eine Funktion innerhalb der Wälzlagerung hat. Durch diesen Aufbau ist eine Verteilung axialer und/oder radialer Lasten sowie eine Reduktion des Bremsmoments beim Betrieb in Sperrrichtung erreichbar.
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Was den Angriff der Freilaufkupplung im Fall deren Integration in eine Axiallagerung betrifft, existieren verschiedene Gestaltungmöglichkeiten: Gemäß eines ersten Gestaltungsprinzips ist die Freilaufkupplung zwischen der Gehäusescheibe und dem Käfig wirksam. Hierbei kann die Freilaufkupplung direkt zwischen die Gehäusescheibe und den Käfig geschaltet sein. Alternativ kann unter Beibehaltung dieses Gestaltungsprinzips die Freilaufscheibe zwischen das Gehäuse, an welchem die Gehäusescheibe gehalten ist, und den Käfig des Axialwälzlagers geschaltet sein. Ein anderes Gestaltungsprinzip sieht vor, dass die Freilaufkupplung zwischen die Wellenscheibe und den Käfig geschaltet ist.
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Unabhängig davon, ob es sich bei der Wälzlagerung um eine Axiallagerung oder eine Radiallagerung handelt, ist die Freilaufkupplung zwischen dem Käfig auf der einen Seite und einem rotierenden oder nicht rotierenden Maschinenelement auf der anderen Seite, das heißt typischerweise einer Welle oder einem Gehäuse, in welchem die Welle gelagert ist, wirksam. In jedem Fall kann beim Betrieb der Wälzlagerung eine Relativverdrehung zwischen dem Käfig und dem genannten, entweder rotierenden oder nicht rotierenden Maschinenelement auftreten. Die Drehzahl dieser Relativverdrehung, welche einen Betrieb der Freilaufkupplung in Freilaufrichtung bedeutet, entspricht bei üblichen Lagerkonstruktionen etwa der halben Drehzahl der Welle, wenn von einem feststehenden Gehäuse ausgegangen wird. Dies gilt sowohl für Varianten, bei denen die Wälzkörper auf gesonderten Lagerringen oder Lagerscheiben abrollen, als auch in Fällen, in denen die Wälzkörper direkt auf einer Welle und/oder auf einer Oberfläche eines komplexeren Bauteils, insbesondere Gehäuseoberfläche, abrollen.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung umfasst die Kräfte in Axialrichtung aufnehmende Lageranordnung ein zusätzliches, keine Freilauffunktion aufweisendes Axiallager, wobei beide Axiallager eine gemeinsame Wellenscheibe haben können. Die Lageranordnung ist in diesem Fall zur Übertragung von axialen Kräften in beide Richtungen geeignet. Unabhängig davon, ob die Lageranordnung ein einziges oder zwei Axiallager umfasst, kann ein Federelement, insbesondere in Form einer Tellerfeder, zur Erzeugung einer in Axialrichtung wirkenden Vorspannkraft vorgesehen sein. In prinzipiell gleicher Weise kann auch eine ausschließlich oder überwiegend Kräfte in Radialrichtung aufnehmende Lager-Freilauf-Anordnung durch Federkraft belastet sein, wobei die Federkraft im Fall einer reinen Radiallagerung nur auf einen Teil der Wälzkörper wirkt.
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Auch in Fällen, in den die Freilaufkupplung in eine Radiallagerung integriert ist, existieren zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten, was die Anordnung der Freilaufkupplung innerhalb der Lager-Freilauf-Anordnung betrifft. Beispielsweise kann die Freilaufkupplung zwischen dem Innenring des Wälzlagers und dem Käfig wirksam sein. Alternativ kann die Lager-Freilauf-Anordnung einen Freilaufmechanismus umfassen, welcher entweder zwischen dem Käfig der Wälzlagerung und dessen Außenring oder direkt zwischen dem Käfig und einem den Außenring umgebenden Gehäuse wirksam ist.
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Die durch den Käfig bereitgestellte Komponente der Freilaufkupplung wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als innere Freilaufkomponente, die mit dem Käfig direkt zusammenwirkende zweite Komponente der Freilaufkupplung auch als äußere Freilaufkomponente bezeichnet. Grundsätzlich kann die äußere Freilaufkomponente beispielsweise am Außenumfang und/oder an einer Stirnseite des Käfigs angreifen. Unter dem Aspekt des vorhandenen, nutzbaren Bauraums sind im Fall von Axiallagerungen mit integrierter Freilaufkupplung insbesondere Varianten realisierbar, bei welchen die äußere Freilaufkomponente Konturen an der Außenumfangsfläche des im Wesentlichen ringscheibenförmigen Käfigs kontaktiert. Im Fall der Ausbildung einer Lagerung als ein- oder mehrreihige Radiallagerung steht insbesondere eine Stirnseite des Käfigs, welcher in diesem Fall eine zylindrische Grundform aufweisen kann, für den Angriff der äußeren Freilaufkomponente zur Verfügung. Auch Varianten, bei welchen an beiden Stirnseiten des Käfigs äußere Freilaufkomponenten mit dem Käfig zusammenwirken, sind möglich. Ferner sind Varianten möglich, in denen sich der Käfig der Radiallagerung über die Wälzkörper hinaus in Axialrichtung der Lagerung erstreckt, wobei sich der Freilaufmechanismus in dem über die Wälzkörperreihen hinausragenden Abschnitt des Käfigs befindet. Die zweite Freilaufkomponente kann in diesem Fall an der Innen- und/oder Außenumfangsfläche des Käfigs angreifen, wobei ein Angriff an der Innenumfangsfläche besonders raumsparend aufgebaut sein kann, wogegen ein Angriff an der Außenumfangsfläche den Vorteil längerer effektiver Hebelarme und damit höherer aufnehmbarer Momente hat. Sämtliche in diesem Absatz gegebenen Erläuterungen zu den verschiedenen Freilaufkomponenten gelten sowohl für reibschlüssige als auch für formschlüssige Freiläufe.
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Die Freilaufkupplung der Lageranordnung ist beispielsweise als Klinkensperre ausgebildet. Hierbei können die Klinken der Freilaufkupplung direkt mit einer Außenverzahnung oder auch mit einer stirnseitigen Verzahnung des Wälzlagerkäfigs zusammenwirken. Alternativ können die Klinken oder sonstigen rastenden Elemente, beispielsweise verschiebbare, angefederte Rastbolzen, beispielsweise in Löcher, welche sich im Käfig befinden, eingreifen. Allgemein weist die Klinkensperre eine Rastgeometrie, welche durch den Käfig bereitgestellt wird, auf.
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Was die Anordnung der Klinken am Umfang des Käfigs oder an dessen Stirnseite betrifft, existieren verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten mit spezifischen Vor- und Nachteilen: Erstens ist die Möglichkeit gegeben, die einzelnen Klinken derart am Umfang des außenverzahnten oder in sonstiger Weise verzahnten Käfigs zu verteilen, insbesondere in gleichen Winkelabständen, dass sämtliche Klinken gleichzeitig in die Verzahnung des Käfigs einrasten und damit den Freilauf sperren können. Die bei sperrendem Freilauf aufzunehmenden Kräfte werden dabei gleichförmig auf alle Klinken, beispielsweise drei oder fünf Sperrklinken, verteilt. Alternativ existiert die Möglichkeit, die Winkelabstände zwischen den Sperrklinken, bezogen auf die Mittelachse des Käfigs, derart zu wählen, dass lediglich eine Teilmenge der Klinken, im Extremfall lediglich eine einzige Klinke, gleichzeitig sperrend wirkt, das heißt in die Verzahnung des Käfigs einrastet, während die übrigen Klinken im selben Moment ohne sperrende Funktion bleiben. In diesem Fall konzentrieren sich die zu übertragenden Kräfte und Momente zwar auf eine geringere Zahl an Klinken, jedoch existiert eine größere Zahl an Winkelstellungen des Käfigs, in denen der Freilauf sperrt.
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Die Wälzkörper, insbesondere Kugeln, Nadeln oder Rollen, des Axialwälzlagers, Radialwälzlagers oder sonstigen Wälzlagers sind typischerweise einzeln in Taschen des Käfigs geführt, welcher zugleich eine Komponente der Freilaufkupplung darstellt. Mit einem gezielt unterschiedlichen Taschenspiel in Umfangsrichtung des Käfigs kann das Halteelement, welches durch die Freilaufkupplung in Sperrrichtung aufgenommen werden kann, beeinflusst werden.
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Im Übrigen ist das Haltemoment maßgeblich von den auf die Lageranordnung wirkenden Belastungen, im Fall einer Axiallagerung insbesondere von der zwischen den Lagerscheiben wirkenden Axialkraft, abhängig. Im Fall einer Radiallagerung existiert ein Zusammenhang zwischen der auf die Lagerung wirkenden Radialkraft und der Sperrwirkung, welche bei belastetem Lager gegeben ist. Die Axialkraft und/oder Radialkraft kann sich zwangsläufig aus dem Betrieb einer die Lageranordnung umfassenden Maschine ergeben und/oder gesteuert, insbesondere durch Beaufschlagung mit einem hydraulischen Druck, eingestellt werden. Ebenso sind Ausgestaltungen möglich, bei welchen eine mechanische Belastung, welche für die Betriebsbereitschaft der Freilaufkupplung sorgt, zumindest teilweise durch ein passives Element, insbesondere ein Federelement, vorgegeben ist.
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Ferner ist die Möglichkeit gegeben, eine Vorspannkraft im Wälzlager, in welches die Freilaufkupplung integriert ist, durch ein rotierendes, mit Hilfe des Wälzlagers gelagertes Element eines Spindeltriebs aufzubringen, welches sich in Axialrichtung an einem nicht rotierenden Element des Spindeltriebs abstützt. Ist der Spindeltrieb als Wälzgewindetrieb, insbesondere Kugelgewindetrieb, ausgebildet, so werden Axialkräfte, welche das Wälzlager vorspannen, über die Wälzkörper des Spindeltriebs übertragen. Allgemein kann, bei Axial- ebenso wie bei Radiallagerungen, ein auf verschiedenste Arten realisierbares Vorspannmittel gegeben sein, welches zur Erzeugung einer das Wälzlager belastenden und damit die Betriebsbereitschaft der Freilaufkupplung herstellenden oder zumindest unterstützenden Vorspannkraft ausgebildet ist.
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Die Lageranordnung ist besonders zur Verwendung in einem Linearaktuator geeignet, wobei sie in diesem Fall insbesondere zur Lagerung einer Spindel eines Gewindetriebs vorgesehen sein kann. In einem solchen Gewindetrieb stellt die Spindel die rotierende Spindeltriebskomponente dar. Alternativ kann die Spindelmutter die rotierende Spindeltriebskomponente bilden, während die zugehörige Spindel in verdrehgesicherter Weise verschiebbar ist. Der Spindeltrieb kann in jedem Fall beispielsweise als einfaches Bewegungsgewinde, insbesondere in Form eines nicht selbsthemmenden Trapezgewindes mit großer Steigung, als Kugelgewindetrieb oder als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet sein, wobei die beiden letztgenannten, Wälzelemente aufweisenden Gewindetriebe eine vergleichsweise kleine Steigung aufweisen können. Mit Hilfe einer nicht selbsthemmenden Auslegung eines Kugelgewindetriebes oder eines Planetenwälzgewindetriebes kann der Linearaktuator mit einer besonders geringen Antriebsleistung, welche insbesondere durch einen elektromotorischen Antrieb des Gewindetriebs aufzubringen ist, betrieben werden.
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Um ein selbsttätiges Rückdrehen des Gewindetriebs zu verhindern, was im Fall einer selbsthemmenden Auslegung definitionsgemäß gesichert wäre, tritt die Sperrwirkung des Freilaufs der Lageranordnung automatisch in Funktion, sobald auf die Spindel Kräfte ausgeübt werden, welche im Sinne eines Rückdrehens wirken.
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Das Übersetzungsverhältnis des Spindeltriebs sowie die Sperrwirkung des Freilaufs sind in vorteilhafter Ausgestaltung unter Berücksichtigung gegebener Reibungskräfte derart gewählt, dass eine Rückstellung des Gewindetriebs bei im bestimmungsgemä-ßen Betrieb auftretenden Kräften nicht durch eine rein axiale Belastung der Gewindespindel möglich ist. Dies bedeutet, dass eine Rückstellung des Gewindetriebs, das heißt eine Verstellung gegen die Freilaufrichtung, nur mit einem rotatorischen Antrieb der Gewindespindel, durch welchen die das Wälzlager sperrende Wirkung der Freilaufkupplung überwunden wird, möglich ist. Trotz dieses ein Bremsmoment überwindenden rückstellenden Betriebsmodus des Linearaktuators ist zusammen mit dem Betriebsmodus in Freilaufrichtung, welcher sich durch eine besondere Leichtgängigkeit auszeichnet, insgesamt ein hoher Gesamtwirkungsgrad des Linearaktuators erzielbar. Dies gilt auch für Ausführungsformen, in denen dem Gewindetrieb, das heißt Rotativ-Linear-Getriebe, ein weiteres Getriebe, typischerweise in Form eines Rotativ- Rotativ - Getriebes, vorgeschaltet ist.
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Der Linearaktuator ist beispielsweise zur Verwendung in einer elektromechanischen Feststellbremse, das heißt Parkbremse, eines Fahrzeugs geeignet. Hierbei kann es sich entweder um eine rein elektromechanische Bremse handeln oder um eine Bremse, welche in an sich bekannter Weise auch hydraulisch als Betriebsbremse betätigbar ist.
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Handelt es sich bei der Freilaufkupplung um eine Reibschlüssige Kupplung, so kann diese beispielsweise als Schlingfederkupplung, als Klemmrollenfreilauf oder als Klemmkörperfreilauf ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wird beispielhaft auf die Dokumente
WO 2020/164652 A1 ,
WO 2010/051785 A1 und
DE 10 2006 004 491 A1 hingewiesen.
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Die Wälzkörper der Lageranordnung, welche zusätzlich als Freilauf fungiert, werden in Abhängigkeit von den im Einzelfall gegebenen Anforderungen ausgewählt und können jegliche an sich bekannte Form, insbesondere die Form von Zylinderrollen, Kegelrollen, Nadeln oder Kugeln, haben. Bei dem Käfig, welcher sowohl eine Komponente der Wälzlagerung als auch eine Komponente der Freilaufkupplung ist, handelt es sich in typischen Ausgestaltungen um ein Metallteil. Sämtliche Metallteile der Lageranordnung können je nach Bedarf einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
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Der eine Mehrfachfunktion, nämlich zum einen eine Funktion als Komponente einer Wälzlagerung und zum anderen eine Funktion als Freilaufkomponente, erfüllende Käfig ist rationell insbesondere unter Anwendung umformender Verfahren aus Metall herstellbar, wobei auch spanabhebende Bearbeitungsverfahren sowie eine Formgebung durch Urformen, beispielsweise Gießen, Sintern oder 3D-Druck, in Betracht kommen. In allen Fällen kann die Oberfläche des Käfigs verschleiß- und/oder reibungsmindernd beschichtet und/oder eine Randschichthärtung vorgesehen sein. Analoges gilt für die Wälzkörper sowie für die Lagerscheiben oder sonstigen Lagerelemente der Lageranordnung.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit Freilauffunktion in schematisierter Schnittdarstellung,
- 2 und 3 weitere Lageranordnungen mit Freilauffunktion in Darstellungen analog 1,
- 4 eine in einem Untersetzungsgetriebe verwendbare, zwei Axialwälzlager umfassende Lageranordnung mit Freilauffunktion in vereinfachter geschnittener Darstellung,
- 5 eine stirnseitige, geschnittene Ansicht der Lageranordnung nach 4,
- 6 die Anordnung nach 4 in Explosionsdarstellung,
- 7 einen Bremsaktuator, welcher einen Spindeltrieb mit einer Lageranordnung mit Freilauffunktion umfasst,
- 8 den Bremsaktuator in stirnseitiger, geschnittener Ansicht,
- 9 ein Detail aus 8,
- 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit Freilauffunktion in einer Darstellung analog 1,
- 11 ausschnittsweise eine mit einem reibschlüssigen Freilauf arbeitende Lageranordnung mit Freilauffunktion,
- 12 - 14 in jeweils einem Diagramm die Verstellung des die Lageranordnung mit Freilauffunktion umfassenden Aktuators nach 7,
- 15 in einem weiteren Diagramm Variationsmöglichkeiten eines Haltemoments der Freilaufkupplung der in einem Aktuator verwendbaren Lageranordnung nach 1.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine Lageranordnung 1 ist in ein Gehäuse 2 eingebaut und umfasst ein Axialwälzlager 3, nämlich ein Axialrollen oder -nadellager, mit Freilauffunktion. In den Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem Gehäuse 2 um ein nicht rotierendes Maschinenelement. Ebenso sind Ausführungsformen mit rotierendem Gehäuse 2 realisierbar.
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In das Gehäuse 2 ist eine Gehäusescheibe 4 eingesetzt, welche dem Axialwälzlager 3 zuzurechnen ist. Weiter ist dem Axialwälzlager 3 eine Wellenscheibe 5 zuzurechnen, die mit einer Welle 6 verbunden ist. Die Mittelachse der Welle 6 und damit der gesamten Lageranordnung 1 ist mit MA bezeichnet. Beim Betrieb der Lageranordnung 1 kann auf die Wellenscheibe 5 eine Axialkraft Fax wirken. Die Wälzkörper, das heißt Nadeln oder Rollen, des Axialwälzlagers 3 sind mit 7 bezeichnet und in Taschen 9 eines Käfigs 8 geführt, welcher zugleich ein inneres Kupplungsteil einer Freilaufkupplung 10 darstellt. Ein zugehöriges äußeres Kupplungsteil der Freilaufkupplung 10 ist mit 11 bezeichnet.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist das äußere Kupplungsteil 11 im Gehäuse 2 befestigt. Die funktional gleiche Anordnung des äußeren Kupplungsteils 11 ist in der Anordnung nach 2 gegeben, wobei in diesem Fall das äußere Kupplungsteil 11 an der Gehäusescheibe 4 befestigt ist. Im Unterschied zu den Ausführungsformen nach den 1 und 2 ist im Ausführungsbeispiel nach 3 das äußere Kupplungsteil 11 drehfest mit der Wellenscheibe 5 verbunden und stellt damit eine rotierbare Komponente der Lageranordnung 1 dar.
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In den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 10 ist die Freilaufkupplung 10 als formschlüssig wirkende Kupplung ausgebildet, welche direkt mit dem Käfig 8 als innerem Kupplungsteil zusammenwirkt. Wie insbesondere aus den 5 und 9 hervorgeht, umfasst das äußere Kupplungsteil 11 mehrere Klinken 12, welche mittels Schraubenfedern 13 angefedert sind, wobei sich die Schraubenfedern 13 an Stützblöcken 14, das heißt Federstützblöcken, abstützen, welche durch das äußere Kupplungsteil 11 bereitgestellt werden. Die Sperrklinken 12 greifen in eine Außenverzahnung 26 des Käfigs 8 ein, welche allgemein als Rastgeometrie bezeichnet wird. Der Käfig 8 ist mit Hilfe umformender Verfahren herstellbar.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 6 ist Lageranordnung 1 in ein Rotativ-Rotativ- Getriebe eingebaut, welches als Untersetzungsgetriebe ausgelegt ist und die erste Getriebestufe einer zweistufigen Getriebeanordnung eines elektromechanischen Aktuators darstellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu dem als Freilauf fungierenden Axialwälzlager 3 ein zweites Axiallager 18 vorhanden, wobei sich beide Axiallager 3, 18 eine gemeinsame Wellenscheibe 5 teilen. Im Fall des zweiten Axiallagers 18 ist ein Wälzkörper 20 führender Käfig mit 19 und eine Gehäusescheibe mit 22 bezeichnet. Auf die Gehäusescheibe 22 wird mit Hilfe einer Tellerfeder 23 eine Axialkraft Fax ausgeübt, die die Lageranordnung 1 als Ganzes belastet und damit das maximale Haltemoment der Freilaufkupplung 10 bestimmt.
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Das äußere Kupplungsteil 11 umfasst in dem in den 4 bis 6 dargestellten Beispiel ein auch als Sperrengehäuse bezeichnetes gehäusefestes Hülsenbauteil 15, in welchem sich Ausnehmungen 16 befinden, die zur Montage der Schraubenfedern 13 nutzbar sind. Neben dem gehäusefesten Hülsenbauteil 15 befindet sich ein Federabstützdeckel 21. Der Außendurchmesser des außenverzahnten Käfigs 8 ist im Fall von 4 größer als der Außendurchmesser des zweiten Axiallagers 18. Die beiden Axialwälzlager 3, 18 weisen im vorliegenden Fall einen übereinstimmenden Teilkreisdurchmesser auf. Zur Übertragung eines Drehmoments ist die Welle 6 mit einer Anschlusskontur 17 versehen. Die Lageranordnung 1 nach den 4 bis 6 eignet sich zur Integration in einen nicht weiter dargestellten Aktuator, wobei sich die Axialkraft Fax in diesem Fall nicht bereits konstruktionsbedingt durch den Betrieb des Aktuators ergibt, sondern mittels des Federelementes 23 gezielt erzeugt wird, um die Freilaufkupplung 10 nutzbar zu machen. Das Gehäuse 2 ist aus mehreren Gehäuseteilen 24, 25 zusammengesetzt. Für die Freilaufkupplung 10 wird auch die Bezeichnung Käfigsperre verwendet.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 7 bis 9 ist die Lageranordnung 1 mit Freilauffunktion Teil eines Linearaktuators 27 zur Bremsbetätigung in einem Kraftfahrzeug. Die Welle 6 ist in diesem Fall fest mit einer Gewindespindel 29 eines Spindeltriebs 28 verbunden oder unmittelbar durch die Gewindespindel 29 gebildet. Eine zugehörige Spindelmutter 32 ist einem Bremskolben 30 angeordnet, welcher in an sich bekannter Weise auch hydraulisch betätigbar ist. Zum Schutz vor Verschmutzung ist ein Faltenbalg 31 vorgesehen. Die mit Hilfe des Linearaktuators 27 feststellbare Bremsscheibe ist mit 35 bezeichnet.
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Der Spindeltrieb 28 ist im vorliegenden Fall als Kugelgewindetrieb ausgebildet, wobei in einem Gewindegang 34 der Gewindespindel 29 nicht dargestellte Kugeln abrollen, welche gleichzeitig die Spindelmutter 32 kontaktieren. Bei dem Spindeltrieb 28 handelt es sich um ein nicht selbsthemmendes Getriebe zur Umwandlung einer Rotation in eine lineare Bewegung. Ein mit 33 bezeichnetes wellenfestes Element, das heißt starr mit der Welle 6 verbundenes Element, übt eine Axialkraft Fax auf die in diesem Fall einreihige Lageranordnung 1 aus. Die Funktion einer zweiten, in der Gegenrichtung abstützenden Lagerreihe wird in diesem Fall durch die Wälzkörper, das heißt Kugeln, welche zwischen der Gewindespindel 29 und der Spindelmutter 32 abrollen, übernommen. Beim Feststellen der Bremsscheibe 35 mittels des Linearaktuators 27 steigt die Axialkraft Fax kontinuierlich bis zu einem Maximalwert an. In dieser Position, das heißt bei festgezogener Feststellbremse, wird das Axialwälzlager 3 durch die Freilaufkupplung 10 blockiert.
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Die Blockade des Linearaktuators 27 ist nur insofern formschlüssig, als ein Formschluss zwischen dem Käfig 8 als innerem Kupplungsteil und den Klinken 12 gegeben ist. Zwischen den Lagerscheiben 4, 5 des Axialwälzlagers 3 existiert dagegen kein Formschluss. Dies hat zur Folge, dass die durch die Freilaufkupplung 10 bewirkte Sperre aufhebbar ist, indem ein ausreichend großes Drehmoment in Rückdrehrichtung in die Welle 6 eingeleitet wird. Dies ist mit Hilfe eines nicht dargestellten Elektromotors möglich, der zum Betätigen des Linearaktuators 27 in beiden Richtungen genutzt wird. Da die Freilaufkupplung 10 bei Rotation der Welle 6 in Löserichtung gesperrt bleibt, wird das Axialwälzlager 3 in dieser Betriebsphase als Gleitlager genutzt.
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Bei einem späteren erneuten Festziehen des Linearaktuators 27, das heißt Übergang in eine Parkposition als Position, in der die Bremsscheibe 35 mit Hilfe nicht dargestellter Bremsbeläge blockiert wird, wird die Freilaufkupplung 10 wieder in Freilaufrichtung betrieben, wobei durch die Klinken 12 lediglich ein geringes bremsendes Moment auf den Käfig 8 ausgeübt wird. Im Mittel sämtlicher Betriebsphasen ist der Linearaktuator 27 damit energie- sowie materialsparend, insbesondere was den zum Antrieb der Welle 6 genutzten Elektromotor betrifft, betreibbar.
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In 10 ist der Aufbau einer Lageranordnung 1 veranschaulicht, welche eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 1 darstellt. Im Fall von 10 ist das Axiallager 3 zweireihig aufgebaut, wobei eine innere Wälzkörperreihe mit 36 und eine äußere Wälzkörperreihe mit 37 bezeichnet ist. Der mit 38 bezeichnete Käfig der inneren Wälzkörperreihe 36 stellt einen reinen Wälzlagerkäfig dar und hat keinerlei Freilauffunktion. Die Freilauffunktion wird lediglich durch den Käfig 8 übernommen, welcher den inneren Käfig 38 ringförmig umgibt und die gleiche Funktion wie im Ausführungsbeispiel nach 1 hat. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 behält im Ausführungsbeispiel nach 1 die innere Wälzkörperreihe 36 in jedem Betriebszustand ihre Wälzlagerfunktion. Damit ist die Sperrwirkung und Bremswirkung des Freilaufs 10 im Fall von 10 weniger stark ausgeprägt als im Fall von 1.
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In 11 ist der Aufbau einer möglichen Lageranordnung 1 skizziert, welche als kombinierte Radiallager-Freilauf-Anordnung aufgebaut ist. In diesem Fall rollen die Wälzkörper 7 der Radiallagerung direkt auf einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 2 ab. Ebenso könnte in nicht dargestellter Weise ein gesonderte Lagerring 4, das heißt Außenring, vorhanden sein, in dem die Wälzkörper 7 abrollen. Ein Wälzkörperspiel ist in 11 übertrieben dargestellt. Der Innenring 5 ist über die hier nicht dargestellte Welle 6 fest mit einem Innenring 42 der Freilaufkupplung 10 verbunden, wobei die Ringe 5, 42 in diesem Fall in Axialrichtung gegeneinander versetzt sind.
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Die Freilaufkupplung 10 der Lageranordnung 1 nach 11 ist als Klemmrollenfreilauf ausgebildet und zwischen dem Innenring 42 und dem Käfig 8 wirksam. Der Käfig 8 ist fest verbunden oder einteilig ausgeführt mit Käfigelementen 39, welche die mit 40 bezeichneten Rollen, das heißt Klemmrollen, einzeln anfedern. Der Innenring 42 weist eine Rampenkontur 43 auf, welche dafür sorgt, dass eine Relativverdrehung zwischen dem Käfig 8 und dem Innenring 42 nur in einer definierten Richtung möglich und damit die gewünschte Freilaufwirkung gegeben ist.
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Die 12 bis 14 beziehen sich jeweils auf drei Betriebsphasen Ph1, Ph2, Ph3 der Lageranordnung 1, wobei in der ersten, als Vorwärtshub bezeichneten Betriebsphase Ph1 der Linearaktuator 27 in Freilaufrichtung betätigt, das heißt die Bremse angezogen wird, in der zweiten Betriebsphase Ph2, das heißt Haltephase, die Bremse festgezogen bleibt, und in der dritten Betriebsphase Ph3, welche als Rückwärtshub bezeichnet wird, der Linearaktuator 27 entgegen der ursprünglichen Richtung betätigt, das heißt die Bremse wieder gelöst wird. In 12 ist der Stellweg SW, das heißt Hub des Linearaktuators 27, in den drei Betriebsphasen Ph1, Ph2, Ph3, in 13 die in der Lageranordnung 1 wirkende Axialkraft Fax dargestellt.
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Die 14 zeigt idealisiert drei Kennlinien K1, K2, K2, welche für das antreibende Moment beim Festziehen der Bremse (K1), ein haltendes Moment (K2), sowie ein rückdrehendes Moment (K3) stehen. Das Rückdrehen des Linearaktuators 27 ist an jeder beliebigen Stelle unterbrechbar, wobei der Linearaktuator 27 stets in seiner aktuellen Position verbleibt, also Selbsthaltung gegeben ist. Die Selbsthaltung kann nur überwunden werden, wenn auf die Welle 6 ein zusätzliches, im vorliegenden Fall elektromotorisch zu erzeugendes rückdrehendes Moment wirkt. Die Geschwindigkeit der Verstellung kann in beiden Stellrichtungen stabil gesteuert werden. Insbesondere beim Übergang zwischen den Betriebsphasen Ph2 und Ph3 tritt, da die Freilaufkupplung 10 hierbei gesperrt bleibt, keine schlagartige Entspannung eines sperrenden Mechanismus auf. Dies ermöglicht jederzeit eine sanfte Rückstellung in Richtung zur geöffneten Position der Feststellbremse.
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Das Diagramm nach 15 zeigt grundsätzliche Möglichkeiten der Variation eines Haltemoments Mh, welches durch die Freilaufkupplung 10 aufgenommen werden kann, und gilt prinzipiell für sämtliche Ausführungsbeispiele. Mit FL ist allgemein eine mechanische Belastung der Lageranordnung 1 bezeichnet. Das Haltemoment Mh kann unter anderem durch eine konstante Belastung (Fconst) bestimmt werden, die unabhängig vom aktuellen Betriebszustand gegeben ist. Insbesondere kann die Lageranordnung 1 zu diesem Zweck mit einem Federelement 23 belastet sein. Zusätzlich treten variable Belastungen (Fvar) der Freilaufkupplung 10 auf, welche linear von der Lagerbelastung FL abhängen. Insgesamt ergibt sich durch Summation dieser beiden Kurven (Fconst + Fvar = Fres) das Haltemoment Mh, welches überwunden werden muss, um die Lagerelemente 4, 5 in Sperrrichtung der dann als Bremse wirkenden Freilaufkupplung 10 gegeneinander zu verdrehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Axialwälzlager mit Freilauffunktion
- 4
- Lagerelement, Gehäusescheibe, Lagerring, Außenring
- 5
- Lagerelement, Wellenscheibe, Lagerring, Innenring
- 6
- Welle
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Käfig, inneres Kupplungsteil
- 9
- Tasche
- 10
- Freilaufkupplung
- 11
- äußeres Kupplungsteil
- 12
- Klinke
- 13
- Schraubenfeder
- 14
- Federstützblock
- 15
- gehäusefestes Hülsenbauteil
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Anschlusskontur der Welle
- 18
- zweites Axiallager
- 19
- Käfig des zweiten Axiallagers
- 20
- Wälzkörper des zweiten Axiallagers
- 21
- Federabstützdeckel
- 22
- Gehäusescheibe des zweiten Axiallagers
- 23
- Federelement, Tellerfeder, Vorspannmittel
- 24
- Gehäuseteil
- 25
- Gehäuseteil
- 26
- Verzahnung des Käfigs 8, Rastgeometrie
- 27
- Linearaktuator
- 28
- Spindeltrieb
- 29
- Gewindespindel
- 30
- Bremskolben
- 31
- Faltenbalg
- 32
- Spindelmutter
- 33
- wellenfestes Element
- 34
- Gewindegang
- 35
- Bremsscheibe
- 36
- innere Wälzkörperreihe
- 37
- äußere Wälzkörperreihe
- 38
- Käfig der inneren Wälzkörperreihe
- 39
- Käfigelement der Freilaufkupplung
- 40
- Rolle der Freilaufkupplung
- 41
- Federelement der Freilaufkupplung
- 42
- Innenring der Freilaufkupplung
- 43
- Rampenkontur des Innenrings 42
- Fax
- Axialkraft
- Fconst
- konstante Lagerbelastung
- FL
- Lagerbelastung
- Fres
- resultierende Lagerbelastung
- Fvar
- variable Lagerbelastung
- K1... K3
- Kennlinien
- M
- Moment
- MA
- Mittelachse
- Mh
- Haltemoment
- Ph1 ... Ph3
- Phasen
- SW
- Stellweg
