DE10393932T5

DE10393932T5 - Elektromechanische Schraubstellgliedanordnung

Info

Publication number: DE10393932T5
Application number: DE10393932T
Authority: DE
Inventors: Richard Corbett; Ettore Berutti
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-12-15
Also published as: WO2004057207A1; AU2003293966A1; US20070012126A1; ITTO20021103A1

Abstract

Elektromechanische Schraubstellgliedanordnung des Typs, welcher umfasst:
ein an einem Kraftfahrzeug befestigbares Gehäuse (11),
einen Elektromotor (30), welcher in dem Gehäuse (11) montiert ist und einen an dem Gehäuse (11) befestigten Stator (31) sowie einen Rotor (34) umfasst,
einen Schraubmechanismus (60), welcher eine drehbare Mutter (61) und eine entlang einer gegebenen Achse (x) verschiebbare Zentralschraube (62) umfasst, und
zwischen dem Rotor (34) und dem Schraubmechanismus (60) angeordnete Untersetzungsmittel (50) zum Antreiben einer Verschiebung der Schraube (62),
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) an einem Trägerelement (21) von im Wesentlichen röhrenförmiger, zylindrischer Form, welches innerhalb des Gehäuses (11) koaxial zu der Achse (x) verläuft, befestigt. ist oder integral mit einem solchen Trägerelement (21) ausgebildet ist, wobei das Trägerelement (21) nach außen den Rotor (34) des Elektromotors (30) drehbar lagert und nach innen die Mutter (61) des Schraubmechanismus (60) drehbar lagert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Schraubstellgliedanordnung des im Oberbegriff von Anspruch 1 erwähnten Typs.
Stellgliedanordnungen des oben genannten Typs sind beispielsweise aus der US-6 315 092 bekannt. Diese Stellglieder werden in verschiedenen Gebieten eingesetzt, beispielsweise im Fahrzeugbereich zum Betätigen von Bremsen, Reibungskupplungen, Getrieben, etc. Ein Elektromotor, welcher in einem am Fahrzeug befestigbaren Gehäuse montiert ist, versetzt ein Mutternelement eines Schraubmechanismus über ein Untersetzungssystem in Drehung. Der Schraubmechanismus umfasst eine Schraube, welche mit einem Kolbenstellkopf verbunden ist, auf welchen eine umkehrbare Linearbewegung mit hoher Stellkraft ausgeübt wird.
Ein Problem, welches bei herkömmlichen elektromechanischen Stellgliedanordnungen auftritt, geht zurück auf das Spiel zwischen den verschiedenen Übertragungselementen der Anordnung, welche im Allgemeinen kaskadenartig verbunden sind. Die Toleranz der Kopplungen zwischen den Übertragungselementen addiert sich, wodurch eine Fehlausrichtung zwischen den Rotations- und Translationsachsen dieser Elemente auftreten kann, welche somit einem frühzeitigen und ungleichmäßigen Verschleiß unterliegen. Insbesondere verschleißen die Räder des Planetenrad-Untersetzungssystems bei der Verwendung tendenziell sehr schnell, wenn sie nicht korrekt parallel zur Längsmittelachse des Stellglieds, welche mit der Verschiebungsachse des Kolbenelements zusammenfällt, ausgerichtet sind. Ein übermäßiger Anstieg des Spiels und die folgliche Fehlausrichtung der Achsen der Übertragungselemente führt zu einem Effizienzverlust der Stellgliedanordnung und verkürzt deren Lebensdauer.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromechanische Schraubstellgliedanordnung bereitzustellen, welche auf einen breiten Bereich von Anwendungen anwendbar ist, welcher in der Lage ist, die oben diskutierten Unannehmlichkeiten des Stands der Technik zu vermeiden, und welche insbesondere eine Parallelität der Rotations- oder Translationsachsen der Rotations- und Translationselemente der Anordnung garantiert.
Die vorstehende Aufgabe sowie andere Aufgaben und Vorteile, welche im Folgenden besser verständlich werden, werden gemäß der Erfindung durch eine elektromechanische Stellgliedanordnung mit den in den beigefügten Ansprüchen definierten Merkmalen gelöst bzw. erzielt.
Die Konstruktions- und Funktionsmerkmale einiger bevorzugter, jedoch nicht beschränkender, Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer Stellgliedanordnung gemäß der Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht ist, welche die Stellgliedanordnung von 1 zeigt, welche am Rahmen eines Bremssattels montiert ist;
3 ein axialer Längsschnitt der Anordnung von 1 ist;
4, 5A und 5B axiale Teilschnitte von jeweils drei möglichen Varianten sind;
6 und 7 eine perspektivische Ansicht bzw. eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer Unteranordnung der Anordnung in 1 sind.
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen. Eine elektromechanische Anordnung gemäß der Erfindung ist insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Anordnung 10 umfasst ein Gehäuse 11, welches äußere radiale Flansche 12 mit Bohrungen 13 zum Befestigen der Anordnung am Rahmen eines schematisch in 2 gezeigten Bremssattels A ausbildet. Natürlich sollte der Bezug auf dieses mögliche Anwendungsgebiet in keiner Weise als den Umfang des Patents beschränkend ausgelegt werden.
Ein wichtiges Merkmal der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass das Gehäuse 11 mit einem insgesamt mit 20 bezeichneten Trägerkörper starr gekoppelt oder integral ausgebildet ist, welcher einen mittleren röhrenförmigen Abschnitt 21 bildet, der koaxial zur Längsmittelachse x der Stellgliedanordnung in das Gehäuse 11 hinein verläuft. Wie im Folgenden weiter erläutert wird, stützt der mittlere röhrenförmige Abschnitt 21 nach innen und nach außen die meisten der Rotations- und Translations-Übertragungselemente der Stellgliedanordnung ab, wodurch die korrekte Ausrichtung ihrer Rotations- oder Translationsachsen garantiert wird und Exzentrizitäten und der Verschleiß dieser Elemente auf minimale Fehlausrichtungen reduziert werden.
An der Ausgangsseite des Stellglieds bildet der Trägerkörper 20 eine radiale Endwand 22, von welcher aus sich ein röhrenförmiger axialer Randabschnitt 23 erstreckt, um den Stator 31 eines Elektromotors 30, vorzugsweise eines bürstenlosen Motors, welcher in der Stellgliedanordnung eingebaut ist, an dem Gehäuse 11 axial zu fixieren. Die Statorwindungen sind mit 32 bezeichnet. Der Randabschnitt 23 dient auch zum Zentrieren des Gehäuses 11 in Bezug auf den mittleren röhrenförmigen Abschnitt 21.
Der Elektromotor 30 umfasst Permanentmagneten 33, welche an einem röhrenförmigen zylindrischen Abschnitt 35 eines Rotors 34 befestigt sind, der über ein Nadellager 40 und ein Kugellager 41 drehbar an dem mittleren röhrenförmigen Abschnitt 21 des Trägerkörpers 20 angebracht ist.
Der Rotor 34 bildet einen radialen Flansch 36, welcher als Planetenträger für ein Planetenrad-Untersetzungssystem, insgesamt mit 50 bezeichnet, dient, über welches die Drehung des Rotors 34 auf ein später zu beschreibendes Mutternelement 61 eines Schraubmechanismus 60 übertragen wird. An dem Planetenträgerflansch 36 sind axial hervorstehende Stifte 51 befestigt, an welchen Satellitenräder 52 angebracht sind, welche jeweils zwei einander benachbarte gezahnte Abschnitte 53, 54 aufweisen. Die gezahnten Abschnitte 53 und 54 kämmen jeweils mit einem festen Getrieberad 55, welches an einer äußeren zylindrischen Fläche des mittleren röhrenförmigen Abschnitts 21 des Trägerkörpers 20 befestigt ist, bzw. einem Ausgangsgetrieberad 56, welches an der zylindrischen Außenfläche des Mutternelements 61 befestigt ist.
Im Wesentlichen im mittleren Teil ist die Mutter 61 drehbar in dem mittleren röhrenförmigen Abschnitt 21 des Trägerkörpers 20 mittels eines Nadellagers 43 angebracht. In Richtung des entgegengesetzten Endes (nach rechts in den 1 und 3) ist die Mutter 61 bezüglich des Gehäuses 11 durch ein Schrägkugellager 44 drehbar gehalten, dessen radial innere Laufbahn direkt durch die Mutter 61 gebildet ist. Die radial äußere Laufbahn ist durch ein Hülsenelement 45 gebildet, welches einen innersten zylindrischen röhrenförmigen Abschnitt 46 größeren Durchmessers und einen äußersten zylindrischen röhrenförmigen Abschnitt 47 kleineren Durchmessers aufweist. Ein separates ringförmiges Element 48 trägt zur Bildung eines Teils der radial äußeren Laufbahn des Lagers 44 bei und ist in dem Abschnitt größeren Durchmessers 46 der Hülse 47 aufgenommen und mittels eines Halterings 49 (Seeger-Ring) axial fixiert.
In dem illustrierten Beispiel ist der Schraubmechanismus 60 eine Kugelumlaufspindel. Die Mutter 61 und die Schraube 62 weisen jeweils Gewinde 63 und 64 auf, welche einander entsprechend ausgebildet sind und nicht gezeigte Kugeln aufnehmen, durch welche die Drehbewegung der Muttern 61 in eine Linearbewegung einer Verschiebung der Mittelschraube 62 entlang der Längsachse x der Stellgliedanordnung umgewandelt wird. Am Ausgangsende (links in 1 und 3) ist die Schraube 62 drehfest mit einem Kolbenelement 70 gekoppelt. Die Kopplung zwischen dem Kolbenelement 70 und der Schraube 62 ist durch eine Befestigungsschraube 71 und eine gezahnte Kopplung oder eine an der Übergangsstelle zwischen dem Kolben 70 und der Schraube 62 gebildeten Abflachung 72 (3) vorgesehen, um eine Relativdrehung zwischen diesen beiden Elementen zu verhindern.
Das Kolbenelement 70 weist eine zylindrische Oberfläche 73 auf, welche mit einem geringfügigen radialen Spiel in einer zylindrischen Bohrung 24 des mittleren röhrenförmigen Abschnitts 21 des Trägerkörpers 20 aufgenommen und axial darin geführt ist. Vorzugsweise ist eine gezahnte oder eine gleichartige Kopplung 26 an der Übergangsstelle zwischen der Bohrung 24 und der zylindrischen Oberfläche 73 des Kolbens vorgesehen, um eine Relativdrehung zwischen dem Kolben und den ortsfesten Teilen des Stellglieds zu verhindern. Für diesen Zweck kann auch eine Schlüsselkopplung/Keilkopplung verwendet werden.
Ein Verriegelungselement 80 mit Gewinde ist in den äußeren Abschnitt 47 des Hülsenelements 45 eingeschraubt um die Unteranordnung, welche das Hülsenelement 45, das Schrägkugellager 44 und die Mutter 61 umfasst, axial am Gehäuse 11 zu fixieren. In der in 4 gezeigten Variante wird die axiale Fixierung der Unteranordnung, anstelle der Verwendung eines Verriegelungselements mit Gewinde, durch Kaltumformen (vorzugsweise durch Walzen) eines Endabschnitts 47' des Hülsenelements 45, welcher radial nach außen gegen eine radiale Wand 14 des Gehäuses 11 deformiert ist, erreicht.
In der Ausführungsvariante von 5A ist die radial äußere Laufbahn des Schrägkugellagers 44 vollständig durch das Hülsenelement 45 gebildet, während die radial innere Laufbahn teilweise durch die Mutter 61 und teilweise durch ein separates ringförmiges Element 48' gebildet ist, das über ein Seeger-Halteelement 49' axial an der Mutter befestigt ist.
Die Ausführungsform der 5B unterscheidet sich von der in der 5A darin, dass der separate Ring 48' an der Mutter 61 axial durch Kaltumformen (vorzugsweise durch Walzen) eines Endabschnitts 61' der Mutter, welcher radial nach außen gegen eine radiale Wand des Rings 48' deformiert ist, fixiert ist.
Die Ausführungsformen der 5A und 5B erlauben in vorteilhafter Weise den maximalen Außendurchmesser der oben erwähnten Unteranordnung weiter zu reduzieren.
Wird der Elektromotor 30 aktiviert, so versetzt der Rotor 34 die Mutter 61 über das Planetenrad-Untersetzungssystem 50 in Rotation. Die Drehbewegung der Mutter wird über die umlaufenden Kugeln (nicht gezeigt) in eine lineare Verschiebungsbewegung der Schraube 62 umgewandelt, wodurch entsprechend der durch den Elektromotor eingeleiteten Drehrichtung ein Herausfahren oder Zurückziehen des Kolbenelements 70 verursacht wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, in welchen Übertragungselemente, die den oben beschriebenen ähnlich oder gleichartig sind, kaskadenartig verbunden sind, ermöglicht es die Erfindung, die Exzentrizität und die Fehlausrichtung zwischen den Übertragungselementen der Stellgliedanordnung unter Kontrolle zu halten und auf ein Minimum zu reduzieren, wodurch der im einleitenden Teil der vorliegenden Beschreibung erwähnte Nachteil ausgeräumt wird. Dieses Ergebnis ist dem mittleren röhrenförmigen Abschnitt 21 des Trägerkörpers 20 zu verdanken, welcher ein einzelnes Trägerelement bildet, das einen genauen Bezug bestimmt für:

– die Rotationsachsen von Rotationselementen, welche an der Außenseite des röhrenförmigen Abschnitts 21 abgestützt sind, d. h. dem Rotors des Elektromotors und dem Planetenrad-Untersetzungssystems;
– die Drehachse der Mutter 61, welche an der Innenseite des mittleren röhrenförmigen Abschnitts 21 getragen ist; und
– die Translationsachse der Schraube 62 und des Kolbens 70, welcher durch die Bohrung 24 des röhrenförmigen Abschnitts 21 aufgenommen und präzise axial geführt wird.

Ferner erlaubt der Randabschnitt 23 des Trägerkörpers 20 eine präzise Montage des Stators 31 in Bezug auf den Rotor 34 des Elektromotors.
Anzumerken ist ferner, dass die vorliegende Erfindung den Zusammenbau des Elektromotors und der Schraubmechanismus-Unteranordnung erleichtert.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hierin beschriebenen und illustrierten Ausführungsformen, welche als Konstruktionsbeispiele der Stellgliedanordnung anzusehen sind, beschränkt. Ferner ist es wahrscheinlich, dass die Erfindung in Bezug auf die Form und die Position von Teilen sowie bezüglich Details der Konstruktion und Funktion abgewandelt wird. Beispielsweise können die verschiedenen Lager, auf welchen die drehbaren Elemente montiert sind, von anderer Art sein als die gezeigten und können Gleit-, Nadel-, Kugel-, Walzenlager, usw., wie sie dem Fachmann bekannt sind, umfassen.
Zusammenfassung
Eine elektromechanische Schraubstellgliedanordnung umfasst ein an einem Kraftfahrzeug befestigbares Gehäuse (11), einen Elektromotor (30), welcher in dem Gehäuse (11) montiert ist und einen an dem Gehäuse (11) befestigten Stator (31) sowie einen Rotor (34) umfasst, einen Schraubmechanismus (60), welcher eine drehbare Mutter (61) und eine entlang einer gegebenen Achse (x) verschiebbare Zentralschraube (62) umfasst, und zwischen dem Rotor (34) und dem Schraubmechanismus (60) angeordnete Untersetzungsmittel (50) zum Antreiben einer Verschiebung der Schraube (62). Das Gehäuse (11) ist an einem Trägerelement (21) von röhrenförmiger, zylindrischer Form, welches innerhalb des Gehäuses (11) koaxial zu der Achse (x) verläuft, befestigt oder integral mit einem solchen Trägerelement (21) ausgebildet. Das Trägerelement (21) lagert nach außen drehbar den Rotor (34) des Elektromotors (30) und lagert nach innen drehbar die Mutter (61) des Schraubmechanismus (60).
(1)

Claims

Elektromechanische Schraubstellgliedanordnung des Typs, welcher umfasst: ein an einem Kraftfahrzeug befestigbares Gehäuse (11), einen Elektromotor (30), welcher in dem Gehäuse (11) montiert ist und einen an dem Gehäuse (11) befestigten Stator (31) sowie einen Rotor (34) umfasst, einen Schraubmechanismus (60), welcher eine drehbare Mutter (61) und eine entlang einer gegebenen Achse (x) verschiebbare Zentralschraube (62) umfasst, und zwischen dem Rotor (34) und dem Schraubmechanismus (60) angeordnete Untersetzungsmittel (50) zum Antreiben einer Verschiebung der Schraube (62), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) an einem Trägerelement (21) von im Wesentlichen röhrenförmiger, zylindrischer Form, welches innerhalb des Gehäuses (11) koaxial zu der Achse (x) verläuft, befestigt. ist oder integral mit einem solchen Trägerelement (21) ausgebildet ist, wobei das Trägerelement (21) nach außen den Rotor (34) des Elektromotors (30) drehbar lagert und nach innen die Mutter (61) des Schraubmechanismus (60) drehbar lagert.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (21) einen axialen Hohlraum (24) zum Aufnehmen und axialen Führen eines Kolbenelements (70) bildet, welches an der Schraube (61) des Schraubmechanismus (60) befestigt oder integral mit dieser ausgebildet ist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Übergangsstelle zwischen dem axialen Hohlraum (24) des Trägerelements (21) und dem Kolbenelement (70) eine axial verzahnte Kopplung oder eine Formkopplung (26) vorgesehen ist, um eine Drehung der Schraube (62) oder/und des Kolbenelements (70) in Bezug auf das Gehäuse (11) zu verhindern.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (21) aus einem starren Körper (20) gebildet ist, welcher auch ein Trägerelement (23) zum Anbringen des Stators (31) des Elektromotors (30) aufweist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Trägerelement (21) außen wenigstens ein festes Getrieberad (55) der Untersetzungsmittel (50) trägt.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersetzungsmittel (50) ein Planetenrad-Untersetzungssystem umfassen.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) einen radialen Flansch (36) bildet, welcher als ein Träger für eine Mehrzahl von Satellitenrädern (52) dient.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Satellitenräder (52) zwei gezahnte Abschnitte (53, 54) aufweist, von welchen: – ein erster gezahnter Abschnitt (53) mit einem festen Rad (55) kämmt, welches am röhrenförmigen Trägerelement (21) befestigt ist und – ein zweiter gezahnter Abschnitt (54) mit einem Getrieberad (56) kämmt, welches drehfest an der Mutter (61) befestigt ist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubmechanismus (60) an einem seiner Enden durch ein Schrägkugellager (44) drehbar gehalten ist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Laufbahn des Schrägkugellagers (44) wenigstens teilweise durch ein axial an dem Gehäuse (11) gesichertes Hülsenelement (45) gebildet ist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenelement (45) axial an dem Gehäuse (11) durch Kaltumformen eines Endabschnitts (47') des Hülsenelements (45), welcher radial nach außen gegen eine radiale Wand (14) des Gehäuses (11) deformiert ist, gesichert ist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Laufbahn des Schrägkugellagers (44) vollständig durch ein Hülsenelement (45) gebildet ist, während die radial innere Laufbahn teilweise durch die Mutter (61) und teilweise durch ein separates, axial an der Mutter gesichertes (49') Ringelement (48') gebildet ist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Ringelement (48') axial an der Mutter (61) durch Kaltumformen eines Endabschnitts (61') der Mutter, welcher radial nach außen gegen eine radiale Wand des separaten Rings (48') deformiert ist, gesichert ist.
Stellgliedanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubmechanismus (60) eine Kugelumlaufspindel umfasst.
Stellgliedanordnung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Bremssattel (A) zum Ausüben einer Bremskraft auf ein Kraftfahrzeug gekoppelt ist.