DE10103642A1 - Aktuator - Google Patents

Abstract

Aktuator (1) mit einer trocken laufenden Kupplung (6) und einem trocken laufenden Getriebe (12), wobei ein Teil der Kupplung (6) in dem Getriebe (12) integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Aktuatoren werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungen Verwendet, so z. B. bei Lenksystemen, die ohne mechanische Kopplung zwischen Lenkhandrad und gelenkten Fahrzeugrädern arbeiten. Diese Lenksysteme werden als steer-by-wire-Lenksysteme bezeichnet. Diese Lenksysteme weisen einen mit dem Lenkhandrad gekoppelten Lenkhandradak­ tuator auf, der sich beispielsweise aus Elektromotor, Lenk­ winkel- und/oder Drehmomentsensor zusammensetzt. Dieser Lenkhandradaktuator ist über eine elektronische Regelung mit einem Lenkaktuator verbunden, der elektrisch, hydrau­ lisch oder pneumatisch arbeiten kann. Die Differenz zwi­ schen einem vorgegebenen Soll-Wert und einem gemessenen Ist-Wert wird von einer Erfassungseinheit erfaßt und an ein Steuergerät übermittelt. Eine Elektronikeinheit berechnet dann aus diesem Signal und in Abhängigkeit von weiteren Faktoren wie z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Querbeschleuni­ gung, Fahrbahnoberfläche und Beladungszustand ein erforder­ liches Hilfsmoment, das über den Lenkaktuator auf die zu lenkenden Räder des Kraftfahrzeuges übertragen wird. Um dem Fahrer Rückmeldung über den momentanen Fahrzustand übermit­ teln zu können, wird über den Lenkhandradaktuator ein ent­ sprechendes Signal auf das Lenkhandrad übertragen, sodaß der Fahrer ein gleiches Lenkgefühl wahrnimmt, wie er es von herkömmlichen, mechanisch gekoppelten Lenksystemen gewohnt ist. Neben den Baugruppen Lenkaktuator, Lenkhandradaktuator und Regelsystem weisen solche steer-by-wire-Lenksysteme häufig noch ein Rückfallsystem auf, das z. B. aus einer durch eine Kupplung unterbrochene Lenksäule bestehen kann. Diese Kupplung muß unter Last schaltbar sein, um die volle Funktionalität des steer-by-wire-Lenksystems zu gewährlei­ sten. Die Kupplung wird im normalen Betriebszustand ge­ schmiert, dadurch muß die Anpreßkraft der Kupplungsfeder und demzufolge auch die für das Öffnen notwendige magneti­ sche Kraft erhöht werden. Dies bedingt eine größere magne­ tische Spule. Meist ist jedoch keine Einbauraumvergrößerung möglich, so daß die Kupplung möglichst klein bauen muß, um überhaupt im Fahrzeug integriert werden zu können. Aus die­ ser Forderung heraus ergibt sich eine trocken laufende Kupplung, die platzsparend eingebaut werden kann.

In der DE 198 05 015 C1 ist ein Lenksystem beschrie­ ben, das einen hydraulischen Aktuator aufweist, der über ein elektrisches Regelventil einen Zylinder ansteuert. Das beschriebene Lenksystem weist zudem eine Lenksäulenverbin­ dung mit einer hydraulischen Kupplung auf. Diese Kupplung hat die Aufgabe in Notfällen eine mechanische Zwangskopp­ lung zwischen Lenkhandrad und gelenkten Rädern herzustel­ len. Die verwendete Kupplung ist durch Federkraft in schließender Richtung beaufschlagt und kann durch Einspei­ sung von hydraulischem Druck in ein Verdrängeraggregat ge­ öffnet werden.

Nachteilig an dem in der DE 198 05 015 C1 beschriebe­ nen Lenksystem ist die Tatsache, daß es für elektrische Regelventile in hydraulischen Lenksystemen kaum Seriener­ fahrungen gibt, was ein hohes Risiko und einen hohen Ent­ wicklungsaufwand bedeutet. Zudem fällt das Lenksystem bei Ausfall des Regelsystems in eine mechanische Lenkung zu­ rück, was für den Fahrer große Lenkkräfte bedeutet. Erfolgt diese Reaktion plötzlich, kann dies zu Fehlreaktionen beim Fahrer führen.

Desweiteren sind Lenksysteme bekannt, die mit einer Kupplung und einem elektrischen Aktuator ausgerüstet sind. Bei diesen Lenksystemen ist vor allem eine ausreichende Energieversorgung bei großen Lenkkräften schwierig umzuset­ zen.

Alle diese Lenksysteme haben zusätzlich das Problem des Einbauraums. Die verwendeten Bauteile müssen sich leicht ein- und ausbauen lassen können, ohne dabei mit an­ deren Aggregaten im Motorraum zu kollidieren. Die Kupplung, die unter Last schaltbar ist, darf keinen großen Bauraum in Anspruch nehmen, vielmehr sollte sie sich in anderen Kompo­ nenten integrieren lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Aktuator darzustellen, der trotz kompakter Einbaumaße hohe Kupplungsmomente übertragen kann und unter Last schaltbar ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisenden, gattungsgemäßen Aktuator gelöst.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt insbesondere dadurch, daß in dem Aktuator die Kupplung und das Getriebe trocken laufen und ein Teil der Kupplung in dem Getriebe integriert ist. Die Kupplung kann auch unter Last geöffnet werden. Eine Stirnverzahnung überträgt dabei ein Drehmoment in Ab­ hängigkeit von Verzahnungswinkel, Reibwert, Anpreßkraft der Kupplungsfeder und Durchmesser der Stirnverzahnung. Diese Faktoren müssen so gewählt werden, daß keine Selbsthemmung der Kupplung auftreten kann, welche ein Öffnen der Kupplung unter Last ausschließen würde. Aufgrund des wesentlich hö­ heren Reibwertes einer trocken laufenden Kupplung kann der Durchmesser der Stirnverzahnung der Kupplungsscheiben klei­ ner gewählt werden, wodurch sie leichter im Fahrzeug inte­ griert werden kann. Eine Kupplungsscheibe ist gleichzeitig Teil des Getriebes, was zu einer hohen Funktionalität bei kleinem Einbauraum führt. Durch die Integration des Getrie­ bes muß dieses aufgrund der Forderung nach einer trocken laufenden Kupplung und einer kompakten Bauweise auch troc­ ken laufen. Aufgrund dieser Forderungen muß eine geeignete Verzahnung des Getriebes gewählt werden, die hohe Funktio­ nalität und Trockenlauf miteinander verbindet. Um die Ge­ fahr eines Verklemmen der Zahnräder des Getriebes zu redu­ zieren, wählt man bei einem trocken laufenden Getriebe auf­ grund eines höheren Reibwertes eine größere positive Pro­ filverschiebung am treibenden Zahnrad mit kleiner Zähnezahl und eine kleine positive bis negative Profilverschiebung am getriebenen Zahnrad mit großer Zähnezahl. Zusätzlich ver­ kleinert man bei der trocken laufenden Verzahnung die Ein­ trittseingriffsstrecke und vergrößert die Austrittsein­ griffsstrecke. Die trocken laufende Verzahnung kann als progressives oder degressives Reibsystem ausgelegt werden. Ein progressives Reibsystem am Eintrittsbeginn hat bei Trockenlauf die Tendenz die Flanken der Verzahnung aufzu­ rauhen, während ein degressives Reibsystem bei Trockenlauf am Zahnaustritt die Flanken eher glättet. Der Übergang vom progressiven zum degressiven Reibsystem erfolgt im Wälz­ punkt. Bei weit vom Wälzpunkt entfernt liegenden Punkten auf der Eingriffsstrecke, gleitet ein großer Abschnitt der Gegenzahnkopfkante der Verzahnung an einem kleinen Ab­ schnitt der Zahnfußflanke vorbei. Aufgrund des kleinen Krümmungsradius steigt hier die Hertz'sche Pressung in der Verzahnung stark an. Bei großen Reibungswinkeln, d. h. große Reibwerte und große Abstände vom Wälzpunkt besteht die Ge­ fahr des Verklemmens der Verzahnung, da die resultierende Kraft nicht mehr unterhalb des Drehpunktes der Verzahnung zeigt. Bei Ritzeln mit kleinen Zähnezahlen erzielt man mit einer großen Profilverschiebung am treibenden Rad eine kleine Eintrittseingriffsstrecke und eine große Aus­ trittseingriffsstrecke. Die Verzahnung des Getriebes zeich­ net sich dadurch aus, daß zumindest die Laufflächen eines der Zahnräder beschichtet sind, und. die Laufflächen der Verzahnung eine höhere Verschleißfestigkeit und einen nied­ rigeren Reibungskoeffizienten aufweisen als das jeweils zugehörige Grundmaterial. Durch eine geeignete Wahl der Beschichtung der Zahnräder des Getriebes kann eine Wir­ kungsgradverbesserung und eine Erhöhung der Dauerfestigkeit erreicht werden. Hierbei sind vor allem PVD-Beschichtungen, galvanische und mechanische Beschichtungen sowie Beschich­ tungen durch Ionenimplantation zu erwähnen.

Nachfolgend ist anhand der Figur ein Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Aktuators näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch einen er­ findungsgemäßen Aktuator, der Teil eines steer-by-wire- Lenksystems ist.

Ein Aktuator 1 weist einen Lenkhandradaktuator 2 und einen Lenkaktuator 3 auf, die in einem Gehäuse 4 integriert sind. Der Lenkhandradaktuator 2 und der Lenkaktuator 3 ste­ hen über eine Kupplung 6 und ein Getriebe 12 in Wirkverbin­ dung. Eine Eingangswelle 5 des Lenkhandradaktuators 2 ist mit einer nicht dargestellten Lenksäule verbunden. Über die, eine selbsthemmende Stirnverzahnung 7 aufweisende, Kupplung 6, kann die Eingangswelle 5 mit einem Getrieberad 8 in Eingriff gebracht werden. Das Getrieberad 8 greift in ein Antriebsritzel 9 ein, das mit einer Antriebswelle 10 eines Elektromotors 11 des Lenkaktuators 3 verbunden ist. Das Getrieberad 8 übernimmt gleichzeitig die Funktion einer Kupplungsscheibe 13. Das Getrieberad 8 steht mit einem Drehschieberventil 14 in Wirkverbindung. Das Drehschieber­ ventil 14 enthält zwei Ventilelemente, die koaxial ineinan­ der beweglich angeordnet und zum Erzielen eines Steuerweges begrenzt zueinander verdrehbar angeordnet sind.

Dabei ist ein erstes Ventilelement, das mit einem Ventil- Eingangsglied 15 verbunden ist, als radial innenliegender Drehschieber 16 ausgebildet. Ein zweites Ventilelement ist mit einem Ventil-Ausgangsglied 17 drehfest verbunden und als radial außenliegende Steuerbuchse 18 ausgebildet. Der Drehschieber 17 ist zusätzlich über eine einen Steuerweg begrenzende Totgangkupplung mit einem Antriebsritzel 19 verbunden. Ein in dem Antriebsritzel 19 spielfrei einge­ presster Stift 20 greift zur Drehmitnahme in die Steuer­ buchse 18 ein.

Beide Ventilelemente weisen Steuerlängsnuten auf, die we­ nigstens zu einem Teil in ihrer axialen Erstreckung be­ grenzt sind und zur Steuerung eines Druckmittels von oder zu einem der zwei Arbeitsräume eines nicht dargestellten Servomotors dienen. Zur Rückstellung der beiden Ventilele­ mente aus einer ausgelenkten Stellung in ihre Neutralstel­ lung dient eine Drehstabfeder 21. Das Antriebsritzel 19 steht über seine Verzahnung im Eingriff mit einer Zahnstan­ ge 22, die in dem Gehäuse 4 axial verschiebbar geführt ist. Über ein federbelastetes Druckstück 23 wird ein definiertes Verzahnungsspiel zwischen Antriebsritzel 19 und Zahnstan­ ge 22 eingestellt.

Bezugszeichen

1

Aktuator

2

Lenkhandradaktuator

3

Lenkaktuator

4

Gehäuse

5

Eingangswelle

6

Kupplung

7

Stirnverzahnung

8

Getrieberad

9

Antriebsritzel

10

Antriebswelle

11

Elektromotor

12

Getriebe

13

Kupplungsscheibe

14

Drehschieberventil

15

Ventil-Eingangsglied

16

Drehschieber

17

Ventil-Ausgangsglied

18

Steuerbuchse

19

Antriebsritzel

20

Stift

21

Drehstabfeder

22

Zahnstange

23

Druckstück

Claims (9)

1. Aktuator (1), mit einer trocken laufenden Kupp­ lung (6) und einem trocken laufendem Getriebe (12), dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kupp­ lung (6) in dem Getriebe (12) integriert ist.

2. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Getrieberad (8) gleich­ zeitig als Kupplungsscheibe (13) verwendet werden kann.

3. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kupplung (6) unter Last geschaltet werden kann.

4. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kupplung (6) eine selbsthemmende Stirnverzahnung (7) aufweist.

5. Aktuator (1) nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zumin­ dest ein Zahnrad des Getriebes (12) beschichtete Laufflä­ chen aufweist.

6. Aktuator (1) nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laufflächen eine höhere Verschleißfestigkeit und einen niedrigeren Reibungskoeffi­ zienten aufweisen als das jeweils zugehörige Grundmaterial.

7. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das trocken laufende Ge­ triebe (12) aufgrund eines höheren Reibwertes eine größere positive Profilverschiebung am treibenden Zahnrad mit klei­ ner Zähnezahl und eine kleine positive bis negative Profil­ verschiebung am getriebenen Zahnrad mit großer Zähnezahl aufweist.

8. Aktuator (1) nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine PVD-, galvanische oder mechanische Beschichtung der Oberfläche der Zahnräder des Getriebes (12) oder durch Io­ nenimplantation eine Wirkungsgradverbesserung und eine Er­ höhung der Dauerfestigkeit erreicht wird.

9. Verwendung von mindestens einem Aktuator (1) in einem Lenksystem, der nach einem der vorangegangenen Pa­ tentansprüche ausgebildet ist, sich aus einem Lenkaktua­ tor (3) und einem Lenkhandradaktuator (2) zusammensetzt und über Kupplung (6) und Getriebe (12) miteinander in Wirkver­ bindung stehen.