Beschreibung
Titel
Elektrischer Antrieb mit Schneckengetriebe
Stand der Technik
Elektrische Antriebe, beispielsweise zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, umfassen häufig einen elektrischen Antriebsmotor und ein Untersetzungs- oder Vorlegegetriebe. Durch entsprechende Anpassung von Antriebsmotor und Getriebe aneinander lassen sich elektrische Antriebe in unterschiedlichen Leistungsbereichen, mit unterschiedlichen nutzbaren Drehzahlen und Drehmomenten und in unterschiedlichen äußeren Abmessungen herstellen.
In einer Variante, die beispielsweise zum Antrieb einer Scheibenwischanlage des Kraftfahrzeugs verwendet wird, laufen ein Rotor des elektrischen Antriebsmotors und eine Schneckenwelle eines Schneckengetriebes auf einer gemeinsamen Welle. Die gemeinsame Welle ist üblicherweise auf beiden Seiten des elektrischen Antriebsmotors mit Wellenlagern gelagert. In einer Variante existiert ein drittes Lager an dem Ende der gemeinsamen Welle, das der Schneckenwelle zugewandt ist. Dadurch wird die Verzahnung zwischen der Schneckenwelle und dem Schneckenrad zusätzlich abgestützt und ist nicht mehr allein von der Steifigkeit der Schneckenwelle abhängig, doch können bei Einsatz dreier Wellenlager Schwingungs- und Torsionsbeanspruchungen der sich drehenden Welle leichter über das mittlere Lager übertragen werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Antrieb bereitzustellen, der eine verbesserte Lagerung seiner Welle aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Das Problem wird gelöst durch einen elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Erfindungsgemäß umfasst ein elektrischer Antrieb ein Schneckengetriebe mit einer Schneckenwelle und einen elektrischen Antriebsmotor mit einem Rotor. Der Rotor und die Schneckenwelle sind auf axialen Abschnitten einer Welle angeordnet. Ferner umfasst der elektrische Antrieb zwei die Welle lagernde Wellenlager, von denen nur eines in Nachbarschaft zum Rotor auf der Welle angeordnet ist.
Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch die Möglichkeit, Bauraum einzusparen und gleichzeitig eine Verteilung von Wellenlagern auf der Welle zu realisieren, bei der die Lager aufgrund von verkürzten Hebeln weniger stark belastet sind und daher eine höhere Lebenserwartung aufweisen können.
Das Wellenlager, das nicht in Nachbarschaft zum Rotor liegt, kann auf einer dem Rotor abgewandten Seite der Schneckenwelle angeordnet sein. Daraus ergeben sich zwei alternative Aufteilungsmöglichkeiten für das in Nachbarschaft zum Ro- tor auf der Welle angeordnete Wellenlager. In einer ersten Ausführungsform liegt dieses Wellenlager zwischen dem Rotor und der Schneckenwelle. Das Ende der Schneckenwelle, auf welcher der Rotor angeordnet ist, ist dadurch nur einseitig (auch:„fliegend" oder„frei") gelagert, sodass ein für den elektrischen Antrieb erforderlicher Bauraum reduziert sein kann. In einer zweiten Ausführungsform kann das Lager auf einer der Schneckenwelle abgewandten Seite des Rotors angeordnet sein. Dadurch ist die Welle an ihren beiden Enden gelagert, woraus sich eine vorteilhafte Reduzierung von Hebelkräften bei Belastungen der Welle im Betrieb des elektrischen Antriebs ergeben kann. Der elektrische Antriebsmotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Ein solcher Motor erfordert weniger Bauraum entlang der Welle, das zu einer weiteren Bauraumreduzierung für den elektrischen Antrieb führen kann.
Der elektrische Antrieb kann ferner ein Gehäuse umfassen, in dem die Wellenlager und ein Stator des elektrischen Antriebsmotors gelagert sind. Durch Integration des Stators in das Gehäuse kann eine weitere Bauraumreduzierung realisiert
sein; darüber hinaus kann ein verbesserter Schutz des elektrischen Antriebsmotors gegen Verschmutzung und Vibrationen realisiert sein.
Ferner kann ein Sensor zur Bestimmung einer rotatorischen Position des Rotors im Gehäuse gelagert sein. Ein solcher Sensor kann insbesondere in Verbindung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor als elektrischer Antriebsmotor verwendet sein, um eine elektrische Steuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors durchzuführen. Durch das Gehäuse ist der Sensor gegen schädliche Umwelteinflüsse, wie Hitze, Vibrationen und Staub geschützt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, in denen:
Figur 1 einen elektrischen Antrieb mit bürstenlosem Elektromotor; Figur 2 eine Variante des elektrischen Antriebs aus Figur 1 und Figur 3 einen elektrischen Antrieb mit kommutiertem Elektromotor zeigen.
Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt einen elektrischen Antrieb 100 mit bürstenlosem Elektromotor. Der elektrische Antrieb 100 umfasst ein Gehäuse 1 10, in dem die Komponenten des elektrischen Antriebs 100 aufgenommen sind. Eine Schneckenwelle 120 und ein Schneckenrad 130 bilden zusammen ein Schneckengetriebe 140. Ein Rotor 150 und ein Stator 160 bilden gemeinsam einen elektrischen Antriebsmotor 170. Auf einer Welle 175 sind der Rotor 150 und die Schneckenwelle 120 axial hintereinander angeordnet. Ein erstes Wellenlager 180 ist auf der Welle 175 zwischen dem Rotor 150 und der Schneckenwelle 120 angeordnet. Ein zweites Wellenlager 185 befindet sich am rechten Ende der Welle, auf einer Seite der Schneckenwelle 120, die dem Rotor 150 des elektrischen Antriebsmotors 170 abgewandt ist. Ein erster Positionssensor 190 und ein zweiter Positionssensor 195 er-
fassen eine rotatorische Position, eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine Drehrichtung des Rotors 150.
Die Welle 175 ist üblicherweise aus Stahl gefertigt. Das erste Wellenlager 180 und das zweite Wellenlager 185 können beispielsweise Wälzlager, insbesondere
Kugellager, oder auch Gleitlager, wie beispielsweise Sinterlager sein. Die Schneckenwelle 120 kann einstückig mit der Welle 175 ausgeführt sein und das Schneckengewinde kann auf die Welle 175 aufgerollt oder in die Welle 175 geschnitten sein. In einer anderen Ausführungsform kann das Schneckengewinde ein separates, mit der Welle 175 axial oder radial Verbundes Element sein. Dabei kann die Schneckenwelle 120 auch aus einem anderen Material als die Welle 175 bestehen, insbesondere aus Kunststoff. Das Material des Schneckenrads 130 ist in Abhängigkeit der Materialeigenschaften der Schneckenwelle 120 und den zu erwartenden Kräften im Betrieb des elektrischen Antriebs 100 gewählt. Das Schneckenrad 130 kann auch aus Kunststoff gefertigt sein.
Der elektrische Antriebsmotor 170 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit innen liegendem Rotor 150. Dieser Typ von Elektromotoren kann im Vergleich zu einem kommutierten Gleichstrommotor vergleichbarer Leistung weniger Bauraum erfordern, insbesondere in axialer Richtung. Der Platzbedarf in radialer Richtung kann gleichzeitig gegenüber dem kommutierten Gleichstrommotor vergrößert sein. Der Rotor 150 des elektrischen Antriebmotors 170 kann beispielsweise auf die Welle 175 aufgepresst, aufgeschrumpft oder auf eine andere Weise mit ihr verbunden sein. Der Rotor 150 trägt eine Anzahl von Permanentmagneten und gegebenenfalls einen Rückschlussring und der Stator 160 eine Anzahl von Spulenwicklungen zur Erzeugung von zusammenwirkenden Magnetfeldern. Je nach elektrischer Ansteuerung der Spulenwicklungen sind die Permanentmagneten des Rotors bestrebt, sich in eine bestimmte rotatorische Position bezüglich des Stators auszurichten. Bei geeigneter elektrischer Ansteuerung der Spulen des Stators 160 dreht sich der Rotor 150 um eine Drehachse der Welle 175 in einer vorbestimmten Richtung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit.
Um die Ansteuerung der Spulen des Stators 160 in Abhängigkeit einer rotatorischen Position des Rotors 150 durchführen zu können, kann die rotatorische Po- sition des Rotors 150 bestimmt werden. Dazu können beispielsweise der erste
Positionssensor 190 und/oder der zweite Positionssensor 195 verwendet wer-
den. Andere als die dargestellten Einbaulagen der Positionssensoren 190 und 195 zwischen dem Rotor 150 und dem Gehäuse 1 10 sind ebenfalls möglich und nicht in Figur 1 dargestellt. Die Spulen des Stators 160 werden im Betrieb des elektrischen Antriebs 100 auf der Basis der bestimmten rotatorischen Position des Rotors 150 derart angesteuert, dass sich der Rotor 150 dreht und die Welle 175 antreibt. Radiale und axiale Kräfte auf die Welle 175 werden durch die Wellenlager 180 und 185 am Gehäuse 1 10 abgestützt. Die Welle 175 treibt die Schneckenwelle 120 an, die daraufhin das Schneckenrad 130 um dessen Drehachse bewegt.
Durch Verwendung des Schneckengetriebes 140 ist der elektrische Antrieb 100 selbstsperrend ausgeführt, so dass bei abgeschaltetem elektrischen Antriebsmotor 170 ein externes, auf das Schneckenrad 130 wirkendes Drehmoment nicht geeignet ist, eine Drehung des Rotors 150 herbeizuführen.
Figur 2 zeigt eine Variante des elektrischen Antriebs aus Figur 1 . Der wesentliche Unterschied des elektrischen Antriebs 100 aus Figur 2 gegenüber dem elektrischen Antrieb aus Figur 1 besteht darin, dass das erste Wellenlager 180 in Fi- gur 2 an einem linken Ende der Welle 175 angeordnet ist, statt wie in Figur 1 zwischen der Schneckenwelle 120 und dem Rotor 150. Dadurch kann es erforderlich sein, den elektrischen Antrieb 100 nach Figur 2 entlang der Welle 175 geringfügig länger zu gestalten als den elektrischen Antrieb 100 aus Figur 1. Andererseits hat die in Figur 2 gezeigte Anordnung des ersten Wellenlagers 180 den Vorteil, die Welle 175 durch den verlängerten Abstand zwischen dem ersten Wellenlager 180 und dem zweiten Wellenlager 185 genauer und belastbarer zu lagern. Außerdem werden auf diese Weise Biegeschwingungen in der Welle 175 nicht durch das erste Wellenlager 180 geleitet, sodass eine Resonanzfrequenz der Welle 175 gegenüber Biegeschwingungen reduziert ist.
Figur 3 zeigt einen elektrischen Antrieb 100 mit kommutiertem Elektromotor. Die in Figur 3 dargestellte Ausführungsform des elektrischen Antriebs 100 dient zum Vergleich mit den elektrischen Antrieben 100 aus Figuren 1 und 2. Der elektrische Antriebsmotor 170 ist kommutiert, dass heißt, dass Bürsten 310 vorgese- hen sind, um eine Ansteuerung von Spulen im Inneren des elektrischen Antriebsmotors 170 in Abhängigkeit einer rotatorischen Position der Welle 175 zu
steuern. Positionssensoren 190 und 195 aus den Figuren 1 und 2 sind hierfür nicht erforderlich.
Das erste Wellenlager 180 befindet sich an einem linken Ende der Welle 175 und stützt sich an einer äußeren Umhüllung 320 des elektrischen Antriebsmotors 170 ab. Das zweite Wellenlager 185 ist auf der Welle 175 zwischen dem elektrischen Antriebsmotor 170 und den Bürsten 310 angeordnet.
Da der kommutierte elektrische Antriebsmotor prinzipbedingt entlang der Welle 175 relativ lang baut und wegen des zusätzlichen Platzbedarfs der Bürsten 310 ist eine Ausdehnung des elektrischen Antriebs 100 in axialer Richtung größer als die der elektrischen Antriebe 100 nach Figuren 1 und 2. Zusätzlich ist ein Abstand zwischen dem rechten Ende der Schneckenwelle 120 und dem nächstliegenden Wellenlager 185 größer als in den elektrischen Antrieben 100 nach Figuren 1 und 2, wodurch die Welle 175 bei gleicher Belastbarkeit steifer ausgeformt sein muss.