DE102014214095A1

DE102014214095A1 - Aktuator für eine elektrohydraulische Bremsanlage

Info

Publication number: DE102014214095A1
Application number: DE102014214095.1A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Feigel
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Ein Aktuator (2) für eine elektrohydraulische Bremsanlage, der zum aktiven Druckaufbau in wenigstens einer Radbremse angesteuert werden kann, mit einem Gehäuse (38, 160), umfassend einen Elektromotor (8) mit einem Rotor (50) und einem Stator (44) und einen hydraulischen Druckraum (78), in dem zum Druckaufbau ein Druckkolben (90) verschoben wird und ein Rotations-Translationsgetriebe, das eine rotatorische Bewegung des Rotors (50) in eine translatorische Bewegung des Druckkolbens (90) umwandelt, soll bei gleichzeitiger Verringerung des axialen Bauraums einen optimierter Kraftfluss zum hydraulischen Druckaufbau ermöglichen. Dazu ist der Druckraum (78) als Ringkolbenkammer ausgebildet ist, in welcher der Druckkolben (90) verschiebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine elektrohydraulische Bremsanlage, der zum aktiven Druckaufbau in wenigstens einer Radbremse angesteuert werden kann, mit einem Gehäuse, umfassend einen Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator und einen hydraulischen Druckraum, in dem zum Druckaufbau ein Druckkolben verschoben wird und ein Rotations-Translationsgetriebe, das eine rotatorische Bewegung des Rotors in eine translatorische Bewegung des Druckkolbens umwandelt.
Bei modernen Bremssystemen, insbesondere elektrohydraulischen Bremssystemen mit der Betriebsart „Brake by Wire“, ist der Fahrer von dem direkten Zugriff auf die Bremsen entkoppelt. Bei Betätigung des Pedals werden gewöhnlich eine Pedalentkopplungseinheit und ein Simulator betätigt, wobei durch eine Sensorik der Bremswunsch des Fahrers erfasst wird. Der gewöhnlich als Hauptbremszylinder ausgebildete Pedalsimulator dient dazu, dem Fahrer ein möglichst vertrautes und komfortables Bremspedalgefühl zu vermitteln. Der erfasste Bremswunsch führt zu der Bestimmung eines Sollbremsmomentes, woraus dann der Sollbremsdruck für die Bremsen ermittelt wird. Der Bremsdruck wird dann aktiv von einer Druckbereitstellungseinrichtung in den Bremsen aufgebaut. Das tatsächliche Bremsen erfolgt also durch aktiven Druckaufbau in den Bremskreisen mit Hilfe einer Druckbereitstellungseinrichtung, die von einer Steuer- und Regeleinheit angesteuert wird. Durch die hydraulische Entkopplung der Bremspedalbetätigung von dem Druckaufbau lassen sich in derartigen Bremssystemen viele Funktionalitäten wie ABS, ESC, TCS, Hanganfahrhilfe etc. für den Fahrer komfortabel verwirklichen.
In derartigen Bremssystemen ist gewöhnlich eine hydraulische Rückfallebene vorgesehen, durch die der Fahrer durch Muskelkraft bei Betätigung des Bremspedals das Fahrzeug abbremsen bzw. zum Stehen bringen kann, wenn die „By-Wire“-Betriebsart ausfällt oder gestört ist. Während im Normalbetrieb durch eine Pedalentkopplungseinheit die oben beschriebene hydraulische Entkopplung zwischen Bremspedalbetätigung und Bremsdruckaufbau erfolgt, wird in der Rückfallebene diese Entkopplung aufgehoben, so dass der Fahrer direkt Bremsmittel in die Bremskreise verschieben kann.
Die Druckbereitstellungseinrichtung in oben beschriebenen Bremssystemen wird auch als Aktuator bzw. hydraulischer Aktuator bezeichnet. Insbesondere werden Aktuatoren als Linearaktuatoren bzw. Lineareinheiten ausgebildet, bei denen zum Druckaufbau ein Kolben axial in einen hydraulischen Druckraum verschoben wird, der in Reihe mit einem Rotations-Translationsgetriebe gebaut ist.
Aus der DE 10 2009 019 209 A1 ist eine Lineareinheit zum Aufbringen einer axial wirkenden Kraft bekannt mit einem Rotations-Translationsgetriebe, das eine Gewindespindel und eine Gewindemutter aufweist und einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Rotor und einen Stator. Zum Druckaufbau wird ein Hydraulikkolben, der an der Gewindespindel befestigt wird, axial in einen hydraulischen Druckraum verschoben. Eine weitere Lineareinheit ist aus der DE 10 2010 039 916 A1 bekannt.
Nachteilig bei derartigen Linearaktuatoren ist, dass in axialer Richtung ausreichend Bauraum benötigt wird und der Kraftfluss aufgrund der Bauweise limitiert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Aktuator dahingehend zu verbessern, dass bei gleichzeitiger Verringerung des axialen Bauraums zum hydraulischen Druckaufbau ein optimierter Kraftfluss ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druckraum als Ringkolbenkammer ausgebildet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei herkömmlichen Aktuatoren die lineare Bauweise wesentliche Nachteile aufweist. Zum einen wird aufgrund der Hintereinanderschaltung von Rotations-Translationsgetriebe, Druckkolben und Druckraum der Bauraum in Längsrichtung vorgegeben. Andererseits resultieren durch diese Bauweise auch hohe Druckbelastungen auf die Spindel beim Druckaufbau, wobei aufgrund der Knickneigung der Spindel der maximale Kraftfluss limitiert wird.
Wie nunmehr erkannt wurde, lassen sich diese Nachteile durch eine alternative räumliche Ausbildung des hydraulischen Druckraumes eliminieren. Wertvoller Bauraum kann eingespart werden, indem der Druckraum als Ringraum bzw. Ringkolbenkammer ausgebildet wird, in der der Druckkolben in axialer Richtung bewegt werden kann. Das heißt, der Kolben wird nicht in einen in axialer Richtung angeordneten Raum hineingeschoben, sondern bewegt sich innerhalb eines ringartigen Raumes. Auf diese Weise kann der Kolben durch den Druckraum gezogen werden, so dass keine Knickkräfte auf die Spindel einwirken.
Vorteilhafterweise umfasst die Ringkolbenkammer das Rotations-Translationsgetriebe zumindest teilweise räumlich, wodurch der benötigte Bauraum in axialer Richtung gering gehalten werden kann und gewissermaßen nur durch die Länge der Spindel begrenzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor als Hohlrotor ausgebildet ist und die Ringkolbenkammer in den Rotor integriert. Der Rotor, der in seiner Ausbildung als Hohlrotor bevorzugt hülsenförmig ausgebildet ist, umschließt räumlich die Ringkolbenkammer bzw. bildet ihre äußere Umhüllung.
Der Druckkolben ist bevorzugt als Stufenringkolben ausgebildet. Er weist dazu wenigstens zwei Stufen bzw. Bereiche mit unterschiedlich großem Radius auf. Besonders bevorzugt weist der Druckkolben zwei Stufen auf. Die Ringkolbenkammer ist dabei vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass bei Verschieben des Druckkolbens in der Ringkolbenkammer nach einem vorgegebenen Verschiebewert die hydraulisch wirksame Fläche verkleinert bzw. die hydraulisch wirksame Fläche umgeschaltet wird, wodurch ein schneller Druckaufbau ermöglicht wird.
Das Rotations-Translationsgetriebe ist bevorzugt als Kugelgewindetrieb (KGT) mit einer Spindel und einer drehbar darauf gelagerten Mutter ausgebildet, wobei zwischen Spindel und Mutter Kugeln in schraubenförmigen, rillenförmigen Bahnen laufen, die zwischen Spindel und Mutter gebildet sind. Um das Massenträgheitsmoment des KGT möglichst gering zu halten, wird bevorzugt von dem Elektromotor die Spindel angetrieben, wobei dann Rotor und Spindel drehfest miteinander verbunden werden. Damit sich die Mutter bei einer Rotation der Spindel nicht mitdreht, ist sie mit einer Verdrehsicherung gegen Rotation gesichert. Eine Rotation der Spindel führt somit zu einer axialen Verschiebung der Mutter, die mit dem Druckkolben fest gekoppelt ist.
Die Mutter wird vorteilhafterweise in axialer Richtung durch ein elastisches Element vorgespannt, so dass beim Ansaugen eine störende Geräuschentwicklung verhindert werden kann. Das elastische Element ist bevorzugt als Feder, insbesondere als Druckfeder, ausgebildet.
Die Drehachse des Motors bzw. Elektromotors ist vorteilhafterweise senkrecht zu einer Leiterplatte einer elektrischen Steuer- und Regeleinheit des Elektromotors angeordnet. Auf der Leiterplatte kann nahe dem Spindelende ein Sensor zur Erfassung eines Signals eines am Spindelende angebrachten Encoders angebracht werden. Durch diese kurze Bauweise kann ein großes Loch in der Leiterplatte bzw. Platine vermieden werden.
Das Gehäuse des Aktuators ist bevorzugt einteilig mit einem Ventilblock ausgeführt, wodurch Material und Bauraum eingespart werden können.
Ist das Gehäuse aus magnetisch leitendem Material gefertigt, kann es bei einem BL(bürstenlosen)-Motor-Konzept mit zwei Luftspalten den stehenden magnetischen Rückschluss darstellen, wodurch ein besonders dynamischer Motor realisiert werden kann.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass aufgrund der Ausbildung des hydraulischen Druckraums als Ringkolbenkammer der Druckkolben durch das KGT im Lastbetrieb gezogen werden kann, wodurch seine Lebensdauer erhöht wird und die Knickneigung der Spindel, die bei starken Druckkräften auftritt, eliminiert wird. Zudem wird der Aktuator in seiner Länge und damit seinem benötigten Bauraum reduziert, wenn KGT und hydraulischer Druckraum nicht in Längsrichtung hintereinandergeschaltet sind, sondern das KGT zumindest bereichsweise vom Ringkolbenraum umgeben ist. Wenn der Ringkolbenraum bzw. die Ringkolbenkammer in einen Hohlrotor integriert ist, ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise. Aufgrund der kompakten Bauweise kann der Aktuator in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Ventilblock integriert werden. Die Ansaugleitung zum Behälter kann verkleinert werden, und das Motorgehäuse wird weniger stark belastet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 einen Aktuator mit einem Elektromotor und einem Rotations-Translationsgetriebe und einem hydraulischen Druckraum in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Druckaufbaustellung, und
2 den Aktuator gemäß 1 in einer Ausgangsstellung. Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein in 1 dargestellter Aktuator 2 umfasst einen Elektromotor 8 sowie ein Rotations-Translationsgetriebe, welches als Kugelgewindetrieb (KGT) 14 ausgebildet ist mit einer um eine Drehachse 20 rotierbaren Gewindespindel bzw. Spindel 26 und einer drehbar um die Spindel 26 gelagerten Gewindemutter bzw. Mutter 32. Zwischen Spindel 26 und Mutter 32 laufen mehrere Kugeln in schraubenförmigen Bahnen bzw. Rillen auf der Oberfläche der Spindel 26.
Der Elektromotor 8 ist in einem Gehäuse 38 angeordnet und umfasst einen Stator 44 sowie einen drehbaren Rotor 50. Der Rotor 50 ist fest mit der Spindel 26 verbunden. Eine Verdrehsicherung 56 verhindert, dass sich die Mutter bei einer Rotation der Spindel 26 mitdreht. Abhängig von der Rotationsrichtung der Spindel 26 bewegt sie sich in Axialrichtung 62 oder, bei entgegengesetzter Rotationsrichtung, entgegengesetzt dazu. Der Rotor 50 ist als Hohlrotor ausgebildet und umfasst eine topfförmige Hülse 68, an deren Oberfläche bzw. Außenseite Permanentmagnetsegmente 74 angeordnet sind.
Der Aktuator 2 ist dazu ertüchtigt, hohe hydraulische Kräfte auszuüben bei gleichzeitiger kompakter Bauweise in Axialrichtung 62. Dazu ist nicht, wie bei üblichen hydraulischen Aktuatoren, ein hydraulischer Druckraum in Axialrichtung 62 gesehen – d. h. in der Abbildung nach rechts – von der Mutter 32 bzw. Spindel 26 angeordnet, in den ein Druckkolben verschoben wird. Vorliegend ist vielmehr ein hydraulischer Druckraum 78 als Ringkolbenkammer 80 ausgebildet, die in den Rotor 50 räumlich integriert ist bzw. von ihm umgeben ist. Die Ringkolbenkammer 80 wird in radialer Richtung, also senkrecht zur Axialrichtung 62, durch einen Innenstator 86 begrenzt. Das heißt, der Innenstator 86, der für den magnetischen Rückschluss sorgt, ist zwischen Ringkolbenkammer 80 und Hülse 68 angeordnet und erfüllt damit zugleich die Funktion eines Hochdruckzylinders.
In der Ringkolbenkammer 80 ist ein mit der Mutter 32 fest verbundener Druckkolben 90 angeordnet, der als Ringkolben ausgebildet ist und der zumindest teilweise die Spindel 26 umgibt. Der Kraftfluss in der Spindel 26 führt nicht zu einer Druckbelastung wie bei herkömmlichen Lineareinheiten bzw. linear ausgebildeten Aktuatoren sondern zu einer Zugbelastung, wodurch die Knickneigung der Spindel eliminiert wird. Der Kraftfluss kann sich geschlossen im Zylindergehäuse, dem Druckkolben 90, dem KGT 14, der Verdrehsicherung 56 und einem Axiallager (siehe unten) dargestellt werden. Der Druckkolben 90 kann dabei durch einen ventilblocknahen Kraftangriffspunkt der Mutter 32 des KGT 14 an dem Druckkolben 90 gezogen betrieben werden, wodurch Verschleiß und Querkräfte reduziert werden. Die Verdrehsicherung der Mutter 32 kann im Ventilblock oder einem separaten Bauteil erfolgen.
Der Ringkolben ist zweistufig ausgebildet mit einer ersten Stufe 96 und einer zweiten Stufe 98, die jeweils mit Dichtungen 100, 102 versehen sind. Die Ringkolbenkammer 80 ist entsprechend gestuft aufgebaut mit einem ersten Ringbereich 108 und einem zweiten Ringbereich 110. Wird der Ringkolben in Axialrichtung 62, die gewissermaßen auch die Hubrichtung darstellt, verschoben, so stehen zunächst beide Ringbereiche 108, 110 zur Verfügung, so dass die entsprechende große Querschnittsfläche bzw. wirksame Fläche des Ringkolbens zum Einsatz kommt und der Druckaufbau entsprechend schnell erfolgen kann. Hat eine Ringfläche des Ringkolbens einen Übergang zwischen erstem 108 und zweitem Ringbereich 110 erreicht, wird der Druckraum geteilt, wobei (bevorzugt) die äußere Kammer über ein Ventil mit dem Behälter verbunden wird, womit dieser Teil der Kraftwirkung auf den Kolben entfällt und mit entsprechendem Kraftüberschuss das Flüssigkeitsvolumen aus der inneren Kammer mit potentiell höherem Druckniveau verdrängt werden kann. Dadurch erfolgt eine Umschaltung der wirksamen Fläche des Ringkolbens, wodurch am Anfang ein schneller Druckaufbau ermöglicht wird.
Die Drehachse 20 entspricht der Motorachse und ist senkrecht zu einer Leiterplatte 130 bzw. einer gedruckten Schaltung, d. h. einem PCB (Printed Circuit Board) einer Steuer- und Regeleinheit (ECU) des Aktuators 2 orientiert. Die Leiterplatte 130 weist einen Sensierungsbereich 136 gegenüber einem Spindelende 140, welches in einem Kugellager 142 gelagert ist, auf. An dem Spindelende 140 ist ein magnetischer Encoder 146 angebracht, der zur Ermittlung der Orientierung bzw. Umdrehung der Spindel 26 mit einem dem magnetischen Encoder 146 im Sensierungsbereich 136 gegenüber liegenden magnetischen Sensor 150 zusammenwirkt, um ein Signal zur Spindelposition zu generieren, aus dem die Steuer- und Regeleinheit die Kolbenposition bestimmt. Durch die Verwendung eines magnetischen Sensors kann auf Zahnräder zur Erfassung der Motorposition und entsprechende Sensoren verzichtet werden.
Die Steuer- und Regeleinheit steuert bei Druckanforderungen über eine elektrische Verbindung 156 den Elektromotor 8 an. Ein Gehäuse 160 umgibt bereichsweise die Spindel 26 und die Leiterplatte 130. Durch Steckkontakte 162 kann die Leiterplatte 130 an eine nicht dargestellte Stromquelle, insbesondere das Bordnetz, angeschlossen werden. Das Gehäuse 38, 160 ist einteilig mit einem Ventilblock 164 gefertigt.
In 2 ist der Aktuator 2 aus 1 dargestellt, wobei hier auch ein als Feder ausgebildetes elastisches Element 166 zu sehen ist, welches zur Vorspannung der Mutter 32 im Saugbetrieb dient, wodurch eine störende Geräuschentwicklung unterbunden werden kann.
Bezugszeichenliste

2: Aktuator
8: Elektromotor
14: Kugelgewindetrieb
20: Drehachse
26: Spindel
32: Mutter
38: Gehäuse
44: Stator
50: Rotor
56: Verdrehsicherung
62: Axialrichtung
68: Hülse
74: Permanentmagnetsegment
78: Druckraum
80: Ringkolbenkammer
86: Innenstator
90: Druckkolben
96: erste Stufe
98: zweite Stufe
100: Dichtung
102: Dichtung
108: erster Ringbereich
110: zweiter Ringbereich
116: Ringfläche
120: Übergang
130: Leiterplatte
136: Sensierungsbereich
140: Spindelende
142: Kugellager
146: magnetischer Encoder
150: Sensor
156: elektrische Verbindung
160: Gehäuse
162: Steckkontakt
164: Ventilblock
166: elastisches Element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009019209 A1 [0005]
DE 102010039916 A1 [0005]

Claims

Aktuator (2) für eine elektrohydraulische Bremsanlage, der zum aktiven Druckaufbau in wenigstens einer Radbremse angesteuert werden kann, mit einem Gehäuse (38, 160), umfassend einen Elektromotor (8) mit einem Rotor (50) und einem Stator (44) und einen hydraulischen Druckraum (78), in dem zum Druckaufbau ein Druckkolben (90) verschoben wird und ein Rotations-Translationsgetriebe, das eine rotatorische Bewegung des Rotors (50) in eine translatorische Bewegung des Druckkolbens (90) umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (78) als Ringkolbenkammer ausgebildet ist.
Aktuator (2) nach Anspruch 1, wobei die Ringkolbenkammer das Rotations-Translationsgetriebe (14) zumindest teilweise räumlich umfasst.
Aktuator (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotor (50) als Hohlrotor ausgebildet ist, und wobei die Ringkolbenkammer in den Rotor (50) integriert ist.
Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Druckkolben (90) als Stufenringkolben ausgebildet ist.
Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rotations-Translationsgetriebe als Kugelgewindetrieb (14) mit einer Spindel (26) und einer drehbar darauf gelagerten Mutter (32) ausgebildet ist.
Aktuator (2) nach Anspruch 5, wobei die Spindel (26) drehfest mit dem Rotor (50) verbunden ist.
Aktuator (2) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Mutter (32) in axialer Richtung durch ein elastisches Element (166) vorgespannt wird.
Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Drehachse (20) des Elektromotors (8) senkrecht zu einer Leiterplatte (130) einer elektrischen Steuer- und Regeleinheit des Elektromotors (8) angeordnet ist.
Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gehäuse (38, 160) einteilig mit einem Ventilblock (164) ausgeführt ist.
Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gehäuse (38, 160) aus magnetisch leitendem Material gebildet ist.