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Die Erfindung betrifft einen elektromechanisch-hydraulischen Kolbenaktuator zur Bereitstellung von unter Druck gesetztem Druckmittel für ein Bremssystem eines Fahrzeugs, umfassend
- • einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor,
- • ein vom Elektromotor rotatorisch angetriebenes Rotations-Translationsgetriebe mit einer drehbaren Gewindemutter und einer gegen ein Verdrehen gesicherten und in ihrer axialen Richtung verschiebbar gelagerten Gewindespindel,
- • einen mit der Gewindespindel in ihrer axialen Richtung gekoppelten Kolben,
- • einen Hydraulikzylinder mit einer mit Druckmittel gefüllten hydraulische Kammer, in die der Kolben durch translatorische Verlagerung der Spindel aus einer hintern Kolbenposition in Richtung einer vorderen Kolbenposition verschiebbar ist um das Druckmittel unter Druck zu setzen und /oder aus der Kammer zu verdrängen,
- • einen mit der Kammer verbundenen hydraulischen Anschluss, über den Druckmittel aus der Kammer verdrängbar ist, und
- • eine Tragstruktur, an der der Elektromotor, das Rotations-Translationsgetriebe und der Hydraulikzylinder befestigt sind.
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Sie betrifft weiterhin ein Bremssystem mit einer elektronisch steuerbaren, zentralen elektrohydraulischen Bremsdruckbereitstellung und hydraulisch betätigbaren Radbremsen.
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Moderne Bremssysteme verwenden elektronische Steuer-und Regelgeräte und beherrschen mehrere Betriebsarten. In einer regulären, das heißt für den normalen Fahrbetrieb vorgesehenen Betriebsart werden die einzelnen, an den Fahrzeugrädern zur Wirkung kommenden Bremsmomente elektronisch geregelt bereitgestellt. Hierfür kann die „By-Wire“-Technik verwendet werden. Darunter versteht man, dass zumindest ein Abschnitt einer Wirkungskette von einer Fahrzeugverzögerungsanforderung bis zum physischen Aufbau von Radbremsmomenten als ein elektrischer oder elektronischer Übertragungspfad ausgebildet ist. Eine solche Verzögerungsanforderung kann von einem menschlichen Fahrer stammen, aber auch von einem technischen System, wie einem Fahrerassistenzsystem - beispielsweise zur automatisierten Vermeidung fahrdynamisch kritischer Situationen oder zum Verhindern eines Zurückrollens des Fahrzeugs beim Anfahren am Berg - und in einem Fahrzeug mit automatisierter Fahrfunktion auch von einem sogenannten virtuellen Fahrer, d. h. einem Computersystem das die Fahraufgabe übernimmt.
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Der Mensch als Fahrer teilt seine Verzögerungsanforderung über eine Betätigung des Bremspedals mit, die elektronischen Systeme über kybernetische Signale. In einem By-Wire-Bremssystem wird auch die Bremspedalbetätigung zunächst in ein entsprechendes Signal umgesetzt. Ein solcher konsequenter Einsatz der By-Wire-Technik bietet den Vorteil, dass einerseits die genannten unterschiedlichen Verzögerungsanforderungen mit Hilfe von Signalverknüpfungen rückwirkungsfrei überlagert werden können und andererseits unterschiedliche Formen der Rad-Bremsmoment-Generierung gewählt werden können, ohne dass dies eine unerwünschte Rückwirkung auf das Bremspedal hat. Dies wird benötigt, um in Elektro- und Hybridfahrzeugen Bremsungen bevorzugt als sogenannte Rekuperationsbremsungen durchzuführen, bei denen die angeforderte Fahrzeugverzögerung zum Teil oder vollständig über einen im Generator-Betrieb laufenden elektrischen Traktionsmotor bewirkt wird. Bei teilweiser Rekuperationsbremsung hat die Reibungsbremse die Aufgabe, den restlichen Anteil an der Fahrzeugverzögerung beizusteuern.
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Die By-Wire-Technik setzt eine funktionierende elektrische Energieversorgung des Bremssystems voraus. Um auch bei ausgefallener elektrischer Energieversorgung eine pedalgesteuerte Bremswirkung zu erhalten, kann das By-Wire-System so aufgebaut werden, dass es in dieser Betriebssituation automatisch in eine Reserve-Betriebsart „zurückfällt“. Für den möglichen Fall einer nicht betriebsbereiten elektronischen Steuer- und Regelgeräteeinheit - beispielsweise bei einem Ausfall des elektrischen Fahrzeugbordnetzes - ist vorgesehen, dass die Bremsfunktion ausschließlich über eine Betätigung des Bremspedals gesteuert wird und hierfür das Bremspedal über eine mechanisch- hydraulische Kopplung wirkungsmäßig direkt mit den Radbremsen verbunden ist. Ein solcher Betrieb des Bremssystems in seiner Reserve-Betriebsart funktioniert ohne ein Zutun eines elektronischen Steuer- und Regelgeräts und wird daher als Rückfallebene für den möglichen Fall einer nicht betriebsbereiten elektronischen Steuer-und Regelgeräteeinheit verwendet.
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Um in einem By-Wire-Bremssystem, das ein Bremspedal umfasst und in seinem regulären Betrieb by-wire arbeitet, eine für den Fahrer angenehme Kraft-Weg-Charakteristik des Bremspedals zu erhalten wird ein sogenannter Pedalwegsimulator verwendet, d. h. eine technische Einrichtung, die in vorgegebener Weise zu jedem Bremspedal-Betätigungskraftwert einen zugeordneten Bremspedalweg erzeugt. Im einfachsten Fall ist der Simulator eine Pedalrückstellfeder. Wenn bei einer spontanen Inanspruchnahme der Rückfallebene während des regulären Betriebs die vom Fahrer mit Hilfe seiner Muskelarbeit in der By-Wire-Betriebsart im Simulator deponierte Betätigungsenergie nunmehr zur Bremsenbetätigung in der Reserve-Betriebsart verwendet werden soll, kann eine komplexere Pedalwegsimulationseinrichtung verwenden werden. In Fahrzeugen, die ausschließlich vollautomatisiert unterwegs sind kann das Bremspedal eventuell entfallen - dann gibt es aber auch keine Reserve-Betriebsart mit direktem, nicht elektronischem Durchgriff.
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Zur Erzeugung von Rad-Bremsmomenten können die Reibungsbremsen betätigt werden. Dazu wird Stellenergie benötigt. In der Reserve-Betriebsart bringt der Fahrer diese Stellenergie mit Hilfe seiner Muskelarbeit auf. In der regulär genutzten By-Wire-Betriebsart übernimmt dies ein von der elektronischen Steuer-und-Regeleinheit kontrollierter Aktuator, der im Falle hydraulischer Radbremsen als Drucksteller ausgebildet ist. Dabei kann pro Radbremse ein Aktuator verwendet werden. Bevorzugt werden jedoch mehrere Radbremsen mit Hilfe eines gemeinsamen Druckstell-Aktuators angesteuert und für den Fall, dass in den an diesen angeschlossenen Radbremsen unterschiedliche Drücke benötigt werden sind von der elektronischen Steuer-und- Regeleinheit kontrollierte Elektromagnetventile vorgesehen. Im Betrieb stellt der Aktuator einen Druck, dessen Wert mindestens dem maximalen, in den angeschlossenen Radbremsen benötigten Druck entspricht und mit Hilfe der Elektromagnetventile werden die einzelnen Radbremsdrücke bei Bedarf individuell daraus abgeleitet.
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Da Elektromagnetventile wesentlich weniger Bauraum benötigen als zusätzliche Aktuatoren ist ein z. B. vierkanaliger Drucksteller für ein Fahrzeug mit vier Rädern in seiner kompaktesten Form bevorzugt mit einem elektrohydraulischen Aktuator und einem nachgeschalteten vierkanaligen Modulator mit je einem Einlass und einem Auslassventil aufgebaut. Bei besonderen Anforderungen - beispielsweise Bremsungen bevorzugt an einer Fahrzeugachse als Rekuperationsbremsung und an der anderen Fahrzeugachse als Reibungsbremsung durchzuführen - kann die Verwendung von zwei, den beiden Fahrzeugachsen zugeordneten elektrohydraulischen Aktuatoren sinnvoll sein.
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Bei elektrohydraulischen Bremssystemen mit der Betriebsart „Brake-by-Wire“ ist der Fahrer in dieser Betriebsart 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 Pedalsimulator dient dazu, dem Fahrer ein möglichst vertrautes Bremspedalgefühl zu vermitteln. Der erfasste Bremswunsch führt zu der Bestimmung eines Fahrzeugverzögerungs-Sollwerts, woraus dann ein Sollbremsdruck für die Bremsen ermittelt wird. Der Bremsdruck wird dann aktiv von einer Druckbereitstellungseinrichtung in den Bremsen aufgebaut.
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Das tatsächliche Bremsen erfolgt also durch einen softwaregesteuerten Druckaufbau in den Bremskreisen mit Hilfe einer Druckbereitstellungseinrichtung, die von einer Steuer- und Regeleinheit angesteuert wird. Als Druckbereitstellungseinrichtung in oben beschriebenen Bremssystemen kann insbesondere ein elektromechanisch-hydraulischer Linearaktuator verwendet werden, bei dem zum Druckaufbau ein Kolben axial in einen hydraulischen Druckraum verschoben wird. Die Drehung der Motorwelle eines Elektromotors wird durch ein Rotations-Translationsgetriebe in eine axiale Verschiebung des Kolbens umgewandelt.
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Die Einstellung eines geforderten Systemdruckes erfolgt mit Hilfe eines geeigneten Druckreglers bzw. eines geeigneten Druckregelsystems, bei dem beispielsweise dem Druckregler weitere Regler für Drehzahl und Drehwinkel des Elektromotors unterlagert sind.
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Der bestimmungsgemäße Bereich der Linearbewegung des Kolbens eines solchen elektromechanisch-hydraulischen Linearaktuators ist durch die Bohrungslänge des Hydraulikzylinders begrenzt. Um zu verhindern, dass der Kolben vom Antrieb aus dem Hydraulikzylinder herausgezogen werden kann, ist zwischen dem Kolben oder der mit dem Kolben verbundenen Spindel und der Tragstruktur ein mechanischer Anschlag vorgesehen. Eine hintere Endlage des Aktuatorkolbens ist dadurch definiert, dass dieser Anschlag vom Kolben bzw. der Spindel berührt wird.
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Es ist bekannt, dass bei derartigen Linearaktuatoren, die insbesondere als elektromechanisch-hydraulische Kolbenaktuatoren ausgebildet sein können, die Gefahr einer Selbstzerstörung besteht, wenn beim Zurückfahren der hintere (der entgegen der Druckaufbaurichtung gelegene) Anschlag mit hoher Geschwindigkeit getroffen wird. Dies wird im aktiven Betrieb durch eine Motorsteuerung verhindert, die bei Annäherung an den hinteren Anschlag den Elektromotor abbremst. Jedoch ist der Fall denkbar, dass bei schnellem Zurückfahren die Motorsteuerung abrupt ausfällt, beispielsweise infolge eines Ausfalls der elektrischen Energieversorgung. Aufgrund der Schwungmasse des Elektromotors behält dieser seine Drehzahl bei und der hintere Anschlag wird in diesem Fall praktisch ungebremst getroffen.
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Die
DE 10 2009 019 209 A1 beschreibt einen Linearaktuator mit einem Rotations-Translationsgetriebe mit einer Gewindespindel und einer Gewindemutter. Die Gewindemutter ist nicht drehbar in einer Tragstruktur gelagert. Die Spindel wird durch einen Elektromotor angetrieben, dessen Rotor über eine Drehmomentübertragungskupplung mit der Gewindespindel gekoppelt ist. Noch vor dem Erreichen der Endlage wird eine Kupplungsscheibe der Drehmomentübertragungskupplung außer Eingriff gebracht, so dass die Drehmomentübertragungskupplung kurz vor der Endlage auskuppelt.
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Nachteilig bei dem beschriebenen Linearaktuator ist, dass ein Einkuppeln nur möglich ist, wenn die Drehwinkel von Kupplungsscheibe und Elektromotor übereinstimmen, so dass sich die Kupplungsscheibe in eine Nut des Rotors des Elektromotors „einfädeln“ kann. Es ist daher ungewiss, ob ein sicheres Wiedereinkuppeln nach einem erfolgten Auskuppeln erfolgt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen als elektromechanisch-hydraulischen Kolbenaktuator ausgebildeten Linearaktuator dahingehend zu verbessern, dass ein Auskuppeln in der Endlage ermöglicht wird, um Schaden durch Anschlag einer Gewindespindel zu verhindern, und bei Wiederaufnahme des Betriebs zuverlässig und drehwinkelunabhängig wieder ein Einkuppeln ermöglicht wird. Weiterhin soll ein Bremssystem mit einem verbesserten Linearaktuator angegeben werden.
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In Bezug auf den elektromechanisch-hydraulischen Kolbenaktuator wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Aufhebungseinrichtung zur kolbenweggesteuerten Aufhebung der rotatorischen Kopplung zwischen dem Rotor des Elektromotors und der Gewindemutter vorgesehen ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und der Beschreibung.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein mit der Schwungmasse des Elektromotors gekoppeltes, ungebremstes Erreichen der Endlage mit nicht-elektrischen Mitteln verhindert werden muss, um eine mögliche Zerstörung des Aktuators im Falle einer elektrischen Fehlfunktion während eines schnellen Zurückfahrens zu verhindern. Eine solche elektrische Fehlfunktion kann beispielsweise durch eine temporäre Störung der elektrischen Energieversorgung im Fahrzeug verursacht sein. Wichtig ist dabei auch, dass das darauffolgende Wieder-Einkuppeln zuverlässig erfolgt, sodass die Funktionalität des Aktuators wiederhergestellt ist, sobald die elektrische Fehlfunktion behoben ist.
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Wie nunmehr erkannt wurde, kann dies erzielt werden, indem bei Annäherung an den hinteren Anschlag eine automatische, rein mechanisch gesteuerte Entkopplung der Translationsbewegung des Aktuators bzw. Aktuatorkolbens von der rotierenden Schwungmassenbewegung des Elektromotors erfolgt.
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Vorteilhafterweise ist die Aufhebung der rotatorischen Kopplung durch ein Anfahren einer hinteren Kolbenposition aktivierbar, d. h. der Aktuator ist derart ausgebildet, dass mechanische Mittel beim Anfahren der hinteren Kolbenposition die mechanische Kopplung zwischen dem schwungmassenbehafteten Rotor des Elektromotors und dem Kolben aufheben.
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Bevorzugt umfasst dazu die Aufhebungseinrichtung eine trennbare formschlüssige Verbindung zwischen einem rotatorisch mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelten Antriebselement und der Gewindemutter.
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Die trennbare formschlüssige Verbindung ist vorteilhafterweise durch eine Verzahnung gebildet.
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Die Trennung erfolgt dabei vorteilhafterweise durch ein Ausrücken der Gewindemutter aus der formschlüssigen Verbindung in axialer Betätigungsrichtung.
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Vorteilhafterweise ist die Verzahnung auf Basis einer konischen Grundfläche ausgebildet. Damit wird erreicht, dass sich die ausgerückten Teile beim Wiederschließen der Kupplung gegeneinander selbst zentrieren. Dabei kann in einer ersten bevorzugten Ausführungsform die Gewindemutter die Konusinnenfläche umfassen, während das Antriebselement die Konusaußenfläche umfasst. In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Gewindemutter die Konusaußenfläche, während das Antriebselement die Konusinnenfläche umfasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Anschlag vorhanden, der den Verfahrweg des Kolbens in Richtung der hinteren Kolbenposition begrenzt.
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Vorteilhafterweise erfolgt eine Aktivierung der Aufhebung, indem beim Zurückfahren des Kolbens dieser mittels des Anschlags an einer Weiterbewegung gehindert wird, wodurch bei weiterer Drehung der Gewindemutter diese sich vom Antriebselement abhebt.
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Bevorzugt ist dazu eine Feder zwischen Antriebselement und Gewindemutter vorgesehen, deren Federkraft einem Abheben der Gewindemutter vom Antriebselement entgegenwirkt. Der Begriff Feder umfasst hier generell elastische Elemente, deren elastische Verformung im Wesentlichen dem Hookeschen Gesetz bzw. Federgesetz folgt.
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Die Feder stützt sich bevorzugt in einem ersten Stützbereich an der Gewindemutter und in einem zweiten Stützbereich an dem Antriebselement ab.
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Dabei ist die Spindelmutter mit dem Antriebsrad bevorzugt über eine konische Verzahnung derart gekoppelt, dass die Spindelmutter sich bei starker Zugbelastung vom Antriebsrad trennt. Mit der Vorspannung der Feder wird festgelegt, bei welcher Kraft dies erfolgt. Beim Wiedereinkuppeln zentriert sich die Mutter im Rad vermöge der konischen Verzahnung und der Unterstützung durch die Federkraft in sicherer Weise.
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Das Antriebselement weist bevorzugt eine erste konische Fläche, insbesondere eine Innenfläche, mit einer ersten Verzahnung auf, wobei die Gewindemutter eine zweite konische Fläche, insbesondere eine Außenfläche, mit einer zweiten Verzahnung umfasst, und wobei die erste Verzahnung mit der zweiten Verzahnung in einem eingekuppelten Zustand in Eingriff steht, und wobei durch ein elektromotorisches Anfahren einer hinteren Endlage des Rotations-Translationsgetriebes die erste Verzahnung und die zweite Verzahnung außer Eingriff gebracht werden.
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Die Feder übt dabei vorteilhafterweise aufgrund einer Vorspannung eine Kraft auf die Gewindemutter entlang der Achse der Gewindemutter aus derart, dass die erste konische Fläche gegen die zweite konische Fläche gepresst wird.
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Zweckmäßigerweise ist die mit dem Kolben verbundene Spindel in der Tragstruktur axial verschiebbar und nicht verdrehbar gelagert. Zur Realisierung einer entsprechenden mechanischen Verdrehsicherung gibt es mehrere Möglichkeiten, die im Folgenden dargelegt werden:
- In einer ersten Variante umfasst die Verdrehsicherung eine an der Spindel in Längsrichtung außen angebrachte Nut, in die ein an der Tragstruktur befestigtes oder in diese integriertes, als Zapfen oder Steg ausgebildetes Drehverhinderungs-Element eingreift. Die axiale Nut durchfurcht vorteilhafterweise die Gewindegänge der Spindel.
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In einer zweiten Variante umfasst die Verdrehsicherung eine in der zylindrischen Wand einer Bohrung im Inneren der Spindel oder des mit der Spindel verbundenen Kolbens in Längsrichtung ausgebildete Nut. Diese axiale Nut kann kammerseitig oder antriebsseitig in der Wand einer inneren Bohrung der Spindel oder des mit der Spindel verbundenen Kolbens ausgebildet sein.
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In einer dritten Variante umfasst die Verdrehsicherung der Spindel vorteilhafterweise einen Ausleger, der sich an der Tragstruktur so abstützt, dass ein Verdrehen der Spindel um ihre Achse verhindert und eine Verschiebung der Spindel in Achsrichtung zugelassen ist. Als eine besonders vorteilhafte Alternative zu einer Nut in der Tragstruktur bietet es sich hier an, dass der Ausleger sich in Umfangsrichtung an einem, an der Tragstruktur befestigten, zur Spindelachse achsparallel versetzt angeordneten Bolzen abstützt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei, als Zuganker ausgebildete, Bolzen vorgesehen. Als AktuatorRückschlusskraft übertragende Teile sind diese Zuganker-Bolzen wesentliche Teile der Tragstruktur. Der Kraftschlusspfad innerhalb des elektromechanisch-hydraulischen Kolbenaktuators verläuft über Antriebselement, Formschlussverbindung, Gewindemutter, Spindel, Kolben, Druckmittelsäule, Kammerboden, Kammerwand, Zuganker und Lager. Die Hauptbelastungsrichtung des Lagers ist axial. Wenigstens ein Zugankerbolzen hat dabei die Doppelfunktion von Zugkraftübertragung und Verdrehsicherungs-Ausleger-Führung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Tragstruktur des elektromechanisch-hydraulischer Kolbenaktuators ein Anschlag ausgebildet, der beim Anfahren der hinteren Endlage eine weitere Translationsbewegung der Gewindespindel-Kolben-Anordnung blockiert. Ein rotatorischer Antrieb der Spindelmutter mit Drehwinkelwerten, die einer Translation der Gewindespindel in den durch den Anschlag blockierten Bereich entsprechen hat zur Folge, dass die Spindel vermöge der Abstützung auf den mechanischen Anschlag eine Kraft auf die Spindelmutter ausübt, die die Mutter vom Antriebselement in Betätigungsrichtung wegzieht. Durch ein Auseinanderrücken der hierfür vorgesehenen konischen Verzahnung zwischen Antriebselement und Spindelmutter wird die rotatorische Kopplung zwischen Elektromotor und Spindelmutter aufgehoben, so dass in diesem Betriebszustand eine Weiterbewegung des Elektromotors in Löserichtung ins Leere läuft und daher keinen Schaden anrichten kann.
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Das Antriebselement ist bevorzugt als ein in der Tragstruktur drehbar und axial fest gelagertes Antriebsrad ausgebildet, welches mittels einer Rotations-Rotations-Kupplung oder eines Rotations-Rotations-Getriebes vom Elektromotor angetrieben wird, wobei die Drehzahl des Antriebsrades geringer ist als die Drehzahl des Rotors des Elektromotors.
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Das durch Gewindespindel, Gewindemutter und Verdrehsicherung gebildete Rotations-Translationsgetriebe ist bevorzugt als Steilgewindetrieb ausgebildet. Das heißt, dass zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades eine Gewindesteigung von mehr als 10 Grad sowie ein mehrgängiges Gewinde verwendet wird. Besonders günstig im Hinblick auf eine große Laufruhe des Rotations-Translationsgetriebes ist eine Materialpaarung mit einer Spindel aus Metall, beispielsweise Edelstahl und einer Spindelmutter aus Kunststoff.
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In Bezug auf das Bremssystem wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein oben beschriebener Aktuator vorgesehen ist, der zum aktiven Druckaufbau hydraulisch trennbar mit Radbremsen des Bremssystems verbunden ist.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass ein automatischer mechanischer Schutz des Linearaktuators vor Selbstzerstörung im Falle eines Zurückfahrens mit hoher Geschwindigkeit gegen den hinteren Anschlag bereitgestellt wird.
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Außerdem ermöglicht die Erfindung einen besonders kompakten Aufbau des Linearaktuators mit einer minimalen Anzahl von Bauelementen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
- 1 einen elektromechanisch-hydraulischen Kolbenaktuator;
- 2 ein Drahtmodell einer vierfach genuteten Steilgewindespindel;
- 3 einen Linearaktuator mit Verdrehsicherung über ein Spindel-Innenprofil mit spindelseitiger Momentenabstützung;
- 4 einen Linearaktuator mit einer Verdrehsicherung über ein Spindel-Innenprofil mit kolbenseitiger Momentenabstützung; und
- 5 einen Linearaktuator mit einer Verdrehsicherung über einen Ausleger im Zusammenwirken mit einem Zuganker.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein in 1 dargestellter elektromechanisch-hydraulischer Kolbenaktuator 2 umfasst ein Gehäuse mit einer Tragstruktur 3, einem Getriebedeckel 4 und einen Elektromotor 6 mit einem Stator und einem Rotor 10, welcher über ein Rotations-Rotations-Getriebe 16 - in 1 dargestellt als Zahnradpaarung, aber ebenso gut darstellbar als Riemengetriebe - mit einem Antriebselement 20 gekoppelt ist. Wenn der Rotor 10 rotiert, wird das in einem Lager 26 rotatorisch in der Tragstruktur 3 gelagerte Antriebselement 20 in Rotation versetzt. Der Aktuator 2 weist ein durch das Antriebselement 20 angetriebenes Rotations-Translationsgetriebe 32 auf, welches eine drehbare Gewindemutter 40 und eine gegen ein Verdrehen gesicherte und in ihrer axialen Richtung verschiebbar gelagerte Gewindespindel 48 umfasst. Mit der Gewindespindel 48 ist in axialer Richtung ein Kolben 50 gekoppelt.
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Der Kolben 50 ist zum Druckaufbau in einem mit der Tragstruktur 3 verbundenen Hydraulikzylinder 58 verfahrbar, der eine mit Druckmittel gefüllte bzw. befüllbare hydraulische Kammer 56 umfasst. Dazu wird der Kolben 50 durch translatorische Verlagerung der Gewindespindel 48 aus einer in der Abbildung dargestellten hinteren Kolbenposition in Richtung einer vorderen Kolbenposition verschoben, wodurch das Druckmittel in der Kammer 56 unter Druck gesetzt bzw. aus der Kammer verdrängt wird. Die Kammer 56 ist mit einem hydraulischen Anschluss 60 verbunden, durch den Druckmittel aus der Kammer 56 verdrängt werden kann. Der Anschluss 60 ist beispielsweise mit einem oder zwei hydraulischen Bremskreisen verbindbar, so dass unter der Kontrolle einer elektronischen Ansteuerung des Elektromotors mit Hilfe des Aktuators 2 Druck in wenigstens einem Bremskreis aufgebaut werden kann.
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Der Aktuator 2 ist dazu ertüchtigt, in der Betriebssituation eines Anstoßens der Spindel 48 unter schnellem Anfahren eines hinteren Anschlags 66 eine Beschädigung oder auch die Zerstörung des Aktuators 2 durch die Wirkung der Schwungmasse des Elektromotors zu verhindern. Dazu ist eine rein mechanische, das heißt nicht auf das Funktionieren elektrischer Komponenten angewiesene Aufhebungsvorrichtung 70 zur betriebssituationsbedingten Aufhebung der Getriebekopplung zwischen der Rotation des Rotors des Elektromotors und der Linearbewegung der Spindel vorgesehen, welche die Mutter 40, das Antriebselement 20 sowie eine Feder 76 umfasst. Die Feder 76 stützt sich an einem ersten Stützbereich 80 an der Gewindemutter 40 und einem zweiten Stützbereich 84 an dem Antriebselement 20 ab.
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Die Gewindemutter 48 und das Antriebselement 20, welches vorliegend als Antriebsrad ausgebildet ist, sind mit Hilfe einer konischen Verzahnung 90 derart gekoppelt, dass sich die Spindelmutter 48 bei starker, d. h. die Kraft der Feder 76 überschreitender Zugbelastung vom Antriebsrad trennt. Die Feder 76 weist im Normalbetrieb des Aktuators 2, in dem die Spindel 48 nicht am hinteren Anschlag 66 anschlägt, eine Vorspannung auf, welche die Kraft festlegt, bei der diese Trennung bzw. Entkopplung erfolgt.
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Die Gewindespindel 48 ist als eine längsgenutete Steilgewindespindel 100 ausgebildet, wie sie in einer bevorzugten Ausführungsform in 2 dargestellt ist. Diese ist ausgebildet als eine Steilgewindespindel, welche mit wenigstens zwei Längsnuten 102 versehen wird, welche zur Verdrehsicherung der Spindel 100 genutzt werden. Eine einzelne Längsnut erscheint ungeeignet, da eine Drehmomentabstützung dann nur durch zusätzliche, zwischen Spindel 48 und Mutter 40 wirkende Kontaktkräfte erfolgen kann, was zu unerwünschter Reibung führen würde.
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Zur Bereitstellung einer Verdrehsicherung für die Spindel 48 ist ein kombiniertes Anschlags- und Verdrehsicherungselement 120 vorgesehen, welches verschiebungs- und drehfest bzw. verdrehgesichert mit der Tragstruktur 3 verbunden ist und Vorsprünge bzw. Ausbuchtungen aufweist, die in die Längsnuten 102 eingreifen. Auf diese Weise wird ein Verdrehen der Gewindespindel 48 verhindert.
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Der wie in 1 dargestellte einfache und kompakte Aufbau eines Linearaktuators 2 setzt allerdings voraus, dass kein Kugelgewindetrieb (KGT) verwendet wird, sondern ein Bewegungs- oder Steilgewindetrieb. Kugeln würden in den Längsnuten stecken bleiben. Der Steilgewindetrieb besteht im Vergleich zum KGT aus weniger Bauteilen und ist wesentlich kostengünstiger, benötigt allerdings wegen seiner höheren Gewindesteigung eine größere rot-rot-Untersetzung des Vorgeleges. Daher ist das dargestellte einstufige Stirnradgetriebe symbolisch bzw. beispielsgemäß zu verstehen. Es könnte auch ein zweistufiges Stirnradgetriebe, ein Planetengetriebe und/oder ein Riementrieb verwendet werden.
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Ein Linearaktuator 2 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Die Gewindespindel 48 ist in dieser Ausführung hohl ausgebildet. Sie weist eine Sackbohrung 128 und in dieser ein Innenprofil 130 auf, welches bevorzugt Nuten umfasst. Ein Fixierungselement 136, insbesondere eine Stange, ist am hinteren Anschlag 66 drehfest am Gehäuse befestigt. Die Stange ist im Hohlraum 128 der Spindel 48 angeordnet. Sie umfasst Ausbuchtungen bzw. Vorsprünge, welche in die Nuten eingreifen, wodurch ein Verdrehen der Spindel 48 verhindert wird. Die Drehmomentenabstützung erfolgt in dieser Ausführung durch eine gegen ein Verdrehen gesicherte Befestigung der Stange in einem verstärkten, seinerseits an der Tragstruktur 3 abgestützten Getriebedeckel 4 des Gehäuses.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Linearaktuators 2 ist in 4 dargestellt. Auch bei dieser Ausführung ist die Gewindespindel 48 hohl und als Sackbohrung ausgebildet. Sie weist ein Innenprofil 130 auf, welches insbesondere Nuten umfasst und zur Hydraulikseite hin, d. h. zur Kammer 56 hin, geöffnet ist. Eine Stange 140, die als Fixierungselement wirkt, ist verdrehfest an einer Innenseite des Hydraulikzylinders 58 und über diesen an der Tragstruktur 3 befestigt. Sie umfasst Ausbuchtungen bzw. Vorsprünge, die in die Nuten der Spindel 48 eingreifen und auf diese Weise ein Verdrehen der Spindel 48 verhindern.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Linearaktuators 2 ist in 5 dargestellt. Eine Anordnung einer Gewindespindel und eines Kolbens mit einer gemeinsamen Achse besitzt wenigstens einen Ausleger 148, der in der Tragstruktur 3 des Aktuators derart geführt ist, dass eine Verdrehung dieser Anordnung bezüglich ihrer Achse verhindert und ein Verschieben längs dieser Achse ermöglicht ist. Bevorzugt umgreift hierfür das Ende des Auslegers einen zur Gewindespindel-Kolbenachse achsparallel beabstandet angeordneten Bolzen. Eine mögliche Alternative wäre, eine im Inneren der Tragstruktur 3 ausgebildete, achsparallel verlaufende Nut, in der das Ende des Auslegers geführt ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bolzen zusätzlich zur Verdrehsicherung zur Bereitstellung der notwendigen Gehäusekräfte herangezogen wird. Hierfür sind als Bestandteile der Tragstruktur 3 wenigstens zwei Zuganker 142 vorgesehen, die die zum Druckaufbau in der Aktuatorkammer notwendigen Aktuatorkammer-Haltekräfte bereitstellen. Ein solcher Aufbau ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Herstellungskosten, da außer den kostengünstigen Zugankern und dem Hydraulikzylinder 58 kein weiteres Gehäusebauteil benötigt wird, das große Zugkräfte überträgt. Das Gehäuse des Aktuators kann daher im Bereich der Zuganker 142 durch eine einfache dünnwandige Ummantelung 5 komplettiert werden, die beispielsweise aus Blech oder Kunststoff hergestellt sein kann. Dies bietet trotz der in dieser Variante etwas erhöhten Baulänge eine Gewichts- und Kostenersparnis weil Zuganker 142 und eine dünnwandige Ummantelung 5 gegenüber der Alternative eines dickwandigen, zum Beispiel aus Metall gegossenen, auf die Übertragung von Zugkräften ausgelegten Gehäuseabschnitts die vorteilhaftere konstruktive Lösung darstellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass wie dargestellt ein Stangenkolben verwendet werden kann. Es ist günstiger, die mit dem Hydraulikdichtring zusammenwirkende Gleitfläche außen auf einer Stange anzuordnen als auf der Innenwand eines Zylinders und diese mit einem auf dem Kolben angeordneten Hydraulikdichtring zusammenwirken zu lassen. Selbstverständlich kann aber auch eine solche Kolben-Zylinder-Anordnung verwendet werden, wie es in 1, 2, 3 und 4 dargestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009019209 A1 [0014]
