WO2002037535A2

WO2002037535A2 - Piezoelektrischer stellantrieb mit automatischer freischaltung bei stromausfall

Info

Publication number: WO2002037535A2
Application number: PCT/DE2001/004099
Authority: WO
Inventors: Hans Richter
Original assignee: Hans Richter
Priority date: 2000-11-05
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2002-05-10
Also published as: AU2002215834A1; WO2002037535A3; JP2004513310A

Abstract

Piezoelektrischer Stellantrieb mit automatischer Freischaltung bei Stromausfall, wobei das als axial wirkender Druckstempel (11) ausgebildete Stellorgan über eine kniehebelartig einknickbare Druckstütze (15) axial abgestützt ist, die im Betrieb mittels eines Elektromagneten (14) in der Streckstellung gehalten wird.

Description

Piezoelektrischer Stellantrieb mit automatischer Freischaltung bei Stromausfall

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Stellantrieb, und zwar insbesondere einen solchen für verhältnismäßig hohe Antriebskräfte bzw. Antriebsleistungen, und insbesondere zur Verwendung als Betätigungsorgan für eine Rraftfahrzeugradbremse.

Das Grundkonzept eines solchen piezoelektrischen Antriebs ist beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster 94 19 802 bekannt.

Der Grundauf au eines solchen piezoelektrischen Antriebs umfasst eine Reihe von jeweils als Piezoelementenstapel ausgebildeten Piezopaketen, die zwischen einem als Stator dienenden Bezugsteil und einem als Rotor dienenden Abtriebteil angeordnet sind, und zwar so, daß die Stapelhöhe der Piezoelemente in jedem Piezopaket senkrecht zur Oberfläche des Abtriebsteils und zur Richtung der Relativbewegung zwischen Bezugsteil und Abtriebsteil verläuft. Diese Piezostapel dienen zum selektiven Erzeugen einer Klemmkraft zwischen Bezugsteil und Abtriebsteil und werden daher im folgenden als Klemmpiezos bezeichnet. Diese Klemmpiezos sind jeweils mit einem Ende (wobei der Begriff Ende sich jeweils auf die Piezoelementenstapelanordnung bezieht) am Bezugsteil festgelegt und stützen sich mit dem anderen Ende auf dem Abtriebteil ab, ohne daran festgelegt zu sein. Die Orientierung der Reihe, in welcher diese Klemmpiezos nebeneinander angeordnet sind, verläuft quer zur Richtung der Relativbewegung zwischen Abtriebsteil und Bezugsteil, das heißt also axial entlang des drehenden Abtriebsteils. Weitere, ebenfalls jeweils als Piezoelementenstapel ausgebildete Piezopakete, die wegen ihrer Funktion nachstehend als Schrittpiezos bezeichnet werden, sind mit ihrer Stapelhöhenrichtung etwa senkrecht zur Stapelhöhenrichtung der Klemmpiezos und in Richtung der Relativbewegung zwischen Bezugsteil und Abriebsteil orientiert. Diese Schrittpiezos sind jeweils mit einem Ende wiederum am Bezugsteil festgelegt und mit dem anderen Ende mit dem sich auf dem Abtriebsteil abstützenden Ende jeweils eines Klemmpiezos (oder einer Untergruppe von Klemmpiezos) verbunden.

Es sind zwei Gruppen von Klemmpiezos und zwei Gruppen von Schrittpiezos vorhanden. Diese werden elektrisch so angesteuert, daß jeweils die eine Gruppe von Klemmpiezos aktiviert, das heißt im Sinne einer Expansion elektrisch beaufschlagt wird und diese Klemmpiezos sich klemmend an das Abtriebsteil anlegen, während die andere Gruppe von Klemmpiezos deaktiviert, also in Lösestellung, das heißt nicht mit dem Abtriebsteil klemmend geschaltet ist. Dann wird die der klemmend geschalteten Klemmpiezogruppe zuge- ordnete Gruppe von Schrittpiezos aktiviert, so dass die betreffenden Schrittpiezos sich dehnen und dadurch die auf dem Abtriebsteil klemmenden Enden der Klemmpiezos um eine entsprechende Distanz in Bewegungsrichtung des Abtriebsteils auslenken. Dadurch bewegt sich das Abtriebsteil um eine entsprechende Distanz unter dem in Lösestellung geschalteten Klemmpiezos der anderen Klemmpiezogruppe hinweg. Danach wird die An- Steuerung umgeschaltet, das heißt die zuvor klemmenden Klemmpiezos werden in Lösestellung geschaltet, ebenso die zugehörigen Schrittpiezos, so daß die zuvor klemmenden Klemmpiezos sich aus der Klemmstellung lösen und in ihre Ausgangslage zurückkehren, während gleichzeitig die andere Gruppe von Klemmpiezos, die vorher in der Lösestellung waren, durch Aktivierung in die klemmende Position geschaltet und danach auch deren Schrittpiezos aktiviert werden. Auf diese Weise erzeugen die beiden Gruppen von Klemmpiezos mit jeweils zugeordneten Schrittpiezos durch ihren alternierenden Einsatz eine fortlaufende Schrittfolge, wodurch das Abtriebsteil schrittweise bewegt wird. Da diese An- steuerung der Piezos im Frequenzbereich von einigen Kilohertz, zum Beispiel 25 kHz, erfolgt, erhält man eine quasi-kontinuierliche Drehbewegung des Abtriebsteils relativ zum Bezugsteil. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Anordnung dahingehend auszubilden, daß sie zur Betätigung einer Kraftfahrzeugradbremse einsetzbar ist, was selbstverständlich andere Anwendungsfälle mit entsprechenden Anforderungen nicht ausschließt.

Wird ein solcher piezoelektrischer Stellantrieb zur Betätigung einer Kraftfahrzeugradbremse eingesetzt, muß die drehende Abtriebsbewegung des Abtriebsteils in eine Axialbewegung umgesetzt werden, um beispielsweise ein Bremsbacke gegen eine Bremsscheibe zu bewegen und zu spannen. Das Lösen der Bremse erfolgt durch Betätigung des piezoelektrischen Antriebs mit umgekehrter Drehrichtung des Abtriebsteils, was durch entsprechend modifizierte Ansteuerung der Klemm- und Schrittpiezos erfolgen kann.

Während bei der herkömmlichen hydraulischen Kraftfahrzeugbremse die Bremsbacken in die Lösestellung vorgespannt sind und beim Wegnehmen des Hydraulikdrucks, also beim Loslassen des Bremspedals, sich aufgrund der von der Vorspannung erzeugten Rückstell- kraft in die Lösestellung bewegen, ist dies bei dem elektromechanischen Piezoantrieb nicht der Fall. Fällt aus irgendwelchen Gründen die Speisespannungszufuhr zu den Piezos weg, bleibt der Antrieb stehen. Bei der Anwendung als Kraftfahrzeugradbremse muß also dafür Sorge getragen werden, daß im Falle einer Störung in Gestalt eines Stromausfalls nicht der Piezoelektrische Antrieb in der Schließstellung der Bremse stehen bleiben kann und damit ein Lösen der Bremse unmöglich wird.

Mit der Lösung dieses speziellen Problems befasst sich die vorliegende Erfindung.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Anordnung gelöst. Vor- teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist also dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsteil bei Stromausfall derart freigeschaltet wird, daß eine elektrisch aktivierte axiale Arretierung wirkungslos wird und ein axiales Ausweichen mindestens des mit der Bremsbacke verbun- denen Teils des Abtriebsteils um eine gewisse Axialdistanz ermöglicht. Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 im Axialschnitt eine Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Piezoantrieb der

Anordnung nach Figur 1.

Figur 1 zeigt im Axialschnitt einen Piezoantrieb nach der Erfindung zur Betätigung einer Kraftfahrzeugradbremse in Verbindung mit einer Scheibenbremsanordnung. Das Gehäuse

1 des Piezomotors ist mit einem Arm 2 verbunden, der ein Wiederlager für den vom Pie- zomotor erzeugten Anpressdruck auf ein Bremsbackenpaar 3 dient, das mit der Bremsscheibe 4 eines Rads zusammenwirkt.

Der innerhalb des Gehäuses 1 angeordnete Piezomotor ist in seinen Einzelheiten aus Figur

2 besser erkennbar, wo das Gehäuse 1, der Arm 2 usw. weggelassen sind. Danach weist der Piezomotor einen Stator 5 und einen Rotor 6 auf. In dem Stator 5 sind zwei Piezopa- ketanordnungen symmetrisch angeordnet, nämlich zwei Reihen von Klemmpiezos 7, die jeweils durch eine quersteife Brücke 8 innerhalb der betreffenden Reihe miteinander verbunden sind, und die sich mit ihrem freien Ende über Laufschuhe 9 am Rotor 6 abstützen, und jeweils eine der betreffenden Klemmpiezoreihe zugeordneten Reihe von Schrittpiezos 10, deren vorderes Ende mit dem jeweiligen Laufschuh 9 des zugehörigen Klemmpiezos 7 verbunden ist. Diese symmetrische Piezodoppelanordnung hat den Vorteil, daß die von den beiden gegenüberstehenden Klemmpiezoreihen 7 auf den Rotor 6 ausgeübten Querkräfte sich gegenseitig kompensieren. Die Schrittpiezos 10 sind in Figur 1 nicht sichtbar.

Wie aus Figur 1 hervorgeht, ist der Rotor 6 an seinem Umfang als Schraubgewindespindel gestaltet, so daß aufgrund dieser Gestaltung die drehende Schrittbewegung, die durch die Schrittpiezos 10 erzeugt wird, gleich in eine axiale Verschiebebewegung umgesetzt wird. Im Rotor 6 ist drehfest, aber axial um eine gewisse Distanz verschieblich, ein Druckstempel 11 angeordnet, der vorne einen in einer Kalotte gelagerten Kopf 12 trägt. Ein Faltenbalg 13 verbindet den Kopf 12 mit dem Gehäuse 1 und verhindert das Eindringen von Schmutz in den Mechanismus.

Im rückwärtigen Bereich des Rotors 6 ist ein Elektromagnet 14 angeordnet, und in diesem befindet sich ein Blattfederpaket 15, das sich in Axialrichtung erstreckt. Solange der Elektromagnet 14 durch elektrischen Stromfluß erregt ist, hat das Federpaket 15 die dargestellte gestreckte Position, in der es vom Elektromagneten 14 festgehalten wird. Das Federpaket 15 stützt das rückwärtige Ende des Druckstempels 11 am rückwärtigen Teil des Rotors 6 axial ab.

Tritt nun eine Störung ein die mit einem Stromausfall oder einer Unterbrechung des Stromflusses zum Elektromagneten 14 verbunden ist, so wird der Elektromagnet 14 wirkungslos und das Federpaket 15 knickt ein, wie in Figur 1 gestrichelt dargestellt ist. Durch das Einknicken kann der Druckstempel 11 um eine entsprechende Axialdistanz zurückweichen, so daß die Bremse auf jeden Fall gelöst wird, wenn der Stromausfall bei betätigter Bremse, also auf die Bremsbacken 3 wirkendem Druckstempel 11 auftreten sollte. Das Rad kann sich demnach ungehindert weiter drehen und es tritt keine Blockierung ein.

Wie man sieht, arbeitet das Federpaket 15 nach dem Kniehebelprinzip. Das heißt bei Erregung des Elektromagneten 14 genügt eine mäßige Anziehungskraft, um das Federpaket 15 in die Strecklage zu bringen, und das Federpaket 15 kann in dieser Strecklage hohe Axialkräfte aufnehmen.

Claims

Patentansprüche

1. Piezoelektrischer Stellantrieb mit automatischer Freischaltung bei Stromausfall, mit einem Stator (1), einem Rotor (6), und mindestens einer Reihe von am Stator (1) festgelegten und radial auf den Rotor (6) wirkenden Klemmpiezopaketen (7) sowie einer entsprechenden Anzahl von am Stator festgelegten und auf die mit dem Rotor zusam- menwirkenden Enden der Klemmpiezopakete (7) wirkenden Schrittpiezopaketen (10), wobei mindestens zwei Gruppen von Klemm- und Schrittpiezopaketen (7, 10) vorgesehen sind, die alternierend zur Wirkung gebracht werden, um den Rotor (6) quasikontinuierlich in Drehbewegung zu versetzen, und wobei der Rotor (6) aufgrund seiner Drehbewegung eine axiale Translationsbewegung eines Druckstempels (11) erzeugt, und wobei der Druckstempel um eine gewisse Distanz axial verschiebbar gelagert, jedoch über eine Druckstütze (15) axial an einem die axiale Translationsbewegung ebenfalls ausführenden Bauteil (6) abgestützt ist, und wobei die Druckstütze (15) Kniehebelartig ausgebildet und mittels eines stromdurchflossenen Elektromagneten (14) im Betrieb in der Streckstellung gehalten wird, bei stromlosen Elektromagneten (14) je- doch kniehebelartig einknicken kann.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1 , wobei die Druckstütze (15) als in Axialrichtung des Rotors (6) verlaufendes Blattfederpaket ausgebildet ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotor (6) als Gewindespindel ausgebildet ist und die Klemmpiezostapel (7) über entsprechende Schuhe (9) mit den Gewindegängen zusammenwirken, derart, daß die Schrittbewegung zugleich in eine axiale Translationsbewegung des Rotors (6) umgesetzt wird, und wobei der Druckstempel (11) in einer Bohrung des Rotors (6) gelagert ist, die auch den Elektromagneten (14) aufnimmt.