CN108137025B - 机电致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的液压制动回路中的机电致动器，其包括：具有定子和转子的马达、以及定位在马达内的线性致动器。定子定位在具有第一端和第二端的壳体内，转子定位在壳体中并且包括细长转子本体，所述本体具有从本体的一端到另一端穿过的孔，所述孔在本体的朝向所述马达的第一端定位的第一部分上扩大，并且在本体的朝向马达的第二端定位的第二部分上尺寸减小。线性致动器包括定位在细长转子本体中的孔内的细长轴，所述轴在一端具有带有外螺纹的螺杆部分，在所述轴的另一端具有固定部分，螺杆部分沿所述轴的位于转子本体中的所述孔的扩大部分内的部分延伸，所述固定部分紧密地定位在细长本体的第二部分的孔中以防止所述轴相对于细长本体径向运动，所述线性致动器还包括围绕所述轴的螺杆部分的驱动螺母，驱动螺母至少定位在所述转子本体的第一部分的扩大孔内侧的缩回位置，驱动螺母具有内螺纹并且通过与所述驱动螺母和螺杆部分的螺纹接合的一组滚珠连接到螺杆部分。通过固定到细长转子本体的第二部分的轴承组件来相对于定子固定转子本体，转子本体的另一端通过其他方式不受支撑并且从轴承组件悬置。

Description

机电致动器

技术领域

本发明涉及机电致动器的改进，特别是对用于车辆的液压制动系统中使用的机电致动器的改进。

背景技术

在传统液压制动系统中，通过驾驶者压下脚踏板产生制动压力，这移动推杆，推杆进而移开真空助力制动伺服机构中的隔膜。所述伺服机构增大由驾驶者施加的压力，并且在连接到制动钳或者制动鼓的液压流体中产生增大的液压压力。

还已知提供一种制动系统，在所述制动系统中，制动器施加的压力由机电致动器控制。这使得能够使用来自致动器的力应用制动器，而不是单纯依靠驾驶者压下踏板。这种布置使得制动器能够独立于驾驶者而应用，例如，在紧急情况中或者作为车辆稳定控制系统或者坡道保持功能的一部分。

合适的致动器应当具有快速响应时间并且能够产生相对较大的增压，并且最方便地，致动器能够驱动活塞在缸内来回运动。应当注意到，能够实现这种性能的致动器能够被使用在范围广泛的应用中，并且不仅限于使用在液压制动系统中。

在美国申请4,909,577中公开的一种布置中，电磁致动器包括具有定子和转子的马达。转子是空心地并且在内表面上设置有螺旋槽，螺旋槽形成位于转子内的滚珠螺杆线性驱动器的一部分。驱动器包括具有与转子的螺旋槽互补的外螺旋槽的细长螺杆。这两个槽填充有金属滚珠并且这些滚珠作用在螺杆上以产生螺杆相对于定子的线性运动。螺杆的线性运动被用来控制车辆的液压制动回路中的液压压力。所述转子在两端部由轴承支撑。

在申请人的早先申请EP0317182中公开的替代布置中，步进马达具有螺杆，螺杆固定到马达的转子的突出端部，使得当转子旋转时螺杆也旋转。螺杆突出到形成在活塞的端面中的孔内，活塞进而被插入填充有液压流体的缸的孔中。活塞被防止在缸中旋转，当转子旋转时，活塞沿着缸运动。这改变了联接到缸的液压制动回路中的流体的压力。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种用于车辆的液压制动回路的机电致动器，其包括：

具有定子和转子的电马达、以及定位在马达内的线性致动器，其中：

定子定位在具有第一端和第二端的壳体内；

转子定位在所述壳体中并且包括细长转子本体，所述本体具有从本体的一端到另一端穿过的孔，所述孔在本体的朝向所述马达的第一端定位的第一部分上扩大，并且在本体的朝向马达的第二端定位的第二部分上尺寸减小；

线性致动器包括定位在细长转子本体中的孔内的细长轴，所述轴在一端具有带有外螺纹的螺杆部分，在所述轴的另一端具有固定部分，螺杆部分沿所述轴的位于转子本体中的所述孔的扩大部分内的部分延伸，所述固定部分紧密地定位在细长本体的第二部分的孔中以防止所述轴相对于细长本体径向运动，所述线性致动器还包括围绕所述轴的螺杆部分的驱动螺母，驱动螺母至少定位在所述转子本体的第一部分的扩大孔内侧的缩回位置，驱动螺母具有内螺纹并且通过与所述驱动螺母和螺杆部分的螺纹接合的一组滚珠连接到螺杆部分，

通过固定到细长转子本体的第二部分的轴承组件来相对于定子固定转子本体，转子本体的另一端通过其他方式不受支撑并且从轴承组件悬置。

使用具有线形平移螺母的旋转导螺杆提供了总体紧凑的组件，在其要封装在液压制动组件的情况下特别有利。对于滚珠螺母所需的任何防旋转装置能够容纳在马达-液压组件的定子内。

转子本体的第二部分可以同心地定位在马达的定子内，并且转子本体的第一部分可以相对于定子轴向偏移。

当在截面中观察时，所述壳体、定子、转子本体以及轴可以全部为大致圆柱形，并且它们的长轴可以全部在马达的公共中心轴线上对准。

转子本体可以通过轴承圈组件固定到壳体，所述轴承圈组件具有固定到转子本体的第二部分的环形内圈、固定到壳体的环形外轴承圈，以及定位在所述圈之间的多个轴承。这些轴承可以是滚珠轴承或者辊轴承，并且可以被约束为在所述轴承圈中的环形槽中运动。

由于转子仅在一端被支撑，位于定子内的部分从那一端悬置，因此轴承防止转子的任何明显的轴向和径向运动是十分重要的。

所述轴承组件因此可以包括四点接触轴承。

内轴承圈可以紧贴配合、压配合或者过盈配合至所述转子本体的第二部分上。通常，四点接触轴承不能压配合或者过盈配合至轴上，因为这可能会导致所述内圈轻微扩张，导致轴承在内圈、滚珠以及外圈之间稍稍变紧，增大了摩擦并且可能不利地影响轴承的载荷寿命。所述轴应当过渡配合或者非常轻微地滑动配合。

外轴承圈一定不能相对于所述壳体轴向或者径向移动并且因此其应当被牢固固定到所述壳体。外轴承圈可以例如紧贴在壳体的接收部分上，并且可以被从壳体内压入到所述接收部分上的位置，即，被从壳体的第一端朝向封闭的第二端挤压。接合应当足够紧密以在载荷被施加到驱动螺母上时阻止轴承外圈被从壳体拉动，并且该接合可以是过盈配合。可以使用粘合剂来防止运动。

为了将转子本体固定到所述壳体，以及将所述轴固定到所述转子本体，所述轴的穿过转子中的孔的宽度减小区段延伸的部分可以设置有外螺纹，并且可以设置具有与外螺纹上的螺纹接合的内螺纹的锁定螺母，锁定螺母成适当尺寸，使得当定位在所述轴的螺纹上时，锁定螺母与所述转子和所述内轴承圈都接合，由此当锁定螺母被紧固时，所述轴被朝向马达壳体的第一端拉动而与所述转子的孔接合，与此同时，通过锁定螺母将内轴承圈沿朝向壳体的第二端的方向压到转子上。

可以在封闭壳体的第二端的壳体端壁中设置开口，从而能够接近锁定螺母。

与壳体的第二端最接近的转子本体的外表面可以设置有定位内轴承的端面的肩部，锁定螺母将内轴承圈紧固到该肩部上。所述肩部可以从转子本体的端部向后设置在大约与内轴承圈的厚度相等的距离处，或者所述螺母能够稍微突出超过转子本体的端部来弥补该差异。

锁定螺母施加到内轴承圈的力能够进而将轴承组件朝向壳体的第一端拉动，以可靠地将外轴承圈拉动到与壳体接合。所述一个锁定螺母因此将所述轴、转子本体以及轴承组件紧固到壳体上。

在将所述轴拉动至与转子本体接合的过程中，重要的是所述轴不能直接通过转子本体拉动。所述轴朝向壳体的第一端的运动的限制可以通过设置与转子本体的第二部分中的孔的互补的锥形内部部分接合的轴的锥形外部部分来控制。锥形指的是所述轴的固定部分将会因此减小在转子内的外部尺寸，沿远离所述轴的承载锁定螺母的螺杆部分的方向减少尺寸。

所述轴的固定部分可以具有沿其长度的圆柱形截面，使得通过所述固定部分的直径逐渐减小而限定所述锥形部分。

使用圆柱形截面简化了在组装期间转子本体和轴的对准，并且相较于更加复杂的形状，在生产过程中更易于制造。当然，可以设置其它截面。例如，可以在轴和转子之间使用花键接合，但是这与锥形部或平坦的柱形界面相比可能生产起来更贵。

锥形部不仅使所述轴能够在组装时在所述转子本体中自定中，还提供了较大的区域，施加到所述轴的任何轴向载荷被分散在该区域上。锥形部还提供了将导螺杆锁定到转子的有效方法，使得可以经过界面传递转矩，这是锥形接头的固有特征，只要锥角足够浅。

当致动器被用在液压制动系统中时，这种承载高轴向载荷的能力至关重要，此时螺母朝向马达的开口端的运动被用来压缩液压流体。这将通常意味着当螺母进一步缩回所述马达中时沿轴朝向壳体的第一端的载荷远大于沿相反方向的载荷。

锥形部分可以延伸超过与螺杆接触的转子中的孔的大部分。

锥形部分可以具有相对于杆的轴线的压力角，该压力角在1度到10度之间。

所述锥形部分的直径可以沿其长度线性减小。

所述致动器的两部分——马达和线性致动器能够在将线性致动器压进马达之前被独立地构造成两个子组件。

构造方法因此能够包括：首先将轴承组装到壳体，然后将转子压进内轴承中。

最终锁定螺母(在被设置的情况下)可以被用来将马达和线性致动器保持在一起。

这种将线性致动器独立于马达组装并且随后将它们配合在一起的能力使线性致动器能够在马达被提供之前被预组装到制动系统的部分，例如液压缸。一旦在马达壳体之中与致动器组装，就可以实现非常紧凑和鲁棒的组件。

随后线性致动器可以在螺杆部分上与驱动螺母组装，并被压入到转子中。随后锁定螺母可以被固定以将线性致动器的推杆保持在转子中的适当位置并且将转子保持在内轴承上。

定位定子的马达壳体能够包括圆筒形罐，其具有在第二端处的封闭基部，任选地具有允许接近将致动器和转子固定的锁定螺母的进入孔。该罐能够包括薄壁金属罐，所述罐能够以与生产饮料罐相近的方式被从板坯拉制。封闭的基部提供用于轴承组件的接收部分。壳体可以包括薄壁罐，例如钢罐或者铸造并进行后加工的铝罐。

申请者已经认识到，如果所述螺母被过紧地固定到转子的扩大孔中，使得螺母与限定扩大孔和缩小孔之间的阶梯界面的壁结合，那可能会产生问题。

为了防止或者减少结合的风险，致动器能够包括定位在驱动螺母和转子本体的第一部分的封闭端之间的弹性端部止动件，在封闭端处转子本体的第一部分与第二部分结合。这部分可对应于内肩部并且可包括转子本体的大致平坦的径向内壁，在内肩部处转子本体中的孔尺寸阶梯式下降。

端部止动件可包括下列部件的一个或两个：弹性垫圈和低摩擦垫圈，至少低摩擦垫圈能够绕所述轴相对于转子自由旋转。在设置有两者的情况下，它们能够被叠置，低摩擦垫圈优选地最接近驱动螺母。

弹性垫圈可包括波浪垫圈或者贝氏垫圈，每个都能够在提供阻力的同时轴向压缩。弹性垫圈的关键特征在于，它具有沿轴向方向的厚度并且抵抗试图减小厚度的力，所述厚度能够在施加载荷时减小。

当弹性垫圈达到被完全压缩的状态时由弹性垫圈提供的力能够被选为超过马达的失速转矩-使得在弹性垫圈完全压缩之前马达失速。

转子空心体可以是筒形的，并且能够在沿其长度上的任一处具有圆形截面。在带有扩大孔的转子区域中的筒外壁直径可以大于被压进轴承组件中的区域的直径，这两部分通过径向肩部连接。

转子本体在扩大孔的区域可具有薄壁厚度，并且在被压进轴承中的区域中相对较厚。

转子本体可以是一体化构造。

定子能够包括多个金属板，多个电线绕组围绕所述金属板缠绕，这些绕组被连接到一起来形成多个马达相。可以有三相。

在一个优选布置中，定子能够包括结合有用于形成定子磁路的绕组的极齿和槽的多个电工钢片层，并且槽绝缘衬以及塑料盖(端盖)能够被置于电工钢片层上来保护绕组。绕组能够包括每齿多匝例如漆包铜线并且每个绕组与其他绕组连接来形成三相非分布式绕组，相之间例如形成三角形连接。

相之间的连接能够通过包括在终端中的卷曲和焊接的突片特征在马达相连接终端完成。转子磁体可以是稀土类型的。

马达的总体类型能够是永磁体三相同步交流类型。可以想到的是其它类型的马达也是合适的，例如直流有刷马达或者交流感应马达，但对于给定的输出转矩，后面这两种类型较三相同步交流类型都太大。

转子本体的第一部分的外壁可支撑多个永磁体。所述磁体可沿转子的长度延伸并且能够被外部套管保持。转子内可以不含绕组。转子由大致圆筒形式的钢毂组成，所述钢毂能够锻造或者铸造生产并且随后被机加工为适当的尺寸，并且永磁体利用胶水和装配在磁体外部的薄壁套管附接在所述钢毂上，后者作为辅助保持。转子毂是空心的，使滚珠螺母能够自由地在其中通过并且毂结合有圆筒形区域以及接收轴承和锥形中心孔的肩部以附接导螺杆。

附图说明

现在参照附图，仅通过示例描述本发明的两个实施例。

图1是根据本发明的电磁致动器的第一实施例的沿竖直平面的截面图；

图2是图1的致动器的立体图；

图3是根据本发明的致动器的第二实施例的一部分的截面图，示出了处于完全延伸位置的驱动螺母；

图4是图3的致动器的视图，其中致动器的驱动螺母处于完全收缩位置；以及

图5是示出连接到适当的控制驱动电路的致动器。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的机电致动器1的第一实施例包括两个主要功能部分：永磁体马达、以及线性致动器，线性致动器包括固定到转子的驱动螺杆以及通过一组滚珠连接到螺杆的驱动螺母。

在本示例中的马达包括定子部分2和转子部分3，它们都容置在呈拉制金属罐的形式的壳体4内。壳体具有筒形外壁，其在一端(在图中为右侧)开口并在第二端由盖封闭。在封闭端处的盖5设置有与壳体的轴线(从一端至另一端穿过罐)同轴的进入孔6，进入孔6的直径大约是壳体外壁直径的10％。

定子组件2朝向第一开口端被牢固地定位在壳体中。在本示例中，定子组件包括一叠金属板，线圈缠绕在所述金属板上。

转子组件定位在壳体内，并且从一端延伸到另一端。转子组件包括空心细长本体8，空心细长本体8在沿长度约三分之一处直径成阶梯状。阶梯状空心转子本体的、在定子2中距罐的封闭端最远的第一部分9具有大约是外壳直径的一半的直径，并具有相对薄的壁厚以在第一部分内限定扩大的圆筒形孔，所述第一部分在转子本体的端部开口而面向壳体的第一端。转子本体的距离外壳的封闭基部最近的第二部分10具有大约是外壳直径的五分之一的直径。第一部分9和第二部分10通过圆筒形结构的直径改变的阶梯部而结合。孔从转子本体的一端连续延伸到另一端，穿过较小直径的第二部分以及较大直径的第一部分。该孔在第二部分内具有较小的直径。

较小直径的第二部分10的第一功能是将转子结构固定到壳体，并且这是通过将四点接触轴承组件11压到转子本体8的第二部分10的外侧上而实现的。轴承具有与转子本体接触的内圈12、以及外圈13，外圈13进而在壳体内侧上压配合到在盖5中形成的定位环上。内圈以及外圈通过滚珠轴承14连接。轴承组件是四点接触轴承组件并且沿轴向和径向方向没有空隙。

轴承组件11确保了转子本体被牢固地定位在罐中，并且因此不能相对于定子组件2轴向或者径向移动，或者倾斜。通过仅在转子本体的一端由单个轴承提供支撑，并且没有轴承朝向壳体的第二开口端，可通过将螺杆螺母滚珠驱动器定位在转子本体的扩大孔内而减少组件的总长度，接下来将进行描述。

转子8的较大直径的第一部分9具有两个功能。第一功能是围绕其外表面支撑一叠永磁体15，永磁体15以已知的方式与定子协作而当电流被施加到定子时在转子中产生转矩。这种产生转矩的方式对本发明而言并不重要，所以将不会对其进行详细的描述。

第一部分9的第二功能是限定一空间，线性致动器的驱动螺杆和驱动螺母定位在该空间中。所述螺杆形成在轴16的沿转子本体8从一端到另一端经过的部分上。

轴包括螺杆部分17以及固定部分18。固定部分18具有减小的直径并且定位在转子本体的第二部分10的孔中。螺杆部分定位在转子本体的扩大孔中。如图所示，驱动螺母20定位在转子本体中。驱动螺母20具有在内表面上的螺旋槽21，螺旋槽21面向轴的螺杆部分上的互补的螺旋槽22。滚珠23定位在这些螺旋槽中使得驱动螺母和螺杆部一起形成滚珠驱动的线性致动器。

轴的固定部分包括轻微锥形部24，轻微锥形部24如图1和图2所示与转子本体的第二部分中的孔的轻微锥形部25匹配。这使得能够通过从壳体的第一开口端压配合轴而将轴插入孔中，锥形部保证了螺杆能够正确的自定中。该锥形面使得由于螺母的载荷而施加到螺杆上的任意轴向载荷能够被转子抵抗，并且重要的是所述载荷在相对较大的区域上被承载。导螺杆和转子之间的锥形界面还用于将两个部分锁定在一起，使得与界面为具有肩部的柱形以供抵靠张紧的情况相比，在相同的(保持螺纹紧固件的)张紧度下，转矩能够以更大的程度经过界面传递。

为了将轴16固定到转子本体8，轴16的固定部分的终端部分设置有细螺杆螺纹26。通过增大转子第二部分在其开口端处的孔而接近螺纹26。随后锁定螺母27被从罐的封闭端的外部紧固到该螺杆螺纹上，通过在罐的封闭端中的孔6来接近螺纹。如图所示，该锁定螺母将固定部分拉到转子本体中并且还将轴承组件的内圈抵靠转子限制，使得内圈、转子和螺杆被刚性地固定。这可以在转子被压入到适当位置并且随后插入轴之后简单地执行。

定子并未防止驱动螺母旋转，在本示例中通过将驱动螺母连接到与所述致动器独立的另一部件来防止驱动螺母旋转。这代表驱动螺母不需要与定子接触以减少摩擦。在使用中，当转子旋转时，驱动螺母将沿着导螺杆移动。螺母的移动方向取决于马达的旋转方向以及螺纹的手性。

驱动螺母20的最大外部行程由端部止动件(未示出)限制。驱动螺母在转子本体中的内部移动可以通过与螺杆的径向壁接触来限制，或者可以通过柔软的端部止动件来限制。图3示出了本发明的第二实施例，其中设置有停止端止动件100。除了设有端部止动件以外，第二实施例的致动器与第一实施例相同，所以仅仅部分示出。

柔软的端部止动件100包括与锥形部附近的环形壁相邻地定位在螺杆周围的一组两个部件。第一个部件是抵接转子本体的环形壁的贝氏垫圈101。垫圈101的关键特征在于它不是平坦的，而是围绕它的圆周呈起伏的。第二个部件是低摩擦材料或者设置有如PTFE的低摩擦涂层的平坦垫圈102。当驱动螺母20到达行程终点时，它将与被压在贝氏垫圈101上的平坦垫圈102接触。贝氏垫圈随后将在螺母进一步移动并且试图使垫圈101变平时压缩。在某些位置，平坦的低摩擦垫圈可以稍微地旋转，但很快，当贝氏垫圈被压缩时螺母将遇到非常大的转矩载荷并且将有可能以可控或者不可控的方式使马达失速。在附图的图4中示出了这种压缩状态。

通过使用两部分101、102，螺母在反转马达驱动器以释放驱动螺母的过程中应当不受约束。低摩擦垫圈将在被压缩的垫圈上滑动，尤其是在贝式垫圈的规格设定成使得使其变平所需的力大于马达的失速转矩的时候。

图5示出了结合到合适的控制驱动电路中的致动器。电路包括产生针对马达的每相的控制信号的马达控制级200、以及将控制信号转化成针对每相的驱动电流波形的马达驱动级300。通常这些驱动信号会是脉宽调制波形。为了控制致动器1的马达的速度和方向，可以提供来自转矩传感器400的转矩信号T，并且可以提供来自位置传感器500的位置信号d。该信号d可以表示驱动螺母的轴向位置或者转子本体的角位置，可以从该角位置导出螺母位置。转矩信号可用于检测达到行程终点。

图6示出了结合在液压制动系统中的致动器。

Claims (8)

1.一种用于车辆的液压制动回路中的机电致动器，其包括：

具有定子和转子的电马达、以及定位在电马达内的线性致动器，其中：

定子定位在具有第一端和第二端的壳体内；

转子定位在所述壳体中并且包括细长转子本体，所述细长转子本体具有从细长转子本体的第一端到细长转子本体的第二端穿过的孔，所述孔在细长转子本体的朝向所述电马达的第一端定位的第一部分上扩大，并且在细长转子本体的朝向电马达的第二端定位的第二部分上尺寸减小；

线性致动器包括定位在细长转子本体中的孔内的细长轴，所述轴在一端具有带有外螺纹的螺杆部分，在所述轴的另一端具有固定部分，螺杆部分沿所述轴的位于细长转子本体中的所述孔的第一部分内的部分延伸，所述固定部分紧密地定位在细长转子本体的第二部分的孔中以防止所述轴相对于细长转子本体径向运动，所述线性致动器还包括围绕所述轴的螺杆部分的驱动螺母，驱动螺母至少定位在所述细长转子本体的第一部分的扩大孔内侧的缩回位置，驱动螺母具有内螺纹并且通过与所述驱动螺母和螺杆部分的螺纹接合的一组滚珠连接到螺杆部分，

通过固定到细长转子本体的第二部分的轴承组件来相对于定子固定细长转子本体，细长转子本体的另一端通过其他方式不受支撑并且从轴承组件悬置，

其中，所述轴承组件具有固定到细长转子本体的第二部分的环形的内圈、固定到壳体的环形的外圈、以及定位在所述内圈和外圈之间的多个轴承，

其中，所述轴承组件包括四点接触轴承。

2.根据权利要求1所述的机电致动器，其特征在于，细长转子本体的第二部分同心地定位在定子内，并且细长转子本体的第一部分相对于定子轴向偏移。

3.根据权利要求1所述的机电致动器，其特征在于，当在截面中观察时，所述壳体、定子、细长转子本体以及轴全部为大致圆柱形，并且它们的长轴全部在电马达的公共中心轴线上对准。

4.根据权利要求1所述的机电致动器，其特征在于，内圈过渡配合或者非常轻微地滑动配合至所述细长转子本体的第二部分上。

5.根据权利要求1所述的机电致动器，其特征在于，外圈被防止相对于所述壳体径向或者轴向移动。

6.根据权利要求1所述的机电致动器，其特征在于，为了将细长转子本体固定到所述壳体，以及将所述轴固定到所述细长转子本体，所述轴的穿过转子中的孔的宽度减小区段延伸的部分设置有外螺纹，并且设置具有与外螺纹接合的内螺纹的锁定螺母，锁定螺母成适当尺寸，使得当定位在所述轴的外螺纹上时，锁定螺母与所述转子和所述内圈都接合，由此当锁定螺母被紧固时，所述轴被朝向壳体的第一端拉动而与所述转子的孔接合，与此同时，通过锁定螺母将内圈沿朝向壳体的第二端的方向压到转子上。

7.根据权利要求6所述的机电致动器，其特征在于，在封闭壳体的第二端的壳体端壁中设置开口，从而能够接近锁定螺母。

8.根据权利要求6所述的机电致动器，其特征在于，与壳体的第二端部最接近的细长转子本体的外表面设置有定位内轴承的端面的肩部，锁定螺母将内圈紧固到该肩部上。

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