DE102005019350A1

DE102005019350A1 - Redundant gestalteter Aktuator für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005019350A1
Application number: DE200510019350
Authority: DE
Inventors: Michael Graef
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Ein redundant gestalteter Aktuator, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist erfindungsgemäß mit einem ersten Steller versehen, dem aus einer zugeordneten ersten Quelle Antriebsenergie zugeführt werden kann, und weist mindestens einen zweiten Steller auf, dem aus einer zugeordneten zweiten Quelle Antriebsenergie zugeführt werden kann. Der erste und der zweite Steller greifen gemeinsam an einer Last an und es ist mindestens eine Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu angepasst ist, gleichzeitig aus beiden Quellen Antriebsenergie zu dem jeweils zugeordneten Steller zuzuführen und/oder aus zumindest einer der Quellen auch Antriebsenergie zu mindestens einem nicht dieser Quelle zugeordneten Steller zuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft einen redundant gestalteten Aktuator, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der mit mindestens zwei redundant wirkenden Stellern versehen ist, denen aus zugeordneten Quellen Antriebsenergie zugeführt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen redundant gestalteten Aktuator.

Moderne Kraftfahrzeuge ermöglichen so genannten Drive-By-Wire Funktionen, bei denen Stellvorgänge, wie beispielsweise Lenkbewegungen von Rädern, mit Hilfe von fernbetätigten Aktuatoren durchgeführt werden, ohne dass ein mechanischer Druckgriff vom Bediener auf das zu bewegende Element erfolgt.

Die dazu verwendeten Aktoren sind in der Regel elektrischer Bauart mit einem geregelten Elektromotor und einem mechanischen Getriebe oder hydraulischer Bauart mit einer zentralen Hydraulikfluidversorgung, dezentralen Ventilen und dezentralen Zylinder-Kolben-Anordnungen als Steller ausgebildet. Es ist ferner eine Mischform von so genannten elektrohydraulischen bzw. elektrohydrostatischen Aktuatoren bekannt, bei denen jedem Aktuator eine dezentrale Hydraulikfluidversorgung zugeordnet ist.

Um mit diesen Aktuatoren auch sicherheitskritische Applikationen, wie beispielsweise eine Lenkvorrichtung ausbilden zu können, werden für eine einzelne Stellbewegung mehrere solcher Steller parallel geschaltet, so dass ein redundant gestalteter Aktuator entsteht. Dabei ist es bei bekannten redundant gestalteten Aktuatoren besonders gewünscht, dass diese weitestgehend physisch voneinander getrennt und mit getrennten Verbindungsleitungen mit unabhängigen Antriebsquellen versehen sind.

Bekannte elektrische Aktuatoren mit einem geregelten Elektromotor und einem mechanischen Getriebe weisen jedoch die Nachteile auf, dass sie erstens auf meist nur ein einzelnes vom Getriebe bestimmtes Grundübersetzungsverhältnis festgelegt und zweitens nur entweder selbsthemmend oder freilaufend ausgebildet sein können.

Bekannte hydraulische Aktuatoren sind mit jeweils zugeordneten dezentralen Hydraulikfluidversorgungen ebenfalls nur begrenzt regelbar. Mit einer zentralen Hydraulikfluidversorgung ist nur eine teilweise Redundanz geschaffen.

Bekannte Mischformen elektrohydraulischer bzw. elektrohydrostatischer Aktuatoren weisen auch den Nachteil einer festen Grundübersetzung auf.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug mit einem redundant gestalteten Aktuator bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile überwunden und neben weitestgehender Sicherheit zugleich ein sehr flexibel handhabbares Stellverhalten geschaffen sind.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem redundant gestalteten Aktuator gelöst, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der mit einem ersten Steller versehen ist, dem aus einer zugeordneten ersten Quelle Antriebsenergie zugeführt werden kann, und mindestens einen zweiten Steller aufweist, dem aus einer zugeordneten zweiten Quelle Antriebsenergie zugeführt werden kann, bei dem der erste Steller und der mindestens eine zweite Steller gemeinsam an einer Last angreifen und bei dem mindestens eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu angepasst ist, aus den beiden oder gegebenenfalls auch mehr Quellen Antriebsenergie zugleich zu den diesen Quellen jeweils zugeordneten Stellern zuzuführen. Die Aufgabe ist ferner mit einem redundant gestalteten Aktuator gelöst, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der mit einem ersten Steller versehen ist, dem aus einer zugeordneten ersten Quelle Antriebsenergie zugeführt werden kann, und mindestens einen zweiten Steller aufweist, dem aus einer zugeordneten zweiten Quelle Antriebsenergie zugeführt werden kann, bei dem der erste Steller und der mindestens eine zweite Steller gemeinsam an einer Last angreifen und bei dem mindestens eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu angepasst ist, aus zumindest einer der Quellen auch Antriebsenergie zu mindestens einem nicht dieser Quelle zugeordneten, also anderen Steller zuzuführen. Ferner ist die Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug gelöst, welches mit einem der derartigen erfindungsgemäßen Aktuatoren ausgestattet ist.

Die Erfindung beseitigt die oben genannten Nachteile durch eine Anordnung von mehreren, beispielsweise zwei Stellern, die jeweils mit einer eigenen Antriebsenergieversorgung versehen sind und deren Steuerung dann derart verschaltet ist, dass insbesondere jeder der Steller aus jeder der dezentralen Antriebsenergieversorgungen gespeist und auf diese Weise betätigt werden kann. Zugleich sind aber dennoch beide Steller miteinander in einer Weise gekoppelt, dass sie beide an einer Last angreifen. Die derartige Anordnung führt dazu, dass, außer der normalen Betätigung der zu bewegenden Last mit nur einem Steller sowie der im Notfall erforderlichen Betätigung durch den redundanten Steller, weitere sehr vorteilhafte Betriebszustände geschaltet werden können:
So können mit dem erfindungsgemäßen Aktuator zum Bereitstellen einer erhöhten bzw. besonders hohen Kraft beide Steller gleichzeitig von Ihren Antriebsenergieversorgungen gespeist werden. Mit diesem Vorgehen kann also eine Art Untersetzung am Aktuator erzeugt werden, mit der besonders hohe Stellkräfte erzeugt werden. Der Stellkraftbereich des Aktuators gemäß der Erfindung ist daher besonders groß.

Ferner kann bei dem erfindungemäßen Aktuator auch mit beiden Antriebsquellen nur ein einzelner Steller gespeist werden, der dann eine Bewegung mit besonders großer Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung ausführt.

Diese Schaltungsweise kann besonders vorteilhaft ermöglicht werden, indem als Antriebsquelle jeweils eine Hydraulikfluidpumpe vorgesehen wird, welche in Bezug auf einen einzelnen Steller parallel geschaltet werden.

Die erfindungsgemäßen Steller sind vorteilhaft als Linear-Motoren gestaltet, können aber alternativ oder gegebenenfalls auch zusätzlich als Drehmomenterzeuger gestaltet sein. Um eine einfache Kombination mit den oben genannten hydraulischen Pumpen zu ermöglichen, werden besonders bevorzugt Zylinder-Kolben-Anordnungen als Steller verwendet.

Um die oben bereits erwähnte Betriebsart mit alleiniger Betätigung nur eines Stellers in einfacher Weise zu realisieren, sollte die erfindungsgemäße mindestens eine Steuereinrichtung dazu angepasst sein, mindestens einen der Steller freilaufend zu schalten. Unter freilaufend wird dabei verstanden, dass der Steller sich im Leerlauf befindet, was bei einer Zylinder-Kolben-Anordnung beispielsweise mittels einer den Kolben überbrückenden Kurzschlussleitung am Zylinder realisiert sein kann.

Alternativ oder zusätzlich sollte die mindestens eine Steuereinrichtung dazu angepasst sein, mindestens einen der Steller dämpfend zu schalten. Die Dämpfung kann dabei z.B. mittels einer den Kolben überbrückenden Bypassleitung mittels einer hydraulischen Drossel erreicht werden. Mit Hilfe eines zumindest teilweise gedämpften Stellers kann gezielt auf das Stopp- und Schwingverhalten des erfindungsgemäßen Aktuators eingewirkt werden und es wird gegebenenfalls auch möglich, mit einem der Steller die Bewegung bzw. Stellkraft zumindest eines zweiten Stellers des Aktuators zu begrenzen oder abzuschwächen.

Schließlich ist es auch besonders von Vorteil, wenn die mindestens eine Steuereinrichtung dazu angepasst ist, mindestens einen der Steller sperrend zu schalten. Mit dem Sperren zumindest eines Stellers kann der erfindungsgemäße Aktuator beispielsweise bei einer Notsituation blockiert werden. Je nach erforderlicher Blockierkraft können auch mehrere Steller gleichzeitig blockiert sein.

Mit den oben genannten einzeln oder in Gruppen frei geschalteten, gedämpften oder blockierten Stellern kann ferner im Falle eines Ausfalles von einzelnen oder mehreren Komponenten des erfindungsgemäßen Aktuators sehr vielfältig und flexibel auf solche besonderen Betriebsumstände reagiert werden. So kann der erfindungsgemäße Aktuator selbst dann grundsätzlich noch betrieben werden, wenn eine Antriebsquelle eines Stellers und zugleich ein anderer Steller defekt sind. Ferner kann je nach Situation oder Schwere des Ausfalls der Aktuator in mehreren Schritten gedämpft und dann blockiert und/oder aber vollständig freigegeben werden.

Um die oben genannten Schaltfunktionen zu erzielen, sind vorteilhaft mehrere Steuereinrichtungen insbesondere in Gestalt von Magnetventilen vorgesehen, welche in einem für beide Steller wirkenden Steuerblock zusammengefasst sind.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, redundant gestalteten Aktuators anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 ein stark vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungemäßen Aktuators,
2 ein erstes Verschaltungsschema des Aktuators gemäß 1,
3 ein zweites Verschaltungsschema des Aktuators gemäß 1,
4 ein drittes Verschaltungsschema des Aktuators gemäß 1,
5 ein viertes Verschaltungsschema des Aktuators gemäß 1,
6 ein fünftes Verschaltungsschema des Aktuators gemäß 1 und
7 ein sechstes Verschaltungsschema des Aktuators gemäß 1.
1 veranschaulicht den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen, redundant gestalteten Aktuators 10. Der Aktuator 10 weist einen ersten Motor 12 mit einer daran drehmomentenübertragend angekoppelten ersten Pumpe 14 sowie einen zweiten Motor 16 mit einer daran drehmomentenübertragend angekoppelten zweiten Pumpe 18 auf.
Die Pumpen 14 und 18 sind jeweils derart gestaltet, dass sie ein nicht näher veranschaulichtes Hydraulikfluid in zwei entgegen gesetzten Richtungen in jeweils zugehörige Leitungen 20 bzw. 22 sowie 24 bzw. 26 fördern können. Diese Leitungen 20, 22, 24 und 26 sind zu einem Steuerblock 28 geführt, dessen Funktionsweise nachfolgend noch näher erläutert wird.
Am Steuerblock 28 sind vier weitere Leitungen 30, 32, 34 und 36 angeschlossen, von denen zwei Leitungen 30 und 32 zu einer ersten Zylinder-Kolben-Anordnung 38 und zwei Leitungen zu einer zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung 40 führen. Die Zylinder-Kolben-Anordnungen 38 und 40 sind dabei hintereinander bzw. in einer Reihe angeordnet.
Die Zylinder-Kolben-Anordnungen 38 und 40 umfassen jeweils einen Zylinder 42 bzw. 44, in denen jeweils ein Kolben 46 bzw. 48 verschiebbar gelagert ist. Die Kolben 46 und 48 sind mit einer einzigen Kolbenstange 50 kraftübertragend gekoppelt, welche aus den Zylindern 42 bzw. 44 beidseitig herausragt. Die Kolbenstange 50 verbindet dabei auch die beiden Kolben 46 sowie 48 miteinander kraftleitend und schafft an den Stirnenden der aus den beiden Anordnungen 38 und 40 gebildeten Gruppe die Möglichkeit auf eine nicht dargstellte Last (siehe Pfeil 52 in 1) einzuwirken. Als Last kann z.B. ein am Lenkgestänge eines Kraftfahrzeugs zu schwenkendes Rad zu bewegen sein.
Beidseitig von den Kolben 48 und 50 sind in den Zylindern 44 bzw. 46 jeweils Kammern 54, 56, 58 sowie 60 angeordnet, an denen jeweils eine der Leitungen 32, 34, 36 bzw. 36 fluidleitend angeschlossen ist.
In den 2 bis 7 sind verschiedene Schaltfunktionen des mit mehreren, nicht näher dargestellten Steuereinrichtungen versehenen Steuerblocks 30 und die damit erreichten Wirkfunktionen des Aktuators 10 näher veranschaulicht. Bei sämtlichen dieser Schaltfunktionen sollen die Zylinder-Kolben-Anordnungen 38 bzw. 40 dabei als ein Steller wirken, mittels dem die genannte Last bewegt werden kann.
Die 2 zeigt ein Verschaltungsschema, bei dem mit der ersten Pumpe 16 zu der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung 38 und zugleich mit der zweiten Pumpe 18 zu der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung 40 Hydraulikfluid unter Druck an den Kolben 46 und 48 jeweils in gleicher Wirkrichtung zugeführt wird. Mit dieser Art der Versorgung der dann beide als Steller wirkenden Zylinder-Kolben-Anordnungen 38 und 40 wird eine Kräfteaddition für einen hohen Krafteintrag an der zu bewegenden Last erreicht.
In 3 ist ein Verschaltungsschema dargestellt, bei dem durch eine entsprechende Einstellung von Ventilen im Steuerblock 28 sowohl mit der ersten Pumpe 16 als auch der zweiten Pumpe 18 Hydraulikfluid unter Druck zu der dann als alleiniger Steller wirkenden Zylinder-Kolben-Anordnung 38 gefördert wird. Die Zylinder-Kolben-Anordnung 40 ist währenddessen hingegen in einen Freilauf geschaltet. Auf diese Weise wird mit dem Aktuator 10 eine Geschwindigkeitsaddition bei der Bewegung der genannten Last erreicht. Für bestimmte Betriebszustände beispielsweise eines Abbremsens der derartigen Bewegung, kann mit dem Steuerblock 28 an der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung 40 auch eine Blende in die in 3 gezeigte Kurzschlussleitung geschaltet werden, so dass gezielt eine Dämpfung erzeugt werden kann.
Die 4 und 5 zeigen Situationen, bei denen es zu einem Ausfall von einer der beiden als Antriebsquellen wirkenden Gruppen aus Motor 12 bzw. 16 sowie Pumpe 14 bzw. 18 gekommen ist. In einer solchen Situation ist der Aktuator 10 derart redundant gestaltet, dass stets einer der als Steller wirkenden Zylinder-Kolben-Anordnungen 38 oder 40 mit Hydraulikfluid versorgt werden kann. Bei einer solchen Verschaltung ist zwar nicht mehr die oben erläuterte Kraft- oder Geschwindigkeitsaddition möglich, es kann aber auf jeden Fall eine ausreichende Funktion des Aktuators 10 während einer solchen Notlaufsituation gewährleistet werden.
In den 6 und 7 sind zwei Arten von Verschaltungen dargestellte, mit denen auf einen grundsätzlich möglichen Totalausfall der aus den Elementen 12, 14 sowie 16, 18 gebildeten Antriebsquellen reagiert werden kann. Eine dieser Verschaltungen (siehe 6) sieht eine völlige Freischaltung beider Zylinder-Kolben-Anordnungen 38 und 40 vor, wobei alternativ oder zusätzlich auch eine gezielte hydraulische Dämpfung insbesondere beim Übergang vom aktiven in den passiven Zustand eingesteuert werden kann. Die 7 zeigt eine Verschaltung, bei der hingegen beide Zylinder-Kolben-Anordnungen 38 und 40 (gegebenenfalls nach einer Dämpfungsphase) in einen selbsthemmenden Zustand übergeführt sind.

10: Aktuator
12: erster Motor
14: erste Pumpe
16: zweiter Motor
18: zweite Pumpe
20: Leitung
22: Leitung
24: Leitung
26: Leitung
28: Steuerblock
30: Leitung
32: Leitung
34: Leitung
36: Leitung
38: erste Zylinder-Kolben-Anordnung
40: zweite Zylinder-Kolben-Anordnung
42: Zylinder
44: Zylinder
46: Kolben
48: Kolben
50: Kolbenstange
52: Pfeil
54: Kammer
56: Kammer
58: Kammer
60: Kammer

Claims

Redundant gestalteter Aktuator (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der mit einem ersten Steller (38) versehen ist, dem aus einer zugeordneten ersten Quelle (12, 14) Antriebsenergie zugeführt werden kann, und mindestens einen zweiten Steller (40) aufweist, dem aus einer zugeordneten zweiten Quelle (16, 18) Antriebsenergie zugeführt werden kann, bei dem der erste und der zweite Steller (38; 40) gemeinsam an einer Last angreifen und bei dem mindestens eine Steuereinrichtung (28) vorgesehen ist, die dazu angepasst ist, gleichzeitig aus beiden Quellen (12, 14; 16, 18) Antriebsenergie zu dem jeweils zugeordneten Steller (38, 40) zuzuführen.
Redundant gestalteter Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinrichtung (28) dazu angepasst ist, aus zumindest einer der Quellen (12, 14) Antriebsenergie auch zu mindestens einem nicht dieser Quelle (12, 14) zugeordneten Steller (40) zuzuführen.
Redundant gestalteter Aktuator (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, der mit einem ersten Steller (38) versehen ist, dem aus einer zugeordneten ersten Quelle (12, 14) Antriebsenergie zugeführt werden kann, und mindestens einen zweiten Steller (40) aufweist, dem aus einer zugeordneten zweiten Quelle (16, 18) Antriebsenergie zugeführt werden kann, bei dem der erste und der zweite Steller (38; 40) gemeinsam an einer Last angreifen und bei dem mindestens eine Steuereinrichtung (28) vorgesehen ist, die dazu angepasst ist, aus zumindest einer der Quellen (12, 14) Antriebsenergie auch zu mindestens einem nicht dieser Quelle zugeordneten Steller (38) zuzuführen.
Redundant gestalteter Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die mindestens eine zweite Quelle (12, 14; 16, 18) jeweils als Hydraulikfluid fördernde Pumpe gestaltet sind.
Redundant gestalteter Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der mindestens eine zweite Steller (38, 40) jeweils als Zylinder-Kolben-Anordnung gestaltet sind.
Redundant gestalteter Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinrichtung (28) dazu angepasst ist, mindestens einen der Steller (38, 40) freilaufend zu schalten.
Redundant gestalteter Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinrichtung (28) dazu angepasst ist, mindestens einen der Steller (38, 40) dämpfend zu schalten.
Redundant gestalteter Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinrichtung (28) dazu angepasst ist, mindestens einen der Steller (38, 40) sperrend zu schalten.
Redundant gestalteter Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steuereinrichtungen insbesondere in Gestalt von Magnetventilen vorgesehen sind, welche in einem für mehrere, insbesondere alle Steller (38, 40) wirkenden Steuerblock (28) zusammengefasst sind.
Kraftfahrzeug mit einem redundant gestalteten Aktuator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.