DE102011005517A1

DE102011005517A1 - Elektromechanischer Aktuator mit verbessertem Antriebsstrang

Info

Publication number: DE102011005517A1
Application number: DE102011005517A
Authority: DE
Inventors: Holger von Hayn; Uwe Bach; Jan Hoffmann; Wolfgang Ritter; Ralf Sundheim; Ahmed Sefo
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator 7, insbesondere für ein Kraftfahrzeugbremssystem umfassend einen Antrieb mit einem Elektromotor 7a und mit einem Getriebe 1 sowie mit einem Wälzkörpergetriebe zur Wandlung einer rotatorischen Antriebsdrehbewegung in eine translatorische Zuspannbewegung. Zur akustischen Entkopplung wird vorgeschlagen, dass zwischen Getriebe 1 und Wälzkörpergetriebe ein flexibles Übertragungselement 8 vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Aktuator mit verbessertem Antriebsstrang, insbesondere zum Einsatz als Aktuator für ein elektromechanisches Feststellbremssystem, mit den Merkmalen vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine elektromechanisch betätigbare Kraftfahrzeugbremse mit einem Aktuator ist grundsätzlich bekannt, und umfasst einen Elektromotor, der durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) anzusteuern ist. Die Fahrzeugbremse hat ein Betätigungselement, das auf wenigstens einen Reibbelag wirkt und aus einer Ruhestellung in eine Betätigungsstellung verschiebbar ist, in der das Betätigungselement den Reibbelag gegen einen Reibring anlegt. Das Betätigungselement ist durch eine Elektromotor-Getriebeeinheit betätigbar. Die Reibbeläge können dadurch sowohl dosiert als auch mit hoher Zuspannkraft, bei geringem Strombedarf, an einen Reibring angelegt werden.
Rein elektromechanisch betätigbare Kraftfahrzeugbremsen vom Typ Brake-by-Wire haben bisher keine signifikante Serienbedeutung im Automobilbereich errungen. Derzeit werden vorrangig sogenannte kombiniert betätigbare Bremsen vorgezogen, bei denen eine Betriebsbremsfunktion hydraulisch ausgeführt wird, und wobei eine Feststellbremsfunktion elektromechanisch ausgeführt wird. Der Aufbau dieser kombinierten Bremsen ist nicht einfach, weil sowohl eine hydraulische Energieversorgung und Betätigung mit einem Kolben, als auch eine elektromechanische Energieversorgung mit einem Stellglied erforderlich ist.
Nach dem Gehalt der EP 1 578 633 B1 wird zur Geräuschdämpfung bei einer elektromechanischen Feststellbremse ein elektromechanisches Betätigungselement mit einem Getriebezug umfassend ein Planetengetriebe und einen Hilfsrahmen vorgeschlagen, und wobei ein Elektromotor, und wenigstens ein Teil des Getriebezugs, an einem zusätzlichen Hilfsrahmen befestigt ist. Des Weiteren sind verschiedene Dämpfungselemente und auch ein Riementrieb erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile vom Stand der Technik zu vermeiden, und mit reduziertem Aufwand eine verbesserte Konstruktion für einen kleinen, leichten Aktuator anzugeben, dessen Antriebsstrang bei besonders geringem Bauraumbedarf und bei geringem Aufwand ein möglichst geringes Betriebsgeräusch emittiert.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale vom Patentanspruch 1 gelöst. Durch die Konstruktion ist ein Riementrieb oder Hilfsrahmen nicht erforderlich.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigt jeweils schematisch:
1 einen Hinterachskreis von einem Bremssystem mit einem kombiniert betätigbaren Aktuator umfassend eine elektrohydraulisch betätigte Betriebsbremse und eine elektromechanisch betätigte Feststellbremse,
2 ein Aktuator vom Schwimmsatteltyp im Schnitt, und
3a, b Ausführungsformen vom Aktuator im Schnitt.
Eine Fahrzeugbremsanlage nach 1 weist einerseits eine hydraulisch betätigbare Betriebsbremsfunktion und andererseits eine elektromechanisch betätigbare Bremsfunktion auf, die vorrangig als Feststellbremsfunktion ausgelegt ist. Die Fahrzeugbremse ist gemäß 2 als Schwimmsattel-Scheibenbremse ausgeführt und die bekannte elektrohydraulische Betätigung wird hier ausgespart. Zur Ausführung einer elektromechanischen Bremsfunktion dient ein elektromechanischer Aktuator 7 einschließlich Elektromotor 7a. Dazu gehört ein mehrstufiges, insbesondere zweistufiges Getriebe 1, Sensoren S1–Sx sowie eine elektronische Steuereinheit 22 (ECU(EPB)). Die oben erwähnte Fahrzeugbremse weist weiterhin ein Bremsgehäuse bzw. einen Bremssattel 20, 20' auf, welcher den äußeren Rand einer nicht dargestellten Bremsscheibe und zwei auf beiden Seiten der Bremsscheibe angeordnete Bremsbeläge 33, 34 umgreift. Der Bremssattel 20 bildet auf seiner Innenseite einen Bremszylinder 9, der einen Bremskolben 5 axial verschiebbar aufnimmt. In den zwischen Bremszylinder 9 und Bremskolben 5 gebildeten Betriebsdruckraum 6 kann zur Durchführung von Betriebsbremsungen Bremsflüssigkeit zugeführt werden, so dass sich ein Bremsdruck aufbaut, der den Bremskolben 5 axial entlang einer Achse X zur Bremsscheibe hin verschiebt. Dadurch wird der dem Bremskolben 5 zugewandte Bremsbelag 34 gegen die Bremsscheibe gedrückt. Als Reaktion kann sich der Bremssattel 20 in entgegen gesetzter Richtung verschieben, so dass auch der andere Bremsbelag 33 gegen die Bremsscheibe gedrückt wird.
Im Rahmen einer automatisch oder fahrerinitiierten elektromechanischen Bremsbetätigung wird der Elektromotor 7a bestromt, und die rotatorische Antriebsdrehbewegung wird mit Hilfe von Getriebe 1 und Wälzkörpergetriebe in eine Translationsbewegung vom Bremskolben 5 entlang der Achse X umgewandelt. Das Getriebe 1 kann neben den besagten zwei Rädergetriebestufen in dem Wälzkörpergetriebe eine Spindel 2 und eine Gewindemutter 3 aufweisen, die über Wälzkörper 4 miteinander in Verbindung stehen. Die Wälzkörper 4 sind bevorzugt als Kugeln ausgebildet. Ein Schaft 17 ist einstückig mit der Spindel 2 verbunden und ragt auf einer, von der Bremsscheibe abgewandten Seite, aus dem Bremssattel 20 heraus, und wird unter Zwischenschaltung vom Getriebe 1 rotatorisch angetrieben. In der Stufenbohrung 30 sind Mittel zum Abdichten des Betriebsdruckraums 6 vorgesehen, die den Schaft 17 abdichten. Die auf die Spindel 2 übertragene Rotationsbewegung wird über die Wälzkörper 4, die sich im Gewindegang zwischen Spindel 2 und Gewindemutter 3 befinden, auf die Gewindemutter 3 übertragen, die eine Translationsbewegung in Richtung der Achse X vollzieht. Dadurch wird der Bremskolben 5 betätigt, an dem sich die Gewindemutter 3 abstützt. Gleichzeitig ist die Spindel 2 von der Stufenbohrung 30 im Bremssattel 20 aufgenommen, und stützt sich über einen, mit der Spindel 2 einstückig verbundenen, Kragen 19 und ein Axiallager 18 am Bremssattel 20 in Axialrichtung ab. Das Getriebe 1 setzt also die Drehbewegung des elektromechanischen Aktuators 7 in eine Linearbewegung um, und ist für die Generierung der Zuspannkraft zur Durchführung eines elektromechanisch ausgeführten (Feststell-)Bremsvorganges verantwortlich.
Zum Lösen der elektromechanischen Bremsvorrichtung wird der Aktuator 7 reversiert betrieben, und die Gewindemutter 3 und damit auch der Bremskolben 5 vollziehen eine Bewegung in der 4 nach rechts. Die Bremsbeläge 33, 34 stehen dadurch nicht mehr mit der Bremsscheibe in Kontakt und der Lösezustand der Feststellbremsvorrichtung ist hergestellt.
Die 1 verdeutlicht am Beispiel nur eines Hinterachskreises exemplarisch eine Gestaltungsform einer prinzipiell mehrkreisigen elektronisch geregelten, fremdansteuerbaren, Kraftfahrzeugbremsanlage FBA mit ESP-Funktion, wobei das Betriebsbremssystem grundsätzlich eine diagonale Bremskreisaufteilung aufweist, und wobei die elektromechanische Bremsbetätigung einen Bremskreis betrifft, der durch die Bremssättel 20, 20' der Radbremsen HR, HL einer Hinterachse gebildet ist. Eine Hydraulikeinheit HCU umfasst ein Motor-Pumpen-Aggregat mit einer Pumpe P, umfassend einen Druckmitteleingang E und einen Druckmittelausgang A, wobei im Anschluss an den Druckmittelausgang A üblicherweise eine Dämpfungsvorrichtung enthaltend mehrere, in Kaskade geschaltete, Dämpfungsmittel unter Beteiligung von wenigstens einer Dämpfungskammer vorgesehen ist. Der Druckmittelausgang A ist, wie schematisch verdeutlicht, je nach erforderlicher Funktion ventilgesteuert mit einem Hauptzylinder (THZ) oder mit Radbremsen VR, HL, VL, HR verbindbar. Zur Druckregelung oder Umschaltung in Saug- und Druckpfad der Pumpe P sind elektromagnetische Einlassventile EV, Auslassventile AV, Umschaltventile EUV und Trennventile TV in der HCU vorgesehen. Pumpe P, Dämpfungsmittel und Ventile EV, AV, EUV, TV sind prinzipiell zusammen mit der Pumpe P in einem gemeinsamen Aufnahmekörper der gebildeten HCU angeordnet. Zur elektronischen Ansteuerung und Versorgung von Ventilen V und Pumpe P ist ein elektronisches Steuergerät ECU vorgesehen, die gleichzeitig zur elektrischen Ansteuerung der integrierten Bremssättel HL, HR vorgesehen ist, und zu diesem Zweck direkt elektrisch mit den Bremssätteln 20, 20' anhand von 2- oder Mehrdrahtleitern verbunden ist. Insgesamt ist dadurch eine, in einem einzigen Gehäuse angeordnete, integrierte, Steuereinheit (IPB) für Betriebs- und Feststellfunktion arrangiert.
Im folgenden werden Merkmale der 3 und 4 näher beschrieben, die in abgewandelten Ausführungsformen in unterschiedlichen Kombinationen, auch losgelöst von der zeichnerisch dargestellten Merkmalskombination in 3 oder 4, vorgesehen sein können. Während 3 eine rückwärtige Bremskolbenposition in einem unbetätigten Zustand zeigt, ist der Bremskolben 5 in 4 in einer vollständig ausgefahrenen Position dargestellt. Übereinstimmende Merkmale sind mit jeweils übereinstimmenden Bezugsziffern gekennzeichnet.
Zwischen Getriebe 1 und Spindel 2 ist ein gesondertes, vorzugsweise flexibles, Übertragungselement 8 zur akustischen und/oder mechanischen Entkopplung vom Antriebsstrang vorgesehen. Das Übertragungselement 8 verfügt über Mitnehmerelemente 13, 14. Die Mitnehmerelemente 13, 14 sind formschlüssig ausgebildet und greifen flexibel einerseits an einem kolbenseitigen Ende 15 an der Spindel 2 und getriebeseitig am Ende 16 vom Getrieberad, am Ausgang vom Untersetzungsgetriebe, an. Bevorzugt sind die Mitnehmerelemente 13, 14 mit einer Profilierung als Vielzahn, Vielkeil oder ähnlich arrangiert. Zusätzlich kann eine ballige Profilierung am Umfang der Mitnehmerelemente 13, 14 vorgesehen sein. Dies ermöglicht einen Ausgleich für die elektromechanische Betätigung, und demzufolge eine Entkopplung vom Wälzkörper-Gewindetrieb.
Weiterhin endet die Spindel 2 im Wesentlichen gemeinsam mit dem napfförmigen Bremskolben 5. Eine Anlagefläche 21 zwischen Spindel 2 und einem Lagerring 23 vom Axiallager 18 ist zur zusätzlichen Entkopplung ballig oder kugelkalottenartig mit einem Radius R ausgebildet, dessen Mittelpunkt im Zentrum vom Mitnehmerelement 13, 14 vorgesehen ist. Dadurch ist das Übertragungselement 8 entkoppelt in dem Aktuator angeordnet. Der Wälzkörper-Gewindetrieb wird geschont.
Das Axiallager 18 kann nach 3 als Schrägkugellager ausgebildet sein, welches sowohl axial als auch radial gerichtete Kräfte in den Bremssattel 20 überträgt. Zwischen Axiallager 18 und einer Auflagefläche vom Lagerring 23 in der Stufenbohrung 30 ist ein Kraftsensor 24 vorgesehen. Das Axiallager 18 oder zumindest bestimmte Teile (Lagerring 23) davon sind in der Stufenbohrung 30 axial zumindest geringfügig verschiebbar. Zur leichtgängigen Führung/Zentrierung kann dem Lagerring 23 am Außenumfang ein ringförmiges Führungselement 25 zugeordnet sein. Zur Integration vom Führungselement 25 weist der Umfang vom Lagerring 23 einen Sitz 26 mit Stufen-Kontur auf.
Der Kraftsensor 24 ist durch wenigstens ein Elastoelement 27, das in den Ausführungsformen als Tellerfederanordnung arrangiert ist, grundsätzlich elastisch vorgespannt vorgesehen. Dabei ist die Vorspannung prinzipiell dadurch realisiert, dass das Ende 15 vom Übertragungselement 8 unter elastischer Zwischenlage des Elastoelementes 27 an der Spindel 2 anliegt, und wobei das Ende 16 vom Übertragungselement 8 axial am Getrieberad abgestützt ist. Die Vorspannkraft sorgt zusätzlich für axial elastischen Ausgleich. Die Vorspannkraft vom Elastoelement 27 kann einstellbar vorgesehen sein. Dazu dient im Wesentlichen eine Einstellmutter 29 am Ende 16 vom Übertragungselement 8. Zur automatischen Zentrierung kann der Einstellmutter 29 eine Scheibe 31 mit balliger Auflagefläche zugeordnet sein, der eine entsprechend geformte Auflage 32 als Gegenstück an der Einstellmutter 29 zugeordnet ist. Bei den gezeichneten Ausführungsformen ist am Ende 15 vom Übertragungselement 8 ein Anschlag 35 in Verbindung mit einem Distanzstück 36 realisiert, wobei das Distanzstück 36 je nach Bauform unterschiedlich lang dimensionierbar ist, um die elastische Vorspannkraft für den Kraftsensor 24 zusätzlich oder losgelöst von der Einstellmutter 29 zu variieren.
Die Gewindemutter 3 verfügt über eine Verdrehsicherung 37, die axial verschiebbar im Bremssattel 20, vorzugsweise in einer Vertiefung 38 wie beispielsweise einer axial angeordneten Nut geführt angeordnet ist. Die Verdrehsicherung 37 verfügt über wenigstens eine formschlüssige Kontur, Arm, Lasche oder ähnlichen Vorsprung. Dem ist die Vertiefung 38 zugeordnet. Dem Axiallager 18 kann ein Lagerring 23 zugeordnet sein, welcher zusätzlich mit einer Verdrehsicherung 39 versehen ist, die in die Vertiefung 38 eingreift.
Bezugszeichenliste

1: Getriebe
2: Spindel
3: Gewindemutter
4: Wälzkörper
5: Bremskolben
6: hydraulischer Betriebsdruckraum
7: elektromechanischer Aktuator
7a: Elektromotor
8: Übertragungselement
9: Bremszylinder
10
11: Getriebestufe
12: Getriebestufe
13: Mitnehmerelement
14: Mitnehmerelement
15: Ende
16: Ende
17: Schaft
18: Axiallager
19: Kragen
20: Bremssattel
21: Auflagefläche
22: Steuereinheit
23: Lagerring
24: Kraftsensor
25: Führungselement
26: Sitz
27: Elastoelement
28: Gehäuse
28a: Gehäusedeckel
29: Einstellmutter
30: Stufenbohrung
31: Scheibe
32: Auflage
33: Bremsbelag
34: Bremsbelag
35: Anschlag
36: Distanzstück
37: Verdrehsicherung
38: Vertiefung
39: Verdrehsicherung
CC: elektronischer Chassis Controller
ECU: Elektronisches Steuergerät
ESP: Fahrstabilitätsfunktion
FBA: Kraftfahrzeugbremsanlage
HMI: Mensch-Maschine-Schnittstelle
HCU: Hydraulikeinheit
HECU: Steuereinheit (hydraulisch/elekrisch)
IPB: gemeinsame Steuereinheit
S1, 2, 3...x: Sensor (Druck-, Rad-, etc.)
ST: Schnittstelle
HR: Radbremse hinten rechts
HL: Radbremse hinten links
X: Achse
ax: axial
r: radial
R: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1578633 B1 [0004]

Claims

Elektromechanischer Aktuator (7), insbesondere für ein Kraftfahrzeugbremssystem umfassend einen Antrieb mit einem Elektromotor (7a) und mit einem Getriebe (1) sowie mit einem Wälzkörpergetriebe zur Wandlung einer rotatorischen Antriebsdrehbewegung in eine translatorische Zuspannbewegung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Getriebe (1) und Wälzkörpergetriebe ein gesondertes Übertragungselement (8) zur akustischen Entkopplung vom Wälzkörpergetriebe vorgesehen ist.
Elektromechanischer Aktuator (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (8) als Welle mit Mitnehmerelementen (13, 14) an Enden (15, 16) vorgesehen ist.
Elektromechanischer Aktuator (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (8) an den Enden (15, 16) in benachbarten Bauteilen vom Antriebsstrang flexibel aufgenommen ist.
Elektromechanischer Aktuator (7) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Mitnehmerelement (13, 14) eine ballige Profilierung aufweist.
Elektromechanischer Aktuator (7) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bremskolben (5) eine Spindel (2) aufnimmt, deren axiale Baulänge im Wesentlichen gemeinsam mit dem napfförmigen Bremskolben (5) endet, und dass die Spindel (2) eine Anlagefläche (21) zur axialen Abstützung an einem Axiallager (18) aufweist.
Elektromechanischer Aktuator (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (21) kugel-kalottenartig mit einem Radius R ausgebildet ist, dessen Mittelpunkt im Zentrum vom Mitnehmerelement (13, 14) angeordnet ist.
Elektromechanischer Aktuator (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (8) als zylindrische Stange mit einem Durchmesser d ausgebildet ist, und wobei die Mitnehmerelemente (13, 14) einen Durchmesser D aufweisen, und wobei der Durchmesser D größer als der Durchmesser d ausgebildet ist.