DE102012112908A1

DE102012112908A1 - Elektrohydraulischer Aktuator mit integrierter Bremse

Info

Publication number: DE102012112908A1
Application number: DE102012112908A
Authority: DE
Inventors: Yvan Bourqui; Karin KRATTINGER
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2013-06-27
Also published as: US9194405B2; CN103174698A; US20130160442A1; JP6239233B2; KR20130079243A; JP2013135612A; CN103174698B

Abstract

Ein elektrohydraulischer Aktuator hat einen Hauptzylinder, einen Elektromotor und eine elektromechanische Bremse. Der Hauptzylinder hat einen Hydraulikzylinder und einen Betätigungskolben, der in dem Hydraulikzylinder gleitend aufgenommen ist, um Druck in dem Hydraulikkreis zu variieren. Der Elektromotor ist angeordnet, um den Betätigungskolben in den Hydraulikzylinder hinein anzutreiben. Der Motor hat einen Ständer und einen Läufer. Die elektromechanische Bremse ist angeordnet, um den Läufer gegenüber dem Ständer selektiv und lösbar zu halten, um eine relative Drehbewegung zwischen diesen zu verhindern.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Aktuator und insbesondere einen elektrohydraulischen Aktuator mit einer integrierten Bremse.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein elektrohydraulischer Aktuator umfasst einen Motor, der einen Tauchkolben eines Hauptzylinders eines Hydraulikkreises antreibt. Solche Vorrichtungen können in Fahrzeuganwendungen wie Bremssystemen oder Kupplungssystemen verwendet werden. Der Motor bewegt einen Betätigungskolben linear in einen Hydraulikzylinder hinein, wodurch der Druck in dem gesamten Ölkreis ansteigt. Während der Betätigung ist der Druck relativ niedrig, weshalb der Motor wenig Strom (Energie) benötigt, um das für die Bewegung des Kolbens nötige Drehmoment aufzubringen. Am Ende der Betätigung, wenn ein physisches Hindernis erreicht wird (Ende des Hubs), steigt der Druck exponentiell an und erreicht einen hohen Wert. Dieser hohe Druck erzeugt eine hohe axiale Gegenkraft auf den Betätigungskolben, weshalb ein hohes Haltemoment notwendig ist, das eine höhere Energieversorgung des Motors erfordert. Wenn dieses Haltemoment von dem Motor aufzubringen ist, muss ein hoher Strompegel beibehalten werden. Dies führt zu einem hohen Energieverbrauch und einer hohen Wärmeableitung und am Ende gegebenenfalls zu einer Überhitzung.
Derzeit ist der Energieverbrauch von Automobilkomponenten von großer Bedeutung, da sich dieser direkt auf den Kraftstoffverbrauch eines mit Kraftstoff betriebenen Fahrzeugs oder auf die Batteriebetriebszeit eines batteriebetriebenen Fahrzeugs auswirkt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aus diesem Grund ist ein elektrohydraulischer Aktuator erwünscht, der ohne Überhitzung und ohne hohen Energieverbrauch über einen langen Zeitraum im Modus eines hohen Haltemoments betrieben werden kann.
Bei vorliegender Erfindung wird dies erreicht durch einen Motor mit einer elektromechanischen Bremse zur Beibehaltung des hohen Haltemoments, um den Hauptzylinder an einem Rückantrieb des Motors zu hindern und um eine Deaktivierung des Motors während des Haltemodus zu ermöglichen.
Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein elektrohydraulischer Aktuator für einen Hydraulikkreis angegeben, umfassend: einen Hauptzylinder mit einem Hydraulikzylinder und einem Betätigungskolben, der gleitend in dem Hydraulikzylinder aufgenommen ist, um Druck in dem Hydraulikkreis zu variieren; einen Elektromotor, der den Betätigungskolben in den Hauptzylinder hinein antreibt, wobei der Motor einen Ständer und einen Läufer umfasst; und eine elektromechanische Bremse, die angeordnet ist, um den Läufer gegenüber dem Ständer selektiv und lösbar zu halten, um eine relative Drehbewegung zwischen diesen zu verhindern.
Vorzugsweise ist der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor.
Vorzugsweise hat der Elektromotor eine Ausgangswelle, die sich linear entlang einer Achse bewegt.
Vorzugsweise umfasst die elektromechanische Bremse einen Elektromagnet, der relativ zu dem Ständer festgelegt ist, und eine Bremsscheibe, die für eine Drehung mit dem Läufer festgelegt ist.
Vorzugsweise ist die Bremsscheibe durch ein elastisches Element mit dem Läufer verbunden, das eine Bewegung der Bremsscheibe in axialer Richtung des Läufers ermöglicht und die Bremsscheibe für eine Drehung mit dem Läufer festlegt.
Vorzugsweise umfasst der Elektromagnet einen Eisenkern und eine den Eisenkern umschließende Spule, die angeordnet ist, um ein Magnetfeld in dem Eisenkern zu induzieren.
Vorzugsweise umfasst die elektromechanische Bremse ferner eine Reibfläche, und der Elektromagnet ist angeordnet, um die Bremsscheibe mit der Reibfläche in Kontakt zu drücken, um den Läufer an dem Ständer zu halten.
Vorzugsweise ist die Reibfläche an dem Eisenkern gebildet.
Vorzugsweise ist der Eisenkern ein kreisförmiger Ring mit einem U-förmigen Querschnitt mit einer dem Motor zugewandten Basis, einem der Bremsscheibe zugewandten offenen Ende und zwei Seiten, die sich unter Bildung eines Kanals zwischen der Basis und dem offenen Ende erstrecken, wobei die Spule in dem Kanal angeordnet ist.
Vorzugsweise liegt die Bremsscheibe dem offenen Ende des Eisenkerns über einen Luftspalt gegenüber, wenn der Elektromagnet inaktiv ist.
Vorzugsweise liegt die Bremsscheibe der Reibfläche über einen schmalen Luftspalt gegenüber, wenn die Bremse inaktiv ist, und greift an der Reibfläche an, wenn die Bremse aktiv ist.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich für Anwendungen, bei denen die Betätigungszeit sehr kurz, die Haltezeit jedoch lang ist. Bei manchen Anwendungen kann die Dauer des Haltemodus einen sehr bedeutenden Anteil der Betriebsdauer des Aktuators einnehmen, so dass ein geringer Energieverbrauch während dieses Haltemodus höchst vorteilhaft ist. Bei Aktuatoren von Fahrzeugbremsen kann die Einschaltdauer weniger als 10% der Betriebsdauer des Fahrzeugs betragen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels erläutert, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
1 ist eine Schnittansicht eines elektrohydraulischen Aktuators gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Bremsmechanismus, der Teil des Aktuators von 1 ist;
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt in einer Teilschnittansicht einen elektrohydraulischen Aktuator 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aktuator 10 umfasst einen Hauptzylinder 12, einen Elektromotor 14 und eine Bremse 16. In der charakteristischen Weise ist der Hauptzylinder ausgebildet für die Verbindung mit einem Hydraulikkreis (nicht gezeigt) für den Antrieb von einem oder mehreren Hilfszylindern. Die Hilfszylinder sind angeordnet, um Einrichtungen wie beispielsweise einen Kupplungsschieber zu bewegen, der zwei Betriebsstellungen aufweist und in einer gesteuerten Bewegung zwischen den beiden Stellungen bewegt werden muss, oder um beispielsweise ein Bremsklotz in einem Bremssystem einzuzwängen, wobei die Bewegung des Hilfszylinders gesteuert wird, um den Betrag der auf den Bremsklotz ausgeübten Kraft und damit den Betrag der auf die Bremsen ausgeübten Reibung zu ändern. In beiden Situationen wirkt ein Umkehrdruck einer bestimmten Höhe gegen die Betätigung des Kolbens in dem Hauptzylinder, der sich mit einer Erhöhung der durch den Hydraulikkreis ausgeübten Kraft erhöht.
Der Hauptzylinder hat ein Ölreservoir zur Speicherung des Arbeitsfluids, d. h. des Hydrauliköls. Das Ölreservoir steht in Verbindung mit einem Hydraulikzylinder. Ein Betätigungskolben 22 ist derart angeordnet, dass er entlang des Hydraulikzylinders gleiten kann, so dass ein erstes Ende des Kolbens in den Hydraulikzylinder eintritt. Eine oder mehrere Dichtungen dichten den Betätigungskolben gegenüber dem Hydraulikzylinder ab, um ein Entweichen des Hydraulikfluids zu verhindern, während dieses von dem Betätigungskolben komprimiert wird. Der Betätigungskolben 22 hat einen vergrößerten Kopf oder Flansch 24, der sich an dem von dem ersten Ende des Kolbens, das in den Hydraulikzylinder eintritt, entfernten zweiten Ende befindet. Der Flansch liegt vorzugsweise an dem zweiten Ende, kann jedoch auch zwischen dem ersten und dem zweiten Ende liegen. Der Flansch tritt jedoch nicht in den Hydraulikzylinder ein, so dass seine Lage möglicherweise die axiale Bewegung oder den Hub des Betätigungskolbens beeinträchtig. Der Flansch wirkt mit einem oder mehreren Führungsbolzen 26 zusammen, um den Kolben und den Zylinder aufeinander auszurichten. Die Führungsbolzen 26 stützen Rückstellfedern 28, die sich für eine Rückstellung des Betätigungskolbens in die Ausgangs- oder Ruhelage zwischen dem Flansch und dem Körper des Hauptzylinders 12 erstrecken.
Der Motor 14 ist vorzugsweise mittels Schrauben 30 an dem Körper des Hauptzylinders 12 befestigt. Der Motor ist ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor. Die Drehbewegung des Läufers des Motors wird in eine lineare Bewegung einer mit einem Gewinde versehenen Ausgangswelle 32 umgesetzt, die auf die Drehachse des Motors ausgerichtet ist. Die Ausgangswelle 32 ist derart angeordnet, dass sie sich an dem Betätigungskolben abstützt, so dass der Kolben aus der Ruhelage in den Hydraulikzylinder 20 hinein gedrückt wird, um den Hydraulikkreis unter Druck zu setzen. Die Ausgangswelle ist dargestellt, während sie in einer Blindöffnung aufgenommen ist, die sich axial in dem zweiten Ende des Betätigungskolbens erstreckt.
An dem anderen Ende des Motors 14 ist eine elektromechanische Bremse 16 befestigt. In 2 ist die Bremse geschnitten und in einem größeren Maßstab dargestellt. Die Bremse umfasst einen Elektromagnet 46 und eine Bremsscheibe 42, die durch ein federndes oder elastisches Element wie beispielsweise eine Membranfeder 44 mit einem Ende des Läufers 34 des Motors verbunden ist. Die Membranfeder erlaubt eine Bewegung der Bremsscheibe axial gegen die Federkraft, wohingegen sie eine Umfangs- oder Drehbewegung zwischen dem Läufer 34 und der Bremsscheibe 42 nicht zulässt. Der Elektromagnet hat eine Spule 48 und einen ringförmigen Eisenkern 50. Der Eisenkern hat einen U-förmigen Querschnitt mit einem offenen Ende und liegt der Bremsscheibe 42 mit der an den Motor angrenzenden Basis des U gegenüber. Zwei Seiten 56 erstrecken sich von der Basis zu dem offenen Ende und bilden einen ringförmigen Kanal 58, wobei die Spule 48 in dem Kanal 58 gewickelt oder anderweitig angeordnet ist. Die Feder 44 stützt den Bremsklotz in einer Ruheposition, die dem Kern 50 des Elektromagnets gegenüberliegt, jedoch durch einen schmalen Luftspalt 62 von diesem beabstandet ist. Bei Aktivierung des Elektromagnets wird die Bremsscheibe gegen die elastische Kraft der Membranfeder 44 magnetisch an den Elektromagnet angezogen und in dem Elektromagnet verrastet, um den Läufer gegenüber dem Kern des Elektromagnets stationär zu halten. Das offene Ende 52 des Eisenkerns, d. h. die axialen Enden der Seiten 56, bilden eine Reibfläche 60, die bei Betätigung der Bremse an der Bremsscheibe angreift. Der Kern 50 des Elektromagnets ist in die Bremsabdeckung 64 eingepresst oder anderweitig an der Bremsabdeckung fixiert, die an dem Gehäuse oder Ständerteil des Motors befestigt ist. Alternativ kann der Kern direkt oder über einen Bremsbock indirekt mit dem Motor verbunden sein. Eine Dichtung wie beispielsweise ein O-Ring 66 kann zum Abdichten der Bremse gegen eindringendes Wasser vorgesehen sein.
Im Einsatz wird der Hauptzylinder 12 durch den Motor 14 betätigt, der den Betätigungskolben 22 in den Hydraulikzylinder 20 hineindrückt, um den Hydraulikkreis unter Druck zu setzen. Sobald der gewünschte Druck erreicht ist, wird der Elektromotor abgeschaltet, wobei die Rückstellfedern 28 zu diesem Zeitpunkt den Betätigungskolben 22 für einen Rückantrieb des Motors beaufschlagen, um in die Ruhelage zurückzukehren. Sollte eine Beibehaltung des Drucks in dem Kreis gewünscht werden, wird anstelle der Aufrechterhaltung der Energieversorgung des Motors der Elektromagnet 46 aktiviert, der die Bremse betätigt, indem die Bremsscheibe 42 an die Reibfläche 60 des Eisenkerns 50 gedrückt und der Motor dadurch gegen einen Antrieb durch den Betätigungskolben gehalten und der Druck in dem Hydraulikkreis beibehalten wird, wofür bedeutend weniger Energie benötigt wird als bei einer durchgehenden Energiezufuhr zu dem Motors. Soll der Druck in dem Kreis reduziert werden, wird der Elektromagnet abgeschaltet und der Motor betätigt, um den Betätigungskolben mit der gewünschten Freigabegeschwindigkeit und um den gewünschten Freigabebetrag freizugeben. Ähnlich wird bei einem gewünschten höheren Druck in dem Kreis der Motor betätigt und der Elektromagnet deaktiviert, um die Bremse zu lösen, so dass der Motor den Betätigungskolben weiter in den Hydraulikzylinder hineintreiben kann. Solchermaßen wird der Elektromagnet deaktiviert, um die Bremse zu lösen, wenn dies notwendig ist, damit der Betätigungskolben in seine gewünschte neue Position gebracht werden kann. Wenn der Elektromagnet abgeschaltet wird, gibt er die Bremsscheibe frei, und die Membranfeder 44 stellt die Bremsscheibe zurück in ihre Ruhelage, in der sie von der Reibfläche abgerückt ist und eine Drehung des Läufers zulässt.
Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
Die Membranfeder ist beispielsweise eine einfache Anordnung zum Verbinden der Bremsscheibe mit dem Läufer, wobei die Scheibe durch den Elektromagnet axial bewegt werden kann, um an der Reibfläche anzugreifen, und wobei die Scheibe elastisch in die Ruhelage zurückgestellt werden kann, wenn der Magnet abgeschaltet wird. Sie verhindert auch eine Drehbewegung zwischen der Scheibe und dem Läufer. Die gleiche Funktion könnte durch eine andere Anordnung erzielt werden, zum Beispiel durch eine Keilverbindung zwischen dem Läufer und der Bremsscheibe, wobei eine Feder angeordnet wäre, um die Scheibe in die Ruhelage zu drücken.
Wenngleich das spezielle Beispiel einen Aktuator beschreibt, bei dem die Bremse angelegt wird, wenn der Elektromagnet aktiviert wird, ist auch die umgekehrte Anordnung möglich, bei der die Bremse durch die Feder angelegt und der Elektromagnet aktiviert wird, um die Bremse gegen die Kraft der Feder zu lösen. Welcher Anordnung der Vorzug gegeben wird, ist abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen des Systems, unter anderem von den Anforderungen an die Ausfallsicherheit.

Claims

Elektrohydraulischer Aktuator für einen Hydraulikkreis, umfassend: einen Hauptzylinder (12) mit einem Hydraulikzylinder (20) und einem Betätigungskolben (22), der in dem Hydraulikzylinder aufgenommen ist und gleiten kann, um den Druck in dem Hydraulikkreis zu variieren; einen Elektromotor (14), der angeordnet ist, um den Betätigungskolben in den Hydraulikzylinder hinein anzutreiben, wobei der Motor einen Ständer und einen Läufer (34) umfasst; und eine elektromechanische Bremse (16), die angeordnet ist, um den Läufer gegenüber dem Ständer selektiv und lösbar zu halten, um eine relative Drehbewegung zwischen diesen zu verhindern.
Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor (14) ein bürstenloser Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor ist.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Elektromotor (14) eine Ausgangswelle (32) hat, die sich linear entlang einer Achse bewegt.
Aktuator nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die elektromechanische Bremse (16) einen Elektromagnet (46) umfasst, der relativ zu dem Ständer festgelegt ist, und eine Bremsscheibe (42), die für eine Drehung mit dem Läufer (34) festgelegt ist.
Aktuator nach Anspruch 4, wobei die Bremsscheibe (42) mit dem Läufer (34) durch ein elastisches Element (44) verbunden ist, das eine Bewegung der Bremsscheibe in der axialen Richtung des Läufer zulässt, die Bremsscheibe hingegen derart festlegt, dass sie sich mit dem Läufer dreht.
Aktuator nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Elektromagnet (46) einen Eisenkern (50) und eine Spule (48) umfasst, die den Eisenkern umschließt und die angeordnet ist, um ein Magnetfeld in dem Eisenkern zu induzieren.
Aktuator nach Anspruch 6, wobei die elektromechanische Bremse (16) ferner eine Reibfläche (60) aufweist und der Elektromagnet (46) angeordnet ist, um die Bremsscheibe (42) mit der Reibfläche in Kontakt zu drücken, um den Läufer an dem Ständer zu halten.
Aktuator nach Anspruch 7, wobei die Reibfläche (60) an dem Eisenkern (50) gebildet ist.
Aktuator nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Eisenkern (50) ein kreisförmiger Ring mit einem U-förmigen Querschnitt ist, der eine dem Motor (54) zugewandte Basis, ein der Bremsscheibe (42) zugewandtes offenes Ende (52) und zwei Seiten (56) hat, die sich unter Bildung eines Kanals (58) zwischen der Basis und dem offenen Ende erstrecken, wobei die Spule (48) in dem Kanal angeordnet ist.
Aktuator nach Anspruch 9, wobei die Bremsscheibe (42) der Reibfläche (60) über einen Luftspalt (62) gegenüberliegt, wenn die Bremse inaktiv ist, und an der Reibfläche angreift, wenn die Bremse aktiv ist.