DE102014214095A1 - Actuator for an electro-hydraulic brake system - Google Patents
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Abstract
Ein Aktuator (2) für eine elektrohydraulische Bremsanlage, der zum aktiven Druckaufbau in wenigstens einer Radbremse angesteuert werden kann, mit einem Gehäuse (38, 160), umfassend einen Elektromotor (8) mit einem Rotor (50) und einem Stator (44) und einen hydraulischen Druckraum (78), in dem zum Druckaufbau ein Druckkolben (90) verschoben wird und ein Rotations-Translationsgetriebe, das eine rotatorische Bewegung des Rotors (50) in eine translatorische Bewegung des Druckkolbens (90) umwandelt, soll bei gleichzeitiger Verringerung des axialen Bauraums einen optimierter Kraftfluss zum hydraulischen Druckaufbau ermöglichen. Dazu ist der Druckraum (78) als Ringkolbenkammer ausgebildet ist, in welcher der Druckkolben (90) verschiebbar ist.An actuator (2) for an electrohydraulic brake system, which can be controlled to actively build pressure in at least one wheel brake, comprising a housing (38, 160) comprising an electric motor (8) having a rotor (50) and a stator (44) and a hydraulic pressure chamber (78) in which a pressure piston (90) is displaced to build up pressure and a rotational-translation gear, which converts a rotational movement of the rotor (50) into a translational movement of the pressure piston (90), while reducing the axial Space allow an optimized power flow to the hydraulic pressure build-up. For this purpose, the pressure chamber (78) is designed as an annular piston chamber, in which the pressure piston (90) is displaceable.
Description
Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine elektrohydraulische Bremsanlage, der zum aktiven Druckaufbau in wenigstens einer Radbremse angesteuert werden kann, mit einem Gehäuse, umfassend einen Elektromotor mit einem Rotor und einem Stator und einen hydraulischen Druckraum, in dem zum Druckaufbau ein Druckkolben verschoben wird und ein Rotations-Translationsgetriebe, das eine rotatorische Bewegung des Rotors in eine translatorische Bewegung des Druckkolbens umwandelt.The invention relates to an actuator for an electrohydraulic brake system, which can be controlled for active pressure buildup in at least one wheel brake, with a housing comprising an electric motor with a rotor and a stator and a hydraulic pressure chamber in which a pressure piston is displaced to build up pressure and a Rotation-translation gear, which converts a rotational movement of the rotor into a translational movement of the pressure piston.
Bei modernen Bremssystemen, insbesondere elektrohydraulischen Bremssystemen mit der Betriebsart „Brake by Wire“, ist der Fahrer von dem direkten Zugriff auf die Bremsen entkoppelt. Bei Betätigung des Pedals werden gewöhnlich eine Pedalentkopplungseinheit und ein Simulator betätigt, wobei durch eine Sensorik der Bremswunsch des Fahrers erfasst wird. Der gewöhnlich als Hauptbremszylinder ausgebildete Pedalsimulator dient dazu, dem Fahrer ein möglichst vertrautes und komfortables Bremspedalgefühl zu vermitteln. Der erfasste Bremswunsch führt zu der Bestimmung eines Sollbremsmomentes, woraus dann der Sollbremsdruck für die Bremsen ermittelt wird. Der Bremsdruck wird dann aktiv von einer Druckbereitstellungseinrichtung in den Bremsen aufgebaut. Das tatsächliche Bremsen erfolgt also durch aktiven Druckaufbau in den Bremskreisen mit Hilfe einer Druckbereitstellungseinrichtung, die von einer Steuer- und Regeleinheit angesteuert wird. Durch die hydraulische Entkopplung der Bremspedalbetätigung von dem Druckaufbau lassen sich in derartigen Bremssystemen viele Funktionalitäten wie ABS, ESC, TCS, Hanganfahrhilfe etc. für den Fahrer komfortabel verwirklichen.In modern braking systems, in particular electro-hydraulic brake systems with the operating mode "brake by wire", the driver is decoupled from the direct access to the brakes. Upon actuation of the pedal usually a pedal decoupling unit and a simulator are operated, which is detected by a sensor, the braking request of the driver. The pedal simulator, which is usually designed as a master brake cylinder, serves to give the driver as familiar and comfortable a brake pedal feel as possible. The detected braking request leads to the determination of a desired braking torque, from which then the target brake pressure for the brakes is determined. The brake pressure is then actively built up by a pressure-providing device in the brakes. The actual braking thus takes place by active pressure build-up in the brake circuits with the aid of a pressure supply device, which is controlled by a control and regulation unit. As a result of the hydraulic decoupling of the brake pedal actuation from the pressure build-up, many functionalities such as ABS, ESC, TCS, hill-start assist etc. can be comfortably realized for the driver in such brake systems.
In derartigen Bremssystemen ist gewöhnlich eine hydraulische Rückfallebene vorgesehen, durch die der Fahrer durch Muskelkraft bei Betätigung des Bremspedals das Fahrzeug abbremsen bzw. zum Stehen bringen kann, wenn die „By-Wire“-Betriebsart ausfällt oder gestört ist. Während im Normalbetrieb durch eine Pedalentkopplungseinheit die oben beschriebene hydraulische Entkopplung zwischen Bremspedalbetätigung und Bremsdruckaufbau erfolgt, wird in der Rückfallebene diese Entkopplung aufgehoben, so dass der Fahrer direkt Bremsmittel in die Bremskreise verschieben kann.In such brake systems, there is usually provided a hydraulic fallback level by which the driver can decelerate or stop the vehicle by muscular force upon actuation of the brake pedal when the "by-wire" mode fails or is disturbed. While in normal operation by a pedal decoupling unit, the above-described hydraulic decoupling between brake pedal operation and brake pressure build-up, this decoupling is canceled in the fallback so that the driver can move brake means directly into the brake circuits.
Die Druckbereitstellungseinrichtung in oben beschriebenen Bremssystemen wird auch als Aktuator bzw. hydraulischer Aktuator bezeichnet. Insbesondere werden Aktuatoren als Linearaktuatoren bzw. Lineareinheiten ausgebildet, bei denen zum Druckaufbau ein Kolben axial in einen hydraulischen Druckraum verschoben wird, der in Reihe mit einem Rotations-Translationsgetriebe gebaut ist.The pressure supply device in brake systems described above is also referred to as an actuator or hydraulic actuator. In particular, actuators are designed as linear actuators or linear units in which a piston is axially displaced into a hydraulic pressure chamber for pressure build-up, which is built in series with a rotational-translation gear.
Aus der
Nachteilig bei derartigen Linearaktuatoren ist, dass in axialer Richtung ausreichend Bauraum benötigt wird und der Kraftfluss aufgrund der Bauweise limitiert ist.A disadvantage of such linear actuators is that sufficient space is required in the axial direction and the power flow is limited due to the design.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Aktuator dahingehend zu verbessern, dass bei gleichzeitiger Verringerung des axialen Bauraums zum hydraulischen Druckaufbau ein optimierter Kraftfluss ermöglicht wird.The invention has for its object to improve such an actuator to the effect that with simultaneous reduction of the axial space for hydraulic pressure build-up an optimized power flow is made possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druckraum als Ringkolbenkammer ausgebildet ist.This object is achieved in that the pressure chamber is designed as a piston ring chamber.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei herkömmlichen Aktuatoren die lineare Bauweise wesentliche Nachteile aufweist. Zum einen wird aufgrund der Hintereinanderschaltung von Rotations-Translationsgetriebe, Druckkolben und Druckraum der Bauraum in Längsrichtung vorgegeben. Andererseits resultieren durch diese Bauweise auch hohe Druckbelastungen auf die Spindel beim Druckaufbau, wobei aufgrund der Knickneigung der Spindel der maximale Kraftfluss limitiert wird.The invention is based on the consideration that in conventional actuators, the linear design has significant disadvantages. On the one hand, due to the series connection of rotational-translation gear, pressure piston and pressure chamber, the installation space is predetermined in the longitudinal direction. On the other hand, this construction also results in high pressure loads on the spindle during pressure build-up, whereby the maximum force flow is limited due to the bending tendency of the spindle.
Wie nunmehr erkannt wurde, lassen sich diese Nachteile durch eine alternative räumliche Ausbildung des hydraulischen Druckraumes eliminieren. Wertvoller Bauraum kann eingespart werden, indem der Druckraum als Ringraum bzw. Ringkolbenkammer ausgebildet wird, in der der Druckkolben in axialer Richtung bewegt werden kann. Das heißt, der Kolben wird nicht in einen in axialer Richtung angeordneten Raum hineingeschoben, sondern bewegt sich innerhalb eines ringartigen Raumes. Auf diese Weise kann der Kolben durch den Druckraum gezogen werden, so dass keine Knickkräfte auf die Spindel einwirken.As has now been recognized, these disadvantages can be eliminated by an alternative spatial design of the hydraulic pressure chamber. Valuable space can be saved by the pressure chamber is formed as an annular space or annular piston chamber, in which the pressure piston can be moved in the axial direction. That is, the piston is not pushed into a space arranged in the axial direction, but moves within a ring-like space. In this way, the piston can be pulled through the pressure chamber, so that no bending forces act on the spindle.
Vorteilhafterweise umfasst die Ringkolbenkammer das Rotations-Translationsgetriebe zumindest teilweise räumlich, wodurch der benötigte Bauraum in axialer Richtung gering gehalten werden kann und gewissermaßen nur durch die Länge der Spindel begrenzt wird.Advantageously, the annular piston chamber, the rotational translation gear at least partially spatially, whereby the space required in the axial direction can be kept low and is effectively limited only by the length of the spindle.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor als Hohlrotor ausgebildet ist und die Ringkolbenkammer in den Rotor integriert. Der Rotor, der in seiner Ausbildung als Hohlrotor bevorzugt hülsenförmig ausgebildet ist, umschließt räumlich die Ringkolbenkammer bzw. bildet ihre äußere Umhüllung. In a preferred embodiment, the rotor is designed as a hollow rotor and integrates the annular piston chamber in the rotor. The rotor, which is preferably sleeve-shaped in its construction as a hollow rotor, surrounds the annular piston chamber spatially or forms its outer envelope.
Der Druckkolben ist bevorzugt als Stufenringkolben ausgebildet. Er weist dazu wenigstens zwei Stufen bzw. Bereiche mit unterschiedlich großem Radius auf. Besonders bevorzugt weist der Druckkolben zwei Stufen auf. Die Ringkolbenkammer ist dabei vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass bei Verschieben des Druckkolbens in der Ringkolbenkammer nach einem vorgegebenen Verschiebewert die hydraulisch wirksame Fläche verkleinert bzw. die hydraulisch wirksame Fläche umgeschaltet wird, wodurch ein schneller Druckaufbau ermöglicht wird.The pressure piston is preferably designed as a stepped ring piston. He has to at least two stages or areas with different sized radius. Particularly preferably, the pressure piston has two stages. The annular piston chamber is advantageously designed such that upon displacement of the pressure piston in the annular piston chamber after a predetermined displacement value, the hydraulically effective area is reduced or the hydraulically effective area is switched, whereby a rapid pressure build-up is possible.
Das Rotations-Translationsgetriebe ist bevorzugt als Kugelgewindetrieb (KGT) mit einer Spindel und einer drehbar darauf gelagerten Mutter ausgebildet, wobei zwischen Spindel und Mutter Kugeln in schraubenförmigen, rillenförmigen Bahnen laufen, die zwischen Spindel und Mutter gebildet sind. Um das Massenträgheitsmoment des KGT möglichst gering zu halten, wird bevorzugt von dem Elektromotor die Spindel angetrieben, wobei dann Rotor und Spindel drehfest miteinander verbunden werden. Damit sich die Mutter bei einer Rotation der Spindel nicht mitdreht, ist sie mit einer Verdrehsicherung gegen Rotation gesichert. Eine Rotation der Spindel führt somit zu einer axialen Verschiebung der Mutter, die mit dem Druckkolben fest gekoppelt ist.The rotation-translation gear is preferably formed as a ball screw (KGT) with a spindle and a rotatably mounted thereon mother, run between the spindle and nut balls in helical, grooved tracks formed between the spindle and nut. In order to keep the mass moment of inertia of the KGT as low as possible, the spindle is preferably driven by the electric motor, in which case the rotor and spindle are connected to one another in a rotationally fixed manner. So that the nut does not rotate during a rotation of the spindle, it is secured against rotation by means of a rotation lock. A rotation of the spindle thus leads to an axial displacement of the nut, which is fixedly coupled to the pressure piston.
Die Mutter wird vorteilhafterweise in axialer Richtung durch ein elastisches Element vorgespannt, so dass beim Ansaugen eine störende Geräuschentwicklung verhindert werden kann. Das elastische Element ist bevorzugt als Feder, insbesondere als Druckfeder, ausgebildet.The nut is advantageously biased in the axial direction by an elastic element, so that when sucking a disturbing noise can be prevented. The elastic element is preferably designed as a spring, in particular as a compression spring.
Die Drehachse des Motors bzw. Elektromotors ist vorteilhafterweise senkrecht zu einer Leiterplatte einer elektrischen Steuer- und Regeleinheit des Elektromotors angeordnet. Auf der Leiterplatte kann nahe dem Spindelende ein Sensor zur Erfassung eines Signals eines am Spindelende angebrachten Encoders angebracht werden. Durch diese kurze Bauweise kann ein großes Loch in der Leiterplatte bzw. Platine vermieden werden.The axis of rotation of the motor or electric motor is advantageously arranged perpendicular to a printed circuit board of an electrical control and regulating unit of the electric motor. On the circuit board, a sensor for detecting a signal of an encoder attached to the spindle end can be mounted near the end of the spindle. Due to this short design, a large hole in the circuit board or board can be avoided.
Das Gehäuse des Aktuators ist bevorzugt einteilig mit einem Ventilblock ausgeführt, wodurch Material und Bauraum eingespart werden können.The housing of the actuator is preferably made in one piece with a valve block, whereby material and space can be saved.
Ist das Gehäuse aus magnetisch leitendem Material gefertigt, kann es bei einem BL(bürstenlosen)-Motor-Konzept mit zwei Luftspalten den stehenden magnetischen Rückschluss darstellen, wodurch ein besonders dynamischer Motor realisiert werden kann.If the housing is made of magnetically conductive material, it can represent the standing magnetic return path in a BL (brushless) motor concept with two air gaps, whereby a particularly dynamic motor can be realized.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass aufgrund der Ausbildung des hydraulischen Druckraums als Ringkolbenkammer der Druckkolben durch das KGT im Lastbetrieb gezogen werden kann, wodurch seine Lebensdauer erhöht wird und die Knickneigung der Spindel, die bei starken Druckkräften auftritt, eliminiert wird. Zudem wird der Aktuator in seiner Länge und damit seinem benötigten Bauraum reduziert, wenn KGT und hydraulischer Druckraum nicht in Längsrichtung hintereinandergeschaltet sind, sondern das KGT zumindest bereichsweise vom Ringkolbenraum umgeben ist. Wenn der Ringkolbenraum bzw. die Ringkolbenkammer in einen Hohlrotor integriert ist, ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise. Aufgrund der kompakten Bauweise kann der Aktuator in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Ventilblock integriert werden. Die Ansaugleitung zum Behälter kann verkleinert werden, und das Motorgehäuse wird weniger stark belastet.The advantages of the invention are in particular that due to the formation of the hydraulic pressure chamber as a piston chamber of the piston pressure piston can be pulled by the KGT in load operation, whereby its life is increased and the bending tendency of the spindle, which occurs at high pressure forces, is eliminated. In addition, the actuator is reduced in length and thus its required space when KGT and hydraulic pressure chamber are not connected in series one behind the other, but the KGT is at least partially surrounded by the piston ring space. If the piston ring chamber or the piston ring chamber is integrated in a hollow rotor, a particularly compact design results. Due to the compact design of the actuator can be integrated in a common housing with the valve block. The suction line to the container can be downsized, and the motor housing is less heavily loaded.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. In it show in a highly schematic representation:
Ein in
Der Elektromotor
Der Aktuator
In der Ringkolbenkammer
Der Ringkolben ist zweistufig ausgebildet mit einer ersten Stufe
Die Drehachse
Die Steuer- und Regeleinheit steuert bei Druckanforderungen über eine elektrische Verbindung
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Aktuator actuator
- 88th
- Elektromotor electric motor
- 1414
- Kugelgewindetrieb Ball Screw
- 2020
- Drehachse axis of rotation
- 2626
- Spindel spindle
- 3232
- Mutter mother
- 3838
- Gehäuse casing
- 4444
- Stator stator
- 5050
- Rotor rotor
- 5656
- Verdrehsicherung twist
- 6262
- Axialrichtung axially
- 6868
- Hülse shell
- 7474
- Permanentmagnetsegment Permanent magnet segment
- 7878
- Druckraum pressure chamber
- 8080
- Ringkolbenkammer Ring piston chamber
- 8686
- Innenstator internal stator
- 9090
- Druckkolben pressure piston
- 9696
- erste Stufe first stage
- 9898
- zweite Stufe second step
- 100 100
- Dichtung poetry
- 102102
- Dichtung poetry
- 108108
- erster Ringbereich first ring area
- 110110
- zweiter Ringbereich second ring area
- 116116
- Ringfläche ring surface
- 120120
- Übergang crossing
- 130130
- Leiterplatte circuit board
- 136136
- Sensierungsbereich sensing area
- 140140
- Spindelende spindle end
- 142142
- Kugellager ball-bearing
- 146146
- magnetischer Encoder magnetic encoder
- 150150
- Sensor sensor
- 156156
- elektrische Verbindung electrical connection
- 160160
- Gehäuse casing
- 162162
- Steckkontakt plug contact
- 164164
- Ventilblock manifold
- 166166
- elastisches Element elastic element
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