DE102017216501A1

DE102017216501A1 - Elektrohydraulischer Aktuator sowie Verfahren zum Betrieb eines elektrohydraulischen Aktuators

Info

Publication number: DE102017216501A1
Application number: DE102017216501.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Stauder; Marco Besier; Johann Jungbecker; Stefan Drumm
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrohydraulischen Aktuator, insbesondere für ein Bremssystem, mit einem Elektromotor (M), mit einem dem Elektromotor (M) wirkungsmäßig nachgeschalteten Rotations-Translationsgetriebe (5,6) und mit einer Gruppe von Zylinder-Kolben-Anordnungen mit mindestens einer ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) mit einem ersten Kolben (11), der einen ersten Druckraum (21) begrenzt, und einer zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) mit einem zweiten Kolben (12), der einen zweiten Druckraum (22) begrenzt, wobei der erste Kolben (11) und der zweite Kolben (12) mit einem Kolbenblock (7) zug- und druckkraftübertragend verbunden sind, und das Rotations-Translationsgetriebe (5,6) die Translationsbewegung auf den Kolbenblock (7) überträgt, wobei die Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) entgegengesetzt zu der Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems mit einem elektrohydraulischen Aktuator.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Aktuator, insbesondere für ein Bremssystem, mit einem Elektromotor, mit einem dem Elektromotor wirkungsmäßig nachgeschalteten Rotations-Translationsgetriebe und mit einer Gruppe von Zylinder-Kolben-Anordnungen mit mindestens einer ersten Zylinder-Kolben-Anordnung mit einem ersten Kolben, der einen ersten Druckraum begrenzt, und einer zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung mit einem zweiten Kolben, der einen zweiten Druckraum begrenzt, wobei der erste Kolben und der zweite Kolben mit einem Kolbenblock zug- und druckkraftübertragend verbunden sind, und das Rotations-Translationsgetriebe die Translationsbewegung auf den Kolbenblock überträgt.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems mit einem elektrohydraulischen Aktuator und mindestens einer Radbremse.
Aus der EP 27 019 55 B1 ist eine Bremsanlage für Kraftfahrzeuge bekannt, die in einer „Brake-by-Wire“-Betriebsart sowohl vom Fahrzeugführer als auch unabhängig vom Fahrzeugführer ansteuerbar ist, vorzugsweise in der „Brake-by-Wire“-Betriebsart betrieben wird und in mindestens einer Rückfallbetriebsart betrieben werden kann, in der nur der Betrieb durch den Fahrzeugführer möglich ist. Die Bremsanlage weist u. a. eine erste elektrisch steuerbare Druckquelle, die einen Bremssystemdruck abgibt, sowie eine Druckmodulationseinheit auf, die pro Radbremse ein Einlassventil sowie ein Auslassventil zum Einstellen radindividueller Bremsdrücke aufweist, die aus dem Bremssystemdruck abgeleitet werden, wobei die Ein- und Auslassventile im nicht angesteuerten Zustand den Bremssystemdruck abgeben bzw. weiterleiten.
Für eine derartige elektrisch betriebene Bremsanlage ist ein besonders kompakter und wirkungsgradstarker elektrisch-hydraulischer Aktuator vorteilhaft. Dieser sollte sowohl hohe Drücke (z.B. bei heißgefahrenen Bremsen, Fading genannt) als auch einen hohen Volumenstrom für eine schnelle Betätigung bereitstellen können.
Aus der DE 10 2014 207 234 A1 ist ein elektrohydraulischer Aktuator mit einem Rotations-Translationsgetriebe bekannt, das eine Gewindespindel sowie eine Gewindemutter aufweist, mit einer Mehrzahl von hydraulischen Druckräumen, die jeweils durch einen Kolben begrenzt werden, wobei die Kolben und Druckräume radial gleichförmig um die Gewindespindel verteilt angeordnet sind. Ein solcher Aktuator hat den Nachteil, dass kein Druck durch den Aktuator erzeugt werden kann, wenn die Kolben am Ende ihrer Verschiebewege angelangt sind und durch Zurückfahren der Kolben Druckmittel in die Druckräume nachgesaugt werden muss.
Aus der WO 2015/082199 A1 ist ein Linearaktuator bekannt, welcher einen Hydraulik- oder Pneumatikdruck erzeugt, mit zwei motorischen Antriebseinheiten, welche jeweils ein Rotations-Translations-Getriebe antreiben. Ein solcher Aktuator hat den Nachteil, dass der Aktuator durch die doppelt ausgeführten Motoren und Getriebe viel Platz einnimmt. Um sowohl einen hohen Druck als auch einen hohen Volumenstrom bereitstellen zu können, müssen Kolben mit großer Querschnittfläche sowie zwei leistungsstarke Motoren eingesetzt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektrohydraulischen Aktuator mit einer kompakten Bauweise und einer hohen Verfügbarkeit anzugeben.
Erfindungsgemäß ist die Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung entgegengesetzt zu der Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung.
Die Druckaufbaurichtung einer einfachwirkenden Zylinder-Kolben-Anordnung ist dabei als die Verschieberichtung des Kolbens definiert, die einen Druckaufbau in dem Druckraum der Zylinder-Kolben-Anordnung bewirkt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mittels einer geeigneten Anordnung mehrerer Zylinder-Kolben-Anordnungen mit verschiedenen Druckaufbaurichtungen und gekoppelten Kolben effektiv ein doppeltwirkender Linearaktuator bereitgestellt wird, welcher zu einer besonders kompakten Bauart führt.
Vorteilhafterweise entspricht dabei die Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung der Nachsaugrichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung und die Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung entspricht der Nachsaugrichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung, wobei während einer Translationsbewegung des Kolbenblocks in einer der ersten oder zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung Druck aufgebaut wird und in der anderen Zylinder-Kolben-Anordnung Druckmittel nachgesaugt wird.
Dies bewirkt, dass bei jeder Verschiebung des Kolbenblocks in einer Zylinder-Kolben-Anordnung Druck aufgebaut wird und in der anderen Zylinder-Kolben-Anordnung Druckmittel nachgesaugt wird. Dies hat den Vorteil, dass jederzeit zumindest eine der Zylinder-Kolben-Anordnung bereit ist für einen weiteren Druckaufbau.
Die Nachsaugrichtung einer einfachwirkenden Zylinder-Kolben-Anordnung ist dabei als die Verschieberichtung des Kolbens definiert, die ein Nachsaugen von Druckmittel bewirkt. Die Nachsaugrichtung ist der Druckaufbaurichtung entgegengesetzt.
Vorteilhafterweise wird bei einer ersten Drehrichtung des Elektromotors ein Druck in der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung aufgebaut und bei einer zweiten Drehrichtung des Elektromotors, die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist, ein Druck in der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung aufgebaut.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchmesser des ersten Kolbens größer als der Durchmesser des zweiten Kolbens. Dies bewirkt, dass die Druck/Verschiebeweg-Verhältnisse der Kolben unterschiedlich sind. Bei einem gegebenen Drehmoment des Elektromotors kann daher mit dem zweiten Kolben, bei Verschiebung eines geringeren Volumens, ein höherer Druck erreicht werden. Mit dem ersten Kolben kann hingegen ein größeres Volumen verschoben werden. Dies hat den Vorteil, dass die Eigenschaften der Druckstellung durch eine Wahl der Druck stellenden Zylinder-Kolben-Anordnung angepasst werden können. Es wird also in Abhängigkeit des Arbeitspunktes der Bremsanlage bei Bedarf eines höheren Volumenstroms eine Druckstellung durch die erste Zylinder-Kolben-Anordnung gewählt und bei Bedarf eines hohen Drucks und geringen Volumens eine Druckstellung durch die zweite Zylinder-Kolben-Anordnung gewählt.
Bevorzugt entspricht die Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung einer Bewegung des zweiten Kolbens in Richtung des Elektromotors.
Alternativ entspricht die Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung einer Bewegung des zweiten Kolbens in Richtung des Elektromotors.
Bevorzugt umfasst die Gruppe von Zylinder-Kolben-Anordnungen eine dritte Zylinder-Kolben-Anordnung mit einem dritten Kolben, der einen dritten Druckraum begrenzt, und eine vierte Zylinder-Kolben-Anordnung mit einem vierten Kolben, der einen vierten Druckraum begrenzt, wobei der dritte und der vierte Kolben mit dem Kolbenblock zug- und druckkraftübertragend verbunden sind und wobei die Druckaufbaurichtung der dritten Zylinder-Kolben-Anordnung der Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung entspricht und die Druckaufbaurichtung der vierten Zylinder-Kolben-Anordnung der Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung entspricht.
Besonders bevorzugt ist der Durchmesser des ersten Kolbens gleich dem Durchmesser des dritten Kolbens und der Durchmesser des zweiten Kolbens gleich dem Durchmesser des vierten Kolbens ist, wobei der Durchmesser des ersten Kolbens größer ist als der Durchmesser des zweiten Kolbens.
Allgemein lässt sich die Gruppe von Zylinder-Kolben-Anordnungen erweitern auf eine Mehrzahl von Zylinder-Kolben-Anordnungen, von denen eine erste Untergruppe von Zylinder-Kolben-Anordnung in einer ersten Druckaufbaurichtung betrieben wird und eine zweite Untergruppe in einer entgegengesetzten Druckaufbaurichtung betrieben wird. Jede der Zylinder-Kolben-Anordnung gehört entweder der ersten oder der zweiten Untergruppe an und jede Untergruppe umfasst mindestens eine Zylinder-Kolben-Anordnung.
Vorteilhafterweise umfasst das Rotations-Translationsgetriebe eine Gewindespindel und eine Gewindemutter, wobei der Kolbenblock zug- und druckkraftübertragend mit der Gewindemutter verbundenen ist.
Alternativ ist es bevorzugt, dass die Gewindemutter einstückig mit dem Kolbenblock ausgeführt ist.
Bevorzugt sind die Zylinder-Kolben-Anordnungen neben der Gewindespindel radial um die Spindelachse verteilt angeordnet. Dieser Aufbau erweist sich als besonders platzsparend.
Besonders bevorzugt sind die Zylinder-Kolben-Anordnungen parallel nebeneinander beabstandet angeordnet.
Vorteilhafterweise sind die Zylinder-Kolben-Anordnungen so angeordnet, dass die auf das Rotations-Translationsgetriebe wirkenden Kräfte, welche nicht parallel zu der Spindelachse wirken, kompensiert werden. Beispielsweise sind je zwei Zylinder-Kolben-Anordnungen mit Kolben gleichen Durchmessers mit der gleichen Druckaufbaurichtung auf entgegengesetzten Seiten der Spindelachse angeordnet, so dass sich die auftretenden Kräfte dieser Kolben kompensieren. Ebenfalls denkbar sind je drei Zylinder-Kolben-Anordnungen mit Kolben gleichen Durchmessers, welche in einem gleichschenkligen Dreieck um die Spindelachse angeordnet sind, oder entsprechend mehr Zylinder-Kolben-Anordnungen, die gleichmäßig um die Spindelachse verteilt sind.
Bevorzugt erstreckt sich der Kolbenblock entlang der Achse der Gewindespindel. Der erste Kolben erstreckt sich parallel zur Achse der Gewindespindel vom Punkt seiner Befestigung an dem Kolbenblock in eine erste Richtung und der zweite Kolben sich erstreckt parallel zur Achse der Gewindespindel vom Punkt seiner Befestigung an dem Kolbenblock in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzten, Richtung.
Die Kolben tauchen dabei jeweils mit dem nicht an dem Kolbenblock befestigten Ende in den jeweiligen zugeordneten Druckraum ein. Hierdurch ergibt sich eine entgegengesetzte Druckaufbaurichtung der ersten und zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung.
Besonders bevorzugt ist der erste Kolben an einem ersten Ende des Kolbenblocks befestigt und der zweite Kolben an einem zweiten Ende des Kolbenblocks befestigt. Der erste Kolben erstreckt sich entlang des Kolbenblocks in Richtung des zweiten Endes des Kolbenblocks und der zweite Kolben erstreckt sich entlang des Kolbenblocks in Richtung des ersten Endes des Kolbenblocks. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Ausführung des Aktuators, da alle Kolben sowie der Kolbenblock parallel und nebeneinander angeordnet sind.
Bevorzugt umfasst der Kolbenblock zwei Kraftübertragungselemente. Der erste Kolben ist an dem ersten Kraftübertragungselement befestigt und der zweite Kolben ist an dem zweiten Kraftübertragungselement befestigt. Die Kraftübertragungselemente sind vorteilhafterweise als Arme ausgeführt, welche radial von der Achse der Gewindespindel herausragen. Die Kolben sind vorteilhafterweise jeweils an den von der Spindelachse am weitesten entfernten Enden der Arme befestigt.
Bevorzugt umfasst der Kolbenblock ein Führungselement, welches in eine Aussparung eines Gehäuses des Aktuators eingreift und den Kolbenblock gegen Verdrehen sichert.
Bevorzugt ist der erste Druckraum über ein, vorzugsweise stromlos geschlossenes, zweites Ventil mit mindestens einer Radbremse hydraulisch verbunden und der zweite Druckraum ist über ein, vorzugsweise stromlos geschlossenes, drittes Ventil mit der mindestens einen Radbremse hydraulisch verbunden. Druck in der mindestens einen Radbremse wird wahlweise mittels des ersten Druckraums oder mittels des zweiten Druckraums bereitgestellt. Zweckmäßigerweise wird dazu das zweite bzw. das dritte Ventil geöffnet.
Besonders bevorzugt sind der erste und zweite Druckraum über weitere Ventile, insbesondere ein erstes Ventil, auch mit einem Druckmittelspeicher verbunden, wodurch Druck in dem ersten bzw. zweiten Druckraum abgebaut werden kann.
Erfindungsgemäß wird wahlweise die erste Zylinder-Kolben-Anordnung in Druckaufbaurichtung betrieben, wodurch Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des ersten Druckraums bereitgestellt wird, oder die zweite Zylinder-Kolben-Anordnung in Druckaufbaurichtung betrieben wird, wodurch Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des zweiten Druckraums bereitgestellt wird.
Vorteilhafterweise ist der erste Druckraum über ein, insbesondere stromlos geschlossenes, zweites Ventil mit der mindestens einen Radbremse hydraulisch verbunden und der zweite Druckraum über ein, insbesondere stromlos geschlossenes, drittes Ventil mit der mindestens einen Radbremse hydraulisch verbunden.
Druck in der mindestens einen Radbremse wird mittels des ersten Druckraums bereitgestellt, indem das zweite Ventil geöffnet wird, und mittels des zweiten Druckraums bereitgestellt, indem das dritte Ventil geöffnet wird.
Bevorzugt ist der Durchmesser des ersten Kolbens größer als der Durchmesser des zweiten Kolbens. Bei Bedarf eines besonders schnellen Bremsdruckaufbaus wird Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des ersten Druckraums bereitgestellt.
Besonders bevorzugt wird Druck mittels des ersten Druckraums bereitgestellt, wenn eine Anforderung für ein Bremsmittelvolumen einen ersten Schwellenwert überschreitet oder eine Druckanforderung einen zweiten Schwellenwert unterschreitet.
Vorteilhafterweise wird der Schwellenwert der Druckanforderung auf ca. 50-60% des Maximaldruckes des Aktuators ausgelegt. Dies hat den Vorteil, dass ohne Umschaltvorgänge Bremsungen bis zu einer Verzögerung von 1g mit einer guten Dynamik stellbar sind. Der Maximaldruck liegt vorzugsweise im Bereich 200-220 bar.
Bevorzugt beträgt der zweite Schwellenwert etwa 120 bar.
Bevorzugt wird bei Bedarf eines besonders hohen Bremssystemdrucks Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des zweiten Druckraums bereitgestellt.
Besonders bevorzugt wird Druck mittels des zweiten Druckraums bereitgestellt, wenn eine Druckanforderung einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Dieses Vorgehen findet Anwendung beispielsweise bei sog. Bremsen-Fading.
Drücke unterhalb des zweiten Schwellenwerts lassen sich also sehr dynamisch mittels des ersten Druckraums anfahren, darüber hinaus wird die Druckbereitstellung umgeschaltet und Druck mittels des zweiten Druckraums bereitgestellt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird während eines ersten vorgegebenen Zeitraums Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des ersten Druckraums bereitgestellt und anschließend Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des zweiten Druckraums bereitgestellt. Dies hat den Vorteil, dass zunächst ein schneller Druckaufbau mittels der Zylinder-Kolben-Anordnung mit dem größeren Kolben erfolgt und anschließend ein hoher Druck durch die Zylinder-Kolben-Anordnung mit dem kleineren Kolben aufgebaut werden kann.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der erste Druckraum und der zweite Druckraum zeitgleich mit der mindestens einen Radbremse verbunden. Dies bewirkt effektiv einen Druckaufbau mit einer Wirkfläche, die der Differenz der Wirkflächen des ersten und zweiten Kolbens entspricht. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ohne Änderung der Drehrichtung des Elektromotors ein Umschalten zwischen einem schnellen Druckaufbau mittels des ersten Druckraums und einem hohen Druckaufbau erfolgen kann.
Bevorzugt wird während eines ersten vorgegebenen Zeitraums Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des ersten Druckraums bereitgestellt und je nach Auslegung des Druckraumvolumens und der Anzahl der Radbremsen, in welchen ein Druck bereitgestellt werden soll (Normalbremsung oder ESC-Eingriff) die Druckbereitstellung im Anschluss an den ersten vorgegebenen Zeitraum entweder in gleichbleibender Bewegungsrichtung unter Verbindung der Druckräume erreicht oder unter Umkehr der Bewegungsrichtung mittels des zweiten Druckraums.
Zum energiesparenden Halten eines Druckes unter dem zweiten Schwellenwert kann es ebenfalls sinnvoll sein, den Druckraum mit dem kleineren Kolben zu verwenden, da das notwendige Motordrehmoment kleiner ist. Je nach Anzahl der dazu notwendigen Ventilbetätigungen kann eine Schwelle bestimmt werden, ab der es sich im Gesamtstromverbrauch lohnt. Außerdem ist die thermische Belastung zu prüfen, die durch das höhere Motordrehmoment beziehungsweise durch Schalten der Ventile entsteht und die Schwelle kann anhand der berechneten thermischen Belastung bestimmt werden.
Nachstehend werden beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch einen beispielsgemäßen hydraulischen Aktuator,
2 verschiedene Ansichten eines beispielsgemäßen Kolbenblocks,
3 eine dreidimensionale Ansicht eines beispielsgemäßen Aktuators, und
4 eine schematische Zeichnung einer beispielsgemäßen hydraulischen Schaltung eines Aktuators.

Für gleiche Elemente sind in allen Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen beispielsgemäßen elektrohydraulischen Aktuator.
Der Aktuator umfasst einen Elektromotor M, welcher zweckmäßigerweise einen Rotor 17 und einen Stator 18 umfasst. Der Rotor 17 des Elektromotors M treibt eine Gewindespindel 5 eines Rotations-Translationsgetriebes an. Das Rotations-Translationsgetriebe umfasst auch eine Gewindemutter 6. Die Gewindespindel 5 ist dabei achsfest und drehbar gelagert, während die Gewindemutter 6 drehfest und entlang der Spindelachse verschiebbar ist. Die Drehbewegung des Rotors 17 des Elektromotors M wird somit mittels des Rotations-Translation-Getriebes in eine Translationsbewegung der Gewindemutter 6 umgewandelt.
Die Gewindemutter 6 ist mit einem Kolbenblock 7 kraftschlüssig verbunden oder Gewindemutter 6 und Kolbenblock 7 sind als ein Stück ausgeführt. Eine Translationsbewegung der Gewindemutter 6 wird somit auch vom Kolbenblock 7 ausgeführt.
Der Aktuator umfasst ein Gehäuse 9, welches vorteilhafterweise alle weiteren Komponenten des Aktuators, bis auf den Elektromotor M, umschließt.
Weiter umfasst der Aktuator eine Gruppe von Zylinder-Kolben-Anordnungen. Beispielsgemäß enthält die Gruppe eine erste, zweite, dritte und vierte Zylinder-Kolben-Anordnung. In der Schnittzeichnung der 1 sind die zweite Zylinder-Kolben-Anordnung 2 und die vierte Zylinder-Kolben-Anordnung 4 zu erkennen.
Die Zylinder der Zylinder-Kolben-Anordnungen sind beispielgemäß als Hohlräume in dem Gehäuse 9 des Aktuators ausgebildet.
Jede Zylinder-Kolben-Anordnung umfasst einen Kolben, welcher zug- und druckkraftübertragend mit dem Kolbenblock 7 verbunden ist, sowie einen Druckraum. In 1 gezeigt sind der zweite Kolben 12 und der zweite Druckraum 22, welche zur zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung 2 gehören, sowie der vierte Kolben 14 und der vierte Druckraum 24, welche zur vierten Zylinder-Kolben-Anordnung 4 gehören.
Die zweite und vierte Zylinder-Kolben-Anordnung 2, 4 sind so ausgeführt, dass eine Verschiebung des Kolbenblocks 7 in Richtung des Elektromotors einen Druckaufbau in dem zweiten und vierten Druckraum 22, 24 bewirkt.
Besonders bevorzugt ist jeder Kolben in eine Aussparung des Kolbenblocks 7 eingespannt.
Bevorzugt umfasst der Kolbenblock 7 ein Führungselement 10, welches in eine Aussparung des Gehäuses 9 eingreift und damit den Kolbenblock 7 und die Gewindemutter 6 vor verdrehen sichert. Besonders bevorzugt ist das Führungselement 10 als Ausbuchtung des Kolbenblocks 7 ausgeführt, welche insbesondere an einer von der Spindelachse am weitesten entfernten Stelle des Kolbenblocks 7 angeordnet ist. Die Aussparung des Gehäuses 9 ist vorteilhafterweise als Nut oder Schiene ausgeführt, entlang derer das Führungselement 10 verschoben werden kann.
2 zeigt verschiedene Ansichten eines beispielsgemäßen Kolbenblocks 7.
Beispielsgemäß ist der Kolbenblock 7 einstückig mit der Gewindemutter 6 ausgeführt. Er ist mit vier Kolben 11, 12, 13, 14 zug- und druckkraftübertragend verbunden, wobei die Durchmesser des ersten Kolbens 11 und des dritten Kolbens 13 größer sind als die Durchmesser des zweiten Kolbens 12 und des vierten Kolbens 14.
Die vier Kolben sind parallel zueinander und zur Achse der Gewindemutter 6 ausgeführt und paarweise in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet. Dabei ist der erste Kolben 11 gleich ausgerichtet wie der dritte Kolben 13 und der zweite Kolben 12 gleich dem vierten Kolben 14.
Beispielsgemäß umfasst der Kolbenblock 7 zwei Kraftübertragungselemente. Das erste Kraftübertragungselement 15 ist auf der dem Elektromotor M zugewandten Seite des Kolbenblocks 7 angeordnet und überträgt Translationsbewegungen auf den ersten und dritten Kolben 13. Das zweite Kraftübertragungselement 16 ist auf der dem Elektromotor M abgewandten Seite des Kolbenblocks 7 angeordnet und überträgt Translationsbewegungen auf den zweiten und vierten Kolben 14. Die Kraftübertragungselemente sind vorteilhafterweise als Arme ausgeführt, an deren am weitesten von der Gewindemutter entfernten Stelle jeweils ein Kolben befestigt ist.
Die vier Kolben sind derart angeordnet, dass die resultierende Kraftwirkung zentrisch auf die Spindel (Kugelgewindetrieb, Trapezgewindespindel, ...) einwirkt. Dies wird bewirkt, indem je ein Paar Kolben gleichen Durchmessers symmetrisch bezüglich der Gewindemutter- bzw. Gewindespindelachse angeordnet sind und je ein gemeinsames Kraftübertragungselement mit je einem Paar Kolben gleichen Durchmessers verbunden ist.
Die Anzahl der Kolben kann auch auf mehr Kolben - bspw. sechs, acht, usw. - erweitert werden. Dabei ist die Anzahl der Kolben gerade und die Ausrichtung der einen Hälfte der Kolben entgegengesetzt zur Ausrichtung der anderen Hälfte; alle Kolben sind parallel. Die Kolben gleicher Ausrichtung haben dabei jeweils alle den gleichen Durchmesser und sind drehsymmetrisch um die Gewindemutter 6 verteilt angeordnet (bspw. als gleichschenkliges Dreieck, Quadrat, etc.).
3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines beispielsgemäßen Aktuators und veranschaulicht die Anordnung des Kolbenblocks 7 und der Zylinder-Kolben-Anordnung innerhalb des Gehäuses. Ein Teil des Gehäuses 9 des Aktuators ist dabei nicht gezeichnet zwecks besserer Darstellbarkeit.
Der Kolbenblock umfasst beispielsgemäß vier Kolben 11, 12, 13, und 14. Die Kolben sind mit unterschiedlichen Durchmessern gefertigt um sowohl zunächst eine schnelle Betätigung mit großer Kolbenfläche durchführen zu können und anschließend in Gegenrichtung (oder durch Ventilbeschaltung auch in gleicher Richtung) mit einer niedrigeren Kolbenfläche einen hohen Druck zu erreichen. Es entsteht daraus ein doppeltwirkender Aktuator mit frei wählbaren Kolbenflächen.
Die kompakten Abmessungen des Aktuators erhält man durch Anordnung der folgenden Komponenten entlang des gleichen Abschnitts der Spindelachse:

- Verschiebeweg der Kolben großen Durchmessers für schnelle Betätigung,
- Verschiebeweg der Kolben kleineren Durchmessers, wobei bevorzugt ein Faktor 0.71 (1/√2) verwendet wird für hohen Druck
- Bewegungsbereich der Spindelmutter
- Verdrehsicherung zur Erzwingung der Linearbewegung der Spindelmutter
- Lagerung der Spindel

In einer alternativen Ausführungsform eines beispielgemäßen Aktuators sind alle Kolbendurchmesser gleich gewählt. In diesem Fall stehen keine verschiedenen Übersetzungen zwischen Motorumdrehungen und Druckaufbau zur Verfügung.
4 zeigt eine schematische Zeichnung einer hydraulischen Schaltung eines beispielsgemäßen Aktuators. Der Kolbenblock des Aktuators ist hier getreu seines Wirkprinzips, nicht getreu seiner bevorzugten geometrischen Ausführung gezeigt. Durch eine Translation des Kolbenblocks 7 in eine erste Richtung 100 werden der erste Kolben 11 und der dritte Kolben 13 in Richtung des ersten respektive des dritten Druckraums 21, 23 verschoben, wodurch in dem ersten und dritten Druckraum 21, 23 ein Druck aufgebaut wird. Gleichzeitig werden der zweite Kolben 12 und der vierte Kolben 14 aus dem zweiten, respektive vierten Druckraum 22, 24 gezogen. In den zweiten bzw. vierten Druckraum 22, 24 wird über nicht dargestellte Rückschlageventile Druckmittel nachgesaugt.
Die Druckräume sind über hydraulische Leitungen 28, 29, 30 mit weiteren Bestandteilen eines Bremssystems verbunden. Das Bremssystem verfügt unter anderem über mindestens einen drucklosen Behälter 27 und mindestens eine Radbremse 31. Der hier dargestellte drucklosen Behälter 27 und die dargestellte Radbremse 31 sind als symbolisch zu sehen, verschiedene an sich bekannte Anordnungen eines Bremssystems sind denkbar. So kann das Bremssystem über mehrere drucklose Behälter, mehrere Radbremsen und weitere, hier nicht gezeigte Ventile verfügen.
Beispielsgemäß wird Druck in der mindestens einen Radbremse 31 wahlweise mittels des ersten und dritten Druckraums 21, 23 oder mittels des zweiten und vierten Druckraums 22, 24 bereitgestellt. Hierzu werden die Ventile 32, 33, 34 geeignet geschaltet.
Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens des erfindungsgemäßen Aktuators wird eine Umschaltung der hydraulisch wirksamen Flächen der Kolben 11, 12, 13, 14 vorgeschlagen. Zu diesem Zweck werden beispielsweise die von den Kolben größeren Durchmessers begrenzten Druckräume 21, 22 von der Druckversorgung der mindestens einen Radbremse 31 abgekoppelt, indem eine einerseits an die Druckräume 21, 22 und anderseits an den drucklosen Behälter 27, beispielsweise dem Druckmittelvorratsbehälter des Bremssystems, angeschossen hydraulische Verbindungsleitung 28 durch Öffnen eines in die Verbindungsleitung 28 eingefügten, stromlos geschlossenen, Ventils 32 freigegeben wird. Gleichzeitig wird ein in den Verbindungsabschnitt 29 zwischen der hydraulischen Verbindungsleitung 28 und einer einerseits an die Druckräume 22, 24 und andererseits an die Radbremse 31 angeschlossen, zweiten hydraulischen Verbindungsleitung 30 eingefügtes, stromlos offenes Ventil 33 in seine Schließstellung umgeschaltet, so dass die Beaufschlagung der Radbremse 31 mit dem in den Druckräumen 22, 24 kleineren Durchmessers eingesteuerten hydraulischen Druck erfolgt, so dass ein höherer Druck bei gleichem Drehmoment des Elektromotors M erreicht werden kann.
Beispielsgemäß wird bei Bedarf eines besonders schnellen Bremsdruckaufbaus Druck in der mindestens einen Radbremse 31 mittels des ersten und dritten Druckraums 21, 23 bereitgestellt. Bei Bedarf eines besonders hohen Bremssystemdrucks wird Druck in der mindestens einen Radbremse 31 mittels des zweiten und vierten Druckraums 22, 24 bereitgestellt.
Beispielsgemäß wird während eines ersten vorgegebenen Zeitraums Druck in der mindestens einen Radbremse 31 mittels des ersten und dritten Druckraums 21, 23 bereitgestellt und anschließend Druck in der mindestens einen Radbremse mittels des zweiten und vierten Druckraums 22, 24 bereitgestellt. Hierzu wird das erste Ventil 33 nach dem vorgegebenen Zeitraum in seine Schließstellung geschaltet.
Beispielsgemäß können der erste, zweite, dritte und vierte Druckraum 21, 22, 23, 24 zeitgleich mit der mindestens einen Radbremse 31 verbunden werden. Der Aktuator wird in Druckaufbaurichtung der Zylinder-Kolben-Anordnung mit den Kolben größeren Durchmessers - hier die erste und dritte Zylinder-Kolben-Anordnung (1, 3) - betrieben. Es besteht eine hydraulische Verbindung der Druckräume miteinander. In diesem Fall ist die hydraulische wirksame Fläche die Differenzfläche zwischen den beiden wirksamen Kolbenflächen. Diese Differenzfläche ist kleiner als die Fläche der Kolben größeren Durchmessers und erlaubt daher einen Druckaufbau mit höherem Druck.
Vorteilhafterweise wird während eines zweiten vorgegebenen Zeitraums Druck in der mindestens einen Radbremse 31 mittels des ersten und dritten Druckraums 21, 23 bereitgestellt und anschließend der erste, zweite, dritte und vierte Druckraum 21, 22, 23, 24 zeitgleich mit der mindestens einen Radbremse 31 verbunden, wodurch Druck in der mindestens einen Radbremse durch die Wirkung der Differenzfläche bereitgestellt wird. Die Umschaltung erfolgt durch Öffnen des zweiten Ventils 33.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2701955 B1 [0003]
DE 102014207234 A1 [0005]
WO 2015/082199 A1 [0006]

Claims

Elektrohydraulischer Aktuator, insbesondere für ein Bremssystem, mit einem Elektromotor (M), mit einem dem Elektromotor (M) wirkungsmäßig nachgeschalteten Rotations-Translationsgetriebe (5,6) und mit einer Gruppe von Zylinder-Kolben-Anordnungen mit mindestens einer ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) mit einem ersten Kolben (11), der einen ersten Druckraum (21) begrenzt, und einer zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) mit einem zweiten Kolben (12), der einen zweiten Druckraum (22) begrenzt, wobei der erste Kolben (11) und der zweite Kolben (12) mit einem Kolbenblock (7) zug- und druckkraftübertragend verbunden sind, und das Rotations-Translationsgetriebe (5,6) die Translationsbewegung auf den Kolbenblock (7) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) entgegengesetzt zu der Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) der Nachsaugrichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) entspricht und die Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) der Nachsaugrichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) entspricht, wobei während einer Translationsbewegung des Kolbenblocks (7) in einer der ersten oder zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (1, 2) Druck aufgebaut wird und in der anderen Zylinder-Kolben-Anordnung (2, 1) Druckmittel nachgesaugt wird.
Elektrohydraulischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ersten Drehrichtung des Elektromotors (M) ein Druck in der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) aufgebaut wird und bei einer zweiten Drehrichtung des Elektromotors (M), die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist, ein Druck in der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) aufgebaut wird.
Elektrohydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten Kolbens (11) größer ist als der Durchmesser des zweiten Kolbens (12).
Elektrohydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) einer Bewegung des zweiten Kolbens (12) in Richtung des Elektromotors (M) entspricht.
Elektrohydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Zylinder-Kolben-Anordnungen eine dritte Zylinder-Kolben-Anordnung (3) mit einem dritten Kolben (13), der einen dritten Druckraum (23) begrenzt, und eine vierte Zylinder-Kolben-Anordnung (4) mit einem vierten Kolben (14), der einen vierten Druckraum (24) begrenzt, umfasst, wobei der dritte und der vierte Kolben (13, 14) mit dem Kolbenblock (7) zug- und druckkraftübertragend verbunden sind und wobei die Druckaufbaurichtung der dritten Zylinder-Kolben-Anordnung (3) der Druckaufbaurichtung der ersten Zylinder-Kolben-Anordnung (1) entspricht und die Druckaufbaurichtung der vierten Zylinder-Kolben-Anordnung (4) der Druckaufbaurichtung der zweiten Zylinder-Kolben-Anordnung (2) entspricht.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten Kolbens (11) gleich dem Durchmesser des dritten Kolbens (13) ist und der Durchmesser des zweiten Kolbens (12) gleich dem Durchmesser des vierten Kolbens (14) ist, wobei der Durchmesser des ersten Kolbens (11) größer ist als der Durchmesser des zweiten Kolbens (12).
Elektrohydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotations-Translationsgetriebe eine Gewindespindel (5) und eine Gewindemutter (6) umfasst, wobei der Kolbenblock (7) zug- und druckkraftübertragend mit der Gewindemutter (6) verbundenen ist, oder einstückig mit der Gewindemutter (6) ausgeführt ist und wobei der Kolbenblock (7) sich entlang der Achse der Gewindespindel (5) erstreckt, wobei der erste Kolben (11) sich parallel zur Achse der Gewindespindel (5) vom Punkt seiner Befestigung an dem Kolbenblock (7) in eine erste Richtung erstreckt und der zweite Kolben (12) sich parallel zur Achse der Gewindespindel (5) vom Punkt seiner Befestigung an dem Kolbenblock (7) in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung erstreckt.
Elektrohydraulischer Aktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (11) an einem ersten Ende des Kolbenblocks (7) befestigt ist und der zweite Kolben (12) an einem zweiten Ende des Kolbenblocks (7) befestigt ist, wobei der erste Kolben (11) sich entlang des Kolbenblocks (7) in Richtung des zweiten Endes des Kolbenblocks (7) erstreckt und der zweite Kolben (12) sich entlang des Kolbenblocks (7) in Richtung des ersten Endes des Kolbenblocks (7) erstreckt.
Elektrohydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenblock (7) zwei Kraftübertragungselemente (15, 16), insbesondere Arme, umfasst, wobei der erste Kolben (11) an dem ersten Kraftübertragungselement (15) befestigt ist und wobei der zweite Kolben (12) an dem zweiten Kraftübertragungselement (16) befestigt ist.
Elektrohydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenblock (7) ein Führungselement (10) umfasst, welches in eine Aussparung eines Gehäuses (9) des Aktuators eingreift und den Kolbenblock (7) gegen Verdrehen sichert.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems mit einem elektrohydraulischen Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und mit mindestens einer Radbremse (31), dadurch gekennzeichnet, dass während eines Bremsvorgangs wahlweise die erste Zylinder-Kolben-Anordnung (1) in Druckaufbaurichtung betrieben wird, wodurch Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des ersten Druckraums (21) bereitgestellt wird, oder die zweite Zylinder-Kolben-Anordnung (2) in Druckaufbaurichtung betrieben wird, wodurch Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des zweiten Druckraums (22) bereitgestellt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckraum (21) über ein, insbesondere stromlos geschlossenes, zweites Ventil (33) mit der mindestens einen Radbremse (31) hydraulisch verbunden ist und der zweite Druckraum (22) über ein, insbesondere stromlos geschlossenes, drittes Ventil (34) mit der mindestens einen Radbremse (31) hydraulisch verbunden ist, wobei Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des ersten Druckraums (21) bereitgestellt wird, indem das zweite Ventil (33) geöffnet wird, und Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des zweiten Druckraums (22) bereitgestellt wird, indem das dritte Ventil (34) geöffnet wird.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten Kolbens (11) größer ist als der Durchmesser des zweiten Kolbens (12) und bei Bedarf eines besonders schnellen Bremsdruckaufbaus Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des ersten Druckraums (21) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des ersten Kolbens (11) größer ist als der Durchmesser des zweiten Kolbens (12) und bei Bedarf eines besonders hohen Bremssystemdrucks Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des zweiten Druckraums (22) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während eines ersten vorgegebenen Zeitraums Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des ersten Druckraums (21) bereitgestellt wird und anschließend Druck in der mindestens einen Radbremse (31) mittels des zweiten Druckraums (22) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckraum (21) und der zweite Druckraum (22) zeitgleich mit der mindestens einen Radbremse (31) verbunden werden und der Elektromotor (M) angetrieben wird.