DE102021113147A1

DE102021113147A1 - Druckerzeugungseinheit für ein Bremssystem

Info

Publication number: DE102021113147A1
Application number: DE102021113147.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Einig
Original assignee: ZF Active Safety GmbH
Current assignee: ZF Active Safety GmbH
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-11-24
Also published as: US20220371563A1; CN115366861A

Abstract

Es wird eine Druckerzeugungseinheit (10) für ein Bremssystem beschrieben. Die Druckerzeugungseinheit (10) umfasst einen elektrischen Antriebsmotor (12) und einen Hydraulikkolben (18), der mittels des elektrischen Antriebsmotors (12) verschiebbar ist, um einen durch den Hydraulikkolben (18) begrenzten Druckfluidkreis (20) selektiv mit Druck zu beaufschlagen oder vom Druck zu entlasten. Der elektrische Antriebsmotor (12) ist dazu über ein Planetengetriebe (14) und ein Zahnstangengetriebe (16) antriebsmäßig mit dem Hydraulikkolben (18) gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckerzeugungseinheit für ein Bremssystem, insbesondere für ein Brake-by-Wire-Bremssystem, mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Hydraulikkolben, der mittels des elektrischen Antriebsmotors verschiebbar ist, um einen durch den Hydraulikkolben begrenzten Druckfluidkreis selektiv mit Druck zu beaufschlagen oder vom Druck zu entlasten.
Solche Druckerzeugungseinheiten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Vereinfacht gesagt beruht ihr Funktionsprinzip darauf, eine rotatorische Bewegung des elektrischen Antriebsmotors in eine translatorische Bewegung des Hydraulikkolbens umzusetzen. Die Druckerzeugungseinheiten können somit beispielsweise radseitige Bremsaktuatoren mit Hydraulikdruck versorgen. Dementsprechend werden bekannte Druckerzeugungseinheiten oft auch als Geberzylinder bezeichnet.
Nachdem es sich bei Bremssystemen um sicherheitsrelevante Einrichtungen von Kraftfahrzeugen handelt, müssen an die Zuverlässigkeit von Druckerzeugungseinheiten hohe Anforderungen gestellt werden.
Gleichzeitig herrscht jedoch insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugherstellung ein hoher Kostendruck, der auch vor Bremssystemen und deren Komponenten nicht Halt macht. Es wird also auch angestrebt, Bremssysteme möglichst einfach und kostengünstig aufzubauen.
Diese Anforderungen stehen offensichtlich miteinander in einem Zielkonflikt, da üblicherweise kostengünstige Komponenten mit einem verringerten Maß an Zuverlässigkeit einhergehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, diesen Zielkonflikt abzumildern oder aufzulösen. Es soll somit eine Druckerzeugungseinheit angegeben werden, die einfach und kostengünstig aufgebaut ist, ohne dabei Abstriche bei der Zuverlässigkeit machen zu müssen.
Die Aufgabe wird durch eine Druckerzeugungseinheit der eingangs genannten Art gelöst, bei der der elektrische Antriebsmotor über ein Planetengetriebe und ein Zahnstangengetriebe antriebsmäßig mit dem Hydraulikkolben gekoppelt ist. Dabei stellen Planetengetriebe und Zahnstangengetriebe einfache und kostengünstige am Markt erhältliche Standardkomponenten dar. Mittels eines Zahnstangengetriebes lässt sich eine rotatorische Bewegung besonders einfach in eine translatorische Bewegung umsetzen. Planetengetriebe sind insbesondere in Anbetracht der damit bereitstellbaren Übersetzungsverhältnisse äußerst kompakt. Darüber hinaus arbeiten Planetengetriebe und Zahnstangengetriebe in der Regel mit sehr hoher Zuverlässigkeit. Hinzu kommt, dass Planetengetriebe und Zahnstangengetriebe vergleichsweise verlustarm arbeiten, d.h. effizient betrieben werden können. Mit einer erfindungsgemäßen Druckerzeugungseinheit wird also der Zielkonflikt aus einem einfachen und kostengünstigen Aufbau sowie hoher Zuverlässigkeit gelöst.
Gemäß einer Variante ist die Druckerzeugungseinheit als eine bauliche Einheit mit einem Bremshauptzylinder ausgeführt. Insbesondere wird ein gemeinsames Gehäuse für die Druckerzeugungseinheit und den Bremshauptzylinder verwendet. Dies führt zu einer weiteren Kostenreduzierung und einem besonders kompakten Aufbau.
Bevorzugt ist das Planetengetriebe im Leistungsfluss dem elektrischen Antriebsmotor und dem Zahnstangengetriebe zwischengeschaltet. Ausgehend vom elektrischen Antriebsmotor wird mittels des Planetengetriebes also zunächst eine Abtriebsleistung des elektrischen Antriebsmotors, die als vergleichsweise kleines Abtriebsdrehmoment mit vergleichsweise hoher Drehzahl bereitgestellt werden kann, in eine Abtriebsleistung gewandelt, die sich durch ein deutlich höheres Drehmoment und eine deutlich geringere Drehzahl auszeichnet. Aufgrund der hohen Übersetzungsverhältnisse, die mittels Planetengetrieben üblicherweise realisierbar sind, wird so die Verwendung eines vergleichsweise drehmomentschwachen und damit kostengünstigen Antriebsmotors möglich. Dennoch lässt sich der Hydraulikkolben mit einer ausreichend großen Kraft verschieben, die einen Hydraulikdruck in ausreichender Höhe bewirkt.
Der elektrische Antriebsmotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Derartige Antriebsmotoren sind vergleichsweise kostengünstig und gleichzeitig sehr zuverlässig. Aufgrund der fehlenden Bürsten weisen sie zudem eine besonders hohe Lebensdauer auf.
Gemäß einer Variante sind eine Wirkachse des Hydraulikkolbens und eine Rotationsachse des elektrischen Antriebsmotors senkrecht zueinander orientiert. Dabei fällt die Wirkachse des Hydraulikkolbens insbesondere mit einer Wirkachse einer Zahnstange des Zahnstangengetriebes zusammen. Die Rotationsachse des elektrischen Antriebsmotors entspricht bevorzugt einer Rotationsachse eines Ritzels des Zahnstangengetriebes. Die Wirkachse des Hydraulikkolbens und die Rotationsachse des elektrischen Antriebsmotors sind stellen somit eine einfache Weiterführung der Wirk- und Rotationsachsen eines üblichen Zahnstangengetriebes dar. Maßnahmen, um diese Wirkachsen zu verlagern oder umzuorientieren, sind nicht nötig. Die Druckerzeugungseinheit kann auf diese Weise kompakt aufgebaut werden, sodass sie sich leicht in beengten Bauräumen anordnen lässt.
Ferner kann eine Abtriebswelle des elektrischen Antriebsmotors drehfest mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes gekoppelt sein. Das ist strukturell einfach. Darüber hinaus kann so mit dem Planetengetriebe eine für den Antrieb des Hydraulikkolbens geeignete Übersetzung bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine vergleichsweise große Übersetzung des Planetengetriebes erreicht werden, sodass, wie bereits erläutert, ein drehmomentschwacher Antriebsmotor verwendet werden kann.
Gemäß einer Gestaltungsalternative ist ein Planetenträger des Planetengetriebes oder ein Hohlrad des Planetengetriebes drehfest mit einem Ritzel des Zahnstangengetriebes gekoppelt. Es kann somit auf einfache und zuverlässige Weise das Ritzel des Zahnstangengetriebes mit einer geeigneten Drehzahl und einem geeigneten Drehmoment betrieben werden.
Der Hydraulikkolben kann fest mit einer Zahnstange des Zahnstangengetriebes verbunden sein. Der Hydraulikkolben lässt sich somit in zuverlässiger Weise bidirektionale antreiben. Insbesondere weist er gegenüber der Zahnstange nur ein vergleichsweise geringes Spiel auf. Der Hydraulikkolben kann also mit hoher Präzision verschoben werden.
In diesem Zusammenhang kann der Hydraulikkolben als einfach wirkender Hydraulikkolben ausgeführt sein, der bei einer Verschiebung in eine erste Richtung einen Druck im zugeordneten Druckfluidkreis erhöht und bei einer Verschiebung in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, den Druckfluidkreis vom Druck entlastet. Alternativ kann der Hydraulikkolben als sogenannter doppelt wirkender Hydraulikkolben gestaltet sein. Der Druckfluidkreis ist dann mit einer an sich bekannten Ventilschaltung versehen, die bewirkt, dass der Kolben unabhängig von seiner Verschieberichtung einen Druck im Druckfluidkreis erhöht. Mit einem doppelt wirkenden Hydraulikkolben kann besonders schnell Druck aufgebaut werden. In diesem Fall erfolgt die Druckentlastung anderweitig.
In einer Alternative ist eine Motorsteuereinheit auf einer dem Planetengetriebe abgewandten Seite des elektrischen Antriebsmotors angeordnet. Die Motorsteuereinheit ist somit direkt benachbart zum Antriebsmotor positioniert. Die Motorsteuereinheit und der Antriebsmotor lassen sich somit signaltechnisch leicht verbinden. Es ergibt sich ferner ein kompakter Aufbau der Druckerzeugungseinheit.
Alternativ ist eine Motorsteuereinheit auf einer dem Planetengetriebe abgewandten Seite des Zahnstangengetriebes angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Druckerzeugungseinheit nur einen vergleichsweise kleinen Bauraum einnimmt.
Vorteilhafterweise ist in oder an einer Abtriebswelle des elektrischen Antriebsmotors ein Drehwinkelsensorelement positioniert, wobei das Drehwinkelsensorelement an einem der Motorsteuereinheit benachbarten Ende der Abtriebswelle positioniert ist. Dabei ist in der Motorsteuereinheit eine zugehörige Drehwinkelsensoreinheit vorgesehen. Es lässt sich also einfach und zuverlässig eine Drehwinkelposition des elektrischen Antriebsmotors erfassen. Dadurch lässt sich die Druckerzeugungseinheit präzise betreiben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:

- 1 eine erfindungsgemäße Druckerzeugungseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform und
- 2 eine erfindungsgemäße Druckerzeugungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt eine Druckerzeugungseinheit 10 für ein hydraulisches Bremssystem.
Die Druckerzeugungseinheit 10 umfasst einen elektrischen Antriebsmotor 12, der über ein Planetengetriebe 14 und ein Zahnstangengetriebe 16 mit einem Hydraulikkolben 18 gekoppelt ist.
Dabei liegt das Planetengetriebe 14 im Leistungsfluss zwischen dem elektrischen Antriebsmotor 12 und dem Zahnstangengetriebe 16. Auch geometrisch ist das Planetengetriebe 14 zwischen dem elektrischen Antriebsmotor 12 und dem Zahnstangengetriebe 16 positioniert.
Der Hydraulikkolben 18 begrenzt einen Druckfluidkreis 20, der in 1 durch eine Druckkammer repräsentiert ist.
Zur Steuerung des Antriebsmotors 12 ist zudem eine Motorsteuereinheit 22 vorgesehen. Diese ist auf der dem Planetengetriebe 14 abgewandten Seite des elektrischen Antriebsmotors 12 positioniert.
Alle Komponenten der Druckerzeugungseinheit 10 sind in einem zusammenhängenden Gehäuse 24 angeordnet, das aus einem Steuerungsgehäuseabschnitt 24a einem Antriebsgehäuseabschnitt 24b und einem Kolbengehäuseabschnitt 24c aufgebaut ist. Der Kolbengehäuseabschnitt 24c ist zudem mittels einer ersten Endkappe 26 und einer zweiten Endkappe 28 verschlossen.
Im Detail ist der elektrische Antriebsmotor 12 als bürstenloser Gleichstrommotor aufgebaut. Er umfasst einen Stator 30, der unbeweglich im Antriebsgehäuseabschnitt 24b gelagert ist.
Der Stator 30 wirkt mit einem Rotor 32 zusammen, der auf einer Abtriebswelle 34 des elektrischen Antriebsmotors 12 sitzt.
Die Abtriebswelle 34 ist über zwei Lager 36a, 36b drehbar am Antriebsgehäuseabschnitt 24b gelagert.
Somit ist die Abtriebswelle 34 zusammen mit dem Rotor 32 um eine Rotationsachse 38 drehbar.
An einem der Motorsteuereinheit 22 benachbarten Ende der Abtriebswelle 34 ist ferner ein Drehwinkelsensorelement 40 angeordnet, das mit einer Drehwinkelsensoreinheit 42 der Motorsteuereinheit 22 zusammenwirkt.
Mittels der Drehwinkelsensoreinheit 42 kann eine Drehwinkelposition der Abtriebswelle 34 des Antriebsmotors 12 erfasst werden.
Die Abtriebswelle 34 ist darüber hinaus drehfest mit einem Sonnenrad 44 des Planetengetriebes 14 gekoppelt.
Das Sonnenrad 44 wirkt ferner mit Planetenrädern 46 zusammen, die in an sich bekannter Weise mit einem Hohlrad 48 kämmen und drehbar an einem Planetenträger 50 gelagert sind.
Der Planetenträger 50 ist drehfest mit einer Ritzelwelle 52 des Zahnstangengetriebes 16 verbunden.
Die Ritzelwelle 52 ist über ein erstes Lager 53a drehbar im Antriebsgehäuseabschnitt 24b gelagert und über ein zweites Lager 53b drehbar im Kolbengehäuseabschnitt 24c.
Eine Rotationsachse der Ritzelwelle 52 fällt dabei mit der Rotationsachse 38 der Abtriebswelle 34 zusammen.
Auf der Ritzelwelle 52 sitzt ein Ritzel 54 oder in die Ritzelwelle 52 ist ein Ritzelverzahnung eingearbeitet.
Das Ritzel 54 kämmt mit einer Zahnstange 56, die fest mit dem Hydraulikkolben 18 verbunden ist.
Der Hydraulikkolben 18 lässt sich also verschieben, indem der elektrische Antriebsmotor 12 betrieben wird und über das Planetengetriebe 14 das Ritzel 54 drehantreibt.
Mittels des Ritzels 54 und der Zahnstange 56 wird die rotatorische Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung des Hydraulikkolbens 18 überführt.
Je nach Verschiebungsrichtung des Hydraulikkolbens 18 wird der Druckfluidkreis 20 mit Druck beaufschlagt oder vom Druck entlastet.
Dabei ist eine Wirkachse 58 des Hydraulikkolbens 18 senkrecht zur Rotationsachse 38 des Antriebsmotors 12 orientiert.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Druckerzeugungseinheit 10. Dabei wird lediglich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform der Druckerzeugungseinheit 10 eingegangen. Für vergleichbare oder einander entsprechende Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Nunmehr ist die Motorsteuereinheit 22 auf einer dem Planetengetriebe 14 abgewandten Seite des Zahnstangengetriebes 16 angeordnet.
Das Drehwinkelsensorelement 40 ist in der zweiten Ausführungsform an einem Ende der Ritzelwelle 52 positioniert, das zur Motorsteuereinheit 22 benachbart angeordnet ist. Somit kann eine Drehwinkelstellung der Ritzelwelle 52 mittels der Drehwinkelsensoreinheit 42 erfasst werden.
Da ein Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 14 bekannt ist, kann damit jedoch auch auf eine Drehwinkelstellung der Abtriebswelle 34 des Antriebsmotors 12 zurückgeschlossen werden.
In beiden Ausführungsformen ist die Druckerzeugungseinheit 10 dazu ausgebildet, an einem zugeordneten Kraftfahrzeug oberhalb eines Bremshauptzylinders montiert zu werden.
Zu betonen ist, dass der Drehmomentausgang über den Planetenträger nicht einschränkend zu verstehen ist. Der Drehmomentausgang kann auch über ein dann bewegliches Hohlrad erfolgen, wenn der Planetenträger feststehend ist. Auch beim Drehmomenteingang gibt es andere Optionen, wie es bei Planetengetrieben auch bekannt ist.

Claims

Druckerzeugungseinheit (10) für ein Bremssystem, insbesondere für ein Brake-by-Wire-Bremssystem, mit einem elektrischen Antriebsmotor (12) und einem Hydraulikkolben (18), der mittels des elektrischen Antriebsmotors (12) verschiebbar ist, um einen durch den Hydraulikkolben (18) begrenzten Druckfluidkreis (20) selektiv mit Druck zu beaufschlagen oder vom Druck zu entlasten, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (12) über ein Planetengetriebe (14) und ein Zahnstangengetriebe (16) antriebsmäßig mit dem Hydraulikkolben (18) gekoppelt ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (14) im Leistungsfluss dem elektrischen Antriebsmotor (12) und dem Zahnstangengetriebe (16) zwischengeschaltet ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (12) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wirkachse (58) des Hydraulikkolbens (18) und eine Rotationsachse (38) des elektrischen Antriebsmotors (12) senkrecht zueinander orientiert sind.
Druckerzeugungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtriebswelle (34) des elektrischen Antriebsmotors (12) drehfest mit einem Sonnenrad (44) des Planetengetriebes (14) gekoppelt ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenträger (50) des Planetengetriebes (14) oder ein Hohlrad (48) des Planetengetriebes (14) drehfest mit einem Ritzel (54) des Zahnstangengetriebes (16) gekoppelt ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikkolben (18) fest mit einer Zahnstange (56) des Zahnstangengetriebes (16) verbunden ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuereinheit (22) auf einer dem Planetengetriebe (14) abgewandten Seite des elektrischen Antriebsmotors (12) angeordnet ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuereinheit (22) auf einer dem Planetengetriebe (14) abgewandten Seite des Zahnstangengetriebes (16) angeordnet ist.
Druckerzeugungseinheit (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in oder an einer Abtriebswelle (34) des elektrischen Antriebsmotors (12) ein Drehwinkelsensorelement (40) positioniert ist, wobei das Drehwinkelsensorelement (40) an einem der Motorsteuereinheit (22) benachbarten Ende der Abtriebswelle (34) positioniert ist.