JP2016525661A - 電気液圧式アクチュエータ - Google Patents

Abstract

電気液圧式アクチュエータは、液圧式のピストンと、スピンドル及びナットを備え、前記ピストンを回転軸線に沿って移動させるスピンドルドライブと、前記ナットに同軸に取り付けられたウォームホイールとを含む。さらには、前記ウォームホイールに噛み合うウォームを備える電気モータが設けられている。前記ナットは、軸受によって半径方向及び軸方向に支持されており、さらには、前記スピンドルを回転不能に固定するために一腕式の回転防止装置が設けられている。前記ウォームホイールに接する前記ウォームの作用点と、前記回転防止装置の作用方向との間には、前記回転軸線に関連する所定の角度が形成されている。前記角度は、前記ナットに所定のトルクが作用した場合に前記ピストンに作用する半径方向の力が最小化されるように選択されている。

Description

本発明は、電気液圧式アクチュエータに関する。本発明は、特に自動車に搭載された液圧システムを操作するためのアクチュエータに関する。

自動車に搭載されたシステム、例えばクラッチ装置又はブレーキ装置に搭載されたシステムは、液圧式に操作することができる。内燃機関によって駆動される通常の自動車の場合には、内燃機関に結合されたポンプによって液圧を供給することができる。往々にして、この液圧を内燃機関に依存せずとも供給できることが望まれる。例えば、電気自動車又はハイブリッド車の場合には、ポンプを駆動するために自動車用の駆動機器からトルクが供給されること、又は、負圧式ブレーキブースタを支援するために吸気管によって負圧が供給されることを、必ずしも前提にできるわけではない。

電気液圧式アクチュエータは、電気駆動部及び液圧ポンプを含む。電気駆動部は、液圧ポンプに作用し、この液圧ポンプは、例えばクラッチ又はブレーキを操作するための流体の液圧を供給する。１つの実施形態では、ピストンを備える液圧シリンダを含む軸流ポンプが使用され、このピストンは、スピンドルドライブによって軸方向に操作することができる。スピンドルドライブは、スピンドル及びナットを含む。スピンドルは、回転防止装置によって回転不能に固定されており、ナットは、電気モータによって回転可能である。電気モータの回転運動をナットに伝達し、その際に減速するために、例えば、ウォームギヤを使用することができる。

ナットとスピンドルとの間における不可避の摩擦や、ナットにおける噛み合い力により、電気モータの動作時にはトルクのみならず傾倒力もナットに作用する。これによって半径方向の力がピストンに伝達され、この半径方向の力によってピストンがシリンダ壁に押し付けられることがある。これにより、ピストン又はピストンシーリングの摩耗が増大するおそれがある。特に、ブレーキシステム用の電気液圧式アクチュエータのような安全上重要なシステムの場合には、アクチュエータの完全な性能を、長期の動作期間に亘っても保証することが重要となりうる。

従って、本発明の課題は、ピストンの摩耗が低減された電気液圧式アクチュエータを提供することである。この課題は、本発明によれば、独立請求項に記載の特徴を有する電気液圧式アクチュエータによって解決される。従属請求項は、好ましい実施形態を示す。

本発明の開示
電気液圧式アクチュエータは、液圧式のピストンと、スピンドル及びナットを備え、前記ピストンを回転軸線に沿って移動させるスピンドルドライブと、前記ナットに同軸に取り付けられたウォームホイールとを含む。さらには、前記ウォームホイールに噛み合うウォームを備える電気モータが設けられている。前記ナットは、軸受によって半径方向及び軸方向に支持されており、さらには、前記スピンドルを回転不能に固定するために一腕式の回転防止装置が設けられている。前記ウォームホイールに接する前記ウォームの作用点と、前記回転防止装置の作用方向との間には、前記回転軸線に関連する所定の角度が形成されている。前記角度は、前記ナットに所定のトルクが作用した場合に前記ピストンに作用する半径方向の力が最小化されるように選択されている。

前記角度を適切に選択することにより、電気モータによって引き起こされるスピンドルに対する傾倒力を、部分的又は完全に補償することが可能となる。ピストンに作用する半径方向の力を最小化することにより、液圧シリンダに対するピストン又はピストンのシーリング材の摩耗を低減することが可能となる。従って、頻繁な操作の後でもアクチュエータの性能を保証することができる。ピストンとシリンダとの間での漏出を低減することができ、アクチュエータによって供給された液圧を、比較的長期の動作期間が経過した後でも保証することができる。

ピストン又はスピンドルを半径方向に支持するために、第２の軸受を使用する必要はない。これによって重量及び構造空間を削減することができ、従って、アクチュエータをよりコンパクトかつ軽量に構成することができる。さらには、第２の軸受が不要であることによって製造コストを削減することができる。

１つの実施形態では、前記ラジアル軸受は、前記回転軸線に対する前記ナットの所定の傾倒を許容する。回転軸線に対するスピンドルの傾倒角度は、軸受によって制限することができる。この傾倒角度によって、ピストンと場合によってはピストンを包囲するシリンダとを含む液圧ユニットと、スピンドルを備える伝動装置ユニットとの間の軸のずれ又は角度誤差を補償することができる。アクチュエータの個々の構成部品の許容公差を大きくすることができ、これによって製造コストを削減することができる。さらには、クリアランスが補償されることにより、アクチュエータの動作時における摩耗を低減することができる。ラジアル軸受は、例えば有利には転がり軸受として、特にラジアル深溝玉軸受として構成することができる。このようにして、スピンドルの傾倒可能性を制限するために、高性能かつ低摩耗の規格部品を使用することができる。

別の１つの好ましい実施形態では、前記ラジアル軸受は、前記ナットと前記回転防止装置との間に軸方向に配置されている。これによって、アクチュエータの構造をコンパクトにすることができる。さらには、アクチュエータにおける複数の力をより良好に互いに調整して、互いに相殺することができる。

さらには好ましくは、前記角度は、前記スピンドルの所定の軸方向位置に関連して決定されている。ピストンと、スピンドルの傾倒点との間の効果的なレバーは、ピストンにおける半径方向の力に影響を与えることができる。スピンドルの位置を考慮することにより、アクチュエータを所定の動作点に合わせることができる。スピンドルの位置は、例えば、アクチュエータが設けられている自動車に搭載されたクラッチ又はブレーキの操作に相応しうる。

前記角度は、前記ウォームと前記ウォームホイールとの間の所定の摩擦係数に関連して決定することもできる。摩擦係数は、比較的精確に決定することができ、例えば潤滑剤の使用によって、相異なる動作条件下においても、また、比較的長期の動作時間に亘っても、決定することが可能である。

さらに好ましくは、前記ナットに作用する前記トルクは、前記ピストンに軸方向に作用する最大の力によって決定されている。この力は、ピストンによって液圧流体に加えるべき動作圧力又は最大圧力に基づいて決定することができる。ピストンに対する軸方向の力に基づいてトルクを決定することにより、通常の又は最大のシステム負荷の場合に、ピストンにおける半径方向の力が低減されるように、アクチュエータをより良好に設計することができる。

図面の簡単な説明
ここで、本発明を、添付図面を参照しながらより詳細に説明する。

電気液圧式アクチュエータを示す図である。 図１のアクチュエータを別の方向から見た図である。 図１及び２のアクチュエータにおける力及びモーメントの線図である。 図１及び２のアクチュエータにおける力及びモーメントの別の線図である。

実施形態の詳細な説明
図１は、液圧を供給するための、特に自動車に搭載されたブレーキ又はクラッチを操作するための電気液圧式アクチュエータ１００を示す。アクチュエータ１００は、液圧モジュール１０５と、シリンダ１１０と、シリンダ内に収容されたピストン１１５とを含む。ピストン１１５をシリンダ１１０に対して封止するために、好ましくはピストンリング１２０又は別の半径方向シーリングが設けられている。シリンダ１１５内には作動流体１２５が収容されており、この作動流体１２５は、ピストン１１５がシリンダ１１０内に押し込まれると加圧される。

アクチュエータ１００はさらに、電気モータ１３０と、電気モータ１３０の動きを液圧モジュール１０５に変換するための伝動装置ユニット１３５とを含む。伝動装置ユニット１３５は、スピンドル１４５及びナット１５０を含むスピンドルドライブ１４０と、ラジアル軸受１５５と、ウォーム１６５及びウォームホイール１７０を含むウォームギヤ１６０とを含む。ウォーム１６５は、ウォームホイール１７０に噛み合う。電気モータ１３０の回転軸線は、図平面に対して所定の角度を形成しており、従って、ウォームホイール１７０に接するウォーム１６５の作用点は、図１では観察できない。ウォームホイール１７０は、ナット１５０に同軸に形状結合（形状による束縛）によって取り付けられており、これら２つの要素は、回転軸線１７５を中心に相対回動可能である。回転軸線１７５は、電気モータ１３０の回転軸線に対してねじれて延在している。ラジアル軸受１５５は、好ましくは、半径方向で、ナット１５０と、若しくはウォームホイール１７０に接するウォーム１６５の作用点と、回転防止装置１８５との間に配置されている。

ナット１５０は、ウォームホイール１７０と共に、ラジアル軸受１５５を介して例えばケーシング１８０に対して支持されている。ラジアル軸受１５５は、好ましくは転がり軸受として、特に玉軸受として構成されている。ラジアル軸受１５５は、好ましくは、ピストン１１５の移動方向に対するナットの所定のある程度の傾倒を許容する。従って、回転軸線１７５は、ピストン１１５の移動方向に対して所定の最大傾倒角度を有することが可能となる。傾倒角度が許容されることにより、回転軸線１７５と、ピストン１１５の移動方向との間の軸のずれ又は角度誤差を補償することができる。

ピストン１１５には、スピンドル１４５の第１端部が取り付けられている。図示した実施形態では、スピンドル１４５の第１端部は、ボールを有しており、ピストン１１５は、ボールに対応するボール状の凹みを支持している。これによって、スピンドル１４５とピストン１１５との間で軸方向の力を交換することが可能となっており、その一方で、ピストン１１５の傾倒は、スピンドル１４５によって阻止される。スピンドル１４５の反対側の第２端部には、回転防止装置１８５が取り付けられている。回転防止装置１８５は、半径方向に延在するレバーアーム１９０と、レバーアーム１９０の半径方向外側の端部を収容している軸方向の溝部１９５とを含む。ケーシング１８０に対するレバーアーム１９０の回転を阻止しつつ、それと同時に軸方向の移動を許可する別の実施形態、例えばスライドレールも、同じく実施可能である。ナット１５０の傾倒を支持するために、回転防止装置１８５が、半径方向の力又は傾倒力を吸収しないことが好ましい。

図１の座標系は、部分的にのみ示されている。ｙ方向は、回転軸線１７５に対して平行に延在しており、ｚ方向は、電気モータ１３０のシャフトに対して平行に延在している。ｘ方向は、ｙ方向とｚ方向と共に右手座標系を形成している。

図１ではさらに、以下の寸法が定義されている。
ａ ピストン１１５に接するスピンドル１４５の作用点と、ウォームホイール１７０に接するウォーム１６５の作用点との間の軸方向距離、
ｂ ウォームホイール１７０に接するウォーム１６５の作用点と、ラジアル軸受１５５との間の軸方向距離、
ｃ ラジアル軸受１５５と、回転防止装置１８５との間の軸方向距離、
ｄ ウォーム１６５とウォームホイール１７０との間の作用点（観察できない）と、回転軸線１７５との半径方向距離
ｅ 回転軸線１７５と、回転防止装置１８５の中間支持点との間の半径方向距離。

図２は、アクチュエータ１００を別の方向から見た図を示す。回転軸線１７５、又は、シリンダ１１０内のピストン１１５の移動軸線は、図平面に対して垂直に延在している。図平面において、水平方向に電気モータ１３０の回転軸線が延在しており、電気モータ１３０の回転軸線は、回転軸線１７５に対してねじれて延在している。互いに噛み合っているウォーム１６５とウォームホイール１７０とが、部分切断図で図示されている。作用点２０５は、ウォーム１６５とウォームホイール１７０との間で引張力又は押圧力が伝達される点を表している。作用点２０５は、回転軸線１７５に対する所定の間隔及び所定の方向性を有する。

同様にして、回転防止装置１８５が部分破断図で図示されている。溝部１９５に接するレバーアーム１９０の支持点は、回転軸線１７５に対する所定の回転方向性及び所定の間隔を有する。この回転方向性は、作用方向とも呼ばれる。回転軸線１７５と作用点２０５とを結ぶ半径と、作用方向との間の角度は、βと呼ばれる。第２の角度αは、１８０°からβを引いた角度である。作用方向は、レバーアーム１９０の中心線に関連して示されている。これに代えてより精確に特定するために、作用方向は、レバーアーム１９０と溝部１９５との間の有効接触面と、回転軸線１７５とを通るようにして延在してよい。アクチュエータ１００の通常の負荷の場合には、この有効接触面は、図２において右側に図示された面である。

図３は、図１及び２のアクチュエータ１００の力及びモーメントの線図を示す。方向性は、図１に一致する。図示された複数の力は、上から下に、ピストン１１５と、ねじ歯車１７０と、ラジカル軸受１５５と、回転防止装置１８５とに関連している。楕円形の破線で図示されている回転防止装置１８５の力は、図平面から角度αだけ回転されている。さらに説明するために、以下の参照符号が用いられる：
３０５ Ｆ_{ｘ＿ピストン}
３１０ Ｆ_{ｙ＿ピストン}
３１５ Ｆ_{ｚ＿ピストン}
３２０ Ｆ_{ｘ＿ねじ歯車}
３２５ Ｆ_{ｙ＿ねじ歯車}
３３０ Ｆ_{ｚ＿ねじ歯車}
３３５ Ｆ_ｘ＿軸受
３４０ Ｆ_ｙ＿軸受
３４５ Ｆ_ｚ＿軸受
３５０ Ｆ_{ｘ＿回転防止装置}
３５５ Ｆ_{ｙ＿回転防止装置}
３６０ Ｆ_{ｚ＿回転防止装置}
３６５ Ｆ_{回転防止装置}

図４は、図１及び２のアクチュエータ１００における力及びモーメントの線図４００を示す。この図は、別の視点から見た図３の図に相当する。選択された方向性は、図２に相当する。

ピストン１１５に半径方向に作用する力を最小化するためには、Ｆ_ピストンを最小化しなければならない。この際には、以下のことが当てはまる：

Ｆ_{ｘ＿回転防止装置}＝Ｆ_{回転防止装置}×ｓｉｎα
Ｆ_{ｚ＿回転防止装置}＝Ｆ_{回転防止装置}×ｃｏｓα
Ｆ_{ｙ＿回転防止装置}＝Ｆ_{回転防止装置}×μ
μ＝滑り摩擦係数

力及びモーメントのバランス：
ΣＦ_ｘ＝−Ｆ_{ｘ_ピストン}−Ｆ_{ｘ＿ねじ歯車}−Ｆ_ｘ＿軸受＋Ｆ_{ｘ＿回転防止装置}＝０
ΣＦ_ｙ＝−Ｆ_{ｙ_ピストン}−Ｆ_{ｙ＿ねじ歯車}＋Ｆ_ｙ＿軸受−Ｆ_{ｙ＿回転防止装置}＝０
ΣＦ_ｚ＝Ｆ_{ｚ_ピストン}＋Ｆ_{ｚ＿ねじ歯車}＋Ｆ_ｚ＿軸受＋Ｆ_{ｙ＿回転防止装置}＝０
ΣＭ_ｘ＝Ｆ_{ｚ_ピストン}（ａ＋ｂ）＋Ｆ_{ｚ＿ねじ歯車}ｂ−Ｆ_ｚ＿軸受ｃ＋Ｆ_{ｙ＿回転防止装置}ｅｓｉｎα＝０
ΣＭ_ｙ＝−Ｆ_{ｚ＿ねじ歯車}ｄ＋Ｆ_{回転防止装置}ｅ＝０
ΣＭ_ｚ＝Ｆ_{ｘ_ピストン}（ａ＋ｂ）＋Ｆ_{ｘ＿ねじ歯車}ｂ−Ｆ_{ｙ＿ねじ歯車}ｄ＋Ｆ_{ｘ＿回転防止装置}ｃ＋Ｆ_{ｙ＿回転防止装置}ｅｃｏｓα＝０

所与の既知の大きさ：
・最大で作用するピストン力 Ｆ_{ｙ＿ピストン}
・最大で作用する噛み合い力 Ｆ_{ｘ＿ねじ歯車}、Ｆ_{ｙ＿ねじ歯車}、Ｆ_{ｚ＿ねじ歯車}
・構造空間比ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ
・滑り摩擦係数μは、例えば０．１５と仮定される

未知の大きさ：
Ｆ_{ｘ＿ピストン}
Ｆ_{ｚ＿ピストン}
Ｆ_{回転防止装置}
α
Ｆ_ｘ＿軸受
Ｆ_ｙ＿軸受
Ｆ_ｚ＿軸受

力Ｆ_{ｘ＿ピストン}及びＦ_{ｚ＿ピストン}は、大きさ制限として設定されている。特に、Ｆ_{ｘ＿ピストン}及びＦ_{ｚ＿ピストン}から合成される、ピストン１１５に半径方向に作用する力の大きさは、設計規準値として制限することができる。この設計規準値は、ピストン１１５及びシリンダ１１０の摩耗耐性に関する経験値から求めることができる。例えば、アクチュエータ１００が所定の動作点にある場合には半径方向のピストン力は所定の大きさを上回ってはならない、と設定することができる。この動作点は、例えば作動流体１２５の作動液圧によって、又は、回転軸線１７５に沿ったスピンドル１４５の位置によって与えられうる。

半径方向のピストン力を最小化するためには、αを最適化すべきである。例えばαは、一連の試験において複数の異なる値に設定することができ、その一方で、残りの６つの未知の大きさに関連して、６つの方程式からなる上に挙げた方程式系が解かれる。従って、方程式系は決定されており、常に一義的な解が存在し、それからαは、Ｆ_{ｘ＿ピストン}及びＦ_{ｚ＿ピストン}が最小化されるように、従ってピストン１１５に半径方向に作用する力も最小化されるように選択される。

Claims (6)

1. 電気液圧式アクチュエータ（１００）であって、
   ・液圧式のピストン（１１５）と、
   ・スピンドル（１４５）及びナット（１５０）を備え、前記ピストン（１１５）を回転軸線（１７５）に沿って移動させるスピンドルドライブ（１４０）と、
   ・前記ナット（１５０）に同軸に取り付けられたウォームホイール（１７０）と、
   ・前記ウォームホイール（１７０）に噛み合うウォーム（１６５）を備える電気モータ（１３０）と、
   ・前記ナット（１５０）を支持するラジアル軸受（１５５）と、
   ・前記スピンドル（１４５）を回転不能に固定するための一腕式の回転防止装置（１８５）と
   を備え、
   ・前記ウォームホイール（１７０）に接する前記ウォーム（１６５）の作用点（２０５）と、前記回転防止装置（１８５）の作用方向との間には、前記回転軸線（１７５）に関連する所定の角度（β）が形成されている
   アクチュエータ（１００）において、
   ・前記角度（β）は、前記ナット（１５０）に所定のトルクが作用した場合に前記ピストン（１１５）に作用する半径方向の力が最小化されるように選択されている
   ことを特徴とする、アクチュエータ（１００）。
2. 前記ラジアル軸受（１５５）は、前記回転軸線（１７５）に対する前記ナット（１５０）の所定の傾倒を許容する
   請求項１記載のアクチュエータ（１００）。
3. 前記ラジアル軸受（１５５）は、軸方向で、前記ナット（１５０）と前記回転防止装置（１８５）との間に配置されている
   請求項１又は２記載のアクチュエータ（１００）。
4. 前記角度（β）は、前記スピンドル（１４５）の所定の軸方向位置に関連して決定されている
   請求項１から３のいずれか一項記載のアクチュエータ（１００）。
5. 前記角度（β）は、前記ウォーム（１６５）と前記ウォームホイール（１７０）との間の所定の摩擦係数（μ）に関連して決定されている
   請求項１から４のいずれか一項記載のアクチュエータ（１００）。
6. 前記ナット（１５０）に作用する前記トルクは、前記ピストン（１１５）に軸方向（ｘ，ｚ）に作用する最大の力によって決定されている
   請求項１から５のいずれか一項記載のアクチュエータ（１００）。

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