DE10029227C2

DE10029227C2 - Steuerbares Bremssystem

Info

Publication number: DE10029227C2
Application number: DE10029227A
Authority: DE
Inventors: Peter Jaenker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: DE10029227A1

Description

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Bremssystem zur Hemmung von Schwenk- bzw. Drehbewegungen, insbesondere einer Autotür, mit

- elektrischer Steuerschaltung,
- daran eingangsseitig angeschlossener Sensorik für die Schwenk- bzw. Drehbewegungen störende Hindernisse und
- von der Steuerschaltung in Abhängigkeit von Signalen der Sensorik gesteuertem Bremsaggregat mit einem eine magnetorheologische Flüssigkeit aufnehmenden Zylinder sowie darin drehbar angeordnetem Kolben sowie Mitteln zur Erzeugung eines von der Steuerschaltung steuerbaren, die magnetorheologische Flüssigkeit durchsetzenden Magnetfeldes zwischen Kolben und Zylinder.

Ein derartiges Bremssystem ist Gegenstand der DE 197 54 167 A1. Nach dieser Druckschrift besteht der Kolben aus axial voneinander beabstandeten Scheibenelementen, zwischen die ringscheibenförmige zylinderseitige Elemente kammartig eingreifen, welche am Zylinder fest angeordnet sind. Die Räume zwischen diesen Elementen sind mit einer elektro- oder magnetorheologischen Flüssigkeit ausgefüllt, so daß durch bezüglich ihrer Stärke veränderliche Elektro- oder Magnetfelder die Viskosität der Flüssigkeit in den ringscheibenförmigen Spalträumen zwischen den kolbenseitigen und den zylinderseitigen Scheibenelementen verändert werden kann. Damit läßt sich eine viskositätsabhängige Bremswirkung einstellen. In diesem Zusammenhang zeigt die DE 197 54 167 A1 auch die Möglichkeit, durch entsprechende Sensorik Kollisionen mit Hindernissen beim Öffnen von Autotüren zu vermeiden.

Die DE 42 24 132 A1 sowie die DE 195 14 610 A1 und die ältere Anmeldung DE 199 10 782.3, nachveröffentlicht in der DE 199 10 782 A1, zeigen nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Bremssysteme mit elektro- bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten. Durch den Verdränger werden zwei Kammern voneinander abgeteilt, die ihr Volumen bei Bewegungen des Verdrängers gegenläufig zueinander verändern und miteinander über eine Überströmleitung kommunizieren, d. h. die aus der einen Kammer verdrängte Flüssigkeit wird von der anderen Kammer aufgenommen. Durch Steuerung eines Elektro- oder Magnetfeldes an der Überströmleitung kann dann die Flüssigkeit in der Überströmleitung bezüglich ihrer Viskosität gesteuert werden, so daß die Überströmleitung im Ergebnis wie eine steuerbare Drossel wirkt. Bei diesen Systemen können in der ihr Volumen jeweils verkleinernden Kammer außerordentlich hohe hydraulische Drücke auftreten, die hochbelastbare Dichtungen erforderlich machen. Gleichwohl muß mit Leckagen gerechnet werden.

Die DE 299 13 326 U1 bezieht sich auf eine Ventilanordnung, bei der eine verformbare Membran in Schließstellung der Ventilanordnung an einem Dichtsitz anliegt und in Offenstellung der Ventilanordnung von dem Dichtsitz beabstandet ist. Die Membran schließt auf ihrer vom Dichtsitz abgewandten Seite ein mit magnetorheologischer Flüssigkeit gefülltes Volumen ab. Durch selektive Einwirkung eines Magnetfeldes auf diese Flüssigkeit kann die Membran ausgelenkt und damit die Ventilanordnung gesteuert werden.

Die US 5 867 866 A bezieht sich auf einen nach dem Verdrängerprinzip arbeitenden hydraulischen Dämpfer an Türen. Hinweise auf elektro- oder magnetorheologische Medien werden nicht gegeben.

Aus der DE 41 19 579 A1 sind ganz allgemein Türbremsen bekannt, die durch Sensorik gesteuert werden, um Kollisionen mit stehenden oder beweglichen Hindernissen beim Auf- oder Zuschwenken der Tür zu vermeiden.

Der DE 40 25 510 A1 ist schließlich ein steuerbarer Türfeststeller zum stufenlosen und sicheren Festlegen der Tür eines Kraftfahrzeuges in jeder beliebigen Öffnungslage zu entnehmen. Hier ist einem als starre Türhaltestange ausgebildeten Türhalteglied als Halteeinrichtung eine einschaltbare, durch einen elektrischen Linearmotor steuerbare Feststellvorrichtung zugeordnet, wobei die Türhaltestange entweder durch ein Magnetfeld gehalten oder einen Bremskörper gebremst wird, welcher gegen die Stange gedrückt wird. Eine solche Bremsvorrichtung ist relativ aufwendig und arbeitet mit relativ langer Reaktionszeit.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein steuerbares Bremssystem zur Hemmung von Schwenk- bzw. Drehbewegungen, insbesondere einer Autotür, mit einfachem konstruktiven Aufbau und hoher Belastbarkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem System der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß zwischen der Innenoberfläche des Zylinders und der Außenoberfläche des drehbaren Kolbens außerhalb seines Lagerbereichs ein zylinderartiger ringförmiger Spalt, in dem sich die magnetorheologische Flüssigkeit befindet, vorgesehen ist.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwischen dem Zylinder und dem Drehkolben des Bremsaggregates des Bremssystems im wesentlichen nur einen zylindrischen Ringspalt für die magnetorheologische Flüssigkeit vorzusehen. Dadurch wird einerseits der Vorteil geboten, daß sich das Bremsaggregat leicht montieren läßt, weil im wesentlichen nur Kolben und Zylinder axial ineinander gesteckt werden müssen. Andererseits kann eine hohe Bremswirkung erzielt werden, weil die radiale Spaltbreite ohne nennenswerten konstruktiven Aufwand eng bemessen sein kann, so daß durch die magnetische Veränderung der Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit innerhalb des Spaltes sehr hohe maximale Bremskräfte sowie innerhalb eines großen Bandbreite veränderliche Bremskräfte erzeugbar sind, wobei praktisch keinerlei nennenswerte hydraulische Drücke auftreten können.

Hinsichtlich bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform näher beschrieben wird.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Scharniersystems, in welches ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bremssystems integriert ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Scharniersystem, in welches ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bremssystems integriert ist,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bremssystems und

Fig. 4 einen weiteren Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein Scharniersystem 10 für die dreh- und bremsbare Befestigung einer Klappe 20 an einer Struktur 30 dargestellt. Die Klappe 20 ist um eine Drehachse 40 drehbar gela gert (angedeutet durch Pfeile P1 und P2).

Das Scharniersystem 10 weist miteinander gekoppelte Sensormittel 50, Steuermittel 60 und Bremsmittel 70 auf. Die Kopplung ist durch eine erste und eine zweite Kopplungslei tung 80 bzw. 90 angedeutet.

Die Sensormittel 50 können als Näherungsschalter mit Licht-, Ultraschall- und/oder Ra darreflektormitteln ausgebildet sein. Sie sind im dargestellten Beispiel - von der Struktur 30 aus gesehen - an der Außenseite der Klappe 20 an deren von der Drehachse 40 abge wandtem Ende angeordnet. Durch eine entsprechende Anordnung können beispielsweise beim Öffnen einer Autotür Hindernisse 120 wie parkende Autos oder Pfosten erkannt wer den, bevor die Tür dagegenstößt. Zusätzlich oder stattdessen können solche Sensormittel auch am rückwärtigen Ende 55 der Klappe 20 angeordnet sein (nicht dargestellt). Hier durch können im Beispiel der Autotür etwa von hinten heranbewegte Radfahrer vor einer möglichen Kollision erkannt werden.

Zusätzlich oder alternativ zu den Sensormitteln 50 können in einem (oder mehreren) Griff(en) 100 der Klappe 20 weitere Sensormittel integriert sein (nicht dargestellt). Auf diese Weise kann detektiert werden, ob ein Benutzer die Klappe 20 bewegen möchte oder nicht. Durch eine gestrichelt dargestellte Kopplungsleitung 110 ist angedeutet, daß in die sem Fall auch diese Sensormittel mit den Steuermitteln 60 und von dort aus über die zwei te Kopplungsleitung 90 mit den Bremsmitteln 70 gekoppelt sind.

Schließlich ist es zusätzlich oder alternativ noch möglich, Sensormittel zwischen der Struk tur 30 und der Klappe 20 anzubringen (nicht dargestellt). Diese Sensormittel können etwa als mechanischer Schalter ausgebildet sein. Hierdurch kann das Schließen der Klappe 20 zuvor detektiert werden.

Die Steuermittel 60 sind beispielsweise als (ein oder mehrere) programmierte(r) Mikro computer oder als entsprechende Festverdrahtung ausgebildet. Sie empfangen Signale der Sensormittel 50 oder der weiteren oder alternativen Sensormittel über die Kopp lungsleitungen 80 (und/oder 110 oder weitere, nicht dargestellte Kopplungsleitungen) und senden Steuerungssignale an die Bremsmittel 70 über die zweite Kopplungsleitung 90. Eine geeignete Logik sieht beispielsweise vor:

- die Bremsmittel 70 über Steuerungssignale zu aktivieren, wenn die Sensormittel 50 ein nahegelegenes Hindernis 120 oder die Sensormittel im Griff 100 ein Loslassen oder die Sensormittel am rückwärtigen Ende der Klappe 55 ein Hindernis 120 oder die Sensormittel zwischen der Struktur 30 und der Klappe 20 ein bevorstehendes Schließen der Klappe 20 signalisieren;
- die Bremsmittel 70 zu deaktivieren, solange kein Hindernis 120 oder Schließen der Klap pe 20 detektiert oder der Griff 20 betätigt wird;
- Konfliktregeln, wenn beispielsweise die Detektormittel am Griff 20 eine Betätigung der Klappe 20 und zugleich die Detektormittel 50 oder andere Detektormittel ein Hindernis oder ein Schließen der Klappe 20 signalisieren: in diesem Fall werden die Signale bzgl. des oder der Hindernisse 120 oder des Schließens der Klappe 20 vorrangig behandelt, d. h. trotz der zusätzlichen Signale am Griff 100 werden die Bremsmittel 70 aktiviert;
- zu berücksichtigen, ob die Klappe 20 geöffnet oder geschlossen wird und beispielsweise im Falle von Hindernissen 120 nur ein weiteres Öffnen, nicht aber ein Schließen der Klap pe 20 über die Bremsmittel 70 zu verhindern; und/oder
- unmittelbar vor dem Schließen der Klappe 20 unabhängig von den Signalen vom Griff 100 die Bremsmittel so zu betätigen, daß ein zu heftiges Schließen der Klappe 20 verhindert bzw. abgemildert wird.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem weiteren Scharniersystem 10', für die um eine Achse 40' dreh- und bremsbare Befestigung einer Klappe 20' an einer Struktur 30'. Dabei sind Bremsmittel 70' an der Struktur 30' angeordnet. Die Klappe 20' und die Bremsmittel 70' sind über eine Zahnübersetzung 130 miteinander gekoppelt. Zu diesem Zweck weist die Klappe 20' im Bereich der Drehachse 40' einen ausgezahnten Bereich 140 auf, welcher in ein Zahnrad 150 greift. Das Zahnrad 150 sitzt auf einem Drehkolben (nicht dargestellt), welcher an der Struktur 30' gelagert ist und auf welchen die Bremsmittel 70' einwirken. Ohne Einschränkung der Erfindung ist es aber auch möglich, die Bremsmittel 70' in die Klappe 20' zu integrieren.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bremssystems 70', welches etwa im Scharniersystem 10' aus Fig. 2 zur Verwendung kommt.

Das Zahnrad 150 ist hier in einer Seitenansicht dargestellt. Es sitzt auf einem nach außen im wesentlichen zylindrischen Drehkolben 160, welcher in einem hohlzylinderförmigen Gehäuse 170 zu diesem koaxial angeordnet und über zwei Lagerbereiche 180 und 190 drehbar gelagert ist. Infolgedessen ist es möglich, den Drehkolben 160 um eine Drehach se 200 zu drehen (angedeutet durch Pfeile P3 und P4). Zumal das hohlzylinderförmige Ge häuse 170 dabei nicht mitgedreht wird, resultiert hieraus eine Relativbewegung zwischen dem Drehkolben 160 und dem hohlzylinderförmigen Gehäuse 170.

Zwischen der Innenoberfläche 210 des hohlzylinderförmigen Gehäuses 170 und der Au ßenoberfläche 220 des Drehkolbens 160 ist außerhalb der Lagerbereiche 180 und 190 ein Spalt 230 vorgesehen. In diesem Spalt 230 befindet sich eine magnetorheologische Flüs sigkeit 240. Hierunter versteht man eine Flüssigkeit, die ohne Magnetfeld eine geringe Zähigkeit aufweist, in einem Magnetfeld aber zäh bzw. fest wird. Dabei ordnen sich magne tische Dipole längs der Magnetfeldlinien an. Magnetorheologische Flüssigkeiten und ihr Verhalten werden im einzelnen beispielsweise von D. Lampe et. al., MRF - Clutch-Design Considerations and Performance, und von J. D. Carlson, Low-Cost MR Fluid Devices, beide in: Conference Proceedings, Actuator 1998, Bremen, Juni 1998, beschrieben.

Die magnetorheologische Flüssigkeit 240 füllt entweder als solche den Spalt 230 oder ist in einer Matrix, d. h. in einem Vliesstoff oder Schwamm etc. gebunden. Die Spaltbreite liegt vorzugsweise in dem Größenordnungsbereich von 1 mm.

In dem Drehkolben 160 sind eine erste und eine zweite elektromagnetische Spule 250 und 260 integriert. Die Spulen 250 und 260 sind koaxial um den Drehkolben 160 gewickelt. Sie werden über nicht dargestellte Kontakte mit Strom versorgt.

Solange die Magnetspulen 250 und 260 ausgeschaltet sind, ist der Drehkolben 160 frei drehbar. Sobald die Spulen 250 und 260 eingeschaltet werden, entsteht das in Fig. 4 nä her dargestellte Magnetfeld. Hierdurch verfestigt sich die magnetorheologische Flüssigkeit 240 im Spalt 230 und hemmt bzw. verhindert Drehungen des Drehkolbens 160. Dabei kann durch die Einstellung der Stromstärke und damit des Magnetfeldes der Betrag des Bremsmomentes gesteuert werden.

Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, verlaufen die Feldlinien zunächst im Inneren der Spulen 250 und 260 parallel bzw. antiparallel zur Drehachse 200 des Drehkolbens 160. Vor der ersten Spule 250, zwischen beiden Spulen 250 und 260 und hinter der zweiten Spule 260 weist der Drehkolben 160 erste, zweite und dritte Umleitelemente 270, 280 und 290 auf. Die Umleitelemente 270, 280 und 290 umgeben den Drehkolben 160 ringförmig und koaxial. Sie verjüngen sich in Richtung des Zentrums des Drehkolbens 160 und weiten sich somit vom Zentrum weg auf. Ihre Außenoberfläche formt die relevante Außenoberfläche 220 des Drehkolbens 160 in diesem Bereich. Der Zweck der Umleitelemente 270, 280 und 290 besteht darin, das zunächst zur Drehachse 200 des Drehkolbens 160 parallele bzw. anti parallele Magnetfeld zur Innenoberfläche 210 des hohlzylinderförmigen Gehäuses 170 hin- bzw. von dort wieder zurück in das Innere der Spulen 250 und 260 zu leiten und zugleich über die gesamte relevante Außenoberfläche 220 des Drehkolbens 160 möglichst gleich mäßig zu verteilen. Zudem durchsetzt das Magnetfeld die relevante Außenoberfläche 220 des Drehkolbens 160 sowie die Innenoberfläche 210 des hohlzylinderförmigen Gehäuses 170, und damit den Spalt 230 im wesentlichen senkrecht. Auf diese Weise wird die Bremswirkung durch die magnetorheologische Flüssigkeit 240 im Spalt 230 optimiert. Die Umleitelemente 270, 280 und 290 bestehen wie auch der Rest des Drehkolbens aus ei nem weichmagnetischem Material.

Zusätzlich können permanentmagnetische Elemente 251 und 261 in den Magnetkreis integriert werden, indem sie etwa - wie in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet - im Inneren der Spulen 250 bzw. 260 angeordnet werden. Hierdurch kann ein Bremsmoment voreingestellt werden, welches elektrisch gemindert oder vergrößert werden kann. Erster Effekt tritt ein, wenn man durch die Spulen eine antiparalleles Magnetfeld erzeugt; letzterer Effekt, wenn man ein paralleles Feld erzeugt.

Die Voreinstellung eines Magnetfeldes und damit einer Bremswirkung hat den Vorteil, daß etwa beim langen Offenhalten einer Tür Strom gespart werden kann. Denkbar ist es auch, die Steuerung des elektrischen Stromes mit Bewegungs- und/oder Kraftsensoren (nicht dargestellt) zu koppeln. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, eine Tür zunächst in einer beliebigen Position geöffnet zu halten. Sofern hierfür das Permanentmagnetfeld nicht ausreicht und sich infolgedessen die Tür langsam in Bewegung setzt, könnte ein verstärkendes Magnetfeld zugeschaltet werden. Umgekehrt könnte es zweckmäßig sein, ein Schließen der Tür auch ohne Betätigen des Türgriffs zu ermöglichen, indem eine plötzliche Krafteinwirkung als Signal interpretiert wird, durch ein antiparalleles Zusatzfeld das Permanentmagnetfeld und damit die Bremswirkung auszuschalten.

Im Ergebnis können also im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 zwei relativ zueinander bewegbare Bauteile, nämlich der Drehkolben 160 und das hohlzylinderförmige Gehäuse 170, durch eine Flüssigkeit, nämlich die magnetorheologische Flüssigkeit 240 in Ihrer Re lativbewegung gehemmt werden. Das Bremssystem wird dabei über die Steuermittel 60 gesteuert, indem die elektromagnetischen Spulen 250 und 260 je nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden. Genauer gesagt werden, wann immer die Auswertung der Sensor signale eine Bremssituation ergibt, die Spulen 250 und 260 über die Steuermittel 60 ein geschaltet.

Anstelle der beiden Spulen 250 und 260 reicht es ferner grundsätzlich aus, nur eine Spule zu verwenden. Umgekehrt ist auch eine höhere Anzahl von Spulen möglich. Letztlich kommt es stets nur darauf an, einen für die konkrete Anwendung geeigneten Feldverlauf zu erzeugen. Bei längeren Drehkolben 160 sind hier regelmäßig mehrere Spulen vorteil haft, zwischen, vor und hinter welchen jeweils Umleitelemente 270, 280 und 290 ange ordnet sind, um eine gleichmäßige Feldverteilung zu gewährleisten. Bei kürzeren Drehkol ben 160 reicht eher schon eine Spule aus.

Claims

1. Steuerbares Bremssystem zur Hemmung von Schwenk- bzw. Drehbewegungen, insbesondere einer Autotür (20, 20'), mit
elektrischer Steuerschaltung (60),
daran eingangsseitig angeschlossener Sensorik (50, 100) für die Schwenk- bzw. Drehbewegungen störende Hindernisse und
von der Steuerschaltung in Abhängigkeit von Signalen der Sensorik gesteuertem Bremsaggregat (70, 70') mit einem eine magnetorheologische Flüssigkeit (240) aufnehmenden Zylinder (170) sowie darin drehbar angeordnetem Kolben (160) sowie Mitteln (250, 260) zur Erzeugung eines von der Steuerschaltung steuerbaren, die magnetorheologische Flüssigkeit durchsetzenden Magnetfeldes zwischen Kolben (160) und Zylinder,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Innenoberfläche (210) des Zylinders (170) und der Außenoberfläche (220) des drehbaren Kolbens (160) außerhalb seiner Lagerbereiche (180, 190) ein zylinderartiger ringförmiger Spalt (230), in dem sich die magnetorheologische Flüssigkeit (240) befindet, vorgesehen ist.

2. Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem drehbaren Kolben (160) zumindest eine elektromagnetische, koaxial um den Kolben (160) gewickelte Spule (250, 260) integriert und axial vor und hinter der Spule bzw. den Spulen Umleitelemente (270, 280, 290) angeordnet sind, die den Kolben (160) ringförmig, koaxial umgeben, sich vom Zentrum weg in Achsrichtung des Kolbens (160) aufweiten und mit ihren Außenoberflächen (220) vom Innenumfang (210) des Zylinders (170) durch den Spalt (230) mit der magnetorheologischen Flüssigkeit (240) beabstandet sind, so daß die von der Spule bzw. den Spulen erzeugten und an der Spule bzw. den Spulen zunächst zur Achse des Kolbens (160) parallelen bzw. antiparallelen Magnetfelder zur Innenoberfläche des Zylinders hin und von dort wieder zurück in das Innere der Spule bzw. Spulen geleitet und zugleich über die gesamte Außenoberfläche des Kolbens (160) weitestgehend gleichmäßig verteilt werden, wobei das Magnetfeld den Spalt im wesentlichen senkrecht durchsetzt.

3. Bremssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spulen (250, 260) mit zueinander antiparallelen Magnetfeldern angeordnet sind.

4. Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetorheologische Flüssigkeit (240) im Spalt (230) in einer Matrix, d. h. in einem Vliesstoff oder Schwamm gebunden ist.

5. Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Magnetkreis der Spule bzw. Spulen (250, 260) permanentmagnetische Elemente (251, 261) integriert sind.

6. Bremssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Spule bzw. den Spulen (250, 260) ein zu den Magnetfeldern der Permanentmagnete (251, 261) entgegengesetztes oder gleichgerichtetes Magnetfeld erzeugbar ist.