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Die
Erfindung betrifft eine aktive Stabilisatoreinheit für
das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine erste Stabilisatorhälfte
und eine zweite zu der ersten im Wesentlichen koaxial angeordnete Stabilisatorhälfte,
wobei die Stabilisatorhälften über ein Getriebe
miteinander gekoppelt sind, wobei das Getriebe eine von einer Antriebseinheit
antreibbare Kopplungseinheit zur Erzeugung einer Verdrehbewegung
zwischen den beiden Stabilisatorhälften zum Zwecke des
Ausgleichs von Fahrzeugwankbewegungen umfasst.
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Stabilisatoren
sind seit Jahrzehnten fester Bestandteil des Fahrwerks von Kraftfahrzeugen.
Sie dienen dazu, beim Einfedern eines Rades das andere Rad derselben
Achse ebenfalls anzuheben, um bei Kurvenfahrten dem übermäßigen
Wanken der Karosserie entgegenzuwirken. Unter der Bezeichnung „dynamic
drive®" kommen seit einigen Jahren aktive
Stabilisatoren zum Einsatz, bei denen ein Schwenkmotor zwischen
den Stabilisatorhälften der mittig geteilten Stabilisatorstange
angeordnet ist und bei einer sensorinduzierten Ansteuerung von außen die
gelenkig mit der Radaufhängung verbundenen Stabilisatorhälften
derart gegeneinander verdreht, dass die dabei entstehenden Torsionsmomente
der Wankbewegung des Kraftfahrzeuges besonders effektiv entgegenwirken.
Ist diese Technik an Vorder- und Hinterachse realisiert, kann das
Wanken des Fahrzeuges in Kurven fast vollständig unterdrückt und
das Eigenlenkverhalten entsprechend der Fahrsituation weiter verbessert
werden.
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Aufgrund
der geforderten hohen Momente eignen sich insbesondere hydraulische
Antriebe als Schwenkmotoren, da die Erzeugung hoher Momente bei
gleichzeitig geringer Baugröße mittels hydraulischer
Antriebe technisch problemlos realisierbar ist. Ein derartiger hydraulischer
Verdrehaktuator ist aus der
DE 195 33 864 C1 bekannt. Die mit dem Einsatz eines
hydraulischen Antriebs stets verbundenen Nachteile, nämlich
die Bereitstellung einer Hydraulikpumpe und eines Leitungssystems
unterhalb des Fahrzeugs, was seinerseits mit den bekannten Schwierigkeiten
hinsichtlich Dichtigkeit und Recyclingfähigkeit verbunden
ist, haben in jüngster Zeit zur Entwicklung elektrisch
betriebener Verdrehaktuatoren geführt. Elektromotoren weisen
gegenüber Hydraulikmotoren den Nachteil eines vergleichsweise niedrigen
Drehmomentes auf, was durch den Einsatz stark untersetzender Getriebe
kompensiert werden muss. Die besondere Schwierigkeit besteht daher darin,
stark untersetzende Getriebe bereitzustellen, welche mit dem unter
dem Fahrzeug begrenzt verfügbaren Bauraum auskommen und
dabei eine hohe Funktionssicherheit bieten.
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Ein
solcher auf einem elektrischen Antrieb basierender Verdrehaktuator
für einen geteilten Stabilisator, welcher im Bezug auf
die vorgenannten Kriterien eine Verbesserung darstellt, ist aus
der
DE 102 39 657
B3 bekannt. Bei diesem ist der Elektromotor als Ringmotor
mit außen liegendem Stator und innen liegendem Rotor ausgebildet.
Das untersetzende Getriebe seinerseits ist als Umlaufgetriebe ausgebildet.
Bei diesem wird die Drehbewegung des Rotors über ein Rollen-Gewinde-Getriebe
in eine axiale translatorische Bewegung eines rotatorisch nahezu feststehenden
Teils umgewandelt, welches als Kopplungseinheit im Zentrum zweier
Kugelrollspindeln mit gegenläufiger Profilierung steht.
Eine Verschiebung des feststehenden Teils bewirkt somit eine gegenläufige
Drehbewegung des mit der einen Stabilisatorhälfte verbundenen
Gehäusemantels einerseits und einer mit der anderen Stabilisatorhälfte
verbundenen Buchse andererseits.
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Der
vorstehend beschriebene Verdrehaktuator zeichnet sich durch eine
kompakte Bauform und die Möglichkeit der Erzeugung großer
Verstellkräfte auf. Nachteilig ist gleichwohl seine relativ
komplizierte Konstruktion, die eine große Zahl sehr präzise
zu fertigender Einzelteile erfordert.
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Alternativ
zu dem bei dem vorstehend beschriebenen Verdrehaktuator eingesetzten
Umlaufgetriebe existieren weitere Lösungen, bei denen andere
Getriebearten, beispielsweise Planetengetriebe, Kugelgewindetrieb
oder Gleitkeilgetriebe (harmonic drive), zum Einsatz kommen. Auch
diese Getriebe weisen eine hohe Komplexität auf und erfordern den
Einsatz einer großen Zahl präzise gefertigter
Einzelteile, was stets mit hohen Kosten verbunden ist.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine aktive
Stabilisatoreinheit für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges
zu schaffen, welche konstruktiv einfach aufgebaut und somit vergleichsweise
kostengünstig herzustellen ist und gleichzeitig eine wirksame
und funktionssichere Verstellmöglichkeit zur Wankstabilisierung
bietet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer aktiven
Stabilisatoreinheit gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass das Getriebe als
Taumelgetriebe ausgeführt ist, wobei die Kopplungseinheit
eine Taumeleinheit ist.
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Bei
dem in der aktiven Stabilisatoreinheit erfindungsgemäß vorgesehenen
Taumelgetriebe wird eine Taumeleinheit durch die Antriebseinheit
zu einer Taumelbewegung gezwungen, wobei die bewegte Taumeleinheit
die beiden Stabilisatorhälften derart miteinander koppelt,
dass eine relative Verdrehbewegung zwischen den Stabilisatorhälften
erzeugt wird. Unter einer relativen Verdrehbewegung ist erfindungsgemäß auch
eine gleichsinnige rotatorische Bewegung der Stabilisatorhälften
zu verstehen, wobei sich infolge unterschiedlicher Rotationsgeschwindigkeiten
ein Winkelversatz zwischen den Stabilisatorhälften ausbildet.
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Das
erfindungsgemäß eingesetzte Taumelgetriebe bietet
den Vorteil einer starken Untersetzung der Drehbewegung einer schnell
drehenden Antriebseinheit, beispielsweise eines Elektromotors, so dass
auch durch einen solchen Antrieb das erforderliche Drehmoment zur
Erzeugung einer relativen Verdrehbewegung zwischen den beiden Stabilisatorhälften
bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus zeichnen sich
Taumelgetriebe im Unterschied zu anderen stark untersetzenden Getrieben,
wie beispielsweise Planetengetrieben, durch einen einfachen Aufbau
mit einer vergleichsweise geringen Zahl bewegter, mit üblichen
Toleranzen zu fertigender Komponenten bei gleichzeitig hoher Betriebssicherheit
aus.
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Taumelgetriebe
sind aus der Technik bekannt und sind beispielsweise in der Fahrzeugtechnik
als Überlagerungsgetriebe in Lenksystemen vorgeschlagen
worden (
DE 10
2004 052 562 B3 ), bei denen der durch die Drehung des Lenkrads
bewirkte Einschlag der Räder im Bezug auf die Verdrehung des
Lenkrads variabel einstellbar und an die jeweilige Fahrsituation
(Fahrt mit hoher Geschwindigkeit oder Einparkmanöver) angepasst
werden soll.
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Nach
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die
Antriebseinheit einen Rotor und einen Stator und das Taumelgetriebe
eine Tragstruktur, eine erste Zahnscheibe und eine mit der ersten
Zahnscheibe über die Taumeleinheit gekoppelte zweite Zahnscheibe,
wobei die erste Zahnscheibe mit dem getriebeseitigen Ende der ersten Stabilisatorhälfte
und zumindest mit Teilen der Tragstruktur drehfest verbunden ist,
wobei die zweite Zahnscheibe mit dem getriebeseitigen Ende der zweiten
Stabilisatorhälfte verbunden ist, wobei der Rotor der Antriebseinheit
mit der Taumeleinheit zur Erzeugung einer Taumelbewegung, durch
welche die Zahnscheiben miteinander gekoppelt werden, gekoppelt
ist. Hierbei weisen die beiden Zahnscheiben eine unterschiedliche
Zähnezahl auf, so dass nach einer Umdrehung der Taumeleinheit
die beiden Zahnscheiben um einen Winkel, der durch das Verhältnis
der Zähnezahlen der beiden Zahnscheiben bestimmt wird,
relativ zueinander verdreht sind. Die relative Verdrehung der Stabilisatorhälften
erfolgt also immer dann, wenn die Antriebseinheit, beispielsweise
ein Elektromotor, in an sich bekannter Weise von einem Steuergerät
des Fahrzeugs aktiviert wird. Dies erfolgt z. B. dann, wenn eine
entsprechend im Fahrzeug vorgesehene Sensorik ein unterschiedlich starkes
Einfedern der Räder einer Achse, beispielsweise in einer
Kurvenfahrt, registriert. Federn die Räder einer Achse
dagegen gleichmäßig ein, beispielsweise beim Überfahren
einer quer verlaufenden Bodenwelle, so wird die Antriebseinheit
nicht aktiviert, da ein gleichmäßiges Einfedern
der Räder keine Wankbewegung des Fahrzeugs auslöst.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäß eingesetzten Taumelgetriebes
in der vorliegenden Ausführung liegt wiederum darin, dass
es im Vergleich zu bekannten stark untersetzenden Getriebearten,
wie Planetengetrieben oder Kugelgewindetrieben, aus wesentlich weniger
Einzelteilen besteht, wodurch in einer Serienfertigung die Kosten
durch leichtere Montage und geringere Produktkomplexität
reduziert werden können. Ferner sind die bei der Erfindung verwendeten
Taumeleinheiten sehr viel einfacher herzustellen als die Zahnräder
oder Drehmoment übertragenden Teile von Planeten- oder „Harmonic Drive"-Getrieben. Über
dies sind die Genauigkeitsanforderungen im Rahmen der Herstellung
dieser Bauteile geringer als die Genauigkeitsanforderungen für die
oben genannten Getriebe. Schließlich zeichnet sich das
Taumelgetriebe durch einen bei gleicher Drehmomentkapazität
verringerten Durchmesser aus, woraus ein geringeres Gewicht und
kleinere Gesamtabmessungen des Systems resultieren.
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Die
Erzeugung der Taumelbewegung der Taumeleinheit aus der Rotationsbewegung
des Rotors der Antriebseinheit kann dadurch erfolgen, dass der Rotor
der Antriebseinheit mit einem koaxial zum Rotor angeordneten zylindrischen
Rotorträger verbunden ist, wobei der Rotorträger
einen zu den Stabilisatorhälften parallel ausgerichteten
ersten zylindrischen Abschnitt und einen gegenüber dem
ersten Abschnitt abgewinkelten zweiten zylindrischen Abschnitt umfasst,
wobei die Taumeleinheit auf dem zweiten zylindrischen Abschnitt
gelagert ist. Die Taumeleinheit selbst kann beispielsweise als Taumelscheibe
mit einer ersten umlaufenden Verzahnung und einer der ersten Verzahnung
axial gegenüberliegenden zweiten umlaufenden Verzahnung
ausgebildet sein, wobei die erste Verzahnung mit der ersten Zahnscheibe
kämmt und die zweite Verzahnung mit der zweiten Zahnscheibe
kämmt. Alternativ kann die Taumeleinheit auch durch zwei
als drehfest miteinander verbundene Taumelkegelräder ausgebildete Zahnräder
gebildet sein, wobei das erste Taumelkegelrad in die erste Zahnscheibe
und das zweite Taumelkegelrad in die zweite Zahnscheibe eingreift.
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Kinematisch
führt die Taumeleinheit neben der durch die Antriebseinheit
unmittelbar bewirkten Taumelbewegung auch eine Eigenrotation aus,
deren Frequenz sich von der Frequenz des Rotorträgers,
auf dem die Taumelscheibe gelagert ist, unterscheidet. Um diese
Eigenrotation zuzulassen muss entsprechend ein Lager vorgesehen
sein, mittels dessen die Taumelscheibe drehbar auf dem Rotorträger
gelagert ist. Bevorzugt ist dieses als Wälzlager ausgebildet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße aktive Stabilisatoreinheit für
das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs im Längsschnitt und
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2 ein
Kraftfahrzeug mit einer aktiven Stabilisatoreinheit gemäß 1 in
stark schematisierter Frontansicht.
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Die
erfindungsgemäße aktive Stabilisatoreinheit gemäß 1 umfasst
eine erste Stabilisatorhälfte 1 und eine zweite
Stabilisatorhälfte 2, wobei die Stabilisatorhälften 1, 2 über
ein Getriebe 3 miteinander gekoppelt sind. Das Getriebe 3 ist
vorliegend als Taumelgetriebe ausgebildet und umfasst eine Taumeleinheit
in Form einer Taumelscheibe 4 sowie eine Antriebseinheit
in Form eines Elektromotors 5 zum Antrieb der Taumelscheibe 4.
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Die – nur
ansatzweise gezeichnete – erste Stabilisatorhälfte 1 ist
drehfest mit der Tragstruktur 3a des Getriebes (im Folgenden
stets als Gehäuse 3a bezeichnet) verbunden. In
dem Gehäuse 3a ist als Teil des Taumelgetriebes 3 eine
erste Zahnscheibe 8 vorgesehen, welche drehfest mit dem
Gehäuse 3a und damit ebenfalls drehfest mit der
ersten Stabilisatorhälfte 1 verbunden ist. Ferner
umfasst das Taumelgetriebe 3 eine zweite Zahnscheibe 9,
welche drehfest mit der zweiten Stabilisatorhälfte 2 verbunden
ist. Die zweite Stabilisatorhälfte 2 ihrerseits
ist über Wälzlager 10, 11 drehbar
im Gehäuse 3a des Taumelgetriebes 3 gelagert.
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Die
Antriebseinheit ist vorliegend als Elektromotor 5 ausgebildet
und umfasst einen mit dem Gehäuse 3a des Getriebes 3 fest
verbundenen Stator 5a und einen koaxial zum Stator 5a angeordneten
Rotor 5b. Mit dem Rotor 5b drehfest verbunden
und koaxial dazu angeordnet ist ein Rotorträger 5c,
welcher über ein Wälzlager 6 in dem Gehäuse 3a des
Getriebes 3 und über ein weiteres Wälzlager 12 in
der ersten Zahnscheibe 8 gelagert ist. Der Rotorträger 5c umfasst
einen ersten langgestreckten zylindrischen Abschnitt 5c' und
einen zweiten zylindrischen Abschnitt 5c*, wobei der zweite
zylindrische Abschnitt 5c* gegenüber dem ersten
zylindrischen Abschnitt 5c' um einen Winkel α abgewinkelt
ist. Die Taumelscheibe 4 ist über ein Wälzlager 7 auf
dem abgewinkelten zweiten zylindrischen Abschnitt 5c* gelagert
und vollführt somit bei Rotation des Rotorträgers 5c eine
Taumelbewegung mit einer Frequenz, die der Rotationsfrequenz des
Rotorträgers 5c entspricht.
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Die
Taumelscheibe 4 weist zwei umlaufende Verzahnungen 4a, 4b auf,
die an diametral gegenüberliegenden Seiten jeweils mit
einer entsprechenden Verzahnung der mit den Stabilisatorhälften 1, 2 verbundenen
zwei Zahnscheiben 8, 9 im Eingriff stehen. Die
Zähnezahl der beiden Verzahnungen 4a, 4b und
entsprechend die Zähnezahl der mit den Verzahnungen jeweils
kämmenden Verzahnungen der Zahnscheiben 8, 9 sind
hierbei unterschiedlich.
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Wird
im Betrieb der aktiven Stabilisatoreinheit der Rotorträger 5c durch
den Rotor 5b des Elektromotors 5 in Rotation versetzt,
führt der abgewinkelte Abschnitt 5c* des Rotorträgers 5c eine
Taumelbewegung mit der Rotationsfrequenz des Rotorträgers 5c aus,
die auf die Taumelscheibe 4 übertragen wird, so
dass der jeweilige Zahneingriff zwischen den Verzahnungen 4a, 4b der
Taumelscheibe 4 und der ersten Zahnscheibe 8 einerseits
und der zweiten Zahnscheibe 9 andererseits mit der gleichen
Frequenz rotiert. Gleichzeitig führt die Taumelscheibe 4 eine
Taumelbewegung überlagerte Rotationsbewegung aus, was dazu
führt, dass infolge einer unterschiedlichen Zähnezahl
der Zahnscheiben 8, 9 diese relativ zueinander
verdreht werden. Dies wiederum führt dazu, dass die Stabilisatorhälften 1, 2 ebenfalls relativ
zueinander verdreht werden. Diese Verdrehung wird durch die sehr
hohen Drehmomente, die durch die starke Untersetzung der Rotationsfrequenz des
Rotors 5b des Elektromotors 5 erzeugt werden, bewirkt.
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Das
Untersetzungsgetriebe 3 gemäß 1 ist
sehr robust, einfach im Aufbau und weist vergleichsweise geringe
Toleranzanforderungen auf.
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In 2 ist
in schematisierter Frontansicht ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen
aktiven Stabilisatoreinheit dargestellt.
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An
die Räder 13 der Vorder- oder Hinterachse sind
die Stabilisatorhälften 1, 2 angebunden,
die über das Getriebe 3 miteinander gekoppelt
sind. Stellen bei einer bestimmten Fahrsituation des Fahrzeugs,
beispielsweise einer Kurvenfahrt, nun im Fahrzeug – beipielsweise
an der Radaufhängung – vorgesehene Sensoren 14 eine
drohende Wankbewegung des Fahrzeugs fest, so melden sie dies über eine
Signalleitung 14a an ein Steuergerät 15.
Dieses wiederum berechnet für den Elektromotor 5 des
Taumelgetriebes 3 einen Steuerwert (Drehrichtung und Rotationsfrequenz),
welcher an den Elektromotor 5 über eine Steuerleitung 15a geleitet
wird. Daraufhin werden der Rotor 5b des Elektromotors 5 und
mit ihm der Rotorträger 5c und die Taumelscheibe 4 in
entsprechende Bewegung versetzt. Hierdurch wird in der vorstehend
beschriebenen Weise eine relative Verdrehung der Zahnscheiben 8, 9 zueinander
bewirkt, so dass der drohenden Wankbewegung des Kraftfahrzeug durch
relatives Verdrehen der mit den Zahnscheiben 8, 9 drehfest
verbundenen Stabilisatorhälften 1, 2 entgegengewirkt
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19533864
C1 [0003]
- - DE 10239657 B3 [0004]
- - DE 102004052562 B3 [0011]