DE102008053481A1

DE102008053481A1 - Elektrischer Aktuator für geteilte Kraftfahrzeugstabilisatoren

Info

Publication number: DE102008053481A1
Application number: DE102008053481A
Authority: DE
Inventors: Timo Anderten; Marko Senzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen geteilten Kraftfahrzeugstabilisator zur Wankregelung. Dieser besitzt einen eingebauten elektromechanischen Aktuator, zum Verspannen zweier Stabilisatorteile gegeneinander, der mindestens aus einem Elektromotor, einem Getriebe, einer Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung, insbesondere einer Überlast-Rutschkupplung und aus einem Gehäuse besteht. Dabei ist das Gehäuse des Aktuators mit dem einen Stabilisatorteil und ein Abtrieb des Aktuators mit dem anderen Stabilisatorteil zur Drehmomentübertragung verbunden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung Mittel besitzt, die ein Einstellen eines variablen, maximal übertragbaren Drehmoments ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen geteilten Kraftfahrzeugstabilisator zur Wankregelung mit einem eingebauten elektrischen Aktuator nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Es ist bereits bekannt, einen Kraftfahrzeugstabilisator in eine erste, der Aufhängung des linken Rades einer Fahrzeugachse zugeordnete Stabilisatorhälfte und in eine zweite, der Aufhängung des rechten Rades dieser Fahrzeugachse zugeordnete Stabilisatorhälfte zu unterteilen. Sind diese Stabilisatorhälften um deren gemeinsame Längsachse gegeneinander verdrehbar, kann gegenüber Fahrwerken mit einstückigem Stabilisator eine deutlich gesteigerte Wankstabilität erreicht werden, wenn zwischen den beiden Stabilisatorhälften ein geeigneter Aktuator vorgesehen ist, der aufgrund einer geeigneten Ansteuerung diese Stabilisatorhälften bedarfsgerecht gegeneinander verdreht.
Ein elektromechanischer Aktuator umfasst mindestens einen Elektromotor und ein mechanisches Getriebe. Damit erhält man einen Stabilisator, dessen beide Stabilisatorhälften, die durch den elektromechanischen Aktuator miteinander verbunden sind, durch diesen gezielt zueinander verdreht werden können, damit ein gewünschtes Stabilisatormoment erzeugt wird, welches dann das Wanken des Fahrzeugaufbaus verhindert.
Die DE 198 46 275 A1 beschreibt einen geteilten Stabilisator mit eingebautem elektrischem Aktuator zur Wankregelung. Der Aktuator besteht aus Elektromotor, Übersetzungsgetriebe und Bremse. Der Stator des Elektromotors ist den Rotor umgebend im Gehäuse befestigt. Ein solcher Aktuator mit einem schnell drehenden Elektromotor benötigt ein Getriebe hoher Übersetzung, um ein hohes Stellmoment erreichen zu können. Aufgrund der erforderlichen hohen Übersetzung kommt ein Planetengetriebe oder ein Getriebe anderer Bauart mit sehr hoher Übersetzung, zum Beispiel ein Wolfromgetriebe oder ein Gleitkeilgetriebe in Frage.
Bei einem geteilten Stabilisator mit eingebautem elektrischen Aktuator werden, um ein gutes Störübertragungsverhalten zu erzielen, Fahrbahnunebenheiten permanent herausgeregelt, was aufgrund der Motorträgheit, Motorperformance und der Signalverarbeitung nur bei kleineren Frequenzen und Amplituden möglich ist. Insbesondere bei Hindernisüberfahrten treten aufgrund des PT2-Verhaltens des geteilten Kraftfahrzeugstabilisators mit elektrischem Aktuator sehr hohe Belastungen für diesen auf. Diese Belastungen können das Aktuatornennmoment weit übersteigen und führen unter anderem dazu, dass der Stabilisator sehr steif gebaut werden muss, da dünne, weiche Stabilisatoren die Anforderungen an die Betriebsfestigkeit nicht erfüllen. Eine größere Stabilisatorsteifigkeit hat wiederum zur Folge, dass die Belastungen bei Hindernisüberfahrt werter ansteigen. Um diesem zu entgehen, ist es bekannt, eine Überlastkupplung, zum Beispiel eine Rutschkupplung in den Aktuator einzubauen. Die Rutschkupplung kann die Nennmomente übertragen, rutscht aber ab einem definierten Überlastfaktor durch, so dass keine Drehmomente auftreten, die den Aktuator schädigen. Dies beschreibt die noch nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2007 032 318.4 .
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen geteilten Stabilisator mit einem elektrischen Aktuator zur Wankregelung bzw. ein Verfahren dazu für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei dem obige Nachteile vermieden werden, das heißt, der unter anderem durch geringer dimensionierbare Stabilisatorhälften bei der geforderten Lebensdauer ein geringeres Gewicht besitzt und bei dem vom Package her eine einfachere Unterbringung am Fahrzeug möglich ist. Funktional soll ein größerer Komfort für die Insassen sowohl bei Geradeausfahrt, als auch bei Kurvenfahrt spürbar sein.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten bzw. letzten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
Nach der Erfindung besitzt ein geteilter Kraftfahrzeugstabilisator zur Wankregelung einen eingebauten elektromechanischen Aktuator, zum Verspannen zweier Stabilisatorteile gegeneinander, der mindestens aus einem Elektromotor, einem Getriebe, einer Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung, insbesondere einer Überlast-Rutschkupplung und aus einem Gehäuse besteht. Dabei ist das Gehäuse des Aktuators mit dem einen Stabilisatorteil und ein Abtrieb des Aktuators mit dem anderen Stabilisatorteil zur Drehmomentübertragung verbunden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung Mittel besitzt, die ein Einstellen eines variablen, maximal übertragbaren Drehmoments ermöglichen.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, auf Störanregungen nicht mehr aktiv reagieren zu müssen. Das Abtriebsmoment muss nur mit der Dynamik des Führungsverhaltens gestellt werden, die bei grob 1 Hertz liegt, während eine Störgrößenregelung bis ca. 12 Hertz oder darüber hinaus funktionieren sollte.
Des Weiteren ist mit einer solchen Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung jetzt ein Mechanismus in den Aktuator eingebaut, der das Auftreten von den Aktuator zerstörenden Momenten verhindert und auch keine plastische Verformung erzeugt. Da die Schadensfälle am Aktuator aufgrund zu großer Beanspruchung damit verhindert werden ist es auch zusätzlich noch möglich, den Aktuator leichter und entsprechend kostengünstiger auszulegen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist zum Beispiel dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung eine durch eine Feder belastete Kupplungspaarung ist, insbesondere bestehend aus mindestens zwei zueinander verdrehbaren, aufgrund einer Anpresskraft der Feder aneinander anliegenden, eine Reibpaarung bildenden Reibscheiben, wobei durch die Mittel zum Einstellen des maximal übertragbaren Drehmoments die Vorspannung der Feder variiert werden kann.
Somit muss mit der Dynamik des Führungsverhaltens, die bei grob 1 Hertz liegt, die Vorspannung einer Feder verstellt werden, was einfach möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mittel zum Einstellen des maximal übertragbaren Drehmoments aus einem Kugelgewindetrieb, der durch einen weiteren Elektromotor angetrieben, die Vorspannung der Feder durch Verstellung deren Fußpunktes variiert. Dabei ist es weiter von Vorteil, wenn die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung mindestens eine weitere Feder umfasst, die eine Mindestanpresskraft für die Reibscheiben bereitstellt, insbesondere für den Fall eines Stromausfalls.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung geben ein Sensor zur Drehwinkelmessung des Rotors des Elektromotors und ein weiterer Sensor zur Drehwinkelmessung der getriebeseitigen Reibscheibe oder der Abtriebswelle des Aktuators, insbesondere am oder im Elektromotor beziehungsweise am oder im Getriebe angebracht, an eine Steuereinrichtung als Eingangsgröße die Lage des Rotors beziehungsweise der getriebeseitigen Reibscheibe oder der Abtriebswelle des Aktuators weiter.
Dadurch kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass die beiden Stabilisatorteile nach einer Auslösung der Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung über diese nur in einer einzigen Position, der Festlegeposition, wieder zueinander festgelegt werden und dass die Festlegeposition der Grundstellung der beiden Stabilisatorteile entspricht, in der diese bei Geradeausfahrt nicht gegeneinander vorgespannt sind. Alternativ dazu ist auch denkbar, eine Neukalibrierung des motorseitigen Sensors zur Drehwinkelmessung vorzunehmen.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Wankregelung an einer Vorder- und/oder Hinterachse eines Kraftfahrzeugs, mit einem geteilten Stabilisator, bei dem ein elektromechanischer Aktuator Wankbewegungen des Fahrzeugaufbaus gegenüber dem Fahrwerk durch Verspannen der beiden Stabilisatorteile gegeneinander in beide Drehrichtungen des elektromechanischen Aktuators so ausgleicht, dass der Fahrzeugaufbau möglichst parallel einer Horizontalebene gehalten wird, wobei beim Auftreten eines durch den Aktuator zu übertragenden Grenzdrehmoments, bestimmter Größe oder darüber, eine Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung bewirkt, dass im Aktuator kein größeres Drehmoment übertragen wird als das Grenzdrehmoment, ist dadurch gekennzeichnet, dass über die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung ein Einstellen eines variablen, maximal übertragbaren Grenzdrehmoments möglich ist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:
1: in einer schematischen Schnittdarstellung, einen Stabilisator für ein Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik, mit elektrischem Aktuator zum Verdrehen zweier Stabilisatorhälften gegeneinander und einer Reibungskupplung im Pfad der Kraftübertragung und
2: einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Reibungskupplung zum Einbau in einen Aktuator zum Beispiel nach 1.
Ein in einen geteilten Kraftfahrzeugstabilisator 5, 5' eingebauter elektrischer Aktuator 1 nach dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt, umfassend einen Elektromotor als Verstellantrieb 2 und ein mechanisches Aktuatorgetriebe 3. Die gewählte Getriebeübersetzung des Aktuatorgetriebes 3 ist konstant oder variabel. Die Dynamik des Gesamtsystems ist dabei maßgeblich durch die Getriebeübersetzung, die Massenträgheit des Systems und die Torsionssteifigkeit der beiden Stabilisatorhälften 5, 5' gekennzeichnet.
Am Gehäuse 4 ist die eine Stabilisatorhälfte 5 und an einem nicht näher gezeichneten Getriebeabtriebselement die andere Stabilisatorhälfte 5' befestigt. Die Stabilisatorhälften 5, 5' sind im Bereich der Befestigung am Aktuator 1 koaxial zu diesem angeordnet. Zur Wankregelung wird der Elektromotor bestromt, der dann sein Drehmoment an das Aktuatorgetriebe 3, ein Planetengetriebe abgibt.
Eine Rutschkupplung 7 ist im Pfad der Kraftübertragung zwischen Verstellantrieb 2 und Aktuatorgetriebe 3 eingebaut. Bei Wankregelung mit hier gewöhnlich auftretenden Kräften ist diese Rutschkupplung geschlossen und übertragt alle Drehmomente eins zu eins. Bei hochfrequenten Stößen allerdings, die durch die Trägheit des Verstellantriebs 2 abgestützt werden und bei denen hohe Drehmomente auftreten, rutscht die Kupplung 7 ab einem bestimmten Grenzmoment durch, so dass sich kein höheres Drehmoment mehr an der Motorträgheit abstützen kann. Dadurch tritt im Aktuatorgetriebe 3 und an allen weiteren Kraft- oder Drehmoment übertragenden Teilen keine höhere Belastung mehr auf als das Grenzmoment.
Die Rutschkupplung 7, als Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung, ist elektromotorseitig über die Motorwelle und aktuatorgetriebeseitig über die Getriebeeingangswelle des Aktuatorgetriebes 3 im Aktuator 1 eingebunden.
2 zeigt die erfindungsgemäße Weiterbildung der Rutschkupplung aus 1 zu einer aktiven Stelleinheit. Diese Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung besteht als Überlastkupplung aus einem durch eine Feder 12 vorgespannten Druckstück 10, das bei einer Überlast in Abhängigkeit von der Federkraft durchrutscht. Das Druckstück 10 überträgt das vom Elektromotor 15 erzeugte Drehmoment M_Ab auf ein nicht gezeichnetes, antriebsseitig mit dem Druckstück 10 verbundenes Aktuatorgetriebe. Das noch übertragbare Grenzdrehmoment ist abhängig von der Vorspannkraft, mit der die Feder 12 die beiden Reibscheiben des Druckstücks 10 beaufschlagt. So kann das Durchrutschen der beiden Reibscheiben des Druckstücks 10 gezielt gesteuert werden, indem der Fußpunkt der Feder 12 verschoben wird.
Diese, die Vorspannung der Feder 12 verändernde Federfußpunktverstellung wird durch einen Kugelgewindetrieb erreicht. Der besitzt idealerweise eine Gewindespindel 16 mit sehr geringer Steigung, damit er möglichst ohne weiteres Getriebe von einem kleinen Elektromotor 14 angetrieben werden kann. Eine Fail-Safe-Feder 13 sorgt dafür, dass bei einem Fehler, zum Beispiel bei einem Spannungsabfall, eine gewisse Vorspannung der Reibscheiben des Druckstücks 10 erreicht wird, um so ein bestimmtes minimales Übertragungsmoment des Druckstücks 10 sicher zu stellen.
Neben einem Motorlagesensor im großen, momentenstellenden Elektromotor 15 wird aufgrund der Rutschkupplung ein zusätzlicher Sensor zwischen Rutschkupplungsabtrieb und Aktuatorgetriebeausgang benötigt, um beim Durchrutschen die Absolutposition zu ermitteln. Die Vorspannkraft der Feder 12 kann mittels Federsteifigkeit und Lagesensor der Kugelmutter am Fußpunkt der Feder oder mittels Spindelübersetzung und Motorlagesensor des kleinen Elektromotors 14 in einem Steuergerät berechnet werden.
Die Steuerungslogik arbeitet dann wie folgt:
Zur Übertragung des angeforderten Aktuatormoments wird das Druckstück 10 der Rutschkupplung durch Federfullpunktverstellung mittels des kleinen Elektromotors 14 vorgespannt. Wird durch eine Störanregung das so eingestellte Maximalmoment überschritten, rutscht die Rutschkupplung durch, was eine Momentenüberhöhung verhindert, somit die mechanischen Belastungen senkt und gleichzeitig den Komfort erhöht. Sollte durch die Sensorik bzw. das Steuergerät ein zu frühzeitiges Durchrutschen der Rutschkupplung registriert werden, kann dies im Steuergerät hinterlegt und im Folgenden die Vorspannkraft der Feder 12 entsprechend erhöht werden.
Mechanisch ist durch geringer zu dimensionierende Stabilisatorhälften ein Vorteil beim Gewicht, beim Package und bei der Lebensdauer zu erwarten. Funktional ist ein höherer Komfort bei Geradeausfahrt als auch bei Kurvenfahrt erzielbar.
Im Falle des zusätzlichen Einbaus einer Bremse oder einer Blockiereinrichtung sollte die Rutschkupplung abtriebsseitig hinter diesen Elementen positioniert sein. Dies würde bewirken, dass beim Einsatz der Bremse oder der Blockiereinrichtung der Schutz vor Überlastung des Aktuatorgetriebes erhalten bliebe.
Letztendlich ist auch eine mögliche Nulllageverschiebung bei der Positionserfassung des Aktuators zu betrachten, wenn die Rutschkupplung durchrutscht. Die Nulllageveschiebung soll dann entsprechend detektiert und die Stabilisatorhälften 5, 5' danach zueinander neu kalibriert werden, wenn die absolute Schwenklage bei der Aktuatorregelung wichtig ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19846275 A1 [0004]
- DE 102007032318 [0005]

Claims

Geteilter Kraftfahrzeugstabilisator zur Wankregelung, mit einem eingebauten elektromechanischen Aktuator (1) zum Verspannen zweier Stabilisatorteile (5, 5') gegeneinander, der mindestens aus einem Elektromotor, einem Getriebe (3), einer Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung, insbesondere eine Überlast-Rutschkupplung (7), und aus einem Gehäuse (4) besteht, wobei das Gehäuse (4) des Aktuators (1) mit dem einen Stabilisatorteil (5) und ein Abtrieb des Aktuators (1) mit dem anderen Stabilisatorteil (5') zur Drehmomentübertragung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung Mittel besitzt, die ein Einstellen eines variablen, maximal übertragbaren Drehmoments ermöglichen.
Geteilter Kraftfahrzeugstabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung eine durch eine Feder (12) belastete Kupplungspaarung ist, insbesondere bestehend aus mindestens zwei zueinander verdrehbaren, aufgrund einer Anpresskraft der Feder (12) aneinander anliegenden, eine Reibpaarung bildenden Reibscheiben, wobei durch die Mittel zum Einstellen des maximal übertragbaren Drehmoments die Vorspannung der Feder (12) variiert werden kann.
Geteilter Kraftfahrzeugstabilisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einstellen des maximal übertragbaren Drehmoments aus einem Kugelgewindetrieb bestehen, der durch einen weiteren Elektromotor (14) angetrieben, die Vorspannung der Feder (12) durch Verstellung deren Fußpunktes variiert.
Geteilter Kraftfahrzeugstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drehmomentbe grenzung mindestens eine weitere Feder (13) umfasst, die eine Mindestanpresskraft für die Reibscheiben bereitstellt, insbesondere für den Fall eines Stromausfalls.
Geteilter Kraftfahrzeugstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Drehwinkelmessung des Rotors des Elektromotors (15) und ein weiterer Sensor zur Drehwinkelmessung der getriebeseitigen Reibscheibe oder der Abtriebswelle des Aktuators, insbesondere am oder im Elektromotor (15) beziehungsweise am oder im Getriebe angebracht, an eine Steuereinrichtung als Eingangsgröße die Lage des Rotors beziehungsweise der getriebeseitigen Reibscheibe oder der Abtriebswelle des Aktuators weitergibt.
Geteilter Kraftfahrzeugstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stabilisatorteile (5, 5') nach einer Auslösung der Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung über diese nur in einer einzigen Position, der Festlegeposition, wieder zueinander festgelegt werden und dass die Festlegeposition der Grundstellung der beiden Stabilisatorteile (5, 5') entspricht, in der diese bei Geradeausfahrt nicht gegeneinander vorgespannt sind.
Verfahren zur Wankregelung an einer Vorder- und/oder Hinterachse eines Kraftfahrzeugs, mit einem geteilten Stabilisator, bei dem ein elektromechanischer Aktuator (1) Wankbewegungen des Fahrzeugaufbaus gegenüber dem Fahrwerk durch Verspannen der beiden Stabilisatorteile (5, 5') gegeneinander in beide Drehrichtungen des elektromechanischen Aktuators (1) so ausgleicht, dass der Fahrzeugaufbau möglichst parallel einer Horizontalebene gehalten wird, wobei beim Auftreten eines durch den Aktuator (1) zu übertragenden Grenzdrehmoments bestimmter Größe oder darüber, eine Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung bewirkt, dass im Aktuator (1) kein größeres Drehmoment übertragen wird als das Grenzdrehmoment, dadurch gekennzeichnet, dass über die Einrichtung zur Drehmomentbegrenzung ein Einstellen eines variablen, maximal übertragbaren Grenzdrehmoments möglich ist.