DE102013214580B4

DE102013214580B4 - Angetriebene Radlagereinheit mit integrierter Drehmomentmessung

Info

Publication number: DE102013214580B4
Application number: DE102013214580.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Mock; Christian Schmitt; Florian Königer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: DE102013214580A1; US9731549B2; WO2015010693A1; US20160207353A1

Abstract

Radlagereinheit (1) zur Lagerung eines antreibbaren Fahrzeugrades, umfassend eine einen Hohlraum (11) bildende Radnabe (2), die über ein als Wälzlager ausgebildetes Radlager (3) drehbar gelagert ist, das in einem Radträger abgestützt ist, weiterhin ist die Radnabe (2) über einen Nabenflansch (21) mit dem Fahrzeugrad und gegenseitig zu dem Nabenflansch (21) ist die Radnabe (2) über eine Stirnverzahnung (9) formschlüssig mit einem Antriebselement (8) verzahnt und mittels einer Verschraubung (12) kraftschlüssig gesichert, zur Messung eines Drehmoments weist die Radlagereinheit (1) eine zumindest einen Sensor (18) einschließende Sensorik auf, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Sensor (18) einer Innenwandung (17) des Hohlraums (11) der Radnabe (2) eine Drehmomentermittlung erfolgt, wobei ein Drehmoment durch Verwendung eines inversen magnetostriktiven Effekts an der Innenwandung (17) ermittelt wird und das zur Ermittlung des inversen magnetostriktiven Effekts innerhalb der Radnabe (2) wenigstens ein als Spule oder Halbleitersensor ausgebildeter Sensor (18) vorgesehen ist, der die veränderten magnetischen Eigenschaften erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radlagereinheit zur Lagerung eines antreibbaren Rades an einem Radträger eines Fahrzeuges. Diese Radlagereinheit umfasst eine einen zentrischen Hohlraum bildende Radnabe, die über ein als Wälzlager ausgebildetes Radlager drehbar gelagert ist. Die Radnabe schließt einen mit dem Fahrzeugrad verbundenen Nabenflansch ein und ist gegenseitig zu dem Nabenflansch über eine Stirnverzahnung formschlüssig mit einem Antriebselement verzahnt, wobei die Radnabe und das Antriebselement mittels einer Verschraubung kraftschlüssig gesichert sind. Weiterhin umfasst die Radlagereinheit einen Sensor zur Messung eines Drehmomentes. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Erfassung und Regelung von Antriebsdrehmomenten für angetriebene Fahrzeugräder.
Kraftfahrzeuge, bei denen insbesondere alle vier Räder angetrieben werden, werden zunehmend mit einer Regelung zur Antriebsmomentenverteilung ausgestattet, wodurch eine verbesserte Fahrzeugquerdynamik bei gleichzeitiger Erhöhung der Fahrsicherheit erzielt wird. Für die Regelung der Antriebsmomentenverteilung bedarf es geeigneter Messeinrichtungen, um die jeweilige Fahrsituation bestimmen zu können.
Aus der DE 103 38 172 B3 ist eine antreibbare Radlagereinheit mit einem Drehgelenk bekannt. Zur Übertragung eines Antriebsdrehmomentes greift ein Zapfen der Antriebswelle über eine Außenverzahnung in eine Innenverzahnung der Radnabe ein. Im Bereich des eingreifenden Zapfens ist die Radnabe über ein zweireihiges Wälzlager an dem Radträger drehbar gelagert. Bei der bekannten Radlagereinheit DE 36 04 630 C2 erfolgt die Übertragung des Antriebsdrehmomentes vom Drehgelenk der Antriebswelle über eine Stirnverzahnung auf die Radnabe.
Die DE 10 2008 050 236 A1 betrifft ein Tretlager für ein Fahrrad, das Sensoren zur Erfassung von Drehmomenten der einzelnen Tretkurbeln einschließt. Dazu ist ein Kettenblatt abschnittsweise magnetisiert. Aufgrund eines magnetostriktiven Effektes verändert sich die Magnetisierung, sobald durch ein Drehmoment hervorgerufene mechanische Spannungen in der Tretlagerwelle auftreten. Das veränderte Magnetfeld wird von Sensoren erfasst.
Als nächstliegender Stand der Technik ist die DE 10 2006 031 456 A1 zu betrachten, welche eine Radlageranordnung zur Lagerung eines antreibbaren Rades an einem Radträger eines Fahrzeuges offenbart. Ein innerer Lagerring des Radlagers ist dabei drehfest mit einer Radnabe verbunden, die an eine Antriebswelle gekoppelt ist. Ein axialer Abschnitt des inneren Lagerrings weist einen inversen magnetostriktiven Effekt auf. Über einen Sensor können Änderungen der magnetischen Eigenschaften in dem axialen Abschnitt erfasst werden, die sich bei einer Drehmomentbeaufschlagung einstellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Radlagereinheit für ein angetriebenes Fahrzeugrad bereitzustellen, die eine geschützt angeordnete sowie bauraum- und kostenoptimierte Drehmomentmessung einschließt.
Diese Problemstellung wird durch eine Radlagereinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
Gemäß dem Anspruch 1 ist zur Ermittlung des in die Radlagereinheit eingeleiteten Drehmomentes der zentrische Hohlraum der Radnabe bestimmt. Die Messung eines Drehmomentes oder einer Torsion erfolgt über einen Sensor der Innenwandung in dem Hohlraum der Radnabe. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist insbesondere mit einer Radnabe kombinierbar, die über eine Stirnverzahnung mit dem Antriebsgelenk verbunden ist. Durch die Verzahnung stellt sich ein deutlich vergrößerter Hohlraum der Radnabe im Vergleich zu einer Radialverzahnung ein. Vorteilhaft gewährleistet die erfindungsgemäß in der Radnabe integrierte Drehmomenterfassung eine geschützte Einbaulage und folglich ein hohes Maß an Installationsfreiheit.
Erfindungsgemäß weist der zentrische Hohlraum der Radnabe zumindest bereichsweise an einer Innenwandung des Hohlraums einen inversen magnetostriktiven Effekt auf, der zur Bestimmung des Drehmomentes nutzbar ist. Mit diesem durch eine optionale Magnetisierung oder magnetisierbare Vorkonditionierung optimierbaren Effekt kann das in die Radnabe eingeleitete Drehmoment an der Innenwandung ermittelt werden, die somit die Funktion eines Sensors ausübt. Im Antriebszustand verursacht das in die Radnabe eingeleitete Drehmoment eine Torsion, insbesondere in dem zylindrischen Abschnitt der Radnabe. Die sich dabei einstellenden mechanischen Spannungen bewirken, dass sich magnetische Eigenschaften (relative Permeablität bzw. Magnetfeldlinien einer optionalen Vormagnetisierung) aufgrund des inversen magnetostriktiven Effektes in Betrag und/oder Richtung verändern. Die geänderten magnetischen Eigenschaften sind ein Maß für das Drehmoment. Somit kann laufend das die Radlagereinheit bzw. die Radnabe beaufschlagende Drehmoment bzw. Torsionsmoment und gleichzeitig das tatsächlich auf das Fahrzeugrad wirkende Drehmoment bestimmt werden.
Der inverse magnetostriktive Effekt ist eine magnetische Deformationserscheinung, bei der eine Deformation an einer Oberfläche bzw. einer Innenwandung auftritt, wenn ein Drehmoment auf eine drehbare Welle oder ein Gehäuse wirkt. Durch die inverse Magnetostriktion stellt sich infolge einer mechanischen Belastung eine Änderung von magnetischen Eigenschaften, insbesondere der magnetischen Permeablität ein, die nutzbar ist, um das Drehmoment zu bestimmen. Vorteilhaft ist die Innenwandung im Hohlraum der Radnabe bereits Teil des Sensors, so dass kein weiteres Bauteil erforderlich ist.
Um die Messung des Drehmoments zu optimieren, kann gemäß der Erfindung für die Innenwandung bzw. für wenigstens einen Teilbereich eine magnetische Vor-Konditionierung vorgesehen werden. Weiterhin bietet sich als Maßnahme, um den inversen magnetostriktiven Effekt zu verbessern, erfindungsgemäß an, die Innenwandung der Radnabe zu beschichten. Dazu wird die Innenwandung zumindest bereichsweise mit einer geeigneten Masse beschichtet.
Im Vergleich zu bisherigen Messprinzipien zur Ermittlung des mechanischen Spannungszustandes (beispielsweise Dehnungsmessstreifen) ist keine herstellungstechnisch aufwändige Applikation dieser dehnungsempfindlichen Sensoren in dem Innen- oder Hohlraum der Radnabe erforderlich.
Gemäß der Erfindung ist ferner zur Ermittlung des inversen magnetostriktiven Effekts die Verwendung eines als Spule oder Halbleitersensor ausgebildeten Sensors vorgesehen. Dieser innerhalb des Hohlraums der Radnabe integrierte Sensor erfasst die sich verändernden magnetischen Eigenschaften, die sich bei einer Drehmomentbeaufschlagung der Radnabe einstellen.
Zur Erfassung und Umsetzung von veränderten magnetischen Eigenschaften, die mittels der torsionsempfindlichen Sensorik ermittelt werden, stehen diese mit einer Auswerteelektronik in Kontakt, die gemeinsam eine Messeinrichtung bilden. Bevorzugt ist eine drahtlose Signal- und Energieübertragung zwischen den Sensoren und der Auswerteelektronik vorgesehen. Durch diese Maßnahme können vereinfachte, kostengünstige Übertragungsmittel realisiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, in dem zentrischen Hohlraum der Radnabe zusätzlich weitere Sensoren anzuordnen. Ergänzend zu dem von der Innenwandung gebildeten Drehmoment- oder Torsionssensor kann beispielsweise ein Temperatur- und/oder ein Drehzahlsensor eingebracht werden. Durch die weiteren Sensoren kann das Verhalten des Fahrzeugs komplex erfasst oder gesteuert werden oder eine Warnung bei einer Unregelmäßigkeit ausgelöst werden. Zur Bauraum- und zur Bauteiloptimierung können die ergänzend eingebrachten Sensoren zu einer Baueinheit zusammengefasst werden.
Eine Erfassung der Antriebsdrehmomente erfolgt in jedem antreibbaren Fahrzeugrad durch einen von der Innenwandung der Radnabe gebildeten Sensor durch Verwendung eines inversen magnetostriktiven Effekts. Messwerte des Sensors werden einer Auswerteelektronik zugeführt, über die unmittelbar oder mittelbar in Verbindung mit einer zentralen Steuereinheit des Fahrzeugs eine Regelung der Antriebsdrehmomente der Fahrzeugräder erfolgt. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es nunmehr möglich, das tatsächlich auf das Rad wirkende Drehmoment zu bestimmen. Damit kann vorteilhaft eine optimierte Momentenverteilung in Abhängigkeit von den tatsächlich auftretenden Drehmomenten der einzelnen Räder erfolgen.
Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Radlagereinheit in einer Seitenansicht.
Die 1 zeigt eine teilweise geschnittene seitliche Ansicht einer Radlagereinheit 1, die zur Lagerung eines antreibbaren Fahrzeugrades (nicht gezeigt) bestimmt ist. Die Radlagereinheit 1 umfasst eine Radnabe 2, auf der ein Radlager 3 positioniert ist, über das die Radnabe 2 in einem ortsfesten Radträger 4 des Fahrzeugs drehbar gelagert ist.
Das als zweireihiges Wälzlager ausgebildete Radlager 3 umfasst getrennte innere Lagerringe, wobei ein erster Lagerring 5a durch einen Ansatz an der Radnabe 2 gebildet ist. Den zweiten inneren Lagerring 5b bildet ein separates, auf der Radnabe 2 fixiertes Ringelement. Außenseitig sind die Wälzkörper 6 in einem gemeinsamen Lagerring 7 geführt, der außenseitig von einem Ringflansch 4 umschlossen ist, der mit einem Radträger (nicht gezeigt) verbunden ist. Ein Antrieb der Radlagereinheit 1 erfolgt über ein auch als Drehgelenk bezeichnetes Antriebsgelenk 8, das drehstarr mit der Radnabe 2 verbunden ist. Das Antriebsgelenk 8 ist Bestandteil einer Antriebswelle (nicht gezeigt), von der ausgehend ein Antriebsdrehmoment auf die Radlagereinheit 1 übertragen wird. Über eine zwischen der Radnabe 2 und dem Antriebsgelenk 8 vorgesehene formschlüssige Stirnverzahnung 9 sind diese Bauteile verzahnt. Die Stirnverzahnung 9 gewährleistet eine dauerfeste Verbindung und damit eine sichere Drehmomentübertragung und erlaubt gleichzeitig eine schnelle Montage und Demontage von der Radnabe 2 und dem Antriebsgelenk 8. Eine Zentrierung der mittels der Stirnverzahnung 9 zusammengefügten Bauteile erfolgt durch einen begrenzt axial vorstehenden Ansatz 10, der formschlüssig in einen Hohlraum 11 der Radnabe 2 eingreift. Zur kraftschlüssigen Sicherung ist eine Verschraubung 12 vorgesehen, deren Verschraubungskopf 13 stirnseitig an der Radnabe 2 abgestützt ist und die gegenseitig mit einem Gewindeschaft 14 in eine Gewindebohrung 15 des Antriebsgelenks 8 verschraubt ist. Auf der von dem Antriebsgelenk 8 abgewandten Seite des Radlagers 3 ist die Radnabe 2 einstückig mit einem Nabenflansch 21 verbunden, an dem das Fahrzeugrad (nicht gezeigt) über Schraubverbindungen lösbar befestigt ist.
In dem zentrischen Hohlraum 11 der Radnabe 2 sind ein oder mehrere Sensoren angeordnet. Zumindest im Bereich des oder der Sensoren 18 weist die Innenwandung 17 des Hohlraums 11 und oder eine spezielle Beschichtung einen ausgeprägten inversen magnetostriktiven Effekt auf. Dieser Effekt wird im Betriebszustand des Fahrzeugs genutzt, wenn die Drehmomentbeaufschlagung der Radnabe 2 eine Torsion der Innenwandung 17 verursacht, wodurch sich die magnetischen Eigenschaften verändern. Die veränderten magnetischen Eigenschaften bzw. das veränderte magnetische Feld wird mit dem der Innenwandung 17 zugeordneten Sensor(en) 18 gemessen. Über eine drahtlose Verbindung (gezeigt als strichpunktierte Linie) ist der Sensor 18 zur Energie- und Signalübertragung mit einer extern von der Radlagereinheit 1 angeordneten Auswerteelektronik 19 verbunden, die gemeinsam eine Messeinrichtung 20 bilden.
Bezugszeichenliste

1: Radlagereinheit
2: Radnabe
3: Radlager
4: Ringflansch
5a: Lagerring
5b: Lagerring
6: Wälzkörper
7: Lagerring
8: Antriebsgelenk
9: Stirnverzahnung
10: Ansatz
11: Hohlraum
12: Verschraubung
13: Verschraubungskopf
14: Gewindeschaft
15: Gewindebohrung
17: Innenwandung
18: Sensor
19: Auswertelektronik
20: Messeinrichtung
21: Nabenflansch

Claims

Radlagereinheit (1) zur Lagerung eines antreibbaren Fahrzeugrades, umfassend eine einen Hohlraum (11) bildende Radnabe (2), die über ein als Wälzlager ausgebildetes Radlager (3) drehbar gelagert ist, das in einem Radträger abgestützt ist, weiterhin ist die Radnabe (2) über einen Nabenflansch (21) mit dem Fahrzeugrad und gegenseitig zu dem Nabenflansch (21) ist die Radnabe (2) über eine Stirnverzahnung (9) formschlüssig mit einem Antriebselement (8) verzahnt und mittels einer Verschraubung (12) kraftschlüssig gesichert, zur Messung eines Drehmoments weist die Radlagereinheit (1) eine zumindest einen Sensor (18) einschließende Sensorik auf, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Sensor (18) einer Innenwandung (17) des Hohlraums (11) der Radnabe (2) eine Drehmomentermittlung erfolgt, wobei ein Drehmoment durch Verwendung eines inversen magnetostriktiven Effekts an der Innenwandung (17) ermittelt wird und das zur Ermittlung des inversen magnetostriktiven Effekts innerhalb der Radnabe (2) wenigstens ein als Spule oder Halbleitersensor ausgebildeter Sensor (18) vorgesehen ist, der die veränderten magnetischen Eigenschaften erfasst.
Radlagereinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die zur Erfassung der veränderten magnetischen Eigenschaften eingesetzten Sensoren (18) mit einer Auswerteelektronik (19) in Verbindung stehen, die gemeinsam eine Messeinrichtung (20) bilden.
Radlagereinheit dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtlose Signal- und Energieübertragung zwischen den Sensoren (18) und der Auswerteelektronik (19) vorgesehen ist.
Radlagereinheit nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) zusätzlich einen Temperatur- und/oder einen Drehzahlsensor einschließt.