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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen in einem Gehäuse angeordneten mechatronischen Aktuator zum Erzeugen eines Torsionsmoments zwischen zwei Drehstabfedern und einen Sensor zum berührungslosen Messen des Torsionsmoments, wobei der Sensor zum Erfassen eines durch das Torsionsmoment verursachten Spannungszustands ausgebildet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Es sind Wankstabilisatoren bekannt, die einen geteilten Drehstab eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs während der Kurvenfahrt in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung und gegebenenfalls anderen Parametern verdrehen, um die Neigung der Fahrzeugkarosserie während der Kurvenfahrt zu verringern. Ein Wankstabilisator umfasst einen mechatronischen Aktuator, bestehend aus einem Elektromotor und einem entsprechenden Steuergerät sowie ein Getriebe, insbesondere ein ein- oder mehrstufiges Planetengetriebe. Der Wankstabilisator weist den Sensor (Drehmomentsensor) zum Erfassen des Torsionsmoments auf, um den Wankwinkel des Kraftfahrzeugs zu regeln, insbesondere zu verringern.
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Aus der
DE 10 2008 000 148 A1 ist ein Wankstabilisator bekannt, bei dem ein Sensor an einer Anbaukomponente des Stabilisators angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2009 016 165 A1 ist ein Wankstabilisator bekannt, bei dem mittels eines Sensors ein Verdrehwinkel zwischen der Karosserie und einer Komponente des Stabilisators ermittelt wird. Mittels des Sensors kann ein auf den Stabilisator einwirkendes Torsionsmoment ermittelt werden. Optional kann der Sensor in ein Lager des Stabilisators integriert sein. Der Sensor kann als Hall-Sensor oder als magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein.
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Die
DE 102009 028 386 A1 offenbart einen Wankstabilisator mit einer Sensoreinrichtung, die zum Erfassen einer drehmomentabhängigen Relativbewegung zwischen zwei axial beabstandeten Abschnitten des Wankstabilisators ausgebildet ist.
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In der
DE 10 2011 078 821 A1 wird ein geteilter Wankstabilisator vorgeschlagen, bei dem die Torsion eines Anschlussteils durch Erfassen eines Magnetfelds ermittelt wird, das von dem anliegenden Torsionsmoment abhängig ist. Der eingesetzte Sensor beruht auf einem magnetostriktiven Effekt und umfasst einen Primärsensor, der eine magnetische Kodierung aufweist und einen als Magnetfeldsensor ausgebildeten Sekundärsensor.
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Wenn der Sensor im Flansch einer Drehstabfeder angeordnet ist, besteht das Problem, dass er Umwelteinflüssen ausgesetzt ist. Darüber hinaus benötigt der Flansch zusätzlichen Bauraum, es handelt sich um ein zusätzliches Bauteil, das die Masse des Fahrzeugs erhöht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wankstabilisator anzugeben, bei dem der Sensor gegenüber Umwelteinflüssen geschützt angeordnet ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wankstabilisator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor in dem Gehäuse des Aktuators aufgenommen ist.
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Da der Sensor zum berührungslosen Messen des Torsionsmoments erfindungsgemäß im Gehäuse des Aktuators aufgenommen ist, kann auf einen zusätzlichen oder separaten Flansch verzichtet werden, wodurch sich Vorteile hinsichtlich Bauraum, Herstellungskosten und der Masse des Wankstabilisators ergeben. Im Vordergrund steht dabei auch die erfindungsgemäß vorgesehene geschützte Unterbringung des Sensors, so dass dieser vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Dadurch wird vermieden, dass die Messwerterfassung durch äußere Einflüsse wie Verschmutzungen beeinträchtigt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wankstabilisator wird es bevorzugt, dass die Messung des Spannungszustands auf einem magnetostriktiven Messprinzip oder auf einer Erfassung einer Widerstandsänderung mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) beruht. Der mechatronische Aktuator, der das Torsionsmoment zwischen den beiden Drehstabfedern bzw. zwischen den beiden Hälften der geteilten Drehstabfeder erzeugt, verursacht einen Spannungszustand, der entweder magnetostriktiv oder mittels Dehnungsmessstreifen gemessen werden kann, so dass der gemessene Spannungszustand als Regelgröße zur Regelung des Wankwinkels des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wankstabilisator kann es vorgesehen sein, dass der Sensor einen Primärsensor umfasst, der aus einem ferromagnetischen Material besteht, das magnetisch kodiert ist, sowie einen von dem Primärsensor beabstandeten Sekundärsensor, der als Magnetfeldsensor ausgebildet ist. Dieser Sensor, umfassend den Primärsensor und den Sekundärsensor, ist für das magnetostriktive Messprinzip geeignet, das z. B. in der
DE 10 2011 078 821 A1 oder in der
WO 2006/013093 A2 beschrieben ist. Die magnetische Kodierung entspricht einer Aufprägung oder Erzeugung einer bestimmten Magnetfeldstruktur bei oder an einem ferromagnetischen Material. Diese magnetische Kodierung kann mittels des Sekundärsensors erfasst werden, der das Magnetfeld, das in Abhängigkeit des Spannungszustands veränderlich ist, erfasst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wankstabilisator kann es vorgesehen sein, dass der Primärsensor und der Sekundärsensor an oder in dem Gehäuse des Aktuators angeordnet sind. Bevorzugt wird dabei eine Anbringung innerhalb des Gehäuses, um die Sensoren mechanisch zu schützen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Primärsensor und der Sekundärsensor an oder in einer Entkopplungseinheit angeordnet sind, die in dem Gehäuse des Aktuators zwischen einem Getriebe und einer Drehstabfeder angeordnet ist. Die Entkopplungseinheit sorgt für ein ruhiges Stellverhalten des Aktuators und reduziert die sogenannte Kopierbewegung des Kraftfahrzeugs. Einseitige Fahrbahnunebenheiten werden auf diese Weise nicht auf das andere Rad übertragen. Die Entkopplungseinheit ist so ausgebildet, dass sich ein Torsionsmoment erst bei Überschreitung eines festgelegten Verdrehwinkels zwischen den beiden Drehstabfedern aufbaut.
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Der Primärsensor des erfindungsgemäßen Wankstabilisators kann vorzugsweise als aufgebrachte Schicht oder Struktur ausgebildet sein, die magnetisch kodiert ist. Demnach kann der Primärsensor durch Magnetisieren eines Bauteils, beispielsweise eines Abschnitts der Drehstabfeder, erzeugt werden.
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Eine Variante des erfindungsgemäßen Wankstabilisators sieht vor, dass der Sekundärsensor drehfest bezüglich des Primärsensors angeordnet ist. Alternativ kann der Sekundärsensor drehfest gegenüber dem Primärsensor und von diesem beabstandet angeordnet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Wankstabilisators;
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2 ein Detail von 1 in einem größeren Maßstab;
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3 ein weiteres Detail von 1 in einem größeren Maßstab;
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4 ein weiteres Detail von 1 in einem größeren Maßstab;
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5 ein Ausführungsbeispiel mit drehfest angeordneten Sekundärsensoren;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Sensors;
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Sensors;
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8 ein Ausführungsbeispiel mit im Bereich einer Entkopplungseinheit angeordneten Sensoren; und
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9 Beispiele der Positionierung von Sekundärsensoren.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wankstabilisators 1. Dieser umfasst einen in einem Gehäuse 2 angeordneten mechatronischen Aktuator mit einem Motor 3, der mit einem Getriebe 4 gekoppelt ist. An einer Seite des Gehäuses 2 befindet sich eine erste Drehstabfeder 5, an der entgegengesetzten Seite des Gehäuses 2 befindet sich eine zweite Drehstabfeder 6. Jede Drehstabfeder 5, 6 ist durch ein Lager 7, 8 an einem Fahrwerk oder der Karosserie eines Kraftfahrzeugs gelagert. Das Getriebe 4 weist einen Ausgang auf, der mit der Drehstabfeder 6 gekoppelt ist. Der mechatronische Aktuator ist durch eine entsprechende Ansteuerung des Motors 3 in der Lage, über das Getriebe 4 ein Torsionsmoment zwischen den Drehstabfedern 5, 6 zu erzeugen, wodurch ein gewünschter Wankwinkel des Kraftfahrzeugs geregelt werden kann.
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Der Wankstabilisator 1 umfasst einen Sensor 9, der in 1 lediglich schematisch dargestellt ist und der zum Erfassen eines durch das Torsionsmoment verursachten Spannungszustands ausgebildet ist.
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2 zeigt ein Detail von 1 in einem größeren Maßstab. Der Sensor 9 umfasst einen Primärsensor 10, der als magnetisch kodierte Struktur ausgebildet ist. Der Primärsensor 10 befindet sich auf bzw. in dem Gehäuse 2.
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Daneben umfasst der Sensor 9 einen Sekundärsensor 11, der im Inneren des Gehäuses 2 angeordnet ist. Wenn durch den mechatronischen Aktuator ein Torsionsmoment zwischen den beiden Drehstabfedern 5, 6 erzeugt wird, wird das Gehäuse 2 mit dem Torsionsmoment beaufschlagt, wodurch sich ein bestimmter Spannungszustand einstellt. Dieser Spannungszustand kann durch den Sensor 9, umfassend den Primärsensor 10 und den Sekundärsensor 11, erfasst werden. Der Sensor 9 macht von einem magnetostriktiven Messprinzip Gebrauch, das von dem Sensor 9 gelieferte Messsignal wird – gegebenenfalls nach einer Signalverarbeitung – in einer Steuereinheit 12 verwendet, um den mechatronischen Aktuator zu regeln. Auf diese Weise kann während des Fahrbetriebs permanent ein gewünschter Wankwinkel der Karosserie eines Kraftfahrzeugs eingestellt werden.
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3 ist eine ähnliche Darstellung wie 2 und zeigt einen auf dem Gehäuse 2 aufgebrachten Primärsensor 13. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Primärsensor 13 durch Aufdampfen einer Struktur auf die Innenseite 14 des Gehäuses 2 erzeugt worden. Im Inneren des Gehäuses 2 ist der Sekundärsensor 11 angeordnet, der dem Primärsensor 13 gegenüberliegt und von diesem beabstandet ist. Der ortsfest im Inneren des Gehäuses 2 angeordnete Sekundärsensor 11 ist als Magnetfeldsensor ausgebildet. Wenn das Gehäuse 2 durch ein durch den Aktuator erzeugtes Torsionsmoment einen bestimmten Spannungszustand aufweist, kann dieser Spannungszustand, der ein bestimmtes Magnetfeld erzeugt, mittels des Sekundärsensors 11 erfasst werden.
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4 ist eine ähnliche Detailansicht wie 3 und zeigt das Gehäuse 2, das in einem festgelegten Bereich eine Magnetisierung 15 in Form einer magnetischen Kodierung aufweist. Das Gehäuse 2 besteht aus einem ferromagnetischen Material, dem die Magnetisierung 15 aufgeprägt worden ist. Die Magnetisierung 15 erzeugt ein Magnetfeld, das mittels des Sekundärsensors 11 erfassbar ist und sich in Abhängigkeit des Spannungszustands ändert.
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Der Sekundärsensor 11 kann entweder drehfest oder nicht drehfest bezüglich des Primärsensors 10, 13, 15 in dem Gehäuse 2 angeordnet sein.
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5 zeigt Beispiele für drehfest angeordnete Sekundärsensoren 16, 17, die jeweils einem Primärsensor 18, 19 auf bzw. in dem Gehäuse 2 gegenüberliegen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Winkel 20 zur Befestigung der Sekundärsensoren 16, 17 vorgesehen. Ein Ende des Winkels 20 ist an der Innenseite 14 des Gehäuses 2 befestigt, das entgegengesetzte Ende des Winkels 20 trägt den Sekundärsensor 16, 17. Die Sekundärsensoren 16, 17 sind somit jeweils mit Abstand zu den Primärsensoren 18, 19 angeordnet.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung eines Sensors. 6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Details des in 1 gezeigten Wankstabilisators 1. An der in 1 rechten Seite weist der Wankstabilisator 1 eine Entkopplungseinheit auf, die zwischen dem Getriebe 4 und der Drehstabfeder 6 angeordnet ist. Die Entkopplungseinheit umfasst ein Elastomerbauteil, das z. B. sternförmig ausgebildet sein kann, das in ein entsprechend gegengleich ausgebildetes Ende der Drehstabfeder 6 eingesetzt ist. Bei kleinen Verdrehwinkeln, die unterhalb einer festgelegten Schwelle liegen, wird kein nennenswertes Moment übertragen. Beim Überschreiten der festgelegten Schwelle steigt die Steifigkeit sprunghaft an, erst oberhalb dieser Schwelle kann ein Torsionsmoment zwischen den Drehstabfedern 5, 6 erzeugt werden.
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Auf diese Weise wird verhindert, dass einseitige Fahrbahnunebenheiten auf das gegenüberliegende Rad übertragen werden.
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In 6 erkennt man, dass ein Primärsensor 21 auf einem Innenring 22 aufgebracht bzw. durch magnetische Kodierung erzeugt worden ist. Ein Sekundärsensor 23 ist ebenfalls in den Innenring 22 integriert und von dem Primärsensor 21 beabstandet.
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7 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel, bei der ein Sensor im Bereich des äußeren Endes des Gehäuses 2, zwischen der Entkopplungseinheit und der Drehstabfeder 6 angeordnet ist. Ein Primärsensor 24 ist auf dem Innenring 22 vorgesehen, ein Sekundärsensor 25 befindet sich in dem Freiraum vor dem Innenring 22. Bei anderen Ausführungen kann der Sekundärsensor auch vor oder in einem Flansch 26 angeordnet sein, der zur Aufnahme der Drehstabfeder 6 dient.
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8 zeigt schematisch die Anordnung des Sekundärsensors 23, der im Bereich der Entkopplungseinheit angeordnet ist. Die Entkopplungseinheit weist den Primärsensor auf. In der geschnittenen Ansicht von 8 erkennt man einen Innenkörper 27, der mit dem Getriebe 4 verbunden ist, einen Außenkörper 28, der mit der Drehstabfeder 6 verbunden ist, sowie den Sekundärsensor 23. Für einen Teilbereich 29 des in 8 gezeigten Querschnitts sind darunter die auftretenden Spannungen schematisch bzw. qualitativ dargestellt. Um die Achse (Axialrichtung) 30, die der Längsrichtung des Gehäuses 2 entspricht, wirkt ein Torsionsmoment. Die Torsion um die Achse 30 erzeugt Normalspannungen 31, bei denen es sich um Flächenspannungen handelt, sowie Scherspannungen 32. Die Scherspannungen können als Tangentialspannung, Axialspannung oder Querscherspannung auftreten. Im Vordergrund steht dabei die Tangentialscherspannung, die durch die Torsion des Innenkörpers 27 gegenüber dem Außenkörper 28 erzeugt wird. Auf diese Weise dient die Entkopplungseinheit als Primärsensor, der die beschriebene Magnetisierung bzw. magnetische Kodierung aufweist.
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9 zeigt die Entkopplungseinheit 33, umfassend den Außenkörper 28 und den Innenkörper 27 sowie verschiedene Ausführungsbeispiele der Positionierung von Sekundärsensoren 34. Grundsätzlich ist bereits ein einziger Sekundärsensor 34 ausreichend. Ein Sekundärsensor kann über den gesamten Umfang der Entkopplungseinheit 33 positioniert sein. In 9 erkennt man, dass ein Sekundärsensor 34 radial von der Entkopplungseinheit 33 nach außen beabstandet angeordnet sein kann. Es ist auch möglich, einen Sekundärsensor 34 in Axialrichtung neben dem Außenkörper anzuordnen. Ein Sekundärsensor 34 kann an beiden Axialseiten der Entkopplungseinheit 33 angeordnet sein. Darüber hinaus kann ein Sekundärsensor 34 auch axial bzw. in Längsrichtung im Bereich der Drehachse neben dem Außenkörper 28 angeordnet sein. Um das Magnetfeld mit hoher Genauigkeit zu messen, sind auch Ausführungen möglich, bei denen der Sensor mehrere Sekundärsensoren 34 umfasst, die an verschiedenen Stellen angeordnet sind. Bei der Auswertung bzw. Erfassung des Magnetfelds werden die Signale mehrerer Sekundärsensoren berücksichtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wankstabilisator
- 2
- Gehäuse
- 3
- Motor
- 4
- Getriebe
- 5
- Drehstabfeder
- 6
- Drehstabfeder
- 7
- Lager
- 8
- Lager
- 9
- Sensor
- 10
- Primärsensor
- 11
- Sekundärsensor
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Primärsensor
- 14
- Innenseite
- 15
- Magnetisierung
- 16
- Sekundärsensor
- 17
- Sekundärsensor
- 18
- Primärsensor
- 19
- Primärsensor
- 20
- Winkel
- 21
- Primärsensor
- 22
- Innenring
- 23
- Sekundärsensor
- 24
- Primärsensor
- 25
- Sekundärsensor
- 26
- Flansch
- 27
- Innenkörper
- 28
- Außenkörper
- 29
- Teilbereich
- 30
- Achse
- 31
- Normalspannung
- 32
- Scherspannung
- 33
- Entkopplungseinheit
- 34
- Sekundärsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008000148 A1 [0003]
- DE 102009016165 A1 [0004]
- DE 102009028386 A1 [0005]
- DE 102011078821 A1 [0006, 0012]
- WO 2006/013093 A2 [0012]
