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Die Erfindung betrifft einen Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen in einem Gehäuse angeordneten, ein Planetengetriebe mit einem Hohlrad aufweisenden mechatronischen Aktuator zum Erzeugen eines Torsionsmoments zwischen zwei Drehstabfedern, sowie einen Sensor zum Messen des Torsionsmoments.
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Ein Wankstabilisator ist in der Lage, einen geteilten Drehstab eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs während einer Kurvenfahrt in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung und gegebenenfalls weiteren Parametern zu verdrehen, um die Neigung der Fahrzeugkarosserie während der Kurvenfahrt zu verringern. Üblicherweise umfasst ein Wankstabilisator einen mechatronischen Aktuator, bestehend aus einem Elektromotor und einem Steuergerät sowie einem Getriebe, insbesondere einem ein- oder mehrstufigen Planetengetriebe. Der Wankstabilisator weist den Sensor zum Erfassen des Torsionsmoments auf, durch das das Gehäuse des Aktuators beaufschlagt wird. Mittels des erfassten Torsionsmoments wird der Wankwinkel des Kraftfahrzeugs geregelt, insbesondere verringert.
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Ein herkömmlicher Wankstabilisator umfasst eine erste Drehstabfeder, die in einem Flansch mündet, in dem der Drehmomentsensor angeordnet ist. Dieser Flansch ist mit einem Gehäuse verbunden, in dem der Aktuator zum Erzeugen des Torsionsmoments angeordnet ist. Der Aktuator umfasst einen elektrischen Antriebsmotor, dessen Motorwelle mit einem mehrstufigen Planetengetriebe gekoppelt ist. die Abtriebsseite des Planetengetriebes ist mit einer Elastomerentkopplungseinheit verbunden, die eine Verdrehung des daran angeschlossenen Flansches und einer mit dem Flansch verbundenen Drehstabfeder ermöglicht.
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Die Unterbringung des Sensors zum Messen des Torsionsmoments außerhalb des Gehäuses in einem Flansch weist den Nachteil auf, dass unterschiedliche Belastungen und Störungen auf den Sensor einwirken können. Als Belastungen kommen beispielsweise Biegemomente, sowie Quer- und Axialkräfte in Frage, ebenso wie Steinschlag oder Rost. Störungen der Messung des Torsionsmoments können unter anderem durch ein externes Magnetfeld oder hohe Temperaturgradienten verursacht werden. Da lediglich das durch den Sensor gemessene Torsionsmoment als primäre Regelgröße für den Aktuator berücksichtigt wird, müssen Maßnahmen zur Kompensation von Störgrößen vorgesehen werden. Eine solche Maßnahme kann z. B. die Erfassung eines zusätzlichen Torsionssignals sein. Ebenso können weitere Größen gemessen werden, beispielsweise die Biegung des Gehäuses, eine Querkraft oder eine Axialkraft. Allerdings erhöhen diese Maßnahmen zur Kompensation von Störgrößen bzw. zur Verifikation eines gemessenen Torsionsmoments den baulichen Aufwand und dementsprechend auch die Herstellungskosten. Zudem ist der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wankstabilisator anzugeben, der eine weitestgehend störungsfreie Messung des Torsionsmoments mittels eines Sensors ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wankstabilisator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor oder eine Komponente des Sensors an dem Hohlrad des Planetengetriebes angeordnet ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Anbringung oder Unterbringung des Sensors im Inneren des Aktuators an dem Hohlrad einen besseren Schutz gegenüber Umwelteinflüssen bietet. Darüber hinaus kann die Qualität der von dem Sensor erfassten Messwerte des Torsionsmoments gesteigert werden, da eine Verschlechterung der Signalqualität durch Belastungen oder Störungen verringert ist. Gegebenenfalls können auch weitere Informationen erfasst werden, die beispielsweise für eine Komfortfunktion im Rahmen der Regelung eines aktiven Fahrwerks genutzt werden können.
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Dabei kann entweder der (einteilige) Sensor oder eine Komponente eines mehrteiligen Sensors an dem Hohlrad angeordnet sein. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht somit einen einteiligen Sensor vor, der beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen (DMS) aufweist bzw. als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist. Dieser Dehnungsmessstreifen kann dementsprechend an oder auf dem Hohlrad angeordnet sein. Alternativ kann erfindungsgemäß auch ein mehrere Komponenten aufweisender Sensor verwendet werden. Beispielsweise kann es sich dabei um einen magnetostriktiven Sensor handeln, der auf dem Prinzip der inversen Magnetostriktion beruht und zwei Komponenten aufweist, nämlich einen Primärsensor, der eine gerichtete Magnetisierung aufweist und einen Magnetfeldsensor als Sekundärsensor. Vorzugsweise kann der Primärsensor als Komponente des Sensors an dem Hohlrad angeordnet sein. Ein auf das Hohlrad einwirkendes Torsionsmoment bewirkt eine Änderung des von dem Primärsensor erzeugten Magnetfelds, die von dem Sekundärsensor als zweiter Komponente des Sensors erfasst werden kann.
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Eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wankstabilisators sieht vor, dass der Sensor zum direkten Messen des Torsionsmoments ausgebildet ist. Eine direkte Messung ist möglich, da das Hohlrad fest mit dem Gehäuse verbunden ist und das Hohlrad somit dieselbe Torsion wie das Gehäuse erfährt.
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Gemäß einer zweiten, alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wankstabilisators kann es vorgesehen sein, dass der Sensor zum indirekten Bestimmen des Torsionsmoments durch Messen einer dazu proportionalen Größe ausgebildet ist. Die Größe kann beispielsweise eine Axialkraft sein. Alternativ kann die zu dem Torsionsmoment proportionale Größe eine Dehnung sein, die proportional zu dem Torsionsmoment ist.
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Es wird besonders bevorzugt, dass der Sensor wenigstens einen Dehnungsmessstreifen (DMS) aufweist. Dehnungsmessstreifen beruhen auf dem Effekt, dass bestimmte Werkstoffe, beispielsweise metallische Legierungen, die zu Folien verarbeitet sind, bei einer Verformung ihren elektrischen Widerstand ändern. Die Verformung kann dabei eine Dehnung oder eine Stauchung sein, anhand der gemessenen Änderung des elektrischen Widerstands kann auf die Größe der Dehnung geschlossen werden. Der Dehnungsmessstreifen wird dazu an dem Messobjekt, in diesem Fall an dem Hohlrad des Planetengetriebes, befestigt, vorzugsweise aufgeklebt. Anhand der erfassten Dehnung kann auf das auf das Gehäuse des Wankstabilisators wirkende Torsionsmoment geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dass der Sensor mehrere in Umfangsrichtung des Hohlrads angeordnete Dehnungsmessstreifen aufweist. Dementsprechend können in Umfangsrichtung z. B. zwei, drei oder vier Dehnungsmessstreifen angebracht sein. Anstelle eines einzigen Dehnungsmessstreifens kann auch ein DMS-Element eingesetzt werden, das zwei oder mehr einzelne DMS umfasst. Da ein einziger Dehnungsmessstreifen eine Erfassung der Dehnung in einer festgelegten Richtung ermöglicht, kann durch die Kombination von zwei oder drei DMS eine mehrachsige Dehnungsmessung erfolgen, wodurch ein Dehnungszustand mit höherer Qualität und gegebenenfalls höherer Genauigkeit gemessen werden kann.
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Hinsichtlich der Anbringung des Sensors wird es bei dem erfindungsgemäßen Wankstabilisator bevorzugt, dass der Sensor in einem Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Hohlrad angeordnet ist. An dieser Stelle kann der Sensor ohne Schwierigkeiten untergebracht werden, da er selbst lediglich einen minimalen Bauraum benötigt. Da er im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, ist er zuverlässig vor Verschmutzung und Beschädigungen geschützt.
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Eine andere, alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wankstabilisators sieht vor, dass der Sensor auf dem Prinzip der inversen Magnetostriktion beruht und einen Primärsensor mit einer gerichteten Magnetisierung und einen wenigstens einen Magnetfeldsensor aufweisenden Sekundärsensor umfasst. Derartige Sensoren sind an sich bekannt. Um Spannungen in einem Werkstoff mittels inverser Magnetostriktion messen zu können, wird eine gerichtete Magnetisierung, das heißt eine magnetische Polarisation des Werkstoffs, in dem Werkstoff bzw. in dem Hohlrad erzeugt. Durch die lokale Ausrichtung magnetischer Domänen kann eine mechanische Spannung in dem Hohlrad detektiert werden. Neben der Größe der Spannung kann auch deren Richtung erfasst werden. Der die aufgebrachte oder erzeugte Magnetisierung aufweisende Bestandteil des Sensors wird als Primärsensor bezeichnet, dieser wirkt mit einem Sekundärsensor zusammen, der als Magnetfeldsensor ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Magnetfeldsensor von dem Primärsensor beabstandet. Die Magnetisierung des Primärsensors kann entweder remanent, das heißt dauerhaft, eingebracht sein oder sie kann extern durch einen Permanentmagneten (statisch) oder durch eine stromdurchflossene Spule (dynamisch) erzeugt werden. Der Magnetfeldsensor, das heißt der Sekundärsensor, ist vorzugsweise als Spule oder als Förstersonde oder als Hall-Sensor ausgebildet.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Primärsensor als Beschichtung des Hohlrads ausgebildet ist. Diese Beschichtung kann sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Hohlrads erstrecken.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators;
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2 eine geschnittene Ansicht eines Aktuators eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine Ansicht der an einem Hohlrad angebrachten Dehnungsmessstreifen;
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4 eine geschnittene Seitenansicht eines Aktuators eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
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5 eine Ansicht eines eine Magnetisierung aufweisenden Hohlrads.
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Der in 1 gezeigte Wankstabilisator 1 ist Bestandteil eines Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs und umfasst einen in einem Gehäuse 2 angeordneten mechatronischen Aktuator. An der in 1 linken Seite ist eine rohrförmige Drehstabfeder 3 gezeigt, die an einem Flansch 4 befestigt ist, der das Gehäuse 2 an einer Axialseite verschließt. An der entgegengesetzten Seite ist eine Drehstabfeder 5 angeordnet.
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Der in dem Gehäuse 2 aufgenommene Aktuator umfasst eine elektronische Steuerungseinheit 6, mittels der ein Elektromotor 7 gesteuert wird. Eine Abtriebswelle des Motors 7 ist mit einem Planetengetriebe 8 gekoppelt, durch das die Drehzahl untersetzt wird. In Axialrichtung schließt sich an das Planetengetriebe 8 eine Elastomerentkopplungseinheit 9 an, die bewirkt, dass der Wankstabilisator erst ab einem festgelegten Wankwinkel wirkt. Wenn der Elektromotor 7 durch die Steuerungseinrichtung 6 eingeschaltet wird, bewirkt er eine Drehung der Drehstabfeder 5 gegenüber der Drehstabfeder 3, wodurch ein vorhandener Wankwinkel reduziert werden kann. Zur Steuerung oder Regelung des in dem Gehäuse 2 angeordneten Aktuators ist die Messung des Torsionsmoments erforderlich, dazu weist der Aktuator einen entsprechenden Sensor auf.
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2 ist eine geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des in dem Gehäuse 2 aufgenommenen Aktuators. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die mechatronischen Komponenten lediglich schematisch dargestellt, einige Bestandteile sind der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen.
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Der Elektromotor 7 ist als BLDC-Motor ausgebildet, dessen Motorwelle greift in eine erste Getriebestufe 19 ein, die Planeten 10 sowie ein Sonnenrad umfasst. An der Innenseite des Gehäuses 2 ist ein Hohlrad 12 ausgebildet, das mit den Planeten 10 kämmt. Die erste Getriebestufe 9 stützt sich somit an dem Hohlrad 12 ab und treibt über das Sonnenrad 11 eine zweite Getriebestufe 13 an. Die zweite Getriebestufe 13 umfasst Planeten 14 und ein Sonnenrad 15. In Axialrichtung daneben befindet sich ein Sonnenrad 15, das mit Planeten 16 einer dritten Getriebestufe 17 kämmt. Die dritte Getriebestufe 17 ist mit einer Entkopplungseinheit 18 verbunden. Diese Entkopplungseinheit 18 weist außenseitig in axialer Richtung eine umlaufende Hirthverzahnung auf, so dass an dieser Stelle ein Flansch (nicht gezeigt), der eine Gegenverzahnung aufweist, angebracht werden kann, der mit der (rechten) Drehstabfeder 5 verbunden ist. Bei einer Drehung der Abtriebswelle des Elektromotors 7 wird die erste Getriebestufe gedreht, die wiederum die zweite Getriebestufe in Rotation versetzt, die wiederum die dritte Getriebestufe und die mit dieser gekoppelte Entkopplungseinheit 18 in Drehung versetzt, so dass zwischen den beiden gegenüberliegenden Drehstabfedern 3, 5 ein Torsionsmoment erzeugt wird. In 2 sind der Motor und die einzelnen Getriebestufen zur Verbesserung der Darstellung separat dargestellt, diese Komponenten sind jedoch selbstverständlich miteinander gekoppelt, das heißt sie kämmen miteinander, wodurch das dreistufige Planetengetriebe gebildet wird.
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Zum Messen der Torsion dient ein Sensor 20, der Dehnungsmessstreifen (DMS) aufweist. Der Sensor 20 ist an dem Hohlrad 12 der ersten Getriebestufe 19 angeordnet.
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3 zeigt schematisch das Hohlrad 12 und den Sensor 20. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Sensoren 20 gezeigt, wobei ein Sensor 20 aus zwei kreuzweise, das heißt rechtwinklig zueinander angeordneten einzelnen DMS-Sensoren gebildet ist. Die rechtwinklige Anordnung ist lediglich beispielhaft zu verstehen, es sind auch Anordnungen mit einem anderen Winkel oder lediglich mit einem DMS-Sensor möglich. Die Sensoren 20 sind mechanisch fest auf dem Hohlrad 12 angebracht. Sie befinden sich an der Außenseite des Hohlrads 12 zwischen dem Hohlrad 12 und der Innenseite des Gehäuses 2. Die in 3 gezeigte Anordnung ist lediglich beispielhaft zu verstehen, es können auch mehr als zwei Sensoren 20 vorgesehen sein, die über den gesamten Umfang des Hohlrads 12 angeordnet sind. Die Sensoren werden so angeordnet, dass eine optimale Signalerfassung möglich ist und ein ausreichend hoher Signalpegel erhalten wird.
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Mittels der Sensoren 20 kann eine direkte Messung der Torsion am Hohlrad 12 erfolgen. Das Hohlrad 12 wird durch Torsion belastet, wenn die erste Getriebestufe 19 mit den als Zahnrädern ausgebildeten Planeten 10 das Hohlrad 12 gegenüber dem Gehäuse 2 bzw. gegenüber der mechanischen Verbindung des Hohlrads an der Innenseite des Gehäuses 2, die als Schweißnaht ausgebildet ist, tordiert.
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Alternativ oder zusätzlich ist auch eine indirekte Messung der Torsion am Hohlrad 12 mittels Messung der am Hohlrad 12 wirkenden Axialkraft möglich. Die erste Getriebestufe 19 weist eine Schrägverzahnung auf, dementsprechend wird eine auf das Hohlrad 12 wirkende Axialkraft erzeugt, die proportional zur Torsion ist. Die Axialkraft erzeugt eine Scherung des Hohlrads 12. Die Scherung tritt zwischen der mechanischen Verbindung (Schweißnaht) des Hohlrads 12 an der Innenseite des Gehäuses 2 und den als Zahnrädern ausgebildeten Planeten 10 der ersten Getriebestufe 19 auf. Eine Kombination beider Messvarianten ermöglicht eine sehr gute Kompensation von Störeinflüssen.
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Die Sensoren 20 sind an eine Elektronikbaueinheit (nicht gezeigt) angeschlossen. Diese kann an verschiedenen Stellen angeordnet sein: In einem Zwischenraum zwischen Planetenrädern der einzelnen Getriebestufen. Es ist auch möglich, den Umfang der zweiten Getriebestufe 13 zu verkleinern, dadurch entsteht ein Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 2 und der zweiten Getriebestufe 13 zur Integration der Elektronikbaueinheit. Andererseits kann das Gehäuse 2 nach außen aufgeweitet werden, so dass die zweite Getriebestufe 13 einen unveränderten Außendurchmesser aufweist, sowie in einem Zwischenraum im Bereich des Motors 7 und in dort vorhandenen Freiräumen, gegebenenfalls wäre eine EMV-Abschirmung erforderlich. Andererseits ist es auch möglich, die Elektronikbaueinheit außen am Gehäuse 2 zu montieren, dazu wäre eine Durchgangsöffnung zur Kabelführung durch das Gehäuse 2 erforderlich. In diesem Fall müssten Maßnahmen zur Abdichtung der Öffnung gegenüber Umwelteinflüssen ergriffen werden. Die Elektronikeinheit könnte auch in der Gehäusewand montiert werden, dazu wäre eine Nut oder dergleichen an der Innenseite des Gehäuses erforderlich. In dieser Nut könnten auch zum Sensor 20 führende Signalleitungen angeordnet sein. Die Elektronikeinheit kann dann örtlich beliebig im Aktuator positioniert werden, vorteilhaft im Bereich einer ECU des Elektromotors.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gehäuses 2 eines Wankstabilisators für ein Kraftfahrzeug. Wesentliche Komponenten des in 4 gezeigten Gehäuses 2 entsprechen denjenigen des vorangehenden Ausführungsbeispiels, so dass an dieser Stelle auf eine nochmalige Erwähnung verzichtet wird. Identische Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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In Übereinstimmung mit dem vorangehenden Ausführungsbeispiel umfasst das Gehäuse 2 einen Motor 7, eine erste Getriebestufe 19, eine zweite Getriebestufe 13 und eine dritte Getriebestufe 17, die mit einer Entkopplungseinheit 18 verbunden ist.
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Zur Messung des Torsionsmoments weist das Gehäuse 2 einen Sensor auf, der an dem Hohlrad 12 der ersten Getriebestufe 19 angeordnet ist. Der Sensor beruht auf dem Prinzip der inversen Magnetostriktion und umfasst einen Primärsensor mit einer gerichteten Magnetisierung oder einer magnetischen Kodierung und einen wenigstens einen Magnetfeldsensor aufweisenden Sekundärsensor als Komponenten des Sensors.
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5 zeigt das Hohlrad 12 sowie einen Pfeil 21, der symbolisch die erzeugte Magnetisierung darstellt. Die gerichtete Magnetisierung des Hohlrads 12 bildet somit einen Primärsensor 22. Der Primärsensor 22 ist somit als Komponente des Sensors an dem Hohlrad 12 angeordnet. Zusätzlich ist in 5 schematisch ein Sekundärsensor 23 dargestellt, der als Magnetfeldsensor ausgebildet ist. Die Größe und die Position der Anbringung des Sekundärsensors 23 sind jeweils so gewählt bzw. abgestimmt, dass die auf das Hohlrad wirkende Torsion erfasst werden kann. Der in 5 gezeigte Anbringungsort ist daher lediglich schematisch zu verstehen. Der Sekundärsensor könnte beispielsweise auch im Bereich eines Planeten der ersten Getriebestufe oder an einem Planetenträger angeordnet sein.
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Der als Magnetfeldsensor ausgebildete Sekundärsensor ist mit einer entsprechenden Auswerteelektronik verbunden, die vorzugsweise innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist. Dazu kommen alle Positionen infrage, die zuvor bei der Beschreibung des vorangehenden Ausführungsbeispiels erwähnt wurden.
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Der aus dem Primärsensor 22 und dem Sekundärsensor 23 gebildete Sensor ermöglicht eine direkte Messung der Torsion am Hohlrad. Analog zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel kann die Torsion entweder direkt durch eine Torsionsmessung oder indirekt durch eine Messung der Axialkraft gemessen werden. Darüber hinaus kann auch bei dem auf inverser Magnetostriktion beruhenden Sensor eine Kombination der beiden Messverfahren vorgesehen sein, wodurch eine Kompensation von Störeinflüssen möglich ist.
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Generell können dem Primärsensor 22 mehrere Magnetfeldsensorelemente zugeordnet sein, mindestens jedoch ein Magnetfeldsensorelement als Sekundärsensor. Es ist auch denkbar, dass mehrere Magnetfeldsensorelemente gemeinsam einen Messkörper bilden. Ebenso könnte eine Erfassung des Magnetfelds dreidimensional erfolgen, indem drei räumliche Magnetfeldvektoren gemessen werden. Auf diese Weise kann eine kombinierte Belastung detektiert werden. Der als Magnetfeldsensor ausgebildete Sekundärsensor 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine stromdurchflossene Spule, er kann jedoch auch als Förstersonde oder als Hall-Sensor ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wankstabilisator
- 2
- Gehäuse
- 3
- Drehstabfeder
- 4
- Flansch
- 5
- Drehstabfeder
- 6
- Steuerungseinheit
- 7
- Elektromotor
- 8
- Planetengetriebe
- 9
- Elastomerentkopplungseinheit
- 10
- Planet
- 11
- Sonnenrad
- 12
- Hohlrad
- 13
- Getriebestufe
- 14
- Planet
- 15
- Sonnenrad
- 16
- Planet
- 17
- Getriebestufe
- 18
- Entkopplungseinheit
- 19
- Getriebestufe
- 20
- Sensor
- 21
- Pfeil
- 22
- Primärsensor
- 23
- Sekundärsensor
