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Die Erfindung betrifft einen aktiven Wankstabilisator mit einem Sensor für ein Kraftfahrzeug. Der Sensor umfasst einen magnetisierten Primärsensor sowie einen Magnetfeldsensor und ist zum Messen des Torsionsmoments auf dem Prinzip der inversen Magnetostriktion vorgesehen.
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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 aktiven Wankstabilisator der eingangs genannten Art, wobei die Planeten mit Befestigungselementen an dem Planetenträger angeordnet sind, erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Befestigungselement eine gerichtete Magnetisierung aufweist. Die Befestigungselemente können beispielsweise als Nadeln oder Nieten oder Bolzen ausgebildet sein. Weiter kann die gerichtete Magnetisierung als remanente Magnetisierung ausgebildet sein, und weiter kann die gerichtete Magnetisierung umlaufend-tangential oder diametral oder axial ausgebildet sein.
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In einer Ausgestaltung eines aktiven Wankstabilisators umfasst der Wankstabilisator einen Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor und das zumindest eine magnetisierte Befestigungselement bilden einen Sensor zum Messen des Torsionsmoments, der nach dem Prinzip der inversen Magnetostriktion funktioniert.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wankstabilisators ist der Magnetfeldsensor als Förstersonde, Hall-Sensor oder Spule ausgebildet.
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Derartige Sensoren zum Messen von beispielsweise Torsionsmomenten 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 beziehungsweise erfindungsgemäß in einem Befestigungselement erzeugt. Durch die lokale Ausrichtung magnetischer Domänen kann eine mechanische Spannung in einem solchen Befestigungselement 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.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wankstabilisators kann es vorgesehen sein, dass der Sensor zum Bestimmen des Torsionsmoments durch Messen einer dazu proportionalen Größe ausgebildet ist. Die Größe kann beispielsweise eine Axial- oder Radialkraft sein. Alternativ kann die zu dem Torsionsmoment proportionale Größe eine Dehnung oder Scherung sein, die proportional zu dem Torsionsmoment ist.
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Hinsichtlich der Anbringung des Sensors ist bei dem erfindungsgemäßen Wankstabilisator lediglich ein minimaler Bauraum erforderlich. Da er im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, ist er zuverlässig vor Verschmutzung und Beschädigungen geschützt.
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Prinzipiell beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine Anbringung oder Unterbringung des Sensors im Inneren des Aktuators 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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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Die Figuren zeigen nicht-skalierte Zeichnungen. Es zeigen:
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1 die wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators; und
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2 eine geschnittene Ansicht eines Aktuators eines erfindungsgemäßen Wankstabilisators gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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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 11 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 eine dritte Getriebestufe 17 mit Planeten 16. 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 (siehe 1) 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 (siehe 1) 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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Weiter zeigt 2 die Nadeln 20, 21, 22 (bzw. Nieten bzw. Bolzen) welche zur Lagerung der Planeten 10, 14, 16 an den Planetenträgern 23, 24, 25 der Getriebestufen 19, 13, 17 dienen. Die Nadeln 20, 21, 22 sind gerichtet magnetisiert (nicht in der Figur illustriert) und Teil eines Sensors zur Messung des Torsionsmoments. Der Sensor umfasst weiter einen Magnetfeldsensor (nicht dargestellt), womit der invers-magnetostriktive Effekt erfasst werden kann.
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Die Nadeln 20, 21, 22 der Getriebestufen 19, 13, 17 sind derart angebracht, dass beim anliegenden Moment an den Getriebestufen eine Scherung der Nadelkörper erfolgt. Somit sind Materialspannungen und/oder Materialscherungen bzw. Kräfte/Momente messbar. Eine Scherung kann beispielsweise in folgenden Fällen entstehen:
- • Die Getriebestufe 17 übt mit Planetenträger 25 einen Moment aus. Dabei werden die Nadeln 22 zwischen den Planeten 16 und der Planetenträgerwand geschert (oder umgekehrt). Die Kraftkomponente der Scherung zeigt in die tangentiale Richtung bzw. die Drehrichtung der Getriebestufe 17.
- • Der Körper der Getriebestufe 13 übt mit den Nadeln 21 gegen die Planeten 14 einen Moment aus (oder umgekehrt), was eine Scherung jeder Nadel 21 zwischen den Planeten 14 und der Planetenträgerwand hervorruft. Die Kraftkomponente der Scherung zeigt in die tangentiale Richtung bzw. die Drehrichtung der Getriebestufe 13.
- • Der Körper der Getriebestufe 19 übt mit den Nadeln 20 gegen die Planeten 10 einen Moment aus (oder umgekehrt), was eine eine Scherung jeder Nadel 20 zwischen den Planeten 10 und der Planetenträgerwand hervorruft. Die Kraftkomponente der Scherung zeigt in die tangentiale Richtung bzw. die Drehrichtung der Getriebestufe 19.
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Damit dienen die Nadeln 20, 21, 22 der Getriebestufen 19, 13, 17 als Primärsensoren. Die Nadeln 20, 21, 22 sind hierzu remanent magnetisiert bzw. magnetisch kodiert. Eine Magnetisierung kann beispielsweise umlaufend-tangential, diametral oder axial ausgebildet sein.
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Ein oder mehrere Magnetfeldsensoren für die invers-magnetostriktive Messung können axial an der Stirnfläche der Nadel 20, 21, 22 platziert sein. Ein solcher Magnetfeldsensor ausgebildeter Sekundärsensor kann beispielsweise eine stromdurchflossene Spule, eine Förstersonde oder auch ein Hall-Sensor sein.
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Die vorbeschriebene Sensorik kann an eine Elektronikbaueinheit (Sekundärsensorik/Elektronik, nicht gezeigt) angeschlossen sein. Diese kann an verschiedenen Stellen angeordnet sein. Die Getriebestufen 19, 13, 17 rotieren um die eigene Achse und damit bietet sich der Bereich zwischen den Getriebestufen 19, 13, 17 um dort die Sekundärsensorik zu platzieren. Denkbar ist primär eine nicht mit-rotierende Sekundärsensorik die beabstandet zu den Nadeln 20, 21, 22 positioniert ist und eine kontaktlose Magnetfeldmessung ermöglicht. Diese Sekundärsensorik kann fest verbunden mit dem Gehäuse sein, wo die Signalleitung abgeführt werden kann. Eine entsprechende Anordnung der Magnetfeldsensorkörper zu den Nadeln, deren Verschaltung und/oder eine entsprechende Auswertealgorithmik ermöglicht die optimale Sensorsignalgenerierung.
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Weiter denkbar sind eine mit der Getriebestufe mit-rotierende Elektronik und eine zweite Elektronik rotationsfest am Gehäuse. Die mit-rotierende Elektronik rotiert beabstandet gegenüber der zweiten Elektronik und so können Informationsdaten ausgetauscht werden und mittels Signalleitung weitergeleitet werden.
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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
- Nadel
- 21
- Nadel
- 22
- Nadel
- 23
- Planetenträger
- 24
- Planetenträger
- 25
- Planetenträger
