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Die Erfindung betrifft einen Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen in einem Gehäuse angeordneten, ein Planetengetriebe mit einem Sonennrad 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 einem Sonnenrad 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 einem Sonnenrad 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 einem Sonnenrad angeordnet sein. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht somit einen einteiligen Sensor vor, der beispielsweise einen Dehnungsmessstreifen (DMS) aufweist beziehungsweise als DMS ausgebildet ist. Dieser DMS kann dementsprechend an oder auf einem Sonnenrad 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 einem Sonnenrad angeordnet sein. Ein auf das Sonnenrad 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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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 sein, die proportional zu dem Torsionsmoment ist.
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Es wird besonders bevorzugt, dass der Sensor wenigstens einen 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 axial-frontal an einem Sonnenrad des Planetengetriebes, befestigt, beispielsweise aufgeklebt. Anhand der erfassten Dehnung kann auf das wirkende Torsionsmoment geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dass der Sensor mehrere in Umfangsrichtung eines Sonnenrads angeordnete Dehnungsmessstreifen aufweist. Dementsprechend können in Umfangsrichtung zum Beispiel 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 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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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 beziehungsweise in einem Sonnenrad erzeugt. Durch die lokale Ausrichtung magnetischer Domänen kann eine mechanische Spannung in dem Sonnenrad 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 eines Sonnenrads ausgebildet ist. Diese Beschichtung kann sich beispielsweise in Umfangsrichtung eines Sonnenrads erstrecken.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele 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;
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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 Sonnenrad angebrachten Dehnungsmessstreifen des erfindungsgemäßen Wankstabilisators aus 2;
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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 Sonnenrads des erfindungsgemäßen Wankstabilisators aus 4.
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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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3 zeigt schematisch das Sonnenrad 11 und Sensoren 20, der Dehnungsmessstreifen (DMS) aufweist. Sensoren 20 dient zur Messung der Torsion an der ersten Getriebestufe 19. Alternativ können die Sensoren 20 oder weitere Sensoren auch an Sonnenrad 15 zur Messung der Torsion der zweiten Getriebestufe 13 angeordnet sein (siehe 2). In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Sensoren 20 auf Sonnenrad 11 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 Sonnenrad 11 angebracht. Sie befinden sich axial-frontal auf dem Sonnenrad 11. Die in 3 gezeigte Anordnung ist lediglich beispielhaft zu verstehen, es können auch mehr als drei Sensoren 20 vorgesehen sein, die über den gesamten Umfang des Sonnenrads 11 angeordnet sind. Die Sensoren können so angeordnet werden, dass eine optimale Signalerfassung möglich ist und ein ausreichend hoher Signalpegel erhalten wird.
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Die Sensoren 20 sind an eine Elektronikbaueinheit (nicht gezeigt) angeschlossen. Diese kann an verschiedenen Stellen angeordnet sein: Im Sonnenrad-Hohlraum kann die Elektronik eingebracht werden. Ein Teil der Elektronik ist mit Sensoren 20 verbunden und rotiert mit dem Sonnenrad 11 mit. Ein zweiter Teil der Elektronik kann folglich im Sonnenrad-Hohlraum zum rotierenden Elektronikteil beabstandet sein. Zur Informationsübertragung zwischen den beiden Elektronikteilen ist eine Telemetrie notwendig. 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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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 Sonnenrad 11 der ersten Getriebestufe 19 angeordnet ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Sensor auf dem Sonnenrad 15 der zweiten Getriebestufe 13 angeordnet sein. 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 Sonnenrad 11 sowie einen Pfeil 21, der symbolisch die erzeugte Magnetisierung darstellt. Die gerichtete Magnetisierung des Sonnenrads 11 bildet somit einen Primärsensor 22. Der Primärsensor 22 ist also als Komponente des Sensors an dem Sonnenrad 11 angeordnet. Ein Sekundärsensor, der als Magnetfeldsensor ausgebildet sein kann, ist in 5 nicht dargestellt. Die Größe und die Position der Anbringung des Sekundärsensors können jeweils so gewählt bzw. abgestimmt sein, dass die auf das Sonnenrad wirkende Torsion erfasst werden kann. Ein prinzipiell möglicher Raum für die Anbringung des Sekundärsensors ist die zentrische Bohrung des Sonnenrad-Hohlraums sowie im Planetenträger der Elastomerkopplungseinheit 9.
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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. Die Sekundärelektronik kann also gelagert oder rotationsfest in den genannten Räumen positioniert werden. Die Kabelführung der Signalleitung kann in dem Fall über die genannten Räume zur Drehstabfeder 5 (siehe 1) geführt werden.
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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 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
