DE102016221206B4 - Elektromechanischer Fahrwerksaktuator - Google Patents
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Abstract
Ein elektromechanischer Fahrwerksaktuator weist mindestens einen Gewindetrieb (9,13,15,17) auf, welcher eine Gewindespindel (9,17) und eine Spindelmutter (13,15) umfasst. Weiter weist der Fahrwerksaktuator einen einzigen Elektromotor (6) auf, wobei dessen Rotor (26) mit der Spindelmutter (13,15) gekoppelt ist, sowie eine mit dem Gewindetrieb (9,13,15,17) zusammenwirkende, schaltbare, zur Umschaltung zwischen einem Niveauverstellmodus und einem Dämpfungsmodus des Gewindetriebs (9,13,15,17) ausgebildete Kupplung (14,21).
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen, zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeigneten Fahrwerksaktuator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs angeordneten Fahrwerksaktuator.
- Aus der
DE 10 2006 052 253 B3 ist ein Verstellantrieb zur örtlichen Verstellung einer Fahrwerkskomponente bekannt. Dieser Verstellantrieb weist mehrere, teilweise exzentrisch zueinander angeordnete Räder auf, und ist mit einem Lenker verbunden, welcher zur Anbindung eines Fahrzeugrades an einen Hilfsrahmen vorgesehen ist. - Die
DE 10 2005 059 117 A1 offenbart einen Aktuator für ein aktives Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, welcher einen hydraulischen oder pneumatischen Stellzylinder und eine Kompensationsfeder umfasst, wobei der Aktuator derart ausgelegt sein soll, dass die statische Aufbaumasse des Kraftfahrzeugs von der Kompensationsfeder getragen wird. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Fahrwerksaktuator anzugeben, welcher eine gegenüber dem Stand der Technik erweiterte Funktionsvielfalt aufweist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Fahrwerksaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Aktuators gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den elektromechanischen Fahrwerksaktuator, und umgekehrt.
- Der Fahrwerksaktuator weist zwei Gewindetriebe auf die jeweils eine eigene Gewindespindel und eine eigene Spindelmutter aufweisen. In jedem Fall weist der elektromechanische Fahrwerksaktuator lediglich einen einzigen Elektromotor auf. Der Rotor dieses Elektromotors ist mit mindestens einer Spindelmutter gekoppelt oder koppelbar. Ferner weist der Fahrwerksaktuator eine schaltbare Kupplung auf, welche mit den Gewindetrieben des Fahrwerksaktuators zusammenwirkt. Die schaltbare Kupplung dient der Umschaltung zwischen einem Niveauverstellmodus und einem Dämpfungsmodus des Gewindetriebs.
- Ist der Niveauverstellmodus des Fahrwerksaktuators aktiviert, so erfolgt eine Niveauverstellung des Fahrwerks beispielsweise nach dem in der
DE 10 2014 215 420 A1 beschriebenen Prinzip. - Im Dämpfungsmodus wird dagegen eine lineare Bewegung der Gewindespindel in eine Rotation der Spindelmutter umgesetzt, welche durch elektromagnetische Kräfte gedämpft wird. Verschiedene elektromagnetische Stoßdämpfer, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind zum Beispiel in den Dokumenten
EP 1 515 064 B1 sowieDE 10 2010 013 935 A1 offenbart. - Der Elektromotor des elektromechanischen Fahrwerksaktuators kann im Dämpfungsmodus generatorisch betrieben werden. Ebenso ist es im Dämpfungsmodus möglich, durch Bestromung von Statorwicklungen des Elektromotors aktiv ein Drehmoment auf den mit der Spindelmutter gekoppelten Rotor aufzubringen.
- Wird der elektromechanische Fahrwerksaktuator im Niveauverstellmodus betrieben, so ist ein Anheben des Fahrzeugaufbaus möglich, indem mittels des Elektromotors ein Drehmoment auf die Spindelmutter aufgebracht wird. Beim Absenken des Niveaus des Fahrzeugaufbaus kann der Elektromotor generatorisch betrieben werden, sofern es sich bei dem Gewindetrieb nicht um ein selbsthemmendes Getriebe, insbesondere um einen Kugelgewindetrieb, handelt. In jedem Fall ist der Elektromotor, mit welchem die Dämpfungswirkung des Fahrwerksaktuators im Dämpfungsmodus erzielt wird, mit dem zur Niveauverstellung genutzten Elektromotor identisch. Bevorzugt wird der elektromechanische Fahrwerksaktuator bei Einzelradaufhängungen eingesetzt. Prinzipiell ist auch eine Verwendung bei sonstigen Achskonstruktionen, beispielsweise Verbundlenkerachsen, möglich. Statt eines Kugelgewindetriebs oder einer Mehrzahl an Kugelgewindetrieben kann der Fahrwerksaktuator auch mindestens einen Gewindetrieb sonstiger Bauart, beispielsweise eine einfaches Bewegungsgewinde ohne Wälzkörper, aufweisen.
- Der erfindungsgemäße Fahrwerksaktuators weist zwei koaxial zueinander angeordnete Gewindetriebe auf, welche jeweils eine gesonderte Gewindespindel sowie eine zugehörige Spindelmutter umfassen. Hierbei ist der Rotor des einzigen Elektromotors des Fahrwerksaktuators starr mit der Spindelmutter eines der beiden Gewindetriebe verbunden. Unter einer starren Verbindung wird dabei jegliche drehfeste Verbindung, auch unter Zwischenschaltung eines Dämpfungselementes, verstanden. Im Gegensatz zum ersten Gewindetrieb ist im Fall des zweiten Gewindetriebs die Spindelmutter lösbar, nämlich über die Kupplung schaltbar, mit dem Rotor des Elektromotors verbunden. Optional ist hierbei ein weiteres, als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Getriebe zwischen den Elektromotor und den zuschaltbaren Gewindetrieb geschaltet. Der zweite, zuschaltbare Gewindetrieb kommt vorzugsweise ausschließlich im Niveauverstellmodus des Fahrwerksaktuators zum Einsatz. Die Kupplung ist vorzugsweise als MRF-Kupplung ausgebildet, das heißt als Kupplung, welche mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit arbeitet. Alternativ kann beispielsweise eine Reibungskupplung oder eine schaltbare, formschlüssige Kupplung beliebiger Bauart zum Einsatz kommen.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Bauform des Fahrwerksaktuators mit zwei Gewindetrieben ist die Gewindespindel desjenigen Gewindetriebs, welcher die über die schaltbare Kupplung antreibbare Spindelmutter aufweist, als Hohlspindel ausgebildet. Die Gestaltung als Hohlspindel hat den Vorteil, dass die Gewindespindel des ersten Gewindetriebs, das heißt des Gewindetriebs, dessen Spindelmutter starr mit dem Rotor des Elektromotors verbunden ist, raumsparend in die als Hohlspindel ausgebildete Gewindespindel eingreifen kann.
- Die zwei Gewindetriebe des Fahrwerksaktuators sind eindeutig den beiden Modi, in welchen der Fahrwerksaktuator betreibbar ist, zuordenbar: Der erste Gewindetrieb, bei welchem der Rotor des Elektromotors und die Spindelmutter eine im bestimmungsgemäßen Betrieb nicht trennbare, in sich starre Komponente bilden, hat im Dämpfungsmodus eine zentrale Funktion. Zur Ausführung dieser Funktion ist der erste Gewindetrieb nicht selbsthemmend ausgelegt. Dagegen tritt der zweite, zuschaltbare Gewindetrieb ausschließlich im Niveauverstellmodus in Funktion. Das Halten einer Niveaueinstellung des Fahrwerks wird durch selbsthemmende Auslegung dieses Gewindetriebs begünstigt. Alternativ oder zusätzlich kann ein den zweiten Gewindetrieb blockierender Verriegelungsmechanismus vorgesehen sein.
- Die lineare Verlagerung eines Federtellers kann auch in der ersten Bauform des Fahrwerksaktuators, sofern dieser im Niveauverstellmodus betrieben wird, vorgesehen sein. In definierten Niveaueinstellungen des Fahrwerksaktuators ist der Federteller in beiden Bauformen vorzugsweise mit Hilfe eines Rastmechanismus fixierbar. In einer solchen fixierten Einstellung ist der Fahrwerksaktuator dann im Dämpfungsmodus als elektromechanischer Dämpfer betreibbar.
- Allgemein sind die verschiedenen Betriebsmodi des eine Kupplung aufweisenden Fahrwerksaktuators folgendermaßen voneinander unterscheidbar:
- - In einer ersten Schaltstellung der Kupplung wird mittels eines elektrisch betätigten Gewindetriebs eine Niveauverstellung eines Fahrwerks vorgenommen (Niveauverstellmodus),
- - in einer zweiten Schaltstellung der Kupplung wird mittels eines Gewindetriebs, welcher nicht notwendigerweise mit dem im Niveauverstellmodus verwendeten Gewindetrieb identisch, jedoch in jedem Fall mit demselben elektrischen Antrieb gekoppelt ist, eine Dämpfungswirkung des Fahrwerksaktuators erzielt, wobei eine dämpfende Kraft auf eine rotierende Komponente des Gewindetriebs wirkt (Dämpfungsmodus).
- Der Vorteil des elektromechanischen Fahrwerksaktuator liegt insbesondere darin, dass einerseits die Funktion eines elektromechanischen Stoßdämpfers und andererseits die Funktion einer Niveauverstellung oder Niveauregulierung mit Hilfe eines einzigen, auch generatorisch betreibbaren Elektromotors realisiert ist.
- Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Fahrwerksaktuators, -
2 in einer Darstellung analog1 einen weiteren elektromechanischen Fahrwerksaktuator, -
3 bis5 Komponenten des Fahrwerksaktuators nach2 . - Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele.
- Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen
10 gekennzeichneter Fahrwerksaktuator ist zum Einbau in ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Hierbei ist ein Gehäuse2 des Fahrwerksaktuators10 von einem Radträger1 des nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs aufgenommen. Das Gehäuse2 ist mehrteilig aufgebaut und mit einem Federteller3 verbunden, an welchen sich eine Fahrwerksfeder4 abstützt. In dem Gehäuse2 befindet sich ein als Hohlwellenmotor ausgebildeter Elektromotor6 , dessen Rotor mit 26 bezeichnet ist. Der Rotor26 ist fest mit einer Hülse8 verbunden, welche mit Hilfe von Lagerungen5 ,7 rotierbar im Gehäuse2 gelagert ist. Die Hülse8 umgibt eine Gewindespindel9 konzentrisch. Mit Hilfe eines Gleitlagerelementes11 ist die Gewindespindel9 verschiebbar im Gehäuse2 gelagert. Eine Verdrehung der Gewindespindel9 ist nicht vorgesehen. Die Gewindespindel9 ist am Fahrzeugaufbau gegen Verdrehung gesichert. - Die Gewindespindel
9 bildet zusammen mit einer Spindelmutter13 einen Gewindetrieb. Zwischen der Spindelmutter13 und der Gewindespindel9 rollen Kugeln als Wälzkörper ab; der Gewindetrieb ist damit als Kugelgewindetrieb ausgebildet. Die Spindelmutter13 ist über die Hülse8 fest mit dem Rotor26 des Elektromotors6 verbunden. Das in den Figuren nicht erkennbare obere Ende der Gewindespindel9 ist mit einem Fahrzeugaufbau verbunden. Jede Ein- und Ausfederung der Fahrwerksfeder4 geht mit einer linearen Bewegung der Gewindespindel9 einher, welche in eine Rotation des Rotors26 des Elektromotors6 umgesetzt wird. Der Elektromotor6 wird hierbei generatorisch betrieben und wirkt als elektromagnetisches Dämpfungselement, welches einen sonstigen, beispielsweise hydraulischen Dämpfer ersetzt oder ergänzt. - Im Ausführungsbeispiel nach
1 ist mit der Spindelmutter13 eine Fliehkraftbremse12 verbunden, welche zwischen der Spindelmutter13 und dem Gehäuse2 wirkt. In entsprechender Weise ist auch in den Fahrwerksaktuator nach2 eine Fliehkraftbremse integrierbar. Eine solche Fliehkraftbremse innerhalb eines elektromagnetischen Stoßdämpfers ist prinzipiell aus derDE 10 2010 013 935 A1 bekannt. - Das Gehäuse
2 des Fahrwerksaktuators10 nach1 umfasst ein Gehäuseunterteil18 , welches am Radträger1 gehalten ist, sowie ein Gehäuseoberteil28 , welches relativ zum Gehäuseunterteil18 verschiebbar ist. Zur Verschiebung des Gehäuseoberteils28 relativ zum Gehäuseunterteil18 ist ein zweiter Gewindetrieb innerhalb des Fahrwerksaktuators10 vorgesehen, welcher aus einer als Hohlspindel ausgebildeten Gewindespindel17 und einer Spindelmutter15 zusammengesetzt ist. Bei dem aus der Gewindespindel17 und der Spindelmutter15 gebildeten Gewindetrieb handelt es sich um ein einfaches Bewegungsgewinde mit selbsthemmenden Eigenschaften. Die Spindelmutter15 ist über eine Kupplung14 , welche im vorliegenden Fall als MRF-Kupplung ausgebildet ist, mit der Hülse8 koppelbar. In1 ist ferner ein Lagerelement16 zur axialen Lagerung der Hülse8 auf der Gewindemutter15 erkennbar. Die Gewindespindel9 des ersten Gewindetriebs greift, wie ebenfalls aus1 hervorgeht, in die hohle Gewindespindel17 ein. - Wird die schaltbare Kupplung
14 geschlossen, so ist die Spindelmutter15 durch den Elektromotor6 antreibbar. Durch die geschlossene Kupplung14 ist der Niveauverstellmodus des Fahrwerksaktuators10 aktiviert. Die Rotation des Rotors26 wird hierbei in eine Verschiebung zwischen den Gehäuseteilen18 ,28 umgesetzt, wobei zwischen den Gehäuseteilen18 ,28 eine Verdrehsicherung wirksam ist. Ein möglicher Verschiebeweg ist in1 mitΔL bezeichnet. Dem VerschiebewegΔL entspricht eine Verlagerung des Federtellers3 in Längsrichtung der Gewindespindel9 . Damit ist durch den zweiten Gewindetrieb, das heißt durch den die Gewindespindel17 und die Spindelmutter15 umfassenden Gewindetrieb, der Fahrwerksaktuator10 als Aktuator zur Niveauverstellung betreibbar. - Sobald ein gewünschtes Fahrwerksniveau eingestellt ist, wird die schaltbare Kupplung
14 geöffnet, um den Fahrwerksaktuator10 als Dämpfer, das heißt im Dämpfungsmodus, in welchem der Rotor26 durch Verschiebung der Gewindespindel9 antreibbar ist, betreiben zu können. Eine Linearführung zwischen den Gehäuseteilen18 ,28 ist in1 mit 19 bezeichnet. - Im Ausführungsbeispiel nach
2 ist der Federteller3 , welcher auch in diesem Fall höhenverstellbar ist, mit einer Verriegelungshülse20 verbunden, welche gegenüber dem Gehäuse2 höhenverstellbar ist und ebenso wie dieses die Gewindespindel9 konzentrisch umgibt. Eine in Längsrichtung der Gewindespindel9 unverschiebbare Verbindung zwischen dieser und der Verriegelungshülse20 ist in der Ausgestaltung nach2 durch eine Kupplung21 herstellbar sowie aufhebbar. Ist die Kupplung21 geöffnet, das heißt keine Kopplung zwischen der Verriegelungshülse20 und der Gewindespindel9 in Axialrichtung gegeben, so ist der Fahrwerksaktuator10 in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel nach1 als elektromagnetischer Dämpfer nutzbar. - Wird dagegen die Kupplung
21 geschlossen, so ist die Verriegelungshülse20 zusammen mit der Gewindespindel9 in Axialrichtung verlagerbar, das heißt höhenverstellbar. Die Verriegelungshülse20 wirkt zusammen mit einem Verriegelungsring22 und einem Schaltring25 , wie prinzipiell aus derDE 10 2014 215 420 A1 bekannt. In2 sind ferner Lagerungen23 ,24 zur radialen beziehungsweise axialen Lagerung des Verriegelungsrings22 auf dem Gehäuse2 erkennbar. Insgesamt ist die durch die Verriegelungshülse20 , den Verriegelungsring22 , sowie den Schaltring25 gebildete Verriegelungseinheit mit 27 bezeichnet. Die Verriegelungshülse20 weist verschiedene Führungskonturen29 ,30 auf, welche zur Zusammenwirkung mit Steuernocken31 des Verriegelungsrings22 vorgesehen sind. Mit Hilfe der unterschiedlichen Führungskonturen29 ,30 ist die Verriegelungshülse20 und mit dieser auch der Federteller3 in zwei unterschiedlichen Höheneinstellungen arretierbar. Sobald der Federteller3 arretiert ist, kann der Fahrwerksaktuator10 bei geöffneter Kupplung21 als elektromagnetischer Dämpfer, das heißt im Dämpfungsmodus, betrieben werden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Radträger
- 2
- Gehäuse
- 3
- Federteller
- 4
- Fahrwerksfeder
- 5
- Lagerung
- 6
- Elektromotor
- 7
- Lagerung
- 8
- Hülse
- 9
- Gewindespindel
- 10
- Fahrwerksaktuator
- 11
- Gleitlagerelement
- 12
- Fliehkraftbremse
- 13
- Spindelmutter
- 14
- Kupplung
- 15
- Spindelmutter
- 16
- Lagerelement
- 17
- Gewindespindel
- 18
- Gehäuseunterteil
- 19
- Linearführung
- 20
- Verriegelungshülse
- 21
- Kupplung
- 22
- Verriegelungsring
- 23
- Lagerung
- 24
- Lagerung
- 25
- Schaltring
- 26
- Rotor
- 27
- Verriegelungseinheit
- 28
- Gehäuseoberteil
- 29
- Führungskontur
- 30
- Führungskontur
- 31
- Steuernocken
- ΔL
- Verschiebeweg
Claims (8)
- Elektromechanischer Fahrwerksaktuator (10), mit zwei jeweils eine Spindelmutter (13,15) und eine Gewindespindel (9,17) aufweisende, koaxial zueinander angeordnete Gewindetrieben, (9,13,15,17), und mit einem einzigen Elektromotor (6), dessen Rotor (26) mit der einen Spindelmutter (13,15) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit den Gewindetrieben (9,13,15,17) zusammenwirkende, zur Umschaltung zwischen einem Niveauverstellmodus und einem Dämpfungsmodus des Gewindetriebs (9,13,15,17) ausgebildete schaltbare Kupplung (14,21) vorgesehen ist, wobei der Rotor (26) starr mit der Spindelmutter (13) des einen Gewindetriebs (9,13) und über die Kupplung (14) schaltbar mit der Spindelmutter (15) des anderen Gewindetriebs (15,17) gekoppelt ist.
- Fahrwerksaktuator (10) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (17) desjenigen Gewindetriebs (15,17), welcher die über die Kupplung (14) antreibbare Spindelmutter (15) aufweist, als Hohlspindel ausgebildet ist. - Fahrwerksaktuator (10) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (9) des Gewindetriebs (9,13), dessen Spindelmutter (13) starr mit dem Rotor (26) verbunden ist, in die als Hohlspindel (17) ausgebildete Gewindespindel eingreift. - Fahrwerksaktuator (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Gewindetrieb (15,17), dessen Spindelmutter (15) über die Kupplung (14) mit dem Rotor (26) des Elektromotors (6) koppelbar ist, als selbsthemmender Gewindetrieb ausgelegt ist. - Fahrwerksaktuator (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindetrieb (9,13,15,17) zur Verlagerung eines Federtellers (3) in axialer Richtung der Gewindespindel (9,17) ausgebildet ist. - Fahrwerksaktuator (10) nach
Anspruch 5 , gekennzeichnet durch einen Rastmechanismus (20,22,25) zur in einer Axialrichtung wirksamen Fixierung des Federtellers (3) im Dämpfungsmodus. - Fahrwerksaktuator (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (14,21) als MRF (magnetorheologische Flüssigkeits-) Kupplung ausgebildet ist. - Verfahren zum Betrieb eines in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs angeordneten Fahrwerksaktuators (10), welcher zwei Gewindetriebe (9,13,15,17), sowie einen einzigen zur Betätigung der Gewindetriebe (9,13,15,17) vorgesehenen elektrischen Antrieb (6), sowie eine zur Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebsmodi des Fahrwerksaktuators (10) vorgesehene Kupplung (14,21) aufweist, wobei ein Rotor (26) des elektrischen Antriebs starr mit dem einen Gewindetrieb (9,13) verbunden ist und über die Kupplung (14) schaltbar mit dem anderen Gewindetrieb (15,17) gekoppelt ist, mit folgenden Merkmalen: - In einer ersten Schaltstellung der Kupplung (14,21) wird mittels des anderen Gewindetriebs (15,17) eine Niveauverstellung des Fahrwerks vorgenommen, - in einer zweiten Schaltstellung der Kupplung (14,21) wird mittels des einen Gewindetriebs (9,13,) eine Dämpfungswirkung des Fahrwerksaktuators (10) erzielt, wobei eine dämpfende Kraft auf eine rotierende Komponente (6,8,13)) des Gewindetriebs (9,13,) wirkt.
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