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Die Erfindung betrifft einen in einem Kraftfahrzeug verwendbaren Fahrwerksaktuator, welcher einen Sperrmechanismus umfasst. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrwerksaktuators.
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Ein Fahrwerksaktuator mit einem Sperrmechanismus ist zum Beispiel aus der
EP 2 274 177 B1 bekannt. Der Sperrmechanismus umfasst in diesem Fall eine Schlingfeder.
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Fahrwerksaktuatoren mit formschlüssigen Verriegelungsmechanismen sind zum Beispiel in den Dokumenten
DE 10 2014 206 142 A1 ,
DE 10 2014 215 420 A1 und
DE 10 2015 206 149 A1 offenbart. Jeder dieser Fahrwerksaktuatoren weist einen Wälzgewindetrieb, nämlich Kugelgewindetrieb, zur Umsetzung einer rotativen Bewegung in eine Linearbewegung auf.
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Ein weiterer Fahrwerksaktuator, welcher mit einem Kugelgewindetrieb arbeitet, ist zum Beispiel aus der
DE 10 2008 021 861 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelten Fahrwerksaktuator anzugeben, welcher insbesondere in einer gesperrten Stellung besonders energiesparend betreibbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Fahrwerksaktuator mit den Merkmalen den Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrwerksaktuators gemäß Anspruch 4. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Fahrwerksaktuator, und umgekehrt.
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Der Fahrwerksaktuator umfasst eine Sperrvorrichtung, welche ein zur Umsetzung einer rotativen Bewegung in eine lineare Bewegung ausgebildetes Getriebe aufweist, wobei ein mit einer gehäusefesten Sperrkontur zusammenwirkendes, durch die Kraft mindestens eines passiven Kraftelementes belastetes Sperrelement der Sperrvorrichtung sowohl linear als auch rotativ bewegbar und zum Antrieb einer Welle eines Stellgetriebes vorgesehen ist.
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Unter einer gehäusefesten Sperrkontur des Fahrwerksaktuators wird eine formschlüssig arbeitende Sperrkontur verstanden, welche fest mit einem nicht notwendigerweise geschlossenen Gehäuse des Fahrwerksaktuators verbunden oder als integraler Bestandteil eines solchen Gehäuses ausgebildet ist. Bei dem Fahrwerksaktuator handelt es sich vorzugsweise um einen elektromechanischen Aktuator. Hierbei kann das rotativ anzutreibende Element der Sperrvorrichtung, dessen Bewegung in eine lineare Bewegung umgesetzt wird, entweder direkt oder indirekt durch einen Elektromotor angetrieben werden. In beiden Fällen handelt es sich bei diesem Elektromotor um denselben Elektromotor, welcher auch die Welle des Stellgetriebes antreibt.
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Das sowohl linear als auch rotativ bewegbare Sperrelement kann entweder in Axialrichtung oder in Radialrichtung der anzutreibenden Welle des Stellgetriebes verschiebbar sein. Im erstgenannten Fall ist das Sperrelement vorzugsweise in jedem Zustand der Sperrvorrichtung drehfest mit der genannten Welle gekoppelt, insbesondere fest mit dieser Welle verbunden oder Teil dieser Welle.
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Das Betriebsverfahren nach Anspruch 4 geht von einem Fahrwerksaktuator aus, welcher einen Elektromotor aufweist, der sowohl zur Betätigung einer Sperrvorrichtung als auch zum Antrieb einer mittels der Sperrvorrichtung blockierbaren, eingangsseitigen Welle eines Stellgetriebes vorgesehen ist, wobei die Welle durch ein unabhängig vom Elektromotor erzeugtes, insbesondere aus Gewichtskräften des Fahrzeugs resultierendes Drehmoment in gleichbleibender Richtung beaufschlagt ist und der Elektromotor zur Erzeugung eines Antriebsmomentes in der Gegenrichtung vorgesehen ist. Somit ist die Verwendung eines Elektromotors möglich, welcher ein Antriebsmoment lediglich in einer einzigen Richtung erzeugt. Je nach Betriebszustand des Fahrwerksaktuators ist dieses Antriebsmoment auch als Bremsmoment nutzbar.
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In einem ersten Betriebsmodus treibt der Elektromotor die eingangsseitige Welle des Stellgetriebes, insbesondere Kugelgewindetriebs, des Fahrwerksaktuators in der Richtung des Antriebsmomentes, das heißt gegen die permanent auf die Welle wirkende Belastung, an, indem - ausgehend vom blockierten Zustand der Sperrvorrichtung - die Sperrvorrichtung zunächst gelöst wird, wobei die Motorwelle des Elektromotors bis zu einem Anschlag gegenüber der Welle verdreht wird und anschließend die Welle des Stellgetriebes mit der Motorwelle des Elektromotors mitgedreht wird.
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In einem zweiten Betriebsmodus wird dagegen eine Rotation der Welle des Stellgetriebes entgegen dem Antriebsmoment des Elektromotors zugelassen, indem die Sperrvorrichtung - ebenfalls ausgehend vom blockierten Zustand der Sperrvorrichtung - zunächst durch den Elektromotor gelöst wird, und wobei bei Erreichen des Anschlags zwischen der Motorwelle des Elektromotors und der eingangsseitigen Welle des Stellgetriebes durch den Elektromotor ein Gegenmoment erzeugt wird, welches einerseits kleiner als das auf die Welle wirkende, unabhängig vom Elektromotor erzeugte Drehmoment und andererseits größer als das zum Offenhalten der Sperrvorrichtung erforderliche Haltemoment ist. Der Elektromotor wirkt in diesem Betriebsmodus somit als Bremse, mit welcher die selbsttätige Verstellung des Fahrwerksaktuators abgebremst wird.
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Der Übergang zwischen dem zweiten Betriebsmodus und der blockierten Einstellung der Sperrvorrichtung wird schließlich bewerkstelligt, indem das durch den Elektromotor erzeugte Gegenmoment zunächst erhöht wird, bis es dem auf die Welle wirkenden, unabhängig vom Elektromotor erzeugten Drehmoment entspricht, so dass die Welle zum Stillstand kommt, und anschließend unter das Niveau des Haltemoments gesenkt wird, womit die Sperrvorrichtung geschlossen wird. Dieses Senken des vom Elektromotor erzeugten Momentes bis zum Blockieren des Fahrwerksaktuators durch die Sperrvorrichtung erfolgt vorzugsweise derart schnell, dass es nach dem durch das Gegenmoment erzeugten Stillstand der Welle nicht oder nur in einem geringen Maße zu einer zwischenzeitlichen Verdrehung der Welle vor dem Greifen der Sperrvorrichtung kommt.
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Die Durchführung des beschriebenen Verfahrens setzt voraus, dass das Stellgetriebe des Fahrwerksaktuators nicht selbsthemmend ausgelegt ist. Ist das Getriebe des Fahrwerksaktuators als Getriebe mit geringem Wirkungsgrad, welcher nur geringfügig über dem Wirkungsgrad eines selbsthemmenden Getriebes liegt, ausgelegt, so sind bereits geringe Haltemomente zum Halten des gesperrten Zustands ausreichend.
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Mit Hilfe der Sperrvorrichtung des erfindungsgemäßen Fahrwerksaktuators ist eine serielle Sperreinheit realisiert. Die serielle Funktion ist dahingehend zu verstehen, dass mittels ein und desselben Elektromotors zunächst der gesperrte Zustand der Sperrvorrichtung aufgehoben und anschließend das Eingangselement des Stellgetriebes in Rotation versetzt wird. Diese Doppelfunktion des Elektromotors zum einen als Antriebsmotor des Stellgetriebes und zum anderen als Aktor des Sperrvorrichtung begünstigt einen raum- und gewichtssparenden Aufbau des Fahrwerksaktuators. Das Das Stellgetriebe des Fahrwerksaktuators ist vorzugsweise als Wälzgewindetrieb, insbesondere als Kugelgewindetrieb, ausgebildet. Ebenso kann der Fahrwerksaktuator eine mehrstufige Getriebeanordnung umfassen.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 einen Fahrwerksaktuator mit einem Sperrmechanismus, welcher ein axial verlagerbares Sperrelement umfasst,
- 2 den Fahrwerksaktuator nach 1 in einer weiteren Ansicht,
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fahrwerksaktuators mit einem Sperrmechanismus,
- 4 und 5 Details des Sperrmechanismus des Fahrwerksaktuators nach 3,
- 6 eine Kopplung zwischen verschiedenen drehmomentübertragenden Komponenten in einem Fahrwerksaktuator.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Fahrwerksaktuator ist beispielsweise in einer elektromechanischen Niveauregulierung oder in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs verwendbar. Der Fahrwerksaktuator 1 umfasst eine Sperrvorrichtung 2, welcher mit formschlüssigen Sperrkonturen SK arbeitet.
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Ein Elektromotor 3 ist sowohl zur Betätigung der Sperrvorrichtung 2 als auch zum Antrieb einer Eingangswelle 7 eines nicht weiter dargestellten Getriebes, nämlich eines Kugelgewindetriebs, des Fahrwerksaktuators 1 vorgesehen. Die mit 4 bezeichnete Motorwelle des Elektromotors 3 ist koaxial zur Eingangswelle 7 angeordnet und fest verbunden mit einem Eingangselement 5, welches dem Sperrmechanismus 2 zuzurechnen ist.
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Gegenüber der Eingangswelle 7, kurz auch als Welle bezeichnet, ist die Motorwelle 4 beschränkt verdrehbar, wie in 6 veranschaulicht ist. Die durch die Konturierungen der Wellen 4, 7 gegebenen Anschläge können in nicht dargestellter Weise, beispielsweise mit Hilfe von Elastomerelementen, gedämpft sein. Die in 6 gezeigte Winkelrelation zwischen den Wellen 4, 7 entspricht dem gesperrten, das heißt aktivierten Zustand der Sperrvorrichtung 2 (1, 2, 4, 5).
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Die Sperrvorrichtung 2 umfasst ein erstes Sperrelement 8, welches in axialer Richtung (1) beziehungsweise in radialer Richtung (3) verschiebbar ist, jeweils bezogen auf die mit M bezeichnete Mittelachse des Fahrwerksaktuators 1, welche mit der Rotationsachse des Elektromotors 3 zusammenfällt. Bei dem ersten Sperrelement 8 handelt es sich um ein zusammen mit der Eingangswelle 7 rotierbares Element. In Relation zu dem mit der Motorwelle 4 verbundenen Eingangselement 5 ist das erste Sperrelement 8 beschränkt verschwenkbar. Mit Hilfe von Federn 9, 10 wird das erste Sperrelement 8 gegen Gehäuse 11 des Fahrwerksaktuators 1 gedrückt, wobei sich Sperrkonturen SK am Gehäuse sowie am ersten Sperrelement 8 befinden. Das Gehäuse 11 fungiert damit als zweites Sperrelement der Sperrvorrichtung 2. Die Federn 9, 10 werden allgemein auch als passive Kraftelemente bezeichnet.
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In der Bauform nach 1 ist das erste Sperrelement 8 als Sperrscheibe ausgebildet, an welcher sich die mit dem Gehäuse 11 zusammenwirkende Sperrkontur SK befindet. Bei den Federn 9, 10 handelt es sich um Schraubenfedern, welche parallel zur Mittelachse M angeordnet sind. Alternativ könnte die Sperrscheibe 8 auch durch die Kraft einer einzigen Feder, beispielsweise Schraubenfeder oder Wellfeder, beaufschlagt sein, welche konzentrisch zur Mittelachse M angeordnet ist. Die Sperrscheibe 8 ist im Fall von 1 fest mit der Eingangswelle 7 des Stellgetriebes verbunden.
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Die Baueinheit aus erstem Sperrelement 8 und Eingangswelle 7 ist als Ganzes in Axialrichtung verlagerbar, wobei diese Verlagerung der Aktivierung und Deaktivierung der Sperrvorrichtung 2 entspricht.
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In der Bauform nach den 3 bis 5 ist das erste Sperrelement 8 als Schieber ausgebildet, welcher in Radialrichtung, bezogen auf die Mittelachse M, verschiebbar ist. Auch in diesem Fall sind als Schraubenfedern ausgebildete Federn 9, 10 zur Anfederung des ersten Sperrelementes 8 vorgesehen.
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Sowohl im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 als auch im Ausführungsbeispiel nach den 3 bis 5 umfasst die Sperrvorrichtung 2 eine Führungskulisse 12, welche Übergänge zwischen verschiedenen Zuständen der Sperrvorrichtung 2 und damit des gesamten Fahrwerksaktuators 1 ermöglicht.
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Im Fall von 1 ist die Führungskulisse 12 auf einer im Wesentlichen zylindrischen Mantelfläche eines Ausgangselementes 6 ausgebildet, welches fest mit dem ersten Sperrelement 8 sowie mit der Welle 7 verbunden ist. Das Eingangselement 5 bildet zusammen mit dem Ausgangselement 6 ein Getriebe, welches zur Umsetzung einer Rotation in eine lineare Bewegung ausgebildet ist. Darüber hinaus ist das Ausgangselement 6 durch das Eingangselement 5, soweit der entsperrte Zustand der Sperrvorrichtung 2 vorliegt, rotativ antreibbar. In die Führungskulisse 12 greift ein Zapfen 13 ein, welcher fest mit dem Eingangselement 5 verbunden ist. Die Führungskulisse 12 beschreibt einen Abschnitt einer schraubenförmig gewunden Bahn, welche sich über weniger als ein Viertel des Umfangs des Ausgangselementes 6 erstreckt.
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Ausgehend von der in den 1 und 2 skizzierten, gesperrten Stellung der Sperrvorrichtung 2 ist der Elektromotor 3 derart antreibbar, dass der Zapfen 13 innerhalb der Führungskulisse 12 verfahren wird, bis ein Anschlag (am rechten Rand der Führungskulisse 12, bezogen auf die 1 und 2) erreicht ist. In dieser Position ist das Sperrelement 8 vollkommen von der gehäuseseitigen Sperrkontur SK abgehoben. Die Eingangswelle 7 wird hierbei in einer Richtung angetrieben, welche der aus Gewichtskräften des Fahrzeugs resultierenden Belastungsrichtung entgegengesetzt ist. Durch Absenken des Antriebsmomentes des Elektromotors 3 kann die Sperrvorrichtung 2 jederzeit zurück in den gesperrten Zustand verstellt werden, wobei zunächst die Drehzahl der Welle 7 auf Null reduziert wird.
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Eine Rotation der Welle 7 gegen die Antriebsrichtung des Elektromotors 7 setzt voraus, dass die Sperrvorrichtung 2 entsperrt ist, benötigt jedoch keine Antriebsleistung durch den Elektromotor 3. Ausgehend vom gesperrten Zustand der Sperrvorrichtung 2 wird auch in diesem Fall die Motorwelle 4 zunächst mit einem Drehmoment beaufschlagt, mit welchem die Sperrvorrichtung 2 entsperrt wird. Dieses Drehmoment wird weiter erhöht, bis es betragsmäßig demjenigen Drehmoment entspricht welches über das Stellgetriebe, das heißt den Kugelgewindetrieb, auf die Welle 7 wirkt. Das damit eingestellte Gleichgewicht wirkender Momente lässt die Welle 7 im Ruhezustand verharren. Ausgehend von diesem Zustand wird das vom Elektromotor 3 erzeugte Drehmoment soweit gesenkt, dass es zwar noch ausreichend ist, um die Sperrvorrichtung 2 offen zu halten, jedoch signifikant geringer als über das Stellgetriebe in der Gegenrichtung auf die Welle 7 wirkende Drehmoment ist. Der Elektromotor 3 wirkt in diesem Betriebszustand als Bremse, welche einer durch Gewichtskraft bewirkten Verstellung des Fahrwerksaktuators 1 entgegenwirkt. Soll ein Übergang von diesem Betriebszustand zum gesperrten Zustand des Fahrwerksaktuators 1 erreicht werden, so ist dies in materialschonender Weise möglich, indem die Bremswirkung des Elektromotors 3 zunächst erhöht wird, bis die Welle 7 zum Stillstand kommt und anschließend das vom Elektromotor 3 erzeugte Drehmoment zügig auf Null reduziert wird, womit das Sperrelement 8 praktisch ohne Rotation auf der Sperrkontur SK des Gehäuses 11 abgelegt wird.
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In der Bauform nach 3 ist das Eingangselement 5 als fest mit der Motorwelle 4 verbundene Scheibe ausgebildet. Die Führungskulisse 12 wird in diesem Fall durch das Eingangselement 5 bereitgestellt. Dagegen ist der Zapfen 13, welcher in die Führungskulisse 12 eingreift, fest mit dem ersten, als Schieber ausgebildeten Sperrelement 8 verbunden. Wird das erste Sperrelement 8 aus der in 5 skizzierten, gesperrten Stellung durch Verdrehung des Eingangselementes 5 verdrängt, so gelangt es in Anlage an ein Anschlusselement 14, welches fest mit der Eingangswelle 7 des Stellgetriebes des Fahrwerksaktuators 1 verbunden ist. Somit stellt auch im Fall von 3, ebenso wie im Fall von 1, das erste Sperrelement 8 ein rotierbares, jedoch nicht notwendigerweise zur Mittelachse M rotationssymmetrisches Element der Sperrvorrichtung 2 dar. Die Eingangswelle 7 ist in der Bauform nach den 3 bis 5, anders als in der Bauform nach den 1 und 2, in Axialrichtung unverschiebbar gelagert. Übergänge zwischen dem gesperrten Zustand des Fahrwerksaktuators 1 und verschiedenen Drehrichtungen der Welle 7 sind in der Bauform nach 3 entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 1 durchführbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrwerksaktuator
- 2
- Sperrvorrichtung
- 3
- Elektromotor
- 4
- Motorwelle
- 5
- Eingangselement
- 6
- Ausgangselement
- 7
- Welle
- 8
- Sperrelement
- 9
- Feder
- 10
- Feder
- 11
- Gehäuse
- 12
- Führungskulisse
- 13
- Zapfen
- 14
- Anschlusselement
- SK
- Sperrkontur
- M
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2274177 B1 [0002]
- DE 102014206142 A1 [0003]
- DE 102014215420 A1 [0003]
- DE 102015206149 A1 [0003]
- DE 102008021861 A1 [0004]
