DE102018104883A1

DE102018104883A1 - Aktiver Wankstabilisator und Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102018104883A1
Application number: DE102018104883.1A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Wübbolt-Gorbatenko
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Ein aktiver, insbesondere elektromechanischer Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Aktuator (8) sowie ein an den Aktuator (8) angeschlossenes, zur gelenkigen Kopplung mit einem Radträger (14) des Fahrzeugs vorgesehenes Stabilisatorteil (9), in welches eine torsionsweiche Wellenkupplung (20) integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen für die Verwendung in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Personenkraftwagens, vorgesehenen aktiven Wankstabilisator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugs, insbesondere in Bezug auf Wankbewegungen, das heißt Schwenkbewegungen um die Fahrzeuglängsachse.
Ein gattungsgemäßer Wankstabilisator ist beispielsweise aus der DE 10 2014 203 241 A1 bekannt. Der Wankstabilisator umfasst einen Aktuator und zwei an diesen angeschlossene Stabilisatorbauteile, das heißt Stabilisatorhälften.
Aus der DE 10 2009 052 877 A1 ist ein zweiteilig ausgeführter Stabilisator an einer Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs bekannt. In diesem Fall ist eine Motor-/Getriebeeinheit achsparallel zu einem Torsionsstab angeordnet.
Aus den Dokumenten DE 10 2016 204 716 A1 und DE 10 2016 205 501 A1 ist ein schaltbarer beziehungsweise ein verstellbarer Stabilisator für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs bekannt. In beiden Fällen handelt es sich nicht um einen aktiven Wankstabilisator.
Unter einem aktiven Wankstabilisator wird ein Wankstabilisator verstanden, welcher einen Aktuator umfasst, mit dem ein Drehmoment generiert werden kann, um Wankbewegungen des Kraftfahrzeugs entgegenzuwirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten aktiven Wankstabilisator für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeug anzugeben, welcher neue Möglichkeiten der Integration in das Fahrwerk bietet, wobei ein raumsparenden Aufbau und einfache Möglichkeiten der Anpassung von Eigenschaften des Wankstabilisators an eine Umgebungskonstruktion gegeben sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen aktiven Wankstabilisator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9, mit welchem ein Fahrzeug in Bezug auf Wankbewegungen stabilisiert wird. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Stabilisierungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Wankstabilisator, und umgekehrt.
Der Wankstabilisator umfasst einen Aktuator sowie ein an den Aktuator angeschlossenes, zur gelenkigen Kopplung mit einem Radträger eines Kraftfahrzeugs vorgesehenes Stabilisatorteil. Das Stabilisatorteil weist erfindungsgemäß eine torsionsweiche Wellenkupplung auf. Die Angabe „torsionsweich“ bezieht sich auf den Vergleich mit der Torsionssteifigkeit von an die Wellenkupplung anschließenden Abschnitten der Stabilisatorhälfte.
Durch die torsionsweiche, das heißt eine geringe Federsteifigkeit aufweisende Wellenkupplunge ist selbst bei geringer Länge eines Stabilisatorteils eine ausgeprägte elastische Nachgiebigkeit gegenüber Torsionsbelastungen erzielbar. Hinsichtlich prinzipiell möglicher Gestaltungen elastisch nachgiebiger Wellenkupplungen wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2013 018 261 A1 , DE 1 221 858 B und DE 10 2016 224 519 A1 hingewiesen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist an den Aktuator lediglich ein einziges zur gelenkigen Kopplung mit einem Radträger vorgesehenes Stabilisatorteil einschließlich einer torsionsweichen Wellenkupplung angeschlossen. Eine Stabilisatoranordnung an einer Fahrzeugachse umfasst in diesem Fall zwei Einzelstabilisatoren mit jeweils einem Aktuator. Die beiden Aktuatoren wirken mechanisch nicht zusammen. Vielmehr werden die beiden, der linken beziehungsweise rechten Fahrzeugseite zugeordneten Aktuatoren einzeln angesteuert. Auf diese Weise können mit Hilfe der Stabilisatoranordnungen Zusatzfunktionen, insbesondere eine Niveauverstellung oder Niveauregulierung oder der Ausgleich von Nickbewegungen, das heißt Bewegungen um die Fahrzeugquerachse, realisiert werden. Darüber hinaus ist der Vorteil gegeben, dass der nicht für die Wankstabilisierung benötigte Raum zwischen den beiden Aktuatoren für sonstige Zwecke nutzbar ist.
Durch die Wellenkupplung des aktiven Wankstabilisators ist in bevorzugter Ausgestaltung ein in Längsrichtung des Aktuators ausgerichteter, an den Aktuator angeschlossener Torsionsstab in zwei Torsionsstababschnitte geteilt. Im eingebauten Zustand des Wankstabilisators sind die Torsionsstababschnitte ebenso wie der Aktuator in Querrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet. Die beiden Torsionsstababschnitte, welche über die Wellenkupplung miteinander verbunden sind, sind nicht notwendigerweise gleich lang. Beispielsweise kann einer der Torsionsstababschnitte gegenüber dem anderen Torsionsstababschnitt extrem verkürzt und zu einem Flansch oder sonstigen Anschlussteil entartet sein. Ansonsten weisen die Torsionsstababschnitte im Wesentlichen eine stabförmige Gestalt auf.
Die Wellenkupplung zeichnet sich dadurch aus, dass sie trotz ihres im Vergleich zum gesamten Stabilisatorteil sehr kompakten Aufbaus in hohem Maße elastisch nachgiebig sind. Beispielsweise beträgt die Torsionsfedersteifigkeit der Wellenkupplung höchstens 20 % der Torsionsfedersteifigkeit eines jeden Torsionsstababschnitts der Stabilisatorhälfte. Die Torsionsfedersteifigkeit ist beispielsweise in Nm/rad angegeben.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist das Stabilisatorteil einen zur gelenkigen Kopplung mit einem Radträger des Kraftfahrzeugs vorgesehen Arm auf, wobei der Arm mit einem daran anschließenden Abschnitt des Stabilisatorteils drehfest verbunden ist. Bei dem anschließenden Abschnitt des Stabilisatorteils handelt es sich insbesondere um einen Torsionsstababschnitt der oben beschriebenen Art. Im Vergleich zu der Anordnung aus den Torsionsstababschnitten und der zwischen diese geschalteten Wellenkupplung weist der Arm vorzugsweise eine geringe, insbesondere eine vernachlässigbare elastische Nachgiebigkeit auf. Die Verbindung zwischen dem Arm und dem anschließenden Abschnitt der Stabilisatorhälfte ist beispielsweise in Form einer Klemmnabe herstellbar. Alternativ kommen an dieser Stelle beliebige sonstige drehfeste Verbindungen, das heißt stoffschlüssige, kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindungen zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen in Betracht.
Die Wellenkupplungen, welche in das Stabilisatorteil integriert sind, weist zwei gegeneinander tortierbare, das heißt unter der Wirkung eines Drehmoments relativ zueinander verschwenkbare Kupplungsteile auf, wobei die beiden Kupplungsteile gemäß einer möglichen Ausgestaltung durch mehrere langgestreckte Federelemente miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise handelt es sich bei den Federelementen um stabförmige Elemente mit kreisrundem Querschnitt. Jedoch ist auch mit andersartigen Federelementen, beispielsweise Blattfedern, eine elastisch nachgiebige Kopplung zwischen den beiden Kupplungsteilen bewerkstelligbar. In jedem Fall ist jedes Kupplungsteil der Wellenkupplung, welche auch als Federkupplung bezeichnet wird, mit einem Abschnitt des Stabilisatorteils drehfest verbunden, insbesondere starr verbunden. Bei den Abschnitten kann es sich beispielsweise um langgestreckte Abschnitte in Form von Torsionsstabschnitten, um ein Anschlusselement, beispielsweise einen Flansch, oder um ein als Ganzes schwenkbares Gehäuseelement des Aktuators handeln. Im Fall eines gesonderten, typischerweise im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung ausgerichteten, mit einem Radträger zu verbindender Arms kann die elastische Wellenkupplung auch das koppelnde Elemente zwischen dem Armen und dem Torsionsstab darstellen. In jedem Fall kann die Wellenkupplung entweder als reines Federelement oder als Feder-/Dämpferelement gestaltet sein.
Die einzelnen Federelemente der Wellenkupplung sind in bevorzugter Ausgestaltung in einem Ringraum konzentrisch um die gemeinsame Mittelachse der Kupplungsteile und damit um die Längsachse des Stabilisatorteils angeordnet. Hierbei können die stabförmigen Federelemente in einem Kupplungsteile oder in beiden Kupplungsteilen verschiebbar geführt sein. Um einen konstanten Abstand zwischen den beiden Kupplungsteilen in Axialrichtung, das heißt in Längsrichtung des Wankstabilisators, einzustellen, kann zwischen die Kupplungsteile ein Element eingesetzt sein, welches bei unveränderbarer axialer Abmessung eine Verdrehung zwischen den Kupplungsteilen zulässt. Ein solches Element kann als bolzenförmiges Achsenelement gestaltet sein, welches mit einem der Kupplungsteile drehfest verbunden und im anderen Kupplungsteil schwenkbar gelagert ist. Die Mittelachse des Achsenelementes ist dabei mit der Schwenkachse der Kupplungsteile identisch.
Bei dem zwischen den Kupplungsteilen angeordneten Achsenelement handelt es sich vorzugsweise um ein Stahlteil. Die Federelemente, welche das Achsenelement umgeben, sind beispielsweise aus Stahl, Titan, Aluminium oder einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder glasfaserverstärkten Kunststoff, hergestellt. Ebenso ist die Fertigung der Federelemente aus sonstigen Verbundwerkstoffen möglich.
Bei dem Aktuator des aktiven Wankstabilisators handelt es sich vorzugsweise um einen elektromechanischen Aktuator. Prinzipiell ist auch die Verwendung eines sonstigen Aktuators, beispielsweise eines hydraulischen Aktuators, möglich.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ein Fahrzeug mit aktiven Wankstabilisatoren,
2 einen Wankstabilisator des Fahrzeugs nach 1,
3 bis 6 den Wankstabilisator in verschiedenen Ansichten,
7 den Wankstabilisator in einer Schnittdarstellung,
8 in einer Schnittdarstellung eine Wellenkupplung des Wankstabilisators nach 1.

Ein in 1 angedeutetes Kraftfahrzeug 1 weist sowohl an seiner Vorderachse VA als auch an seiner Hinterachse HA eine Stabilisatoranordnung 2, 3 auf. Die Stabilisatoranordnung 2 an der Vorderachse VA ist aus zwei Einzelstabilisatoren 4, 5 gebildet; die Stabilisatoranordnung 3 an der Hinterachse HA in analoger Weise aus zwei Einzelstabilisatoren 6, 7. Bei jedem Einzelstabilisator 4, 5, 6, 7 handelt es sich um einen aktiven Wankstabilisator. Die Einbausituation eines solchen Wankstabilisators 4, 5, 6, 7 ist in 2 veranschaulicht. Der Wankstabilisator 4, 5, 6, 7 weist einen Aktuator 8 auf, an welchem ein Stabilisatorteil 9 angeschlossen ist. Das Stabilisatorteil 9 umfasst einen Torsionsstab 10, sowie einen vom Torsionsstab 10 im Ausführungsbeispiel rechtwinklig abknickenden Arm 11. Abweichend vom vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch ein nicht rechter Winkel zwischen dem Torsionsstab 10 und dem Arm 11, jedoch kein gestreckter Winkel, eingeschlossen sein. Der Torsionsstab 10 ist an einer fahrzeugfesten Lagerstelle 12 gelagert. Der Aktuator 8, dessen Gehäuse mit 19 bezeichnet ist, ist in nicht dargestellter Weise mit dem Fahrzeugaufbau verbunden. Zwischen den Einzelstabilisatoren 4, 5 der Vorderachse VA besteht keine direkte mechanische Verbindung. Ebenso sind die beiden Einzelstabilisatoren 6, 7 der Hinterachse HA nicht mechanisch miteinander verbunden. Die einzeln angesteuerten Wankstabilisatoren 4, 5, 6, 7 sind dazu ausgebildet, Wankbewegungen und Nickbewegungen des Fahrzeugaufbaus entgegenzuwirken.
Der Arm 11 eines jeden Einzelstabilisators 4, 5, 6, 7 ist gelenkig mit einem Koppelelement 13 verbunden, welches nicht dem Stabilisator 4, 5, 6, 7 zuzurechnen ist. Eine weitere gelenkige Kopplung ist zwischen dem Koppelelement 13 und einem Radträger 14 gegeben. Ein zugehöriges, am Radträger 14 montiertes Rad ist mit 15, eine Fahrwerksfeder mit 16 bezeichnet. Elemente der Lenkung des Kraftfahrzeugs sind in 2 nicht dargestellt.
Hinsichtlich des Aufbaus der Einzelstabilisatoren 4, 5, 6, 7 wird auf die 3 bis 7 verwiesen. Der Torsionsstab 10, auf welchen mittels des Aktuators 8 ein Drehmoment aufgebracht werden kann, umfasst zwei Torsionsstabschnitte 17, 18, welche durch eine torsionsweiche Wellenkupplung 20 miteinander verbunden sind. Ein Flansch 21 ist fest mit dem Torsionsstabschnitt 17 verbunden und schließt das zylindrische Gehäuse 19 des Aktuators 8 an einer seiner Stirnseiten ab. Eine dynamische Abdichtung zwischen dem drehbaren Flansch 21 und dem Gehäuse 19 ist in den Figuren nicht dargestellt. Die Mittelachse des Aktuators 8 ist mit der Drehachse der Torsionsstabschnitte 17, 18 sowie mit der Mittelachse der Wellenkupplung 20 identisch. Der zweite Torsionsstabschnitt 18, welcher über die Wellenkupplung 20 und den erstens Torsionsstabschnitt 17 mit dem Aktuator 8 gekoppelt ist, ist an seinem dem Aktuator 8 abgewandten Ende mittels einer Verbindungsanordnung 22 mit dem Arm 11 starr verbunden. Die Verbindungsanordnung 22 ist in der Art einer Klemmnabe ausgeführt.
Im Vergleich mit der Wellenkupplung 20 sind die beiden Torsionsstababschnitte 17, 18 nur geringfügig elastisch nachgiebig. Die Wellenkupplung 20 umfasst zwei Kupplungsteile 23, 24 welche fest mit dem Torsionsstabschnitt 17 beziehungsweise dem Torsionsstabschnitt 18 verbunden sind. Jedes Kupplungsteil 23, 24 weist eine innenseitige, das heißt vom zugehörigen Torsionsstabschnitt 17, 18 abgewandte Vertiefung 25, 26, auf. Die Vertiefungen 25, 26 sind damit dem Innenraum der Wellenkupplung 20 zugewandt. Ein bolzenförmiges Achsenelement 27 ist derart in die Vertiefung 25 des Kupplungsteils 23 eingesetzt, dass es fest mit diesem verbunden ist. Dagegen ist das zweite Ende des bolzenförmigen Achsenelementes 27 mittels einer Lagerung 28 im Kupplungsteil 24 gelagert. In Axialrichtung der Kupplungsteile 23, 24 und damit des gesamten Stabilisatorteils 9 ist durch das bolzenförmige Achsenelement 27 ein konstanter Abstand zwischen den Kupplungsteilen 23, 24 eingestellt.
Am Außenumfang der Kupplungsteile 23, 24 sind mehrere stabförmige Federelemente 29 erkennbar, welche insgesamt ringförmig um die gemeinsame Mittelachse der Kupplungsteile 23, 24 angeordnet sind. Die Enden der Federelemente 29 sind geringfügig verschiebbar gegenüber zumindest einem Kupplungsteil 23, 24 geführt, so dass bei konstantem axialen Abstand zwischen den Kupplungsteilen 23, 24 die Torsionsstabschnitte 17, 18 signifikant gegeneinander verdrehbar sind. Ein optionales, die Federelemente 29 umgebendes Gehäuse der Wellenkupplung 20 ist in den Figuren nicht dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Stabilisatoranordnung
3: Stabilisatoranordnung
4: Einzelstabilisator
5: Einzelstabilisator
6: Einzelstabilisator
7: Einzelstabilisator
8: Aktuator
9: Stabilisatorteil
10: Torsionsstab
11: Arm
12: Lagerstelle
13: Koppelelement
14: Radträger
15: Rad
16: Fahrwerksfeder
17: Torsionsstabschnitt
18: Torsionsstabschnitt
19: Gehäuse
20: Wellenkupplung
21: Flansch
22: Verbindungsanordnung
23: Kupplungsteil
24: Kupplungsteil
25: Vertiefung
26: Vertiefung
27: Achsenelement
28: Lagerung
29: Federelement
HA: Hinterachse
VA: Vorderachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014203241 A1 [0002]
DE 102009052877 A1 [0003]
DE 102016204716 A1 [0004]
DE 102016205501 A1 [0004]
DE 102013018261 A1 [0009]
DE 1221858 B [0009]
DE 102016224519 A1 [0009]

Claims

Aktiver Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug, mit einem Aktuator (8) sowie einem an den Aktuator (8) angeschlossenen, zur gelenkigen Kopplung mit einem Radträger (14) vorgesehenen Stabilisatorteil (9), dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisatorteil (9) eine torsionsweiche Wellenkupplung (20) umfasst.
Wankstabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wellenkupplung (20) ein in Längsrichtung des Aktuators (8) ausgerichteter, an den Aktuator (8) angeschlossener Torsionsstab (10) in zwei Torsionsstababschnitte (17,18) geteilt ist.
Wankstabilisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionsfedersteifigkeit der Wellenkupplung (20) höchstens 20% der Torsionsfedersteifigkeit eines jeden Torsionsstababschnitts (17,18) beträgt.
Wankstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabilisatorteil (9) einen zur gelenkigen Kopplung mit einem Radträger (14) vorgesehenen Arm (11) aufweist, welcher mit einem anschließenden Abschnitt des Stabilisatorteils (9) drehfest verbunden ist.
Wankstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenkupplung (20) zwei gegeneinander tordierbare Kupplungsteile (23,24) aufweist, welchen durch mehrere langgestreckte Federelemente (29) elastisch miteinander gekoppelt sind.
Wankstabilisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der einzelnen Federelemente (29) die gemeinsame Mittelachse der Kupplungsteile (23,24) konzentrisch umgeben, wobei durch ein bolzenförmiges Achsenelement (27), welches mit einem der Kupplungsteile (23,24) drehfest verbunden und im anderen Kupplungsteil (24,23) schwenkbar gelagert ist, ein konstanter Abstand zwischen den Kupplungsteilen (23,24) eingestellt ist.
Wankstabilisator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (29) mindestens einen der Werkstoffe Stahl, Titan, Aluminium, und faserverstärkter Kunststoff aufweisen.
Wankstabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Aktuator (8) lediglich ein einziges mit einem Radträger (14) zu koppelndes Stabilisatorteil (9) angeschlossen ist.
Verfahren zur Stabilisierung eines Fahrzeugs in Bezug auf Wankbewegungen, wobei eine an einer Fahrzeugachse (VA,HA) angeordnete Stabilisatoranordnung (2,3) jeweils einen Einzelstabilisator (4,5;6,7) auf der linken Fahrzeugseite und auf der rechten Fahrzeugseite aufweist, wobei der Einzelstabilisator (4,5;6,7) einen elektromechanischen Aktuator (8) und - im Kraftfluss zwischen dem Aktuator (8) und einem Radträger (14) - eine torsionsweiche Wellenkupplung (20) umfasst, und wobei die beiden Einzelstabilisatoren (4,5;6,7), ohne mechanisch miteinander gekoppelt zu sein, einzeln angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Stabilisatoranordnungen (2,3), welche jeweils einen Einzelstabilisator (4,6) auf der linken Fahrzeugseite und einen mechanisch nicht mit diesem gekoppelten Einzelstabilisator (5,7) auf der rechten Fahrzeugseite aufweisen, an mehreren Fahrzeugachsen (VA,HA) angeordnet sind und zur Unterdrückung von Nickbewegungen des Fahrzeugs angesteuert werden.