DE102020105795A1

DE102020105795A1 - Linearaktuator für Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102020105795A1
Application number: DE102020105795.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Kaiser; Mario Arnold
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2021-09-09
Also published as: WO2021175362A1; US20230356769A1; CN114787582A

Abstract

Linearaktuator, dessen Gehäuse (1) eine entlang einer Längsachse verschieblich geführte Schubstange (2) umfasst, und mit einem zur Bestimmung einer Position der Schubstange (2) vorgesehenen Linearwegsensor (8), dessen gehäuseseitiger Positionsnehmer (9) einen entlang der Längsachse erstreckten Nehmerabschnitt (10) aufweist, und dessen schubstangenseitiger Positionsgeber (11, 18, 21,25, 28) mit dem Positionsnehmer (9) berührungslos zusammenarbeitet. Der induktive Linearwegsensor (8) weist einen Positionsgeber (11, 18, 21,25, 28) aus elektrisch leitfähigem Material auf, dessen Geberkontur (16) um wenigstens eine Raumachse herum gekrümmt ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktuator insbesondere für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges mit einer in einem Gehäuse entlang einer Längsachse verschieblich geführten Schubstange.
Aus DE102017208101 A1 ist ein Linearaktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt geworden. Eine in einem Gehäuse entlang einer Längsachse verschieblich geführte Schubstange wird mittels eines Elektromotors angetrieben. Die Schubstange greift in dieser Anwendung an Radträgern an.
Ein magnetisch-induktiver Linearwegsensor zur Bestimmung einer Position der Schubstange ist mit einem gehäuseseitig angeordneten Positionsnehmer versehen, der einen entlang der Längsachse erstreckten Nehmerabschnitt aufweist. Dieser Nehmerabschnitt deckt den Stellbereich des Linearaktuators ab. Der Linearwegsensor ist ferner mit einem der Schubstange zugeordneten, als Sensor-Impulsgeber bezeichneten Positionsgeber versehen. Der Positionsgeber ist als Permanentmagnet ausgebildet, der mittels eines Spreizelementes an der Schubstange befestigt ist.
Der für den Positionsgeber erforderliche Magnet des magnetisch-induktiven Linearwegsensors ist teuer. Bei hohen Umgebungstemperaturen besteht das Risiko einer unerwünschten Entmagnetisierung, beispielsweise wenn die Abgasrohre des Kraftfahrzeuges in der Nähe des Linearaktuator vorbeigeführt sind und der Magnet unzulässig erhitzt wird. Der Magnet muss zudem für eine einwandfreie Messung mit seinen Polen genau ausgerichtet sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Linearaktuator nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 anzugeben, der einfach herstellbar ist und eine einwandfreie Positionserfassung der Schubstange ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Linearaktuator gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein Gehäuse des Linearaktuators umfasst eine entlang einer Längsachse verschieblich geführte Schubstange. Die Schubstange durchdringt das Gehäuse und ist an ihren Enden über Koppelelemente an lenkbare Radträger angeschlossen, die die Räder tragen. Durch Verschieben der Schubstange werden die Räder in eine gewünschte Lage gelenkt.
Für erfindungsgemäße Anwendungen des Linearaktuators in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges wird bevorzugt ein Elektromotor eingesetzt, der innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein kann. Die Antriebsverbindung zwischen dem Elektromotor und der Schubstange wird vorzugsweise mittels eines Zahnriementriebs sowie einem Gewindetrieb bereitgestellt. Der Gewindetrieb wandelt eine rotatorische Bewegung seiner Mutter um in eine translatorische Bewegung seiner Gewindespindel, die üblicherweise Teil der Schubstange ist.
Ferner ist ein induktiver Linearwegsensor zur Bestimmung einer Position der Schubstange vorgesehen. Induktive Sensoren arbeiten grundsätzlich mit einer Induktivität des Positionsnehmers. Es wird ein Magnetfeld erzeugt und der Positionsgeber verändert das Feld. Durch dieses Messprinzip lassen sich berührungslos und verschleißfrei Wege und Abstände messen. Die Spule sendet meist als Bestandteil eines Schwingkreises / Oszillators ein magnetisches Feld aus, welches in dem vorbeigeführten, elektrisch leitenden Positionsgeber Wirbelströme hervorruft. Die Amplitude und die Frequenz des Schwingkreises verändern sich. Die Messgenauigkeit des Linearwegsensors kann hierbei erhöht werden, wenn mehrere Spulen eingesetzt werden.
Ein gehäuseseitig angeordneter Positionsnehmer ist mit einem Nehmerabschnitt versehen, der mit einer Vielzahl von beispielsweise aufgedruckten Spulen versehen sein kann, die das magnetische Feld erzeugen. Der Nehmerabschnitt ist parallel zu der Schubstange angeordnet und deckt einen Messbereich ab, der dem Stellbereich der Schubstange entspricht. Der Positionsnehmer erzeugt ein magnetisches Feld.
Ein mit dem Positionsnehmer zusammenarbeitender Positionsgeber - auch als Target bezeichnet - ist der Schubstange zugeordnet. Der Positionsgeber kann mehrteilig ausgebildet und beispielsweise mittels einer Halterung an der Schubstange fixiert sein. Eine einwandfreie Halterung des Positionsgebers an der Schubstange ist für eine gute Positionserfassung erforderlich.
Der Positionsgeber ist mit metallischen Abschnitten oder aus Metall gebildet und elektrisch leitfähig, jedoch - anders als im Fall von magentisch-induktiven Sensoren - nicht magnetisiert. Durchläuft der Positionsgeber den Nehmerabschnitt des Positionsnehmers, werden die Amplitude und die Frequenz des Schwingkreises verändert, die Induktivität verändert sich. Auf Grundlage dieser Veränderungen kann eine einwandfreie Positionserfassung der Schubstange durchgeführt werden.
Die Schubstange wird entlang ihrer Achse verschoben, kann jedoch konstruktionsbedingt weitere unerwünschte Auslenkungen erfahren infolge von Kräften, die an der Schubstange angreifen. Über die Antriebsverbindung zwischen dem Motor und der Schubstange werden Kräfte axial und quer zur Schubstange übertragen. Die Schubstange kann äußeren Kräften ausgesetzt sein, die beispielsweise über die angebundenen Radträger eingeleitet werden. All diese wirkenden Kräfte können systembedingt zu unerwünschten Auslenkungen der Schubstange in einer oder mehreren Raumachsen führen. Zwar ist der Positionsgeber preiswert herstellbar und unempfindlich gegenüber Erhitzung, jedoch ist für ein optimiertes Messergebnis eine einwandfreie Lage des Positionsgebers in Bezug auf den Positionsnehmer wünschenswert.
Es ist technisch sehr aufwändig, solche unerwünschte Auslenkungen der Schubstange in jeder Raumachse zu vermeiden. Die Erfindung hat erkannt, dass es ausreichend sein kann, eine Geberkontur des Positionsgebers vorzusehen, die um wenigstens eine Raumachse herum gekrümmt ausgebildet ist. Diese Krümmung um eine Raumachse ist an eine mögliche unerwünschte Auslenkung der Schubstange um diese Raumachse angepasst. Auf diese Weise können aufwändige konstruktive Maßnahmen entfallen, die jede unerwünschte Auslenkung der Schubstange vermeiden. Es genügt, den Positionsgeber in entsprechender Weise zu formen.
Beispielsweise kann ein Stück Blech als Positionsgeber oder Target eingesetzt werden, das auf einfache Art und Weise in eine gewünschte Kontur geformt werden kann.
Wenn beispielsweise die größten unerwünschten Auslenkungen um eine Raumachse herum erwartet werden, die quer zur Schubstange und quer zu den Sensorflächen angeordnet ist, genügt es, den Positionsgeber mit einer Geberkontur zu versehen, die um diese Raumachse herum gekrümmt ist. Vorzugsweise ist diese Krümmung in diesem Fall kreisförmig und kann an einen zylindrischen Stift ausgebildet sein, dessen dem Nehmerabschnitt zugewandte Stirnfläche sowie dessen kreisförmige Umfangsfläche die Geberkontur bilden. Die Geberfläche kann in diesem Fall plan ausgebildet und parallel zu der Längsachse angeordnet sein.
Allgemeiner ausgedrückt kann die Geberkontur durch eine dem Nehmerabschnitt zugewandte Geberfläche sowie durch eine die Geberfläche begrenzende Umfangskontur gebildet sein, wobei die Geberfläche und/oder die Umfangskontur um eine oder mehrere der Raumachsen gekrümmt sind.
Die Umfangskontur kann um die quer zu der Längsachse angeordnete Raumachse gekrümmt sein in Fällen, in denen Verkippungen der Schubstange erwartet werden. Die Krümmung trägt dazu bei, dass unter dieser Verkippung der Schubstange die Abstandsänderungen im Bereich der Sensorflächen deutlich kleiner sind und eine Beeinträchtigung des Sensors also vermieden ist.
Für den Fall, dass unerwünschte Auslenkungen der Schubstange um ihre Längsachse erwartet werden ist es zweckmäßig, wenn die Geberfläche um eine zu der Längsachse parallele Raumachse gekrümmt ist. Diese Raumachse kann mit der Längsachse der Schubstange zusammenfallen und die Geberfläche kann teilzylindrisch ausgeführt sein.
Die Geberfläche kann alternativ oder zusätzlich um eine quer zu der Längsachse angeordnete Raumachse gekrümmt ist. Im letzteren Fall ist die Geberfläche konvex ballig ausgeführt. Verkippungen der Schubstange sowie Verdrehungen um ihre Längsachse beeinflussen in diesem Fall die Messergebenisse des Linearwegsensors nicht oder lediglich in vernachlässigbarer Weise.
Der Positionsgeber kann einen quer von der Schubstange hervorstehenden Zapfen aufweisen, dessen freies stirnseitige Ende mit der Geberkontur versehen ist. Der Zapfen kann zylindrisch ausgeführt sein und mit seiner freien Stirnfläche die plane oder konvex gewölbte Geberfläche bilden, die von der kreisförmigen Umfangskontur begrenzt ist.
Der Zapfen kann in eine gehäuseseitige Längsnut des Linearwegsensors eingreifen. Je nach Anwendungsfall kann es zweckmäßig sein, den Zapfen in der Längsnut mittels eines Lagers in Längsrichtung zu führen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von sieben in insgesamt 22 Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch einen Linearaktuator einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges,
2 eine Ausschnittsvergrößerung der 1,
3 die Ausschnittsvergrößerung aus 2 im Querschnitt durch den Linearaktuator,
4 ein Positionsgeber eines Linearwegsensors des Linearaktuators als Einzelteil in perspektivischer Darstellung,
5 den Linearwegsensor des Linearaktuators mit einem alternativen Positionsgeber,
6 den Linearwegsensor aus 5 in einer weiteren Ansicht,
7 den Linearwegsensor in einer perspektivischen Darstellung mit einem alternativen Positionsgeber,
8 den Positionsgeber aus 7 als Einzelteil,
9 einen weiteren alternativen Positionsgeber in perspektivischer Darstellung
10 den Linearwegsensor mit dem Positionsgeber aus 9
11 den Linearwegsensor aus 10 in einer weiteren Ansicht,
12 einen weiteren alternativen Positionsgeber in perspektivischer Darstellung,
13 den Linearwegsensor mit dem Positionsgeber aus 12,
14 den Linearwegsensor aus 13 in einer weiteren Ansicht,
15 einen weiteren alternativen Positionsgeber in perspektivischer Darstellung,
16 den Linearwegsensor mit dem Positionsgeber aus 15,
17 den Linearwegsensor aus 16 in einer weiteren Ansicht,
18 einen weiteren alternativen Positionsgeber in perspektivischer Darstellung,
19 den Linearwegsensor mit dem Positionsgeber aus 18,
20 den Linearwegsensor aus 19 in einer weiteren Ansicht,
21 eine Ausschnittsvergrößerung wie in 2 mit einem alternativen Positionsgeber,
22 den Positionsgeber aus 21 in perspektivischer Darstellung.

1 zeigt im Längsschnitt einen Linearaktuator einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges. Der Linearaktuator weist ein Gehäuse 1 auf, in dem eine Schubstange 2 längsverschieblich geführt ist. Die Schubstange 2 durchdringt das Gehäuse 1 mit ihren Enden, an denen Köpfe oder Gabelköpfe 7 angeschraubt sind zur Aufnahme von nicht abgebildeten Radlenkern.
Ein Elektromotor 3 treibt mittels eines hier nicht näher dargestellten Zahnriemens einen Gewindetrieb 4, dessen Mutter 5 von dem Zahnriemen drehangetrieben wird. Die Mutter 5 steht in Eingriff mit einer Gewindespindel 6, die Teil der Schubstange 2 ist. Unter Rotation der Mutter 5 wird die Gewindespindel 6 - also die Schubstange 2 - entlang ihrer Längsachse gegenüber dem Gehäuse 1 verschoben.
Zur Bestimmung einer Position der Schubstange 2 ist ein induktiver Linearwegsensor 8 vorgesehen, (2 und 3). Ein gehäuseseitiger Positionsnehmer 9 ist entlang der Längsachse mit einem Nehmerabschnitt 10 versehen. Ein schubstangenseitiger Positionsgeber 11 arbeitet mit dem Positionsnehmer 9 zusammen. Der an der Schubstange 2 fixierte Positionsgeber 11 verfährt unter einer Verschiebung der Schubstange 2 entlang der Längsachse und überstreicht den Nehmerabschnitt 10 des Positionsnehmers 9. Im Bereich des Nehmerabschnitts 10 sind eine Vielzahl von Spulen untergebracht. Der Nehmerabschnitt 10 erzeugt ein magnetisches Feld. Der Positionsgeber 11 ist aus Metall gebildet und elektrisch leitfähig. Durchläuft der Positionsgeber 11 den Nehmerabschnitt 10, werden die Amplitude und die Frequenz des Schwingkreises verändert. Auf Grundlage dieser Veränderungen kann eine einwandfreie Positionserfassung der Schubstange 2 durchgeführt werden. Diese Positionserfassung erfolgt berührungslos.
Die 4 bis 6 zeigen den Linearwegsensor 8 mit dem Positionsgeber 11, der in diesem Ausführungsbeispiel einen etwa ringförmigen Befestigungsabschnitt 12 aufweist, der auf die Schubstange 2 aufgesteckt und mit Kontermuttern 13 festgesetzt ist. Am Außenumfang des Befestigungsabschnitts 12 erstreckt sich ein Zapfen 14 in radialer Richtung und ragt in eine Längsnut 15 des Linearwegsensors 8, in der der Nehmerabschnitt 10 des Positionsnehmers 9 untergebracht ist. Die 5 und 6 zeigen deutlich, dass der Zapfen 14 mit seinem freien Ende dem Nehmerabschnitt 10 zugewandt ist.
Der Zapfen 14 ist an seinem freien Ende mit einer Geberkontur 16 um eine Raumachse herum gekrümmt ausgebildet ist. Die Geberkontur 16 ist hier gebildet durch die Umfangskontur des Zapfens 14 sowie eine Geberfläche 17 am freien stirnseitigen Ende des Zapfens 14. Die Raumachse fällt in diesem Beispiel mit der Längsachse der Schubstange 2 zusammen. Die Krümmung der Geberfläche 17 ist teilzylindrisch. Unter einer Verdrehung des Positionsgebers 11 um die Längsachse wird das Messergebnis nicht oder lediglich unerheblich beeinflusst, weil diese Krümmung wenigstens näherungsweise parallel ist zu der Bewegungsrichtung unter dieser Verdrehung.
Die Form der Geberkontur 16 variiert in den weiteren Ausführungsbeispielen.
Die 7 und 8 zeigen eine Variante mit einem Positionsgeber 18, der als Ring 19 ausgebildet ist. Der Ring 19 ist wie der ringförmige Befestigungsabschnitt auf der Schubstange 2 befestigt. Die zylindrische Mantelfläche bildet eine Geberfläche 20, die wie die Geberfläche des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels gekrümmt ist.
Die 9 bis 11 zeigen den Linearwegsensor 8 mit einer weiteren Variante eines Positionsgebers 21, der sich von dem Positionsgeber des ersten Ausführungsbeispiels lediglich dadurch unterscheidet, dass die Geberfläche 22 um eine Raumachse gekrümmt ist, die quer zur Längsachse und quer zur Zapfenachse des Zapfens 14 angeordnet ist. Diese Krümmung ist teilzylindrisch. Wenn die Schubstange 2 verkippt um diese Raumachse, wird das Messergebnis nicht oder lediglich unerheblich beeinflusst, weil diese Krümmung wenigstens näherungsweise parallel ist zu der Bewegungsrichtung unter dieser Verkippung.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der 12 bis 14 zeigt den Linearwegsensor mit einem weiteren alternativen Positionsgeber 23, dessen ballige Geberfläche 24 die Krümmungen der beiden Geberflächen 17 und 22 aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert und auf diese Weise eine Verkippung und eine Verdrehung der Schubstange 2 mit Blick auf das Messergebnis kompensiert.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der 15 bis 17 zeigt einen Positionsgeber 25, der sich von allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass der Zapfen 14 zylindrisch ist und seine Geberkontur 16 durch die plane Geberfläche 26 am stirnseitigen Zapfenende sowie die kreisförmig gekrümmte Umfangskontur 27 der Geberfläche 26 gebildet ist. Die Umfangskontur 27 ist um eine Raumachse herum angeordnet, die mit einer Zapfenachse zusammenfällt. Diese Variante ist vorteilhaft, wenn Verkippungen der Schubstange 2 um eine Achse erwartet werden, die etwa mit der Zapfenachse zusammenfällt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der 18 bis 20 zeigt einen Positionsgeber 28, der sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass die Geberfläche 29 konvex ballig ausgeführt ist. Die Geberkontur 16 durch die kreisförmige Umfangskontur 27 und die ballige Geberfläche 29 gebildet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der 21 und 22 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß der 15 bis 17 dadurch, dass der zylindrische Zapfen 14 mittels eines als Wälzlager 30 ausgeführten Radiallagers 31 gelagert und entlang einer Längswand der Längsnut 15 geführt ist.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Schubstange
3: Elektromotor
4: Gewindetrieb
5: Mutter
6: Gewindespindel
7: Gabelkopf
8: Linearwegsensor
9: Positionsnehmer
10: Nehmerabschnitt
11: Positionsgeber
12: Befestigungsabschnitt
13: Kontermutter
14: Zapfen
15: Längsnut
16: Geberkontur
17: Geberfläche
18: Positionsgeber
19: Ring
20: Geberfläche
21: Positionsgeber
22: Geberfläche
23: Positionsgeber
24: Geberfläche
25: Positionsgeber
26: Geberfläche
27: Umfangskontur
28: Positionsgeber
29: Geberfläche
30: Wälzlager
31: Radiallager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017208101 A1 [0002]

Claims

Linearaktuator, dessen Gehäuse (1) eine entlang einer Längsachse verschieblich geführte Schubstange (2) umfasst, und mit einem zur Bestimmung einer Position der Schubstange (2) vorgesehenen Linearwegsensor (8), dessen gehäuseseitiger Positionsnehmer (9) einen entlang der Längsachse erstreckten Nehmerabschnitt (10) aufweist, und dessen schubstangenseitiger Positionsgeber (11, 18, 21,25, 28) mit dem Positionsnehmer (9) berührungslos zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Linearwegsensor (8) einen Positionsgeber (11, 18, 21,25, 28) aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, dessen Geberkontur (16) um wenigstens eine Raumachse herum gekrümmt ausgebildet ist.
Linearaktuator nach Anspruch 1 dessen Geberkontur (16) durch eine dem Nehmerabschnitt (10) zugewandte Geberfläche (17, 20, 22, 24, 26, 29) sowie durch eine die begrenzende Umfangskontur gebildet ist, wobei die und/oder die Umfangskontur um eine oder mehrere der Raumachsen gekrümmt sind.
Linearaktuator nach Anspruch 2, dessen Umfangskontur um die quer zu der Längsachse angeordnete Raumachse gekrümmt ist. (9-22)
Linearaktuator nach Anspruch 3, dessen Geberfläche (17, 20, 22, 24, 26, 29) plan ausgebildet und parallel zu der Längsachse angeordnet ist.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Geberfläche (17, 20, 22, 24, 26, 29) um eine zu der Längsachse parallele Raumachse gekrümmt ist. (4-8)
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dessen Geberfläche (17, 20, 22, 24, 26, 29) um eine quer zu der Längsachse angeordnete Raumachse gekrümmt ist.
Linearaktuator nach den Ansprüchen 5 und 6, dessen Geberfläche (17, 20, 22, 24, 26, 29) konvex ballig ausgebildet ist.
Linearaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dessen Positionsgeber (11, 18, 21,25, 28) einen quer von der Schubstange (2) hervorstehenden Zapfen (14) aufweist, dessen freies stirnseitiges Ende mit der Geberkontur (16) versehen ist.
Linearaktuator nach Anspruch 8, dessen zylindrischer Zapfen (14) mit seiner freien Stirnfläche die Geberfläche (17, 20, 22, 24, 26, 29) bildet, die von der kreisförmigen Umfangskontur (27) begrenzt ist.
Linearaktuator nach Anspruch 9, dessen Zapfen (14) in eine gehäuseseitige Längsnut (15) des Linearwegsensors (8) eingreift und darin mittels eines Radiallagers (31) gelagert ist.