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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug und auf ein Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung.
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Magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) wird in unterschiedlichen Dämpfern, Bremsen und Aktoren eingesetzt. Bremsen auf Basis von MRF basieren in der Regel auf einer oder mehreren Scheiben, die von MRF umgeben sind und bei Aktivierung der Bremse mit einem magnetischen Feld durchflossen werden. Die magnetorheologische Flüssigkeit wird bei diesem Prinzip auf Scherung belastet und erzeugt ein Haltemoment proportional zum Spulenstrom. Ein entsprechendes mechanisches Konzept mit einem zusätzlichen Permanentmagneten, der ein Grundmoment erzeugt, wurde ebenfalls entwickelt. Ein alternatives Wirkprinzip verwendet ein mit MRF geflutetes Tonnenlager sowie verschiedene Ausführungen mit verzahnten Wälzkörpern und eine als Sterngeometrie bezeichnete Konturscheibe.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Stellvorrichtung für ein Fahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass eine Stellvorrichtung geschaffen wird, welche insbesondere eine Zwangsführung von Planetenkörpern nutzt, die ermöglicht, dass Relativbewegungen von Rotor und Stator schlupffrei übertragen werden.
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Eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug weist einen Rotor, einen Stator, eine Mehrzahl von Planetenkörpern, ein magnetorheologisches Medium und eine Spulenanordnung mit zumindest einer Spule auf. Der Rotor weist eine Zahnkontur auf und ist mit einem Stellelement koppelbar. Der Stator weist eine weitere Zahnkontur auf, die durch erste Zähne erster Übertragungselemente zum Ausformen magnetischer Nordpole und durch zweite Zähne zweiter Übertragungselemente zum Ausformen magnetischer Südpole ausgeformt ist. Die Mehrzahl der Planetenkörper ist zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet, wobei die Planetenkörper in die Zahnkonturen eingreifen. Das magnetorheologische Medium ist zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet und ausgebildet, um in einem Ruhezustand eine erste Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper und in einem Aktivierungszustand eine zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper zu bewirken. Die zumindest eine Spule ist an dem Stator angeordnet, wobei die Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes ausgebildet ist. Feldlinien des Magnetfeldes treten aus den ersten Zähnen aus, durchlaufen Wirkungsbereiche des magnetorheologischen Mediums und treten in die zweiten Zähne ein, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums in den Wirkungsbereichen zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand zu bewirken.
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Bei einer Stellvorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung zum Bedienen einer beliebigen Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs handeln. Die Stellvorrichtung kann als eine Bedienvorrichtung oder als eine Betätigungsvorrichtung bzw. ein Aktor ausgeführt sein. Ein solcher Aktor kann beispielsweise eine mechanische Bremse sein. Die Betätigung des Stellelements kann im Falle einer Bedienvorrichtung manuell von einem Nutzer durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Bedienvorrichtung als ein Lenkrad, Drehschalter oder Drehknopf ausgeführt sein. Durch die Verwendung des magnetorheologischen Mediums können unterschiedliche Drehcharakteristika der Stellvorrichtung realisiert werden. Eine Drehcharakteristik kann sich beispielsweise auf einen Drehwiderstand, einen freigegebenen Drehwinkel oder eine von einem Nutzer bei einer Drehbewegung spürbare Rasterung beziehen. Unter einem Rotor kann ein bewegliches, rotierendes Teil der Stellvorrichtung verstanden werden. Unter einem Stator kann ein feststehendes, unbewegliches Teil der Stellvorrichtung verstanden werden, das beispielsweise starr mit einer Komponente des Fahrzeugs gekoppelt werden kann oder gekoppelt ist. Die ersten Zähne der ersten Übertragungselemente und die zweiten Zähne der zweiten Übertragungselemente können in einen Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor hineinragen. Unter Planetenkörpern können Rotationskörper verstanden werden, die in eine Zahnkontur eines Rotors und/oder Stators eingreifen können. Bei einem magnetorheologischen Medium, auch als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet, kann es sich um ein heterogenes Stoffgemisch von magnetisch polarisierbaren Partikeln handeln. Beim Anlegen eines Magnetfeldes, also dem Bestromen einer Spule, verfestigt sich das magnetorheologische Medium. Der Ruhezustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem kein Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt, die Spule also nicht bestromt wird. Der Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem ein Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt, die Spule also bestromt wird. Die erste Widerstandscharakteristik kann einen fluidmechanischen Widerstand repräsentieren, der geringer ist als ein durch die zweite Widerstandscharakteristik repräsentierter fluidmechanischer Widerstand. Durch Anlegen des äußeren Magnetfelds können viskoelastische oder dynamisch-mechanische Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums schnell und reversibel verändert werden, wobei zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand eine Verformung des magnetorheologischen Mediums stattfindet. Bei einer Spule kann es sich um ein elektrisches Bauelement handeln, das Windungen aufweist, um bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Bei magnetischen Nordpolen kann es sich um Gebiete handeln, aus denen Feldlinien austreten. Gebiete, in denen die Feldlinien eintreten, werden als Südpole bezeichnet.
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Der hier vorgestellte Ansatz, der auch als MRF-Aktor mit magnetisch aktiver geometrischer Zwangsführung bezeichnet werden kann, ermöglicht eine magnetische Wechselwirkung zwischen Magnetkreis und MRF, die primär über einen außen oder innen liegenden Stator stattfinden kann. Eine magnetische Wechselwirkung zwischen Stator und Rotor ist nicht erforderlich, aber auch nicht ausgeschlossen. Der hier vorgestellte Ansatz kommt mit einem geringen Bauraum aus, da das Magnetfeld nicht zwischen Stator und Rotor ausgebildet wird und daher ober- und unterhalb der Spule kein Bauraum für den magnetischen Kreis vorgesehen zu werden braucht. Das magnetorheologische Medium bildet beim Bestromen der Spule keine Keile, sodass eine effektivere Wirkung des magnetorheologischen Mediums möglich ist. Es kann ein Haltemoment, das durch die Stellvorrichtung bereitgestellt werden kann, erhöht werden, wobei ein Bauraum verringert werden kann.
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Die Planetenkörper können aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt sein. Dies bietet den Vorteil, dass eine magnetische Interaktion zwischen den Planetenkörpern und dem Stator unterbunden werden kann. Damit kann eine magnetische Wechselwirkung ausschließlich zwischen dem magnetorheologischen Medium und dem Stator erfolgen und kann vermieden werden, dass sich sogenannte MRF-Keile ausbilden.
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Die Planetenkörper können alternativ aus einem ferromagnetischen Material ausgeformt sein. Dies bietet den Vorteil, dass eine besonders gute Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss gewährleistet werden kann.
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Dabei kann jeder n-te der Zähne aus einem ferromagnetischen Material ausgeformt sein und können die anderen Zähne aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt sein. Hierbei können die Planetenkörper als magnetischer Schluss zwischen den aus einem ferromagnetischen Material ausgeformten der Zähne fungieren. Dabei kann n eine Zahl größer oder gleich 2 sein. Beispielsweise kann jeder zweite der Zähne aus einem ferromagnetischen Material ausgeformt sein und können die anderen Zähne aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt sein. Hierbei können die Zähne abwechselnd aus einem ferromagnetischen Material und einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können zumindest einige der Zähne nur partiell aus einem ferromagnetischen Material ausgeformt sein.
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Die ersten Zähne der ersten Übertragungselemente und die zweiten Zähne der zweiten Übertragungselemente können entlang eines Umfangs des Stators abwechselnd angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass bei einem Bestromen der Spule Feldlinien des Magnetfeldes aus den ersten Zähnen austreten und in die zweiten Zähne eintreten können, um das magnetorheologische Medium gezielt in den Wirkungsbereichen zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand zu überführen.
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Die Spule kann zwischen den ersten Übertragungselementen und den zweiten Übertragungselementen angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass nur eine einzige ringförmige Spule benötigt wird. Das von der einzigen Spule generierte Magnetfeld eignet sich zum Bewirken der aus allen ersten Zähnen austretenden Feldlinien. Somit sind keine weiteren Spulen erforderlich.
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Alternativ kann die Spulenanordnung eine Mehrzahl von Spulen aufweisen. Dabei kann zwischen jedem Paar benachbarter Übertragungselemente zumindest eine der Mehrzahl von Spulen angeordnet sein. Die Spulen können parallel geschaltet sein. Die Verwendung mehrerer Spulen bietet den Vorteil, dass die Ausbreitung des Magnetfeldes entlang des Umfangs präziser gesteuert werden kann.
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Die Planetenkörper können eine Schrägverzahnung aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass eine kontinuierliche Krafterzeugung erreicht werden kann.
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Die Stellvorrichtung kann das Stellelement aufweisen, das mit dem Rotor starr verbunden sein kann. Das Stellelement kann ausgeformt sein, um eine Betätigungsbewegung auszuführen oder von einem Benutzer manuell betätigt zu werden, beispielsweise durch eine Drehbewegung und dem Benutzer durch die Stellvorrichtung eine präzise haptische oder taktile Rückkopplung vermittelt werden kann. Über die Kopplung des Stellelements mit dem Rotor kann dem Benutzer abhängig von einem Viskositätszustand des magnetorheologischen Mediums eine präzise haptische oder taktile Rückkopplung vermittelt werden.
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Der Rotor, der Stator und die Planetenkörper können ein Umlaufrädergetriebe bilden, wobei der Stator das Hohlrad des Umlaufrädergetriebes repräsentieren kann. Die Planetenkörper können hierbei die Planetenräder des Umlaufrädergetriebes repräsentieren. Dies bietet den Vorteil, dass eine kompakte Bauweise mit einem geringen Volumen realisiert werden kann.
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Alternativ kann der Stator das Sonnenrad des Umlaufrädergetriebes repräsentieren. Die Planetenkörper können hierbei die Planetenräder des Umlaufrädergetriebes repräsentieren. Dies bietet den Vorteil, dass die Außenseite des Rotors direkt mit einer Mantelfläche eines Stellelementes verbunden werden kann oder das Stellelement oder einen Abschnitt des Stellelements ausformen kann.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung weist einen Schritt des Aktivierens und einen Schritt des Deaktivierens auf. Im Schritt des Aktivierens wird die zumindest eine Spule aktiviert, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Ruhezustand zu dem Aktivierungszustand zu bewirken, um die zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper zu bewirken. Im Schritt des Aktivierens kann die zumindest eine Spule beispielsweise durch eine Stromquelle bestromt werden. Im Schritt des Deaktivierens wird die zumindest eine Spule deaktiviert, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Aktivierungszustand zu dem Ruhezustand zu bewirken, um die erste Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper zu bewirken. Im Schritt des Deaktivierens kann eine Bestromung der Spule durch beispielsweise eine Stromquelle deaktiviert werden.
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Das Verfahren kann einen Schritt des Ermittelns einer Drehposition des Rotors unter Verwendung einer erfassten Induktivität der zumindest einen Spule aufweisen. Die Drehposition kann eine Lage des Rotors relativ zu dem Stator repräsentieren. Dabei kann die Drehposition relativ zu einer Ausgangsposition gemessen werden. Die Drehposition kann hierbei einen Drehwinkel relativ zu einer Ruhestellung repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Betätigung des mit dem Rotor gekoppelten Stellelements durch einen Benutzer einfach und exakt erfasst werden kann.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen des Steuergeräts umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Stellvorrichtung für ein Fahrzeug;
- 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Stellvorrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Stellvorrichtung 100 für ein Fahrzeug. Die Stellvorrichtung 100 ist beispielsweise dazu ausgebildet, um eine beliebige Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs zu bedienen.
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Die Stellvorrichtung 100 weist einen Rotor 105 auf. Der Rotor ist beispielhaft mittig in der Stellvorrichtung 100 angeordnet. Der Rotor 105 weist eine Zahnkontur 110 auf und ist mit dem Stellelement 101 starr gekoppelt oder koppelbar. Ferner weist die Stellvorrichtung 100 einen Stator 115 auf. Der Rotor 105 ist relativ zu dem Stator 115 drehbar gelagert. Der Stator 115 umfasst einen Kunststoffmantel 120 und einen magnetischen Rückschluss 125. Der Kunststoffmantel 120 ist beispielsweise als eine Umspritzung zum mechanischen Schutz ausformt. Der Stator 115 weist eine weitere Zahnkontur 130 auf, die durch erste Zähne 135 erster Übertragungselemente 140 zum Ausformen magnetischer Nordpole und zweiter Zähne 145 zweiter Übertragungselemente 150 zum Ausformen magnetischer Südpole ausgeformt ist. Die ersten Übertragungselemente 140 mit den ersten Zähnen 135 repräsentieren magnetische Nordpole. Die zweiten Übertragungselemente 150 mit den zweiten Zähnen 145 repräsentieren magnetische Südpole.
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Ferner weist die Stellvorrichtung 100 eine Mehrzahl von Planetenkörpern 155 auf, die zwischen dem Rotor 105 und dem Stator 115 angeordnet sind. Anders ausgedrückt ist die Mehrzahl von Planetenkörpern 155 in einem Zwischenraum angeordnet, der sich zwischen dem Rotor 105 und dem Stator 115 erstreckt. Die Planetenkörper 155 greifen beispielhaft in die Zahnkonturen 110, 130 von Stator 115 und Rotor 105 ein, genauer gesagt in die Zahnkontur 110 des Stators 115 und in die weitere Zahnkontur 130 des Rotors 105.
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Die Stellvorrichtung umfasst auch 100 ein magnetorheologisches Medium 160, das zwischen dem Rotor 105 und dem Stator 115 angeordnet ist. Das magnetorheologische Medium 160 ist ausgebildet, um in einem Ruhezustand eine erste Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper 155 und in einem Aktivierungszustand eine zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper 155 zu bewirken. Beispielsweise ist das magnetorheologische Medium 160 dazu in dem Ruhezustand dünnflüssiger als in dem Aktivierungszustand. Umso dünnflüssiger das magnetorheologische Medium 160 ist, umso geringer wird eine Drehbewegung der Planetenkörper 155 durch das magnetorheologische Medium 160 gebremst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das magnetorheologische Medium 160 zumindest einen Zwischenzustand auf, in dem das das magnetorheologische Medium 160 dickflüssiger als in dem Ruhezustand jedoch dünnflüssiger als in dem Aktivierungszustand ist.
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Die Stellvorrichtung 100 weist ferner eine Spule 165 auf, die an dem Stator 115 angeordnet ist. Beispielhaft ist die Spule 165 ringförmig ausgeführt, wobei ein Mittelpunkt der Spule 165 mit einem Mittelpunkt des Rotors 105 zusammenfällt. Die Spule 165 ist zum Erzeugen eines Magnetfeldes ausgebildet, wobei Feldlinien 170 des Magnetfeldes aus den ersten Zähnen 135 austreten, Wirkungsbereiche des magnetorheologischen Mediums 160 durchlaufen und in die zweiten Zähne 145 eintreten, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums 160 in den Wirkungsbereichen zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand zu bewirken.
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Die Spule 165 ist beispielsweise zwischen den ersten Übertragungselementen 140 und den zweiten Übertragungselemente 150 angeordnet, wobei die ersten Zähne 135 als Fortsätze der ersten Übertragungselemente 140 und die zweiten Zähne 145 als Fortsätze der zweiten Übertragungselemente 150 ausgeformt sind. Die Spule 165 weist beispielsweise einen Spulenschutz 175 auf, der auch als Spulenträger bezeichnet werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten Übertragungselemente 140 stabförmig ausgeformt und erstrecken sich radial über eine erste Seite der Spule 165. Freie über einen innenseitigen Rand der Spule 165 herausragende Enden der ersten Übertragungselemente 140 laufen spitz zu und formen die ersten Zähne 135 aus. Die zweiten Übertragungselemente 150 sind beispielhaft ebenfalls stabförmig ausgeformt und erstrecken sich radial über eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Spule 165. Freie über den innenseitigen Rand der Spule 165 herausragende Enden der zweiten Übertragungselemente 150 laufen spitz zu und formen die zweiten Zähne 145 aus. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Zähne 135, 145 eine der Evolventenverzahnung ähnliche Verzahnung mit Freiräumen und Fließvolumina zwischen denselben auf.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der magnetische Rückschluss 125 als ein sich entlang eines Außenumfangs der Spule 165 erstreckender Ring ausgeformt. Den Zähnen 135, 145 gegenüberliegende Enden der Übertragungselemente 140, 150 sind mit dem magnetische Rückschluss 125 verbunden.
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Die ersten Zähne 135 und die zweiten Zähne 145 sind gleichmäßig über einen Umfang des Stators 115 verteilt angeordnet. Zwischen zwei benachbarten ersten Zähnen 135 ist ein zweiter Zahn 145 angeordnet, und umgekehrt. Somit sind die ersten Zähne 135 der ersten Übertragungselemente 140 und die zweiten Zähne 145 der zweiten Übertragungselemente 150 beispielsweise entlang eines Umfangs des Stators 115 abwechselnd angeordnet.
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Wenn die Spule 165 von Strom durchflossen wird, bildet sich ein Magnetfeld aus. Die Feldlinien 170 des Magnetfelds durchlaufen die ersten Übertragungselemente 140, treten aus den ersten Zähnen 135 aus, durchlaufen auf dem Weg zu direkt benachbart angeordneten zweiten Zähnen 145 das zwischen den entsprechenden Zähnen 135, 145 angeordnete magnetorheologische Medium 160, treten in die entsprechenden zweiten Zähne 145 ein, durchlaufen die zweiten Übertragungselemente 150 und über den magnetischen Rückschluss 125 zurück zu den ersten Übertragungselementen 140. Beispielhaft sind in 1 die Feldlinien 170 eines solchen Magnetkreises gezeigt. Entsprechende Magnetkreise bilden sich gemäß einem Ausführungsbeispiel bei aktiver Spule 165 zwischen allen direkt benachbarten Zähnen 135, 145 aus.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind an dem Stator 115 mehrere Spulen angeordnet. Beispielsweise werden direkt benachbarte der Zähne 135, 145 jeweils als ein Zähnepaar aufgefasst und jedem dieser Zähnepaare ist eine Spule zugeordnet. Entsprechend kann eine nur eine einzige Spule umfassende Spulenanordnung oder eine Spulenanordnung verwendet werden, bei der einzelne Wicklungen der Spule oder entsprechender Einzelspulen zwischen den magnetisch polarisierten Bereichen der Übertragungsgeometrie angeordnet sind, also beispielsweise zwischen direkt benachbarten der Übertragungselemente 140, 150.
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Die Planetenkörper 155 sind gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Planetenkörper 155 aus einem ferromagnetischen Material ausgeformt. Die Planetenkörper 155 weisen lediglich beispielhaft jeweils drei Zähne auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Zähne als Schrägverzahnung ausgeformt. Die Zähne der Planetenkörper 155 sind ausgebildet, um in Zwischenräume der ersten Zähne 135 und zweiten Zähne 145 einzugreifen, sowie zwischen oder in die Zahnkontur 110 des Rotors 105. Somit wird eine Zwangsführung für die Planetenkörper 155 gebildet. Zwischen den ersten Zähnen 135 und den zweiten Zähnen145 bildet sich beim Bestromen der Spule 165 ein Magnetfeld. Die dadurch entstehenden Feldlinien 170 sorgen dafür, dass sich das magnetorheologische Medium 160 im Bereich zwischen den ersten Zähnen 135 und den zweiten Zähnen 145 verfestigt bzw. in den Aktivierungszustand versetzt wird und die zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper 155 bewirkt wird.
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Um ein Durchrutschen der Planetenkörper 155, die auch als Zwischengeometrie oder Wälzkörper bezeichnet werden können, zu vermeiden, wird somit eine geometrische Zwangsführung verwendet, die sicherstellt, dass Relativbewegungen von Rotor 105 und Stator 115 schlupffrei oder zumindest schlupfarm übertragen werden. Der Aufbau der Stellvorrichtung 100 ist mit dem eines konventionellen Planetengetriebes bzw. mit dem eines Umlaufrädergetriebes vergleichbar. Gemäß einem Ausführungsbeispiel repräsentiert der Stator 115 das Hohlrad des Umlaufrädergetriebes oder das Sonnenrad des Umlaufrädergetriebes. Die Stellvorrichtung 100 mit oder ohne das Stellelement 101 kann auch als Aktor bezeichnet werden.
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Das Magnetfeld im magnetorheologischen Medium 160 wird dabei nicht zwischen Rotor 105 und Stator 115, sondern innerhalb der ersten Übertragungselemente 140 und der zweiten Übertragungselemente 150, die auch als Übertragungsgeometrie des Hohlrads bezeichnet werden können, erzeugt bzw. verläuft durch die Übertragungselemente 140, 150 und die Wirkungsbereiche. Bei einer exemplarischen Verzahnung wird abwechselnd der erste Zahn 135 als magnetischer Nordpol und der zweite Zahn 145 als magnetischer Südpol konzipiert. Erzeugt wird das magnetische Feld über eine Spule 165, auf deren Ober- und Unterseite bzw. gegenüberliegenden Seiten jeweils die magnetisch leitende ersten Übertragungselemente 140 und die zweiten Übertragungselemente 150 angeordnet sind.
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Zwischen den ersten Zähnen 135 der ersten Übertragungselemente 140 und den zweiten Zähnen 145 der zweiten Übertragungselemente 150, bei die ersten Zähne 135 und die zweiten Zähne 145 auch als Zahnflanken bezeichnet werden können, bildet sich bei einem anliegenden Magnetfeld eine verfestigte Zone aus magnetorheologischem Medium 160. Die Partikel des magnetorheologischen Mediums 160 werden bei einer Bewegung des Rotors 105 aus dem Zwischenraum der ersten Übertragungselemente 140 und der zweiten Übertragungselemente 150 verdrängt. Dabei kann durch den Aufbau der Stellvorrichtung 100 im Hinblick auf eine Drehbewegung des Rotors 105 eine Widerstandskraft erhöht werden, sodass eine Leistungsdichte der Stellvorrichtung 100 gesteigert werden kann.
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Die exemplarischen Planetenkörper 155 sind beispielhaft im Verhältnis zu dem Rotor 105 und dem Stator 115 klein im Durchmesser, beispielsweise weniger als halb so groß, weniger als ein Viertel so groß, weniger als ein Fünftel so groß, weniger als ein Zehntel so groß im Durchmesser, und mit einer geringen Zähnezahl, wie zum Beispiel mindestens drei Zähnen, realisiert, da eine Übersetzung großer Momente oder eine spielfreie Lagerung nachrangig oder unerheblich sind. Als Material für die Planetenkörper 155 werden beispielsweise ferromagnetische Materialien und/oder magnetisch nichtleitende Materialien bzw. Polymere verwendet, wobei durch die Verwendung von magnetisch nichtleitenden Materialien eine magnetische Interaktion von Planetenkörper 155 und Stator 115, der auch als Hohlrad bezeichnet werden kann, verhindert werden kann.
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Wird ein magnetisch nichtleitendes Material für die Planetenkörper 155 verwendet, kann auf vorteilhafte Weise erreicht werden, dass die magnetische Wechselwirkung ausschließlich zwischen magnetorheologischem Medium 160 und Stator 115 erfolgt und eine Bildung von Keilen aus magnetorheologischem Medium 160 verhindert werden kann.
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Der Bauraum des den Rotor 105, den Stator 115 und die Planetenkörper 155 sowie die Spule 165 umfassenden Aktors ist gemäß einem Ausführungsbeispiel flach und größer im Durchmesser als herkömmliche Vergleichssysteme. Dadurch kann eine Durchführung von mechatronischen Schnittstellen im Bereich des exemplarischen Sonnenrads vereinfacht werden.
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Für die Planetenkörper 155 sind beispielsweise Konturen gewählt, die eine kontinuierliche Krafterzeugung unterstützen, also beispielsweise Schrägverzahnungen. Alternativ zu der Verwendung einer zwischen den ersten Übertragungselemente 140 und den zweiten Übertragungselemente 150, die auch als obere und untere Übertragungsgeometrien bezeichnet werden können, eingebrachten Spule 165, können auch einzelne Wicklungen zwischen den magnetisch polarisierten Bereichen ersten Übertragungselemente 140 und den zweiten Übertragungselemente 150 verwendet werden. Durch einen derartigen Aufbau wird die Ausbreitung des magnetischen Feldes entlang des Umfangs präziser gesteuert. Zudem lässt sich die aktuelle Position des Rotors über eine Analyse der Induktivitäten der Spulen 165 ermitteln. Die Planetenkörper 155 verändern bei der Rotation entlang der ersten Übertragungselemente 140 und der zweiten Übertragungselemente 150 die Materialbeschaffenheit zwischen den exemplarischen ersten Zähnen 135 und zweiten Zähnen 145. Diese Änderung wird gemessen und die Position der Planetenkörper 155 relativ zu den Spulenwicklungen bestimmt.
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Alternativ zum Aufbau eines magnetisch aktiven Hohlrads kann auch das Sonnenrad des Aktors entsprechend gestaltet werden, so dass die Zwischengeometrien außen an der Übertragungsgeometrie abrollen. Dieser Aufbau kann vorteilhaft sein, wenn die Außenseite des Aktors direkt mit der Mantelfläche des Stellelements 110 verbunden ist oder verbunden werden kann. In einem solchen Fall, ist abweichend von der in 1 gezeigten Darstellung, das Sonnenrad als magnetisch aktiver Stator und das Hohlrad als Rotor gestaltet werden.
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Beispielsweise ist das Stellelement 101 als eine Hülse ausgeführt, die den Aktor aufnimmt, der das Sonnenrad und das Hohlrad umfasst.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist jeder n-te der Zähne 135, 145 aus einem ferromagnetischen Material ausgeformt, wobei die anderen der Zähne 135, 145 aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt sind. Die Planetenkörper 155 fungieren dabei als magnetischer Schluss zwischen den aus einem ferromagnetischen Material ausgeformten Zähnen 135, 145. Zusätzlich oder alternativ sind gemäß einem Ausführungsbeispiel zumindest einige der Zähne 135, 145 lediglich partiell bzw. nur zum Teil aus einem ferromagnetischen Material ausgeformt.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teil einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die in 1 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung handeln, wobei ein Schnitt durch den die Spule 165 umfassenden Stator 115 gezeigt ist. Angrenzend an die Spule 165 ist beispielhaft der Kunststoffmantel 120 angeordnet. Die Spule 165 ist von den Übertragungselementen 140, 150 umgeben. Eine Verbindung 200, beispielsweise eine Schraubverbindung ist gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgehsehen, um die Übertragungselemente 140, 150 miteinander zu verbinden. Die Verbindung 200 ermöglicht damit eine Verbindung zwischen oberer und unterer Zahngeometrie.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die in 1 beschriebene Stellvorrichtung oder eine ähnliche Stellvorrichtung handeln. Die Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft an einem Lenkrad 300 eines Fahrzeugs angeordnet. An dem Rotor der Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft das Stellelement 101 starr angeordnet. Das Stellelement 101 ist lediglich beispielhaft von einem Insassen des Fahrzeugs manuell durch eine Drehbewegung 310 betätigbar, genauer gesagt drehbar.
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Beispielsweise ist das Stellelement 101 als ein Knauf ausgeführt und starr mit einem Rotor der Stellvorrichtung 100, bezogen auf das anhand von 1 gezeigte Ausführungsbeispiel, mit dem Sonnenrad.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Betreiben einer Stellvorrichtung. Die Stellvorrichtung entspricht oder ähnelt hierbei einer der in einer der 1 bis 3 beschriebenen Stellvorrichtungen.
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Das Verfahren 400 weist einen Schritt 405 des Aktivierens und einen Schritt 410 des Deaktivierens auf. Im Schritt 405 des Aktivierens wird die Spule aktiviert, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Ruhezustand zu dem Aktivierungszustand zu bewirken, um die zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper zu bewirken. Im Schritt 405 des Aktivierens wird die Spule gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch eine Stromquelle bestromt, um die Spule zu aktivieren. Im Schritt 410 des Deaktivierens wird die Spule deaktiviert, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Aktivierungszustand zu dem Ruhezustand zu bewirken, um die erste Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Planetenkörper zu bewirken. Im Schritt 410 des Deaktivierens wird eine Bestromung der Spule durch eine Stromquelle deaktiviert, um die Spule zu deaktivieren. Die Schritte 405, 410 können wiederholt sowie in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Bezugszeichen
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- 100
- Stellvorrichtung
- 101
- Stellelement
- 105
- Rotor
- 110
- Zahnkontur
- 115
- Stator
- 120
- Kunststoffmantel
- 125
- Magnetischer Rückschluss
- 130
- weitere Zahnkontur
- 135
- erste Zähne
- 140
- erste Übertragungselemente
- 145
- zweite Zähne
- 150
- zweite Übertragungselemente
- 155
- Planetenkörper
- 160
- magnetorheologisches Medium
- 165
- Spule
- 170
- Feldlinien
- 175
- Spulenschutz
- 200
- Schraubverbindung
- 300
- Lenkrad
- 310
- Drehbewegung
- 400
- Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung
- 405
- Schritt des Aktivierens
- 410
- Schritt des Deaktivierens
- 415
- Schritt des Ermittelns
