DE102022115075A1 - Adjusting device for a vehicle and method for operating an adjusting device - Google Patents
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Abstract
Eine Stellvorrichtung (100) für ein Fahrzeug weist ein erstes Wirkelement (105), ein zweites Wirkelement (110), zumindest eine Wälzkörpereinheit (135), magnetorheologisches Medium (125) und zumindest eine Spule (130) auf. Die Wälzkörpereinheit (135) ist in einem Zwischenraum (140) zwischen dem ersten Wirkelement (105) und dem zweiten Wirkelement (110) angeordnet. Die Wälzkörpereinheit (135) weist einen Wälzkörper (115) und einen Wälzkörperkäfig (120) auf. Der Wälzkörper (115) ist in Anlage an das erste Wirkelement (105) angeordnet und an dem Wälzkörperkäfig (120) gelagert. Der Wälzkörperkäfig (120) ist formschlüssig mit dem zweiten Wirkelement (110) gekoppelt. Das Medium (125) ist ausgebildet, um in einem Ruhezustand eine geringe Widerstandscharakteristik und in einem Aktivierungszustand eine hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Wälzkörpers (115) und des ersten Wirkelements (105) zu bewirken. Die Spule (130) ist ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei das Magnetfeld das Medium (125) in den Aktivierungszustand versetzt.An adjusting device (100) for a vehicle has a first active element (105), a second active element (110), at least one rolling element unit (135), magnetorheological medium (125) and at least one coil (130). The rolling body unit (135) is arranged in a space (140) between the first active element (105) and the second active element (110). The rolling body unit (135) has a rolling body (115) and a rolling body cage (120). The rolling body (115) is arranged in contact with the first active element (105) and is mounted on the rolling body cage (120). The rolling element cage (120) is positively coupled to the second active element (110). The medium (125) is designed to bring about a low resistance characteristic in a resting state and a high resistance characteristic for the rotational movement of the rolling body (115) and the first active element (105) in an activated state. The coil (130) is designed to generate a magnetic field, the magnetic field putting the medium (125) into the activation state.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug, auf ein Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung, auf ein entsprechendes Steuergerät und auf ein entsprechendes Computerprogramm.The present invention relates to an actuating device for a vehicle, to a method for operating an actuating device, to a corresponding control device and to a corresponding computer program.
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 und bei Aktivierung der Bremse mit einem magnetischen Feld durchflossen werden. Die MRF 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, ist ebenfalls entwickelt. Ein alternatives Wirkprinzip verwendet ein mit MRF geflutetes Tonnenlager sowie verschiedene Ausführungen mit verzahnten Wälzkörpern und eine als Sterngeometrie bezeichnete Konturscheibe. Die höchste Leistungsdichte, also das Bremsmoment im Verhältnis zum Bauraum, stellen die Aktoren mit Wälzkörpern. Für die haptische Anwendung der Aktoren werden unterschiedliche Bremsmomentbereiche benötigt. Die Darstellung von Rasten, Rampen und anderen Kraftverläufen erfolgt im unteren Leistungsbereich, je nach Knauf teils bei zum Beispiel maximal 0,5 Newtonmeter. Endanschläge und Blockiermomente erfordern höhere Bremsleistungen von entsprechend beispielsweise etwa 1,5 Newtonmeter oder mehr. Da die menschliche Wahrnehmung kleinerer Kräfte deutlich besser ist, werden im unteren Leistungsbereich vergleichsweise hohe Anforderungen an die Regelung der Momente gestellt, während Unterschiede bei Blockiermomenten kaum wahrzunehmen sind.Magnetorheological fluid (MRF) is used in various dampers, brakes and actuators. Brakes based on MRF are usually based on one or more discs that are surrounded by MRF and a magnetic field flows through them when the brake is activated. With this principle, the MRF is loaded in shear and generates a holding torque proportional to the coil current. A corresponding mechanical concept with an additional permanent magnet that generates a basic torque has also been developed. An alternative operating principle uses a barrel bearing flooded with MRF as well as various designs with toothed rolling elements and a contour disk known as star geometry. The actuators with rolling elements provide the highest power density, i.e. the braking torque in relation to the installation space. Different braking torque ranges are required for the haptic application of the actuators. The display of notches, ramps and other force curves takes place in the lower performance range, for example at a maximum of 0.5 Newton meters, depending on the knob. End stops and blocking torques require higher braking power of, for example, around 1.5 Newton meters or more. Since human perception of smaller forces is significantly better, comparatively high demands are placed on torque control in the lower performance range, while differences in blocking torques are hardly noticeable.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Stell-vorrichtung für ein Fahrzeug, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung und ein verbessertes Steuergerät sowie ein verbessertes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention creates an improved actuating device for a vehicle, an improved method for operating an actuating device and an improved control device as well as an improved computer program according to the main claims. Advantageous refinements result from the subclaims and the following description.
Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Stellvorrichtung geschaffen werden kann, die mindestens eine Wälzkörpereinheit und magnetorheologisches Medium aufweist, wobei durch unterschiedliche Bestromungsarten auf einfache und präzise Weise unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Betätigung der Stellvorrichtung bewirkt werden können.The advantages that can be achieved with the approach presented are, in particular, that an actuating device can be created which has at least one rolling body unit and magnetorheological medium, different resistance characteristics for actuation of the actuating device being able to be effected in a simple and precise manner by different types of current supply.
Eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug weist ein erstes Wirkelement, ein zweites Wirkelement, zumindest eine Wälzkörpereinheit, ein magnetorheologisches Medium und zumindest eine Spule auf. Das erste Wirkelement und das zweite Wirkelement sind relativ zueinander drehbar gelagert. Das erste Wirkelement ist außenliegend und das zweite Wirkelement ist innenliegend angeordnet. Die Wälzkörpereinheit ist in einem Zwischenraum zwischen dem ersten Wirkelement und dem zweiten Wirkelement angeordnet. Die Wälzkörpereinheit weist einen Wälzkörper und einen Wälzkörperkäfig auf. Der Wälzkörper ist in Anlage an das erste Wirkelement angeordnet und an dem Wälzkörperkäfig gelagert. Der Wälzkörperkäfig ist formschlüssig mit dem zweiten Wirkelement gekoppelt. Das magnetorheologische Medium ist in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Wirkelement und dem zweiten Wirkelement angeordnet und ausgebildet, um in einem Ruhezustand eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Wälzkörpers und des ersten Wirkelements und in einem Aktivierungszustand eine hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Wälzkörpers und des ersten Wirkelements zu bewirken. Die Spule ist an einem der Wirkelemente angeordnet. Die Spule ist ausgebildet, um abhängig von einer Bestromung der Spule ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei das Magnetfeld das magnetorheologische Medium in den Aktivierungszustand versetzt.An actuating device for a vehicle has a first active element, a second active element, at least one rolling element unit, a magnetorheological medium and at least one coil. The first active element and the second active element are mounted rotatably relative to one another. The first active element is arranged on the outside and the second active element is arranged on the inside. The rolling body unit is arranged in a space between the first active element and the second active element. The rolling body unit has a rolling body and a rolling body cage. The rolling body is arranged in contact with the first active element and is mounted on the rolling body cage. The rolling element cage is positively coupled to the second active element. The magnetorheological medium is arranged in the space between the first active element and the second active element and is designed to have a low resistance characteristic for a rotational movement of the rolling body and the first active element in a rest state and a high resistance characteristic for the rotational movement of the rolling body and the first active element in an activated state To effect the active element. The coil is arranged on one of the active elements. The coil is designed to generate a magnetic field depending on the energization of the coil, the magnetic field putting the magnetorheological medium into the activation state.
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. Beispielsweise kann eine solche Bedienvorrichtung von einem Insassen des Fahrzeugs bedient werden. Das erste Wirkelement kann in Bezug auf das zweite Wirkelement außen liegend angeordnet sein, sodass beispielsweise das erste Wirkelement zumindest teilweise das zweite Wirkelement umgibt. Bei einem ersten Wirkelement und einem zweiten Wirkelement kann es sich um ein Paar, bestehend aus Rotor und Stator handeln. Wenn es sich bei dem ersten Wirkelement um einen Rotor handelt, handelt es sich bei dem zweiten Wirkelement um einen Stator. Wenn es sich bei dem ersten Wirkelement um einen Stator handelt, handelt es sich bei dem zweiten Wirkelement um einen Rotor. Unter einem Rotor kann ein bewegliches, rotierendes Teil der Vorrichtung verstanden werden. Unter einem Stator kann ein feststehendes, unbewegliches Teil der Vorrichtung verstanden werden. Unter dem Stator und dem Rotor sind nicht zwingend Teile einer Asynchronmaschine zu verstehen, sondern Teile einer Stellvorrichtung, die manuell betätigt werden kann. Der Stator kann innenliegend und der Rotor außenliegend angeordnet sein. Unter einer Wälzkörpereinheit kann eine Einheit mit einem Wälzkörper und einem Wälzkörperkäfig verstanden werden. Die Wälzkörpereinheit kann einem Wälzlager ähnlich oder wie ein solches aufgebaut sein und/oder als ein Wälzlager für die Wirkelemente fungieren. Bei einem Wälzkörper kann es sich um einen Rotationskörper in Form einer Kugel, Rolle, oder Tonne handeln. Bei einem Wälzkörperkäfig kann es sich um einen Käfig, ein Gestell, einen Rahmen oder dergleichen zur Aufnahme eines Wälzkörpers handeln. Bei einem magnetorheologischen Medium kann es sich um ein heterogenes Stoffgemisch von magnetisch polarisierbaren Partikeln handeln. Das magnetorheologische Medium kann auch als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet werden. Bei dem magnetorheologischen Medium kann es sich alternativ auch um ein Pulver handeln. Durch Anlegen des Magnetfelds können viskoelastische oder dynamischmechanische Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums schnell und reversibel verändert werden. Beim Anlegen eines Magnetfeldes, hervorgerufen durch das Bestromen einer Spule, verfestigt sich das magnetorheologische Medium. Bei der Spule kann es sich um ein elektrisches Bauelement handeln, das Windungen aufweist, um bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Bei den unterschiedlichen Zuständen des magnetorheologischen Mediums kann es sich um einen Ruhezustand und einen Aktivierungszustand handeln. Der Ruhezustand, also eine geringe Widerstandscharakteristik des magnetorheologischen Mediums, kann bewirkt werden, wenn die Spule nicht bestromt ist oder wird und somit kein Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt. Im Ruhezustand ist die Drehbewegung des Wälzkörpers und die Drehbewegung des Rotors in Bezug auf den Stator möglich, ohne dass ein Bremsmoment auf den Rotor wirkt oder wobei ein minimales Bremsmoment auf den Rotor wirkt. Der Aktivierungszustand, also eine hohe Widerstandscharakteristik des magnetorheologischen Mediums, kann bewirkt werden, wenn die Spule bestromt ist oder wird und somit das Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt. Im Aktivierungszustand ist die Drehbewegung des Wälzkörpers und die Drehbewegung des Rotors kaum möglich, es wirkt ein hohes Bremsmoment auf den Rotor.An adjusting device can be a device for operating any vehicle function of the vehicle. The adjusting device can be designed as an operating device or as an actuating device or an actuator. For example, such an operating device can be operated by an occupant of the vehicle. The first active element can be arranged on the outside in relation to the second active element, so that, for example, the first active element at least partially surrounds the second active element. A first active element and a second active element can be a pair consisting of a rotor and a stator. If the first active element is a rotor, the second active element is a stator. If the first active element is a stator, the second active element is a rotor. A rotor can be understood as a movable, rotating part of the device. A stator can be understood as a fixed, immovable part of the device. The stator and the rotor do not necessarily mean parts of an asynchronous machine, but rather parts of an adjusting device that can be operated manually. The stator can be arranged on the inside and the rotor on the outside. A rolling element unit can be defined as a unit with a rolling element body and a rolling element cage. The rolling body unit can be similar to or constructed like a rolling bearing and/or function as a rolling bearing for the active elements. A rolling element can be a rotating body in the form of a ball, roller or barrel. A rolling element cage can be a cage, a frame, a frame or the like for holding a rolling element. A magnetorheological medium can be a heterogeneous mixture of magnetically polarizable particles. The magnetorheological medium can also be referred to as a magnetorheological fluid. Alternatively, the magnetorheological medium can also be a powder. By applying the magnetic field, viscoelastic or dynamic mechanical properties of the magnetorheological medium can be changed quickly and reversibly. When a magnetic field is applied, caused by energizing a coil, the magnetorheological medium solidifies. The coil can be an electrical component that has turns in order to generate a magnetic field when current flows. The different states of the magnetorheological medium can be a resting state and an activated state. The idle state, i.e. a low resistance characteristic of the magnetorheological medium, can be brought about when the coil is not or is not energized and therefore no magnetic field acts on the magnetorheological medium. In the idle state, the rotational movement of the rolling element and the rotational movement of the rotor with respect to the stator are possible without a braking torque acting on the rotor or with a minimal braking torque acting on the rotor. The activation state, i.e. a high resistance characteristic of the magnetorheological medium, can be brought about when the coil is or is energized and the magnetic field thus acts on the magnetorheological medium. In the activated state, the rotational movement of the rolling element and the rotational movement of the rotor is hardly possible; a high braking torque acts on the rotor.
Der hier vorgestellte Ansatz kann beispielsweise als MRF-Aktor mit angefederten Wälzkörpern und verstärktem Blockiermoment verstanden oder bezeichnet werden. Der hier vorgestellte Ansatz kann insbesondere eine feine Regelung haptischer Kraftverläufe im besonders relevanten niedrigen Kraftbereich ermöglichen und zudem hohe Endanschlagsmomente durch die mechanische Wechselwirkung der aktiven Komponenten ermöglichen. Der hier vorgestellte Ansatz kann sich insbesondere durch die hohe funktionale Integration der Bauteile besonders auszeichnen. Die Regelbarkeit das Aktors kann ohne weitere Anpassungen am Wirkprinzip möglich sein.The approach presented here can be understood or referred to, for example, as an MRF actuator with spring-loaded rolling elements and increased blocking torque. The approach presented here can in particular enable fine control of haptic force curves in the particularly relevant low force range and also enable high end stop moments through the mechanical interaction of the active components. The approach presented here is particularly characterized by the high functional integration of the components. The controllability of the actuator can be possible without further adjustments to the operating principle.
Die Wälzkörper können mittels des Wälzkörperkäfigs geführt sein oder werden, wodurch deren Lage bei der Verwendung des Aktors vorbestimmt werden kann. Die Wälzkörper können somit nicht aneinander reiben, sich nicht an der inneren oder äußeren Wirkfläche ablegen und nehmen zueinander gleichmäßige Abstände ein. Entsprechend dieser definierten geometrischen Lage und der damit vermeidbaren Reibverhältnisse im Aktor kann ein Schwanken der erreichbaren Bremsmomente sowohl zwischen verschiedenen Aktoren, als auch bei einem einzelnen Aktor vermieden bzw. verhindert werden, so das eine zuverlässige Regelung möglich ist.The rolling elements can be guided by means of the rolling element cage, whereby their position can be predetermined when using the actuator. The rolling elements can therefore not rub against each other, cannot rest on the inner or outer active surface and are evenly spaced from one another. According to this defined geometric position and the friction conditions in the actuator that can be avoided, fluctuations in the achievable braking torques can be avoided or prevented both between different actuators and in the case of a single actuator, so that reliable control is possible.
Werden oder sind die Wälzkörper so geführt, kann von einem erhöhten Maximalmoment ausgegangen werden, da Reibeffekte, die beispielsweise durch eine gegenseitige Berührung der Wälzkörper eintreten können, nicht erfolgen. Somit verbessert sich die Leistungsdichte des Systems.If or are the rolling elements guided in this way, an increased maximum torque can be assumed, since friction effects, which can occur, for example, due to mutual contact between the rolling elements, do not occur. This improves the power density of the system.
Der hier vorgestellte Ansatz kann insbesondere einen Aktor realisieren, der über das MRF gut regelbare Bremsmomente im niedrigen Leistungsbereich realisieren kann und für den Endanschlag, beispielsweise über ein abweichendes Wirkprinzip zum MRF-Wälzkörper, hohe Momente erzeugen kann.The approach presented here can in particular realize an actuator that can implement easily controllable braking torques in the low power range via the MRF and can generate high torques for the end stop, for example via a different operating principle to the MRF rolling element.
Dies kann auch die elektronische Realisierung der Regelung vereinfachen. Viele bekannte Aktorprinzipien haben eine Strom/Momenten-Kennlinie, bei der nach einem anfänglich starken Anstieg des Moments ein asymptotisches Abklingen des Anstiegs beim Erreichen des Maximalmoments folgt. Bei einer konventionellen Pulsdauermodulationsregelung der Aktorleistung zwischen Leerlauf und Maximalmoment ist die Reglerauflösung somit im unteren Kraftbereich besonders gering, was den eigentlichen Systemanforderungen diametral entgegensteht. Ein stärkerer Anstieg zum Maximalmoment oder eine sprunghafte Änderung des Momentes durch eine Wirkprinzipänderung beim Erreichen einer vordefinierten Leistung ist entsprechend vorteilhaft.This can also simplify the electronic implementation of the control. Many well-known actuator principles have a current/torque characteristic in which an initially strong increase in torque is followed by an asymptotic decay of the increase when the maximum torque is reached. With a conventional pulse duration modulation control of the actuator power between idle and maximum torque, the controller resolution is particularly low in the lower force range, which is diametrically opposed to the actual system requirements. A greater increase to the maximum torque or a sudden change in the torque due to a change in the operating principle when a predefined power is achieved is correspondingly advantageous.
Zusammenfassend gesagt schafft der vorliegende Ansatz einen Aktor, der bei minimalem Bauraum und minimalem Leerlaufmoment Kräfte bis beispielsweise ca. 0,5 Newtonmeter präzise und reproduzierbar darstellen kann und oberhalb des haptischen Arbeitsbereichs dennoch zuverlässig Blockiermomente ab beispielsweise 1,5 Newtonmeter ermöglich kann, wobei insbesondere die Leistungsaufnahme des Aktors für höhere Momente in deutlich geringerem Maß ansteigt als im haptischen Bereich.In summary, the present approach creates an actuator that can precisely and reproducibly represent forces of up to, for example, approximately 0.5 Newton meters with minimal installation space and minimal idle torque and can still reliably enable blocking torques of, for example, 1.5 Newton meters above the haptic working area, in particular The power consumption of the actuator for higher moments increases to a significantly lower extent than in the haptic area.
Das zweite Wirkelement kann eine Zahnkontur aufweisen, wobei die Wälzkörpereinheit in die Zahnkontur eingreifen kann. Dies bietet den Vorteil, dass die Wälzkörpereinheit zuverlässig an dem zweiten Wirkelement angeordnet sein kann und ein Durchrutschen der Wälzkörpereinheit vermieden oder verhindert werden kann.The second active element can have a tooth contour, wherein the rolling body unit can engage in the tooth contour. This offers the advantage that the rolling body unit can be reliably arranged on the second active element and slipping of the rolling body unit can be avoided or prevented.
Die Wälzkörpereinheit kann ein Federelement aufweisen, wobei das Federelement ausgebildet ist, um den Wälzkörper federnd relativ zu dem Wälzkörperkäfig lagern zu können. Dies bietet den Vorteil, dass eine vorteilhafte und zuverlässige Lagerung des Wälzkörpers in dem Wälzkörperkäfig ermöglicht werden kann. Ab einem durch die Federkraft des Wälzkörperkäfigs bestimmten Bremsmoment können die Positionen zumindest eines Wälzkörpers und/oder des Wälzkörperkäfigs gegenüber dem ersten Wirkelement ausgelenkt werden. So kann ein mechanisches Bremsmoment potenziert werden.The rolling body unit can have a spring element, wherein the spring element is designed to be able to mount the rolling body resiliently relative to the rolling body cage. This offers the advantage that an advantageous and reliable storage of the rolling body in the rolling body cage can be made possible. From a braking torque determined by the spring force of the rolling body cage, the positions of at least one rolling body and/or the rolling body cage can be deflected relative to the first active element. In this way, a mechanical braking torque can be increased.
Das Federelement kann ausgebildet sein, um den Wälzkörper radial bezüglich einer Drehachse eines als Rotor ausgelegten Wirkelements der Wirkelemente federnd zu lagern. So kann der Wälzkörper in Anlage gegen das erste Wirkelement vorgespannt gelagert sein.The spring element can be designed to resiliently mount the rolling body radially with respect to an axis of rotation of an active element of the active elements designed as a rotor. The rolling element can thus be mounted in a prestressed manner in contact with the first active element.
Das Federelement kann aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt sein. Dies bietet den Vorteil, dass magnetische Scherkräfte zwischen der Zahnkontur und dem Federelement wirken können.The spring element can be formed from a magnetically conductive material. This offers the advantage that magnetic shear forces can act between the tooth contour and the spring element.
Das Federelement kann aus einem magnetisch nicht-leitenden Material ausgeformt sein. Vorteilhafterweise kann somit je nach Anforderungen einer konkreten Anwendung der Stellvorrichtung ein geeignetes Material für das Federelement gewählt werden.The spring element can be formed from a magnetically non-conductive material. Advantageously, depending on the requirements of a specific application of the adjusting device, a suitable material can be selected for the spring element.
Die zumindest eine Wälzkörpereinheit kann als eine Lagerstelle zum Lagern eines als Rotor ausgelegten Wirkelements der Wirkelemente bezüglich eines als Stator ausgelegten Wirkelements der Wirkelemente ausgeformt sein. Hierbei kann die zumindest eine Wälzkörpereinheit als ein Wälzlager fungieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Drehbewegung des als Rotor ausgelegten Wirkelements bezüglich des als Stator ausgelegten Wirkelements sicher und definiert ermöglicht werden kann.The at least one rolling element unit can be formed as a bearing point for supporting an active element of the active elements designed as a rotor with respect to an active element of the active elements designed as a stator. Here, the at least one rolling body unit can function as a rolling bearing. Such an embodiment offers the advantage that a rotational movement of the active element designed as a rotor with respect to the active element designed as a stator can be made possible in a safe and defined manner.
Das magnetorheologische Medium kann im Aktivierungszustand Keile zwischen dem Wälzkörper und dem Wälzkörperkäfig und zwischen dem Wälzkörper und dem ersten Wirkelement bewirken. Dies bietet den Vorteil, dass eine hohe Widerstandscharakteristik der Drehbewegung des Wälzkörpers und des Rotors erzielt werden kann.In the activated state, the magnetorheological medium can cause wedges between the rolling body and the rolling body cage and between the rolling body and the first active element. This offers the advantage that a high resistance characteristic of the rotational movement of the rolling body and the rotor can be achieved.
Das erste Wirkelement kann als Rotor und das zweite Wirkelement als Stator ausgelegt sein. Alternativ kann das erste Wirkelement als Stator und das zweite Wirkelement als Rotor ausgelegt sein. Ein Stellelement kann mit dem als Rotor ausgelegten Wirkelement der Wirkelemente koppelbar oder gekoppelt sein. Die zumindest eine Spule kann an dem als Stator ausgelegten Wirkelement der Wirkelemente angeordnet sein. So kann je nach konkreter Anforderung einer tatsächlichen beabsichtigten Anwendung der Stellvorrichtung ein innenliegender oder außenliegender Rotor realisiert werden kann.The first active element can be designed as a rotor and the second active element as a stator. Alternatively, the first active element can be designed as a stator and the second active element as a rotor. An actuating element can be coupled or coupled to the active element of the active elements designed as a rotor. The at least one coil can be arranged on the active element of the active elements designed as a stator. Depending on the specific requirements of an actual intended application of the adjusting device, an internal or external rotor can be implemented.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform der hier genannten Stellvorrichtung weist einen Schritt des Bestromens der Spule und einen Schritt des Deaktivierens der Spule auf. Im Schritt des Bestromens der Spule wird das Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Aktivierungszustand zu versetzen. Im Schritt des Deaktivierens der Spule wird das Magnetfeld deaktiviert, um das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen.A method for operating an embodiment of the adjusting device mentioned here has a step of energizing the coil and a step of deactivating the coil. In the step of energizing the coil, the magnetic field is generated in order to put the magnetorheological medium into the activation state. In the step of deactivating the coil, the magnetic field is deactivated to put the magnetorheological medium into the resting state.
Die geringe Widerstandscharakteristik kann einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium einer Drehbewegung des Wälzkörpers und einer Drehbewegung des Rotors einen geringen Drehwiderstand entgegensetzt, also ein geringes Bremsmoment auf den Wälzkörper und den Rotor ausübt. Dadurch braucht der Bediener nur ein geringes Drehmoment auf das Stellelement auszuüben, um das Stellelement verdrehen zu können. Das Stellelement fühlt sich beispielsweise leichtgängig an. Die hohe Widerstandscharakteristik kann einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium der Drehbewegung des Wälzkörpers und des Rotors einen im Vergleich zum geringen Drehwiderstand hohen Drehwiderstand entgegensetzt, also ein hohes Bremsmoment auf den Wälzkörper und den Rotor ausübt. Dadurch muss der Bediener ein hohes Drehmoment auf das Stellelement ausüben, um das Stellelement verdrehen zu können. Das Stellelement fühlt sich beispielsweise schwergängig an. Der hohe Drehwiderstand kann auch so groß sein, dass das Stellelement gesperrt ist.The low resistance characteristic can represent a state of the magnetorheological medium in which the magnetorheological medium opposes a rotational movement of the rolling body and a rotational movement of the rotor with a low rotational resistance, i.e. exerts a low braking torque on the rolling body and the rotor. As a result, the operator only needs to exert a small amount of torque on the actuating element in order to be able to rotate the actuating element. For example, the control element feels smooth. The high resistance characteristic can represent a state of the magnetorheological medium in which the magnetorheological medium opposes the rotational movement of the rolling body and the rotor with a high rotational resistance compared to the low rotational resistance, i.e. exerts a high braking torque on the rolling body and the rotor. As a result, the operator must exert a high torque on the actuating element in order to be able to rotate the actuating element. For example, the control element feels stiff. The high rotational resistance can also be so great that the control element is blocked.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control device.
Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle 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.A control device can be an electrical device that processes electrical signals, for example sensor signals, and depending on this Outputs control signals. The device can have one or more suitable interfaces, which can be designed in hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can, for example, be part of an integrated circuit in which functions of the control device are implemented. The interfaces can also be their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of software training, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
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.Also advantageous is a computer program product with program code, which can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard drive memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is on a computer or a control device is performed.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Teildarstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Teildarstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Stellvorrichtung.
-
1 a schematic representation of an adjusting device according to an exemplary embodiment; -
2 a schematic partial representation of an adjusting device according to an exemplary embodiment; -
3 a schematic partial representation of an adjusting device according to an exemplary embodiment; -
4 a schematic representation of an adjusting device according to an exemplary embodiment; -
5 a schematic representation of an adjusting device according to an exemplary embodiment; and -
6 a flowchart of an exemplary embodiment of a method for operating an adjusting device.
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.In the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numbers are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, with a repeated description of these elements being omitted.
Das erste Wirkelement 105 und das zweite Wirkelement 110 sind relativ zueinander drehbar gelagert. Das erste Wirkelement 105 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel außenliegend angeordnet und als Rotor ausgeführt. Das zweite Wirkelement 110 ist beispielhaft innenliegend angeordnet und als Stator ausgeführt. Das erste Wirkelement 105 ist mit einem Stellelement koppelbar. Das zweite Wirkelement 110 weist gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Zahnkontur auf.The first
Der Wälzkörper 115 und der Wälzkörperkäfig 120 bilden zusammen eine Wälzkörpereinheit 135. Die Wälzkörpereinheit 135 ist ausgebildet, um in die Zahnkontur einzugreifen. In
Die mindestens eine Wälzkörpereinheit 135 ist in einem Zwischenraum 140 zwischen dem ersten Wirkelement 105 und dem zweiten Wirkelement 110 angeordnet. Die mindestens eine Wälzkörpereinheit 135 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel als eine Lagerstelle zum Lagern des ersten Wirkelements 105 bezüglich des zweiten Wirkelements 110 ausgeformt.The at least one rolling
Der Wälzkörper 115 der Wälzkörpereinheit 135 ist kraftschlüssig mit dem ersten Wirkelement 105 gekoppelt und an dem Wälzkörperkäfig 120 gelagert. Der Wälzkörperkäfig 120 ist formschlüssig mit dem zweiten Wirkelement 110 gekoppelt. Der Wälzkörperkäfig 120 ist ausgebildet, um den Wälzkörper 115 zu führen und um eine Berührung des Wälzkörpers 115 mit anderen Wälzkörpern zu verhindern. Ferner verhindert der Wälzkörperkäfig 120 ein Herausfallen oder Herausrutschen des Wälzkörpers 115 aus der Führung.The rolling
Zusätzlich weist die Wälzkörpereinheit 135 ein Federelement 145 auf. Das Federelement 145 ist ausgebildet, um den Wälzkörper 115 federnd relativ zu dem Wälzkörperkäfig 120 zu lagern. Insbesondere ist das Federelement 145 ausgebildet, um den Wälzkörper 115 radial bezüglich einer Drehachse des ersten Wirkelements 105 federnd zu lagern. Je nach Ausführungsbeispiel ist das Federelement 145 aus einem magnetisch leitenden Material oder aus einem magnetisch nicht-leitenden Material ausgeformt.In addition, the rolling
Das magnetorheologische Medium 125 ist in dem Zwischenraum 140 zwischen dem ersten Wirkelement 105 und dem zweiten Wirkelement 110 angeordnet. Das magnetorheologische Medium 125 ist ausgebildet, um in Bezug auf das zweite Wirkelement 110 in einem Ruhezustand eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Wälzkörpers 115 und des ersten Wirkelements 105 und in einem Aktivierungszustand eine hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Wälzkörpers 115 und des ersten Wirkelements 105 zu bewirken.The
Die Spule 130 ist beispielhaft an dem zweiten Wirkelement 110 angeordnet. Die Spule 130 ist ausgebildet, um abhängig von einer Bestromung der Spule 130 ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld versetzt das magnetorheologische Medium 125 in den Aktivierungszustand.The
In dem Aktivierungszustand ist die Drehbewegung des Wälzkörpers 115 und des ersten Wirkelements 105 kaum möglich, es wirkt ein hohes Bremsmoment auf den Wälzkörper 115 und das erste Wirkelement 105. In dem Aktivierungszustand bildet das magnetorheologische Medium 125 Keile zwischen dem Wälzkörper 115 und dem Wälzkörperkäfig 120 sowie zwischen dem Wälzkörper 115 und dem ersten Wirkelement 105.In the activated state, the rotational movement of the rolling
In einem unbestromten Zustand der Spule 130 wird das magnetorheologische 125 in einen Ruhezustand versetzt. Im Ruhezustand ist die Drehbewegung des Wälzkörpers 115 und des ersten Wirkelements 105 möglich, ohne dass ein Bremsmoment auf das erste Wirkelement 105 wirkt.When the
Bei einer Drehbewegung des ersten Wirkelements 105 drückt der Innenumfang des ersten Wirkelements 105 an den Wälzkörper 115, wodurch der Wälzkörper 115 ebenfalls eine Drehbewegung ausführt. Der Wälzkörper 115 ist in dem Wälzkörperkäfig 120 gelagert. Die Wälzkörpereinheit 135 verbleibt bei einer Drehbewegung des ersten Wirkelements 105 und des Wälzkörpers 120 in der jeweiligen Zahnkontur des zweiten Wirkelements 110.When the first
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das erste Wirkelement 105 außenliegend als Stator ausgeführt und das zweite Wirkelement 110 innenliegend als Rotor ausgeführt.According to an alternative exemplary embodiment, the first
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spule unbestromt. Demnach befindet sich das magnetorheologische Medium 125 in einem Ruhezustand. Es wirkt kein Bremsmoment auf den Wälzkörper 115 und das erste Wirkelement 105. Das erste Wirkelement 105 ist im Ruhezustand drehbar, ebenso der Wälzkörper 115.According to the exemplary embodiment shown here, the coil is de-energized. Accordingly, the
Die Wälzkörpereinheit 135 befindet sich in einer Zahnkontur 210 des zweiten Wirkelements 110, genauer gesagt in einem Tal zwischen zwei benachbarten Zähnen der Zahnkontur 210. Es ist eine Gleitfläche 205 des Wälzkörperkäfigs 120 dargestellt, ebenso eine Lagerung 200 des Wälzkörpers 115.The rolling
In
In dem Aktivierungszustand bildet das magnetorheologische Medium 125 Keile 300 zwischen dem Wälzkörper 115 und dem Wälzkörperkäfig 120 sowie zwischen dem Wälzkörper 115 und dem ersten Wirkelement 105. Die Keile 300 werden entlang einer in
Die Keile 300 verhindern eine Drehbewegung des Wälzkörpers 115 und des ersten Wirkelements 105 fast vollständig oder vollständig. Die Drehrichtung 310 der Drehbewegungen ist mittels eines Pfeils dargestellt.The
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren die bereits genannten Ausführungsbeispiele zusammengefasst kurz erläutert.Below, with reference to the figures already described above The exemplary embodiments mentioned are briefly explained.
Zur besseren Darstellbarkeit ist der Aktor in
Die Stellvorrichtung 100, die auch als MRF-Aktor bezeichnet werden kann, weist zumindest einen Wälzkörper 115 auf, der über einen Wälzkörperkäfig 120 und ein Federelement 145, die auch als käfigartiger Federmechanismus bezeichnet werden können, an das erste Wirkelement 105, das als eine äußere Wirkfläche für den Wälzkörper 115 fungiert, angedrückt.The adjusting
Das Federelement 145, das auch als Federmechanismus bezeichnet werden kann, stützt sich dabei radial beweglich gegen die Zahnkontur 210, die auch als Zahngeometrie bezeichnet werden kann, auf dem zweiten Wirkelement 110, das auch als innerer Wirkradius bezeichnet werden kann, ab. Die Zahnkontur 210 ist derart gestaltet, dass ein Durchrutschen des Wälzkörperkäfigs 120 mit den Wälzkörpern 115 ausgeschlossen werden kann.The
In einem unbestromten Zustand, der auch als Leerlauf des Aktors bezeichnet werden kann, rollen die Wälzkörper 115 auf dem ersten Wirkelement 105 ab und der Wälzkörperkäfig 120 liegt in den Tälern der Zahnkontur 210, wie es beispielhaft in
Sobald mit einem magnetischen Feld ein Widerstandsmoment durch das magnetorheologische Medium 125 erzeugt wird, wirkt dieses Moment auch auf die Wälzkörpereinheit 135. In Abhängigkeit der Federkraft, der magnetischen Wechselwirkung zwischen Zahnkontur 210 und Federelement 145 sowie der Steigung der Zahnkonturflanken schiebt sich der angefederte Wälzkörperkäfig 120 gegen die Zahnflanke nach außen, wie es beispielhaft in
Da die Spaltbreite maßgeblich für die Erzeugung eines Widerstandsmoments im magnetorheologischen Medium 125 ist und zudem die Kraftabstützung an dem ersten Wirkelement 105 durch den magnetischen Wirkbereich erfolgt, ist mit einer Zunahme des erzeugten Moments zu rechnen. Zusätzlich können bei einem magnetisch leitenden Federelement 145 magnetische Scherkräfte zwischen den Zahnkonturflanken und der Federelementauflage entstehen.Since the gap width is decisive for the generation of a moment of resistance in the
Mit zunehmendem Bremsmoment wandert die Gleitfläche 205, die auch als Auflagefläche bezeichnet werden kann, des Federmechanismus radial nach außen, bis eine Berührung mit dem Wälzkörper 115 erfolgt. Die Gleitfläche 205 wird somit zwischen Wälzkörper 115 und Zahnkonturflanke geklemmt und blockiert die Rotation des Aktors zusätzlich.As the braking torque increases, the sliding
Wird das magnetische Feld ausreichend reduziert, drückt das Federelement 145 sich selbst zurück entlang der Zahnkonturflanke 210 und gibt den Aktor wieder frei.If the magnetic field is reduced sufficiently, the
Wird die Drehrichtung 310 bei aktiviertem magnetischem Feld umgekehrt, hat das System ein durch die Geometrie und die magnetische Wechselwirkung zwischen Federelement 145 und Zahnkontur 210 definiertes Spiel mit verringertem Widerstandsmoment. Dieses Spiel kann genutzt werden, um den Drehrichtungswechsel sensorisch zu erfassen.If the direction of
Das Federelement 145 kann aus magnetisch leitfähigem Material oder auch aus magnetisch nicht-leitfähigem Material hergestellt sein. Die Materialauswahl hat Einfluss auf den magnetischen Fluss und die Krafterzeugung innerhalb des Aktors.The
Falls kein Blockiermoment gewünscht ist, kann die radiale Bewegung des Federelements 145 reduziert oder auch komplett vermieden werden.If no blocking moment is desired, the radial movement of the
Da die Wälzkörper 115 spielfrei an das erste Wirkelement 105 gedrückt werden, kann der Wirkmechanismus als Lagerstelle fungieren.Since the rolling
Da der Wälzkörperkäfig 120 nicht wie in
Die Stellvorrichtung 100 weist ein Steuergerät 400, einen Versorgungsanschluss 405 und eine Schalteinrichtung 410 auf. Ferner ist die Spule 130 der Stellvorrichtung 100 gezeigt.The adjusting
Der Versorgungsanschluss 405 ist ausgebildet, um elektrische Energie einzuspeisen, um die Spule 130 zu betreiben. Die Schalteinrichtung 410 ist beispielhaft zwischen den Versorgungsanschluss 405 und die Spule 130 geschaltet. Das Steuergerät 400 ist signalübertragungsfähig mit der Schalteinrichtung 410 verbunden. Das Steuergerät 400 ist ausgebildet, um ein Steuersignal 415 zum Bewirken der Bestromung der Spule 130 an die Schalteinrichtung 410 auszugeben. Die Schalteinrichtung 410 ist ausgebildet, um für die Bestromung der Spule 130 ansprechend auf das Steuersignal 415 eine Verschaltung zwischen dem Versorgungsanschluss 405 und den Anschlüssen der Spule 130 zu bewirken. Die Verschaltung bewirkt eine Bestromung der Spule 130.The
Das Verfahren 600 weist einen Schritt 605 des Bestromens der Spule auf. Der Schritt 605 wird ausgeführt, um das Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetorheologische Medium in den Aktivierungszustand zu versetzen.The
Ferner weist das Verfahren 600 einen Schritt 615 des Deaktivierens der Spule auf. Der Schritt 615 wird ausgeführt, um das Magnetfeld zu deaktivieren, um das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen.Furthermore, the
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.The exemplary embodiments described and shown in the figures are only chosen as examples. Different exemplary embodiments can be combined with one another completely or with regard to individual features. An exemplary embodiment can also be supplemented by features of a further exemplary embodiment.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.Furthermore, method steps according to the invention can be repeated and carried out in an order other than that described.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment includes an “and/or” link between a first feature and a second feature, this can be read as meaning that, according to one embodiment, the exemplary embodiment has both the first feature and the second feature and, according to a further embodiment, either only the first Feature or only the second feature.
BezugszeichenReference symbols
- 100100
- StellvorrichtungAdjusting device
- 105105
- erstes Wirkelementfirst active element
- 110110
- zweites Wirkelementsecond active element
- 115115
- Wälzkörperrolling elements
- 120120
- WälzkörperkäfigRolling element cage
- 125125
- magnetorheologisches Mediummagnetorheological medium
- 130130
- SpuleKitchen sink
- 135135
- WälzkörpereinheitRolling element unit
- 140140
- Zwischenraumspace
- 145145
- Federelement Spring element
- 200200
- Lagerung des WälzkörpersStorage of the rolling element
- 205205
- Gleitflächesliding surface
- 210210
- Zahnkontur tooth contour
- 300300
- KeileWedges
- 305305
- MagnetfeldlinieMagnetic field line
- 310310
- Drehrichtung Direction of rotation
- 400400
- SteuergerätControl unit
- 405405
- VersorgungsanschlussSupply connection
- 410410
- SchalteinrichtungSwitching device
- 415415
- Steuersignal Control signal
- 500500
- Lenkradsteering wheel
- 505505
- StellelementControl element
- 510510
- Drehbewegung Rotary movement
- 600600
- Verfahren zum Betreiben einer StellvorrichtungMethod for operating an adjusting device
- 605605
- Schritt des BestromensStep of energizing
- 610610
- Schritt des DeaktivierensDeactivation step
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2023
- 2023-06-13 WO PCT/DE2023/000048 patent/WO2023241750A1/en unknown
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