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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.
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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 und bei Aktivierung der Bremse von 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.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Stellvorrichtung 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.
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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.
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Eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug weist ein erstes Wirkelement, ein zweites Wirkelement, eine Wälzkörpereinheit, ein magnetorheologisches Medium und zumindest eine Spule auf. Das erste Wirkelement und das zweite Wirkelement sind relativ zueinander drehbar gelagert. Die Wälzkörpereinheit ist in einem Zwischenraum zwischen dem ersten Wirkelement und dem zweiten Wirkelement angeordnet. Die Wälzkörpereinheit weist mindestens einen aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformten Wälzkörper und einen Wälzkörperkäfig zum Führen des mindestens einen Wälzkörpers auf. Der Wälzkörperkäfig ist mit dem ersten Wirkelement verbunden. 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 oder in 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 und den mindestens einen Wälzkörper in Anlage gegen das zweite Wirkelement bewegt.
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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. Beispielsweise kann eine solche Bedienvorrichtung von einem Insassen des Fahrzeugs bedient werden. 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. Der Wälzkörperkäfig kann mehrere Wälzkörper aufnehmen. Der Wälzkörperkäfig kann zumindest einen weiteren Wälzkörper aufnehmen, wobei der weitere Wälzkörper aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt sein kann. Bei dem 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 dynamisch-mechanische 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. Die Spule kann als eine Ringspule ausgeformt sein. 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 Ruhzustand 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. Bei einer Beaufschlagung der Spule mit einer Stromstärke zwischen dem unbestritten Zustand und dem bestreuten Zustand ist das magnetorheologische Medium in mindestens einen Zwischenzustand zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand versetzbar. In einem Zwischenzustand kann eine mittlere Widerstandscharakteristik zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik vorliegen.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann beispielsweise als MRF-Aktor mit Umfangswicklung und mechanischer Bremskraftverstärkung verstanden oder bezeichnet werden. Der hier vorgestellte Ansatz kann insbesondere eine Magnetfeldführung mit einem unmagnetischen Materialbereich in Kombination mit Wälzkörpern ermöglichen. Eine Regelbarkeit das Aktors kann ohne weitere Anpassungen am Wirkprinzip möglich sein.
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Die Wälzkörper können mittels des Wälzkörperkäfigs geführt sein oder werden, wodurch deren Lage bei der Verwendung des Aktors vorbestimmt sein kann. Die Wälzkörper können somit nicht aneinander reiben, sich nicht an einer radial 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 dass eine zuverlässige Regelung möglich ist. 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, vermieden werden können. Somit verbessert sich beispielsweise eine Leistungsdichte des Systems.
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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.
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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. Um die elektronische Realisierung der Regelung zu vereinfachen, kann im Bereich von weniger als 10 Prozent des Regelstroms ein möglichst geringes Moment gestellt werden. Dieser Leistungsbereich ist prinzipbedingt weniger gut zu regeln. Bei höheren Reglerströmen kann der Verlauf der Kennlinie möglichst linear sein und im Bereich von ca. 90 Prozent des maximalen Reglerstroms einen deutlichen Anstieg aufweisen, mit dem ein besser geregeltes Endanschlagsmoment erzeugt werden kann. Der hier vorgestellte Ansatz kann einen derartigen Anstieg ermöglichen. Sobald die magnetische Sättigung der MR-Partikel erreicht ist, kann eine weitere Bremsmomentzunahme stattfinden. Die Sättigung der MR-Partikel kann sich progressiv dem Maximalwert der Sättigung annähern.
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Der Wälzkörperkäfig kann mit dem ersten Wirkelement beweglich verbunden sein. Hierdurch kann eine Relativbewegung zwischen dem Wälzkörperkäfig und dem ersten Wirkelement ermöglicht werden, insbesondere ab einem vordefinierten Bremsmoment. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Wirkelement ebenfalls beweglich mit dem Wälzkörperkäfig verbunden sein.
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Der Wälzkörperkäfig kann mit dem ersten Wirkelement kraftschlüssig und zusätzlich oder alternativ formschlüssig verbunden sein. Dadurch kann der Wälzkörperkäfig zuverlässig mit dem ersten Wirkelement verbunden sein.
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Die Stellvorrichtung kann zumindest eine Rippe aufweisen, die an einem Umfang des ersten Wirkelementes angeordnet sein kann. Die Rippe kann ausgeformt sein, um bei einer Relativbewegung zwischen dem Wälzkörperkäfig und dem ersten Wirkelement in Kontakt mit dem Wälzkörper zu gelangen und den Wälzkörper in Anlage gegen das zweite Wirkelement zu drücken. Dadurch kann ein hohes Bremsmoment auf den Wälzkörper und/oder das erste Wirkelement wirken. Durch eine Klemmung des mindestens einen Wälzkörpers mittels der zumindest eine Rippe gegen das zweite Wirkelement das Bremsmoment bei vorliegender hoher Widerstandscharakteristik mechanisch erhöht oder verstärkt werden.
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Das erste Wirkelement kann zumindest eine Nut aufweisen, in die ein elastisch vorgespannter Federabschnitt des Wälzkörperkäfigs eingreifen kann. Die zumindest eine Nut kann umlaufend um das erste Wirkelement ausgeformt sein. Dies bietet den Vorteil, dass der Wälzkörperkäfig zuverlässig in der Nut vorgespannt werden kann. Beispielsweise kann das erste Wirkelement zwei Nuten aufweisen.
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Das zweite Wirkelement kann einen Barriereabschnitt aus einem magnetisch nichtleitenden Material aufweisen. Der Barriereabschnitt kann zwischen der Spule und dem Zwischenraum angeordnet sein. Der Barriereabschnitt kann beispielsweise als in das zweite Wirkelement eingeschweißter Edelstahl oder als ein in das zweite Wirkelement eingesetzter Dichtring ausgeführt sein. Der Barriereabschnitt kann als eine Flussbarriere den magnetischen Fluss zuverlässig über die Wälzkörpereinheit führen bzw. umleiten.
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Der zumindest eine Wälzkörper kann zylindrisch und zusätzlich oder alternativ als Teil eines Rotationsellipsoids ausgeformt sein. Dies bietet den Vorteil, dass der Wälzkörper reibungsarm und sicher in dem Wälzkörperkäfig rotieren kann.
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Eine dem Zwischenraum zugewandte Wand des zweiten Wirkelements kann entlang einer Drehachse der Drehbewegung gekrümmt ausgeformt sein und zwei Kontaktbereiche aufweisen, an denen der mindestens eine Wälzkörper in Kontakt mit dem zweiten Wirkelement gelangen kann. Auf diese Weise kann eine Zentrierung des mindestens einen Wälzkörpers bei der Drehbewegung auf einfache und zuverlässige Weise erreicht werden.
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Die Kontaktbereiche können ausgeführt sein, um einen Übergang eines durch die Spule bewirkten magnetischen Flusses zwischen dem zweiten Wirkelement und dem mindestens einen Wälzkörper zu ermöglichen. Dadurch kann das magnetorheologische Medium vorteilhaft in einen Aktivierungszustand versetzt werden und auf die Drehbewegung des Wälzkörpers wirken. Auch kann der Wälzkörper auf diese Weise zu der Spule hin bewegt werden, wenn der magnetische Fluss durch den Wälzkörper hindurch verläuft.
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Das zweite Wirkelement kann das erste Wirkelement zumindest teilweise umgeben. Das erste Wirkelement kann in Bezug auf das zweite Wirkelement innen liegend angeordnet sein.
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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. 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. Der Rotor kann innenliegend und der Stator außenliegend angeordnet sein. So kann je nach konkreter Anforderung einer tatsächlichen beabsichtigten Anwendung der Stellvorrichtung ein innenliegender oder außenliegender Rotor realisiert werden kann.
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Der Wälzkörperkäfig kann zumindest partiell aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt sein. Alternativ kann der Wälzkörperkäfig aus einem magnetisch nicht-leitenden Material ausgeformt sein. Ein magnetisch leitender Wälzkörperkäfig kann magnetische Scherkräfte bewirken. Durch die Verwendung eines magnetisch nicht-leitenden Wälzkörperkäfigs kann vorteilhafterweise je nach Anforderungen einer konkreten Anwendung der Stellvorrichtung ein geeignetes Material für den Wälzkörperkäfig gewählt werden. Auch kann eine Materialauswahl auf vorteilhafte Weise Einfluss auf den magnetischen Fluss und die Krafterzeugung innerhalb des Aktors haben.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform der hierin 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.
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Die geringe Widerstandscharakteristik kann einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium einer Drehbewegung des Wälzkörpers und einer Drehbewegung des als Rotor ausgeführten Wirkelements 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.
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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. 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.
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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 einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 5 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. Beispielsweise kann die Stellvorrichtung 100 durch einen Insassen des Fahrzeugs manuell betätigt werden, z. B. über ein Stellelement. Die Stellvorrichtung 100 weist ein erstes Wirkelement 102, ein zweites Wirkelement 104, eine Wälzkörpereinheit 106, ein magnetorheologisches Elastomer 108 und eine Spule 110 auf.
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Das erste Wirkelement 102 und das zweite Wirkelement 104 sind relativ zueinander drehbar gelagert. Das erste Wirkelement 102 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel innenliegend angeordnet und als Rotor ausgeführt. In 1 ist auch eine Drehachse 111 des ersten Wirkelements 102 dargestellt. Das zweite Wirkelement 104 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel außenliegend angeordnet und als Stator ausgeführt. Das zweite Wirkelement 104 ist zumindest teilweise aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt. Das zweite Wirkelement 104 umgibt zumindest teilweise das erste Wirkelement 102. Das erste Wirkelement 102 ist mit einem Stellelement koppelbar.
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Die Wälzkörpereinheit 106 weist zumindest einen Wälzkörper 112 und einen Wälzkörperkäfig 114 auf. Die Wälzkörpereinheit 106 ist in einem Zwischenraum zwischen dem ersten Wirkelement 102 und dem zweiten Wirkelement 104 angeordnet. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Wälzkörpereinheit 106 eine Mehrzahl von Wälzkörpern 112 auf. Lediglich beispielhaft und darstellungsbedingt sind in 1 zwei Wälzkörper 112 dargestellt. Je nach Ausführungsbeispiel sind die Wälzkörper 112 aus einem magnetisch leitenden Material und/oder aus einem magnetisch nicht-leitenden Material ausgeformt. Die Wälzkörper 112 sind beispielhaft zylindrisch und/oder als Teil eines Rotationsellipsoids ausgeformt. Die Wälzkörper 112 sind an dem Wälzkörperkäfig 114 gelagert angeordnet.
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Der Wälzkörperkäfig 114 ist ausgebildet, um die Wälzkörper 112 zu führen. Die Mehrzahl von Wälzkörpern 112 ist in dem Wälzkörperkäfig 114 angeordnet. Der Wälzkörperkäfig 114 ist mit dem ersten Wirkelement 102 verbunden. Dabei kann der Wälzkörperkäfig 114 mit dem ersten Wirkelement 102 beweglich, kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sein. Je nach Ausführungsbeispiel ist der Wälzkörperkäfig 114 aus einem magnetisch leitenden Material oder einem magnetisch nicht-leitenden Material ausgeformt.
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Das magnetorheologische Elastomer 108 ist in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Wirkelement 102 und dem zweiten Wirkelement 104 angeordnet. Das magnetorheologische Elastomer 108 umgibt die Wälzkörper 112 zumindest teilweise. Das magnetorheologische Elastomer 108 ist ausgebildet, um in Bezug auf das zweite Wirkelement 104 in einem Ruhezustand eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung der Wälzkörper 112 und des ersten Wirkelements 102 und in einem Aktivierungszustand eine hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung der Wälzkörper 112 und des ersten Wirkelements 102 zu bewirken.
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Die Spule 110 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an dem zweiten Wirkelement 104 angeordnet, genauer gesagt in das zweite Wirkelement 104 eingebettet oder eingelegt. Die Spule 110 ist ausgebildet, um abhängig von einer Bestromung der Spule 110 ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld versetzt das magnetorheologische Elastomer 108 in den Aktivierungszustand und bewegt den mindestens einen Wälzkörper 112 in Anlage gegen das zweite Wirkelement 104. Die Spule 110 ist beispielhaft als Ringspule ausgeführt.
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Die Drehachse 111 fungiert zu Veranschaulichungszwecken als Trennung der Stellvorrichtung 100, wobei in 1 links der Drehachse 111 die Spule 110 in einem unbestromten Zustand dargestellt ist und rechts der Drehachse 111 die Spule 110 in einem bestromten Zustand dargestellt ist. Die Spule 110 weist einen Versorgungsanschluss 118 auf. Der Versorgungsanschluss 118 ist ausgebildet, um elektrische Energie zum Bestromen der Spule 110 bereitzustellen oder, anders ausgedrückt, einen elektrischen Anschluss der Spule 110 an eine Energieversorgung zu ermöglichen.
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Die Stellvorrichtung 100 weist eine Rippe 120 auf, die an einem Umfang, einer Umfangsfläche, einer Mantelfläche oder genauer gesagt einer Außenumfangsfläche des ersten Wirkelements 102 angeordnet ist. Die Rippe 120 ist ausgeformt, um bei einer Relativbewegung zwischen dem Wälzkörperkäfig 114 und dem ersten Wirkelement 102 in Kontakt mit dem Wälzkörper 112 zu gelangen und den Wälzkörper 112 in Anlage gegen das zweite Wirkelement 104, genauer gesagt dessen Innenumfangsfläche, zu drücken.
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Das erste Wirkelement 102 weist zumindest eine Nut 122 auf. In die Nut 122 greift ein elastisch vorgespannter Federabschnitt des Wälzkörperkäfigs 114 ein. In 1 weist das erste Wirkelement 102 beispielhaft zwei Nuten 122 auf.
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Das zweite Wirkelement 104 weist eine dem Zwischenraum zugewandte Wand auf, hier eine Innenumfangsfläche. Diese Wand ist entlang der Drehachse 111 der Drehbewegung gekrümmt ausgeformt. Durch die gekrümmte Ausformung weist die Wand eine Einbuchtung bzw. einen Einbuchtungsabschnitt auf. Die Wand weist zwei Kontaktbereiche 124 auf, an denen die Wälzkörper 112 in Kontakt mit dem zweiten Wirkelement 104 gelangen. Die Kontaktbereiche 124 sind ausgeführt, um einen einen Übergang für durch die Spule 110 bewirkten magnetischen Fluss 128 zwischen dem zweiten Wirkelement 104 und dem mindestens einen Wälzkörper 112 zu ermöglichen.
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Das zweite Wirkelement 104 weist einen Barriereabschnitt 126 auf. Der Barriereabschnitt 126 ist aus einem magnetisch nichtleitenden Material ausgeformt. Der Barriereabschnitt 126 ist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Dichtung zur magnetischen Flusslenkung ausgeführt, beispielsweise als ein Dichtring. Der Barriereabschnitt 126 ist zwischen der Spule 110 und dem Zwischenraum angeordnet. Genauer gesagt ist der Barriereabschnitt 126 zwischen der Spule 110 und der hier gekrümmten, dem Zwischenraum zugewandten Wand des zweiten Wirkelements 104 angeordnet, genauer gesagt auf Höhe eines Scheitelpunktes der Krümmung der Wand.
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In einem unbestromten Zustand, wie er in 1 links der Drehachse 111 dargestellt ist, befindet sich das magnetorheologische Elastomer 108 in einem Ruhezustand. Es wirkt kein Bremsmoment auf den Wälzkörper 112 und das erste Wirkelement 102. Das erste Wirkelement 102 ist im Ruhezustand drehbar, ebenso der Wälzkörper 112.
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In einem bestromten Zustand, wie er rechts der Drehachse 111 in 1 dargestellt ist, befindet sich das magnetorheologische Elastomer 108 in einem Aktivierungszustand. Es wirkt ein hohes Bremsmoment auf das erste Wirkelement 102 und den Wälzkörper 112. Das erste Wirkelement 102 ist im Aktivierungszustand kaum bzw. gar nicht drehbar, ebenso der Wälzkörper 112. In dem Aktivierungszustand verfestigt sich das magnetorheologische Elastomer 108 in dem Zwischenraum. Genauer gesagt verfestigt sich das magnetorheologische Elastomer 108 hauptsächlich in der Nähe des magnetischen Flusses 128 des Magnetfeldes. Der magnetische Fluss verläuft in 1 hauptsächlich um die Spule 110 herum. Der Barriereabschnitt 126 lenkt den magnetischen Fluss jedoch über die Wälzkörpereinheit 106, da der Barriereabschnitt 126 aus einem magnetisch nicht-leitenden Material ausgeformt ist. Dabei fließt der magnetische Fluss auf Höhe des einen Kontaktbereiches 124 über den Wälzkörper 112 bzw. in den Zwischenraum hinein und fließt auf Höhe des anderen Kontaktbereiches 124 wieder aus dem Wälzkörper 112 und somit dem Zwischenraum heraus zurück zu dem zweiten Wirkelement 104 Das magnetorheologische Elastomer 108 verfestigt sich vor allem auf Höhe der Kontaktbereiche 124. Die Verfestigung an diesen Kontaktbereichen 124 bewirkt ein Bremsmoment zwischen dem Wälzkörper 112 und dem zweiten Wirkelement 104. Der Wälzkörper 112 wird im bestromten Zustand aufgrund des magnetischen Flusses 128 an das zweite Wirkelement 104 gezogen. Somit wird eine hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Wälzkörpers 112 und des ersten Wirkelements 102 bewirkt. Es wirkt ein hohes Bremsmoment auf den Wälzkörper 112 und das erste Wirkelement 102. Wird in diesem Zustand vom Bediener eine weitere Drehbewegung mit einer Kraft ausgeübt, die die Kraft des vorgespannten Federabschnittes des Wälzkörperkäfigs 114 übersteigt, verschiebt sich der Wälzkörperkäfig 114 relativ zu den Nuten 122. Beim Verschieben des Wälzkörperkäfigs 114 drückt die Rippe 120 den Wälzkörper 112 in Anlage gegen das zweite Wirkelement 104. Auf diese Weise kann ein Sperrmoment gegenüber einer weiteren Drehbewegung erreicht werden.
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An dem ersten Wirkelement 102 ist eine magnetische Dichtung 142 zum Abdichten des in dem Zwischenraum angeordneten magnetorheologischen Elastomers 108 angeordnet. Die magnetische Dichtung 142 ist beispielhaft als Permanentmagnet ausgeführt. Das erste Wirkelement 102 weist eine mechanische Schnittstelle 138 zum Ankoppeln des Stellelements auf. Zwischen dem ersten Wirkelement 102 und dem zweiten Wirkelement 104 ist optional zusätzlich ein Dichtring 144 angeordnet.
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Die Stellvorrichtung 100 weist einen Spulenmantel 132 auf. Der Spulenmantel 132 ist beispielhaft aus einem magnetisch leitenden Material ausgeformt. Der Spulenmantel 132 weist einen Schlitz 140 für eine Montage der Spule 110 und eine Kontaktierung der Spule 110 auf. Die Spule 110 weist eine Spulenisolierung 134 auf.
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In 1 sind beispielhaft Abmessungen der Stellvorrichtung 100 dargestellt. Die Stellvorrichtung 100 weist einen Außendurchmesser D1 von lediglich beispielhaft 36 Millimetern auf. Die mechanische Schnittstelle 138 des ersten Wirkelements 102 bzw. das erste Wirkelement 102 weist einen Innendurchmesser D2 von lediglich beispielhaft 12 Millimetern auf. Eine Höhe H der Stellvorrichtung 100 beträgt lediglich beispielhaft 20 Millimeter.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Stellvorrichtung 100. Dabei handelt es sich um die in 1 erwähnte Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung. Genauer gesagt entspricht die in 2 dargestellte Stellvorrichtung 100 der Stellvorrichtung aus 1 mit Ausnahme dessen, dass die Stellvorrichtung 100 zusätzlich einen Deckel 200 und eine Spulenflanke 202 aufweist und dass der Barriereabschnitt 126 anders ausgeführt ist.
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Der Barriereabschnitt 126 aus einem magnetisch nicht-leitenden Material ist zudem gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als eingeschweißter Edelstahl in der dem Zwischenraum zugewandten Wand des zumindest teilweise magnetisch leitenden zweiten Wirkelements 104 ausgeführt.
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Das erste Wirkelement 102 und die Wälzkörpereinheit 106 sind teilweise von dem Deckel 200 umgeben. An dem Deckel 200 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die magnetische Dichtung 142 angeordnet. Der Dichtring 144 ist beispielhaft zwischen dem Deckel 200 und dem ersten Wirkelement 102 angeordnet.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren die bereits genannten Ausführungsbeispiele zusammengefasst kurz erläutert.
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Um die vorstehend genannten Ziele im Hinblick auf eine Betätigungscharakteristik der Stellvorrichtung 100 zu erreichen, werden bei dem vorgestellten Aufbau zwei Prinzipien verwendet, die eine Annäherung an eine ideale Drehmomentkennlinie ermöglichen. Durch die Gestaltung des magnetischen Flusses 128 und die Anfederung über den Wälzkörperkäfig 114 werden die verwendeten Wälzkörper 112 nach außen gepresst, wobei mit steigender Flussdichte die radiale Anzugskraft steigt und sich somit die Bremswirkung der MR-Partikel im Fluid 108 verstärkt. Der Wälzkörperkäfig 114 ist derart gestaltet, dass beim Erreichen eines mechanisch definierten Bremsmoments eine tangentiale Verschiebung des Wälzkörperkäfigs 114 mit den Wälzkörpern 112 erfolgt und die Wälzkörper 112 zwischen dem ersten Wirkelement 102, das auch als Rotor bezeichnet werden kann, und dem zweiten Wirkelement 104, das auch als Stator bezeichnet werden kann, geklemmt werden.
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Das zweite Wirkelement 104 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel Spulenflanken 202, den Spulenmantel 132 sowie die Spulenbasis mit einem Barriereabschnitt 126, der auch als magnetisch nicht-leitender Bereich bezeichnet werden kann, in der Mitte der Wälzkörperlauffläche auf. Dieser Barriereabschnitt 126 bewirkt, dass der magnetische Fluss 128 auf die Wälzkörper 112 überspringt. Im Inneren des zweiten Wirkelements 104 sind die Spule 110 mit der Spulenisolierung 134, der Spulenwicklung und den Versorgungsanschlüssen 118 angeordnet, die auch als Spulenanschlüsse bezeichnet werden können, die durch den Schlitz 140 im Spulenmantel 132 aus dem zweiten Wirkelement 104 heraus geführt werden. An der Oberseite und Unterseite der Spule 110 sind zwei Deckel 200 angeordnet, die den Wirkraum bzw. Zwischenraum mit dem MRF 108 verschließen und magnetische Dichtelemente 142 beinhalten. Darüber hinaus dienen die Deckel 200 als axiale Anschläge des Systems.
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Auf dem ersten Wirkelement 102 sind, falls erforderlich, zusätzliche Dichtringe 144 angeordnet. Zudem stützt sich der elastische Wälzkörperkäfig 114 auf dem ersten Wirkelement 102 ab. Über die Nuten 122, die auch als Rastkontur bezeichnet werden können, zwischen Wälzkörperkäfig 114 und erstem Wirkelement 102 sowie einer Vorspannung beider Komponenten wird definiert, bei welchem Bremsmoment sich der Wälzkörperkäfig 114 aus den Nuten 122 schiebt. In der Folge verklemmen die Wälzkörper 112 mit der Rippe 120, die auch als Kontaktstelle des ersten Wirkelements 102 bezeichnet werden kann.
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Wird die Drehrichtung bei aktiviertem mechanischem Sperrmoment umgekehrt, hat das System ein durch die Geometrie und die Anfederung definiertes Spiel mit verringertem Bremsmoment bzw. mit einem Bewegungsmoment entgegen der vorherigen Drehrichtung. Die in dem elastisch vorgespannten Federabschnitt des Wälzkörperkäfigs 114, der auch als Feder bezeichnet werden kann, gespeicherte Energie wird beim Nachlassen des Anschlagsmoments frei gegeben und drückt das erste Wirkelement 102 gegenüber den Wälzkörpern 112 mit Wälzkörperkäfig 114 zurück. Dieses Spiel bzw. diese Bewegung kann genutzt werden, um den Drehrichtungswechsel sensorisch zu erfassen.
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Die tonnenförmige Ausprägung der Wälzkörper 112 hat den Effekt, dass das erste Wirkelement 102 mit allen damit verbundenen Elementen sich aufgrund der Kontaktbereiche 124, die auch Kontaktpunkte und Kontaktwinkel bezeichnet werden können, selbst zentriert. Daher sind keine axialen Lagerstellen erforderlich und das Leerlaufmoment kann reduziert werden. Lediglich axiale Anschlagsflächen sind definiert.
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Der Wälzkörperkäfig 114, der auch als Federmechanismus bezeichnet werden kann, kann aus magnetisch leitfähigem Material oder auch aus magnetisch nicht-leitfähigem Material ausgeformt sein. Die Materialauswahl kann Einfluss auf den magnetischen Fluss und die Krafterzeugung innerhalb des Aktors haben.
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Falls kein Blockiermoment gewünscht ist, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die radiale Bewegung des Wälzkörperkäfigs 114 vermieden werden, indem beispielsweise ein anderer Deckel 200 oder ein zusätzliches Bauteil im Deckel 200 eingesetzt wird, das ein Abheben bzw. Verschieben des Wälzkörperkäfigs 114 verhindert.
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Die Ausprägung der Wälzkörperform kann variieren, so dass beispielsweise auch zylindrische oder nahezu runde Geometrien verwendet werden. Eine geometrische Zwangsführung, beispielsweise eine Verzahnung, kann eingesetzt werden, um das Drehmoment zusätzlich zu steigern. In Kombination mit der Deaktivierung des mechanischen Sperrmoments sind somit Varianten des Aktor-Designs möglich, die vielseitig einsetzbar sind.
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Für den Fall, dass ein Aktor mit stehender Welle und rotierendem Mantel erforderlich ist, kann der Aufbau gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel invertiert werden, so dass der Federmechanismus und Sperrmechanismus an der Innenseite des Spulenmantels 132 bzw. des zweiten Wirkelements 104 angeordnet ist. Die Spule 110 ist um eine magnetisch leitende Welle herum gelegt und der Barriereabschnitt 126 ist folglich auf der Mantelfläche des Spulengehäuses angeordnet.
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Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der Wälzkörperkäfig 114 gegenüber dem ersten Wirkelement 102 vorgespannt ist. Erreicht das Torsionsbremsmoment über die Wälzkörper 112 einen Wert größer der Kraft in der Vorspannung, verschiebt sich der Wälzkörperkäfig 114 in Richtung der Drehbewegung. Auf Grund der gewölbten Oberfläche der Wälzkörper 112 und der schrägen Flächen, genauer gesagt der dem Zwischenraum zugewandten, gewölbten Wand auf der Innenseite des zweiten Wirkelements 104, das auch als Spulenbasis bezeichnet werden kann, zentrieren sich die Wälzkörper 112 und somit das erste Wirkelement 102 axial selbst. Eine zusätzliche axiale Lagerung ist nicht erforderlich. Sobald der elastische Wälzkörperkäfig 114 auf Grund der zuvor beschriebenen Effekte eine Verdrehung der Wälzkörper 112 gegenüber dem ersten Wirkelement 102 zulässt, berühren die Wälzkörper 112 die Sperrgeometrie bzw. die zumindest eine Rippe 120 und werden zwischen dem ersten Wirkelement 102 und dem zweiten Wirkelement 104 geklemmt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 oder 2 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung.
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Die Stellvorrichtung 100 weist ein Steuergerät 300, einen Versorgungsanschluss 118 und eine Schalteinrichtung 310 auf. Ferner ist die Spule 110 der Stellvorrichtung 100 gezeigt.
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Der Versorgungsanschluss 118 ist ausgebildet, um elektrische Energie einzuspeisen, um die Spule 110 zu betreiben. Die Schalteinrichtung 310 ist beispielhaft zwischen das Steuergerät 300 und den Versorgungsanschluss 118 geschaltet. Das Steuergerät 300 ist signalübertragungsfähig mit der Schalteinrichtung 310 verbunden. Das Steuergerät 300 ist ausgebildet, um ein Steuersignal 315 zum Bewirken der Bestromung der Spule 110 an die Schalteinrichtung 310 auszugeben. Die Schalteinrichtung 310 ist ausgebildet, um für die Bestromung der Spule 110 ansprechend auf das Steuersignal 315 eine Verschaltung zwischen dem Versorgungsanschluss 118 und einer hier nicht gezeigten Energieversorgung zu bewirken. Die Verschaltung bewirkt eine Bestromung der Spule 110.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in einer der 1 bis 3 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung. Die Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft an einem Lenkrad 400 eines Fahrzeugs angeordnet. An dem ersten Wirkelement der Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft ein Stellelement 405 starr angeordnet. Das Stellelement 405 ist von einem Insassen des Fahrzeugs manuell durch eine Drehbewegung 410 betätigbar, genauer gesagt drehbar. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele ist das Stellelement 405 Teil der Stellvorrichtung 100 oder mit der Stellvorrichtung 100 koppelbar.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer Stellvorrichtung. Die Stellvorrichtung entspricht oder ähnelt hierbei der in einer der 1 bis 3 beschriebenen Stellvorrichtung.
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Das Verfahren 500 weist einen Schritt 505 des Bestromens der Spule auf. Der Schritt 505 wird ausgeführt, um das Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetorheologische Elastomer in den Aktivierungszustand zu versetzen.
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Ferner weist das Verfahren 500 einen Schritt 515 des Deaktivierens der Spule auf. Der Schritt 515 wird ausgeführt, um das Magnetfeld zu deaktivieren, um das magnetorheologische Elastomer in den Ruhezustand zu versetzen.
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Der Schritt 505 des Bestromens und der Schritt 515 des Deaktivierens sind hierbei wiederholt und/oder in beliebiger Reihenfolge ausführbar.
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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.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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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.
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Bezugszeichen
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- 100
- Stellvorrichtung
- 102
- erstes Wirkelement
- 104
- zweites Wirkelement
- 106
- Wälzkörpereinheit
- 108
- magnetorheologisches Elastomer
- 110
- Spule
- 111
- Drehachse
- 112
- Wälzkörper
- 114
- Wälzkörperkäfig
- 118
- Versorgungsanschluss
- 120
- Rippe
- 122
- Nut
- 124
- Kontaktbereich
- 126
- Barriereabschnitt
- 128
- magnetischer Fluss
- 132
- Spulenmantel
- 134
- Spulenisolierung
- 138
- Schnittstelle
- 140
- Schlitz
- 142
- magnetische Dichtung
- 144
- Dichtring
- D1
- Außendurchmesser
- D2
- Innendurchmesser
- H
- Höhe
- 200
- Deckel
- 202
- Spulenflanke
- 300
- Steuergerät
- 310
- Schalteinrichtung
- 315
- Steuersignal
- 400
- Lenkrad
- 405
- Stellelement
- 410
- Drehbewegung
- 500
- Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung
- 505
- Schritt des Bestromens
- 510
- Schritt des Deaktivierens
