DE102022115087A1

DE102022115087A1 - Sperrvorrichtung für eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug, Betätigungseinheit und Verfahren zum Betreiben einer Sperrvorrichtung

Info

Publication number: DE102022115087A1
Application number: DE102022115087.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Kleinert; Felix Böckmann
Original assignee: Signata GmbH
Current assignee: Signata De GmbH
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-12-21

Abstract

Eine Sperrvorrichtung (100) für eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug umfasst einen Rotor (105), einen Stator (110), ein magnetorheologisches Medium (115), zumindest einen Permanentmagneten (120) und zumindest eine Spule (120). Der Rotor ist mit einer Welle der Betätigungseinheit koppelbar. Das Medium (115) ist zwischen Rotor (105) und Stator (110) angeordnet und ausgebildet, um magnetfeldabhängig unterschiedliche Zustände einzunehmen. Der Permanentmagnet (120) ist an dem Stator (110) angeordnet und ausgebildet, um ein erstes Magnetfeld zu erzeugen, welches das Medium (115) in einen Aktivierungszustand versetzt, der eine hohe Widerstandscharakteristik bewirkt. Die Spule (120) ist an dem Stator (110) angeordnet und ausgebildet, um bei einer Bestromung der Spule (120) ein dem ersten Magnetfeld entgegenwirkendes zweites Magnetfeld zu erzeugen, um das Medium (115) bei einer ersten Stromstärke der Bestromung in einen mittleren Aktivierungszustand, der eine mittlere Widerstandscharakteristik bewirkt, und bei einer zweiten Stromstärke in einen Ruhezustand zu versetzen, der eine geringe Widerstandscharakteristik bewirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sperrvorrichtung für eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug, eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben der Sperrvorrichtung, auf ein entsprechendes Steuergerät und auf ein entsprechendes Computerprogramm.
Bei verschiedenen Fahrzeuganwendungen, wie zum Beispiel Sitzverstellungen, Fensterhebern, Parksperraktuatoren etc. werden elektromechanische Verstellsysteme, auch Aktoren genannt, eingesetzt. Diese umfassen mechanisch üblicherweise einen Elektromotor und ein Untersetzungsgetriebe. Über das Untersetzungsgetriebe wird am Abtrieb eine rotatorische oder translatorische Bewegung umgesetzt. Eine übliche Anforderung an diese Antriebe ist ein selbsthemmendes oder bedingt selbsthemmendes Verhalten. Dies stellt zum Beispiel sicher, dass ein Seitenfenster nicht durch sein Eigengewicht wieder herunter fährt. Dieses Verhalten wird auch im stromlosen Zustand benötigt, wobei eine kontinuierliche Gegensteuerung durch den Motor unerwünscht ist. Üblicherweise wird dieses Verhalten insbesondere durch selbsthemmende Getriebe, wie beispielsweise Schneckengetriebe oder Spindelgetriebe umgesetzt.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Sperrvorrichtung für eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug, eine verbesserte Betätigungseinheit für ein Fahrzeug, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben der Sperrvorrichtung, ein verbessertes Steuergerät und ein verbessertes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Sperrvorrichtung mit im stromlosen Zustand sperrendem Verhalten bereitgestellt werden kann, wobei durch Bestromung eine Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung eines Rotors reduziert werden kann.
Eine Sperrvorrichtung für eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug weist einen Rotor, einen Stator, ein magnetorheologisches Medium, zumindest einen Permanentmagneten und zumindest eine Spule auf. Der Rotor ist mit einer Welle der Betätigungseinheit koppelbar. Der Rotor ist relativ zu dem Stator drehbar gelagert. Das magnetorheologische Medium ist in einem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator angeordnet und ausgebildet, um abhängig von einem auf den Zwischenraum wirkenden Magnetfeld unterschiedliche Zustände einzunehmen, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung des Rotors bewirken. Der Permanentmagnet ist an dem Stator angeordnet, wobei der Permanentmagnet ausgebildet ist, um ein auf den Zwischenraum wirkendes erstes Magnetfeld zu erzeugen, welches das magnetorheologische Medium in einen Aktivierungszustand versetzt, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt. Die Spule ist an dem Stator angeordnet. Die Spule ist ausgebildet, um bei einer Bestromung der Spule ein dem ersten Magnetfeld entgegenwirkendes zweites Magnetfeld zu erzeugen, wobei durch das zweite Magnetfeld das erste Magnetfeld in dem Zwischenraum beeinflussbar ist, um das magnetorheologische Medium in einen Ruhezustand zu versetzen, der eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt.
Bei einer Sperrvorrichtung kann es sich um eine Vorrichtung zum Sperren einer unbeabsichtigten Betätigung einer beliebigen Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs handeln, die von einem Insassen über eine Betätigungseinheit betätigt werden kann. Bei einer Betätigungseinheit kann es sich beispielsweise um eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeugfenster oder einen Fahrzeugsitz handeln. Unter einem Rotor kann ein bewegliches, rotierendes Teil der Vorrichtung verstanden werden. Unter einem Stator kann ein feststehendes, unbewegliches Teil der Vorrichtung verstanden werden. Der Rotor kann innenliegend und der Stator außenliegend angeordnet sein. Bei einem magnetorheologischen Medium kann es sich um ein heterogenes Stoffgemisch von magnetisch polarisierbaren Partikeln handeln, das auch als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet werden kann. Bei dem magnetorheologischen Medium kann es sich alternativ auch um ein Pulver handeln. Durch Anlegen des äußeren Magnetfeldes können viskoelastische oder dynamisch-mechanische Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums schnell und reversibel verändert werden, wobei zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand eine Verformung des magnetorheologische Mediums stattfindet. Beim Anlegen eines Magnetfeldes, hervorgerufen durch einen Permanentmagneten und zusätzlich oder alternativ durch das Bestromen einer Spule, verfestigt sich das magnetorheologische Medium. Der Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem ein erstes Magnetfeld des Permanentmagneten auf das magnetorheologische Medium wirkt, die Spule also unbestromt ist. Der Ruhezustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem das zweite Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt. Bei einer hohen Widerstandscharakteristik kann es sich um einen Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums handeln. Die hohe Widerstandscharakteristik kann durch eine unbestromte Bestromungsart, genauer gesagt durch den Permanentmagneten bewirkt werden, wodurch der Rotor nicht oder kaum drehbar ist. Das erste Magnetfeld erzeugt demnach eine Sperrwirkung. Die geringe Widerstandscharakteristik kann im Ruhezustand des magnetorheologischen Mediums vorliegen. Die geringe Widerstandscharakteristik kann durch die Bestromung der Spule bewirkt werden, wodurch der Rotor drehbar ist. Die Sperrwirkung des ersten Magnetfeldes ist teilweise oder vollständig kompensiert, sodass der Widerstand einen niedrigen Wert oder einen Wert von Null aufweisen kann.
Somit kann die geringe Widerstandscharakteristik einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium einer Drehbewegung des Rotors einen geringen Drehwiderstand entgegensetzt, also ein geringes Bremsmoment auf den Rotor ausübt. Dadurch braucht der Bediener nur ein geringes Drehmoment auf das Bedienelement auszuüben, um das Bedienelement verdrehen zu können. Das Bedienelement fühl sich beispielsweise leichtgängig an. Die hohe Widerstandscharakteristik kann einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium der Drehbewegung des Rotors einen im Vergleich zum geringen Drehwiderstand hohen Drehwiderstand entgegensetzt, also ein hohes Bremsmoment auf den Rotor ausübt. Dadurch muss der Bediener ein hohes Drehmoment auf das Bedienelement ausüben, um das Bedienelement verdrehen zu können. Der hohe Drehwiderstand kann auch so groß sein, dass das Bedienelement gesperrt ist.
Unter einem Permanentmagneten kann ein Dauermagnet verstanden werden, der unabhängig von einer Bestromung ein Magnetfeld erzeugen kann. Der Permanentmagnet weist einen Nordpol und einen Südpol auf. Bei magnetischen Nordpolen kann es sich um Gebiete handeln, aus denen Feldlinien austreten. Gebiete, in denen die Feldlinien eintreten, werden als Südpole bezeichnet. Bei der Spule kann es sich um ein elektrisches Bauelement handeln, das Windungen auf-weist, um bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen.
Der hier vorgestellte Ansatz, der auch als magnetorheologisches Sperrelement für elektromechanische Betätigungseinheiten, Stellantriebe und/oder Aktoren bezeichnet werden kann, ermöglicht einen Stellantrieb mit Schutz vor ungewolltem Verstellen einer Abtriebswelle, ohne die Nachteile einer selbsthemmenden Getriebestufe. Die Sperrwirkung kann beispielsweise bei Bedarf elektronisch abgeschaltet werden. Die Sperrwirkung kann durch magnetorheologische Flüssigkeit umgesetzt werden. Bekannt ist diese Flüssigkeit aus Anwendungen in der Fahrwerkstechnik, als verstellbare Dämpfer, oder als Kupplungen. Eine Umsetzung der Betätigungseinheit mittels Stirnradgetriebe kann ermöglicht werden, wodurch ein guter Wirkungsgrad des Systems erreicht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann durch das zweite Magnetfeld das erste Magnetfeld in dem Zwischenraum beeinflussbar sein, um bei einer ersten Stromstärke der Bestromung das magnetorheologische Medium in einen mittleren Aktivierungszustand zu versetzen, der eine mittlere Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt, und um bei einer zweiten Stromstärke der Bestromung das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen. Dabei kann die mittlere Widerstandscharakteristik zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik liegen. Die mittlere Widerstandscharakteristik kann somit einen Zustand des magnetorheologischen Mediums repräsentieren, in dem das magnetorheologische Medium der Drehbewegung des Rotors einen erhöhten Drehwiderstand entgegensetzt, der größer als der geringe Drehwiderstand und kleiner als der hohe Drehwiderstand sein kann.
Die erste Stromstärke kann betragsmäßig geringer sein als die zweite Stromstärke. Der mittlere Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem das erste Magnetfeld und ein zweites Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt, wobei die Spule mit der ersten Stromstärke bestromt wird. Der Ruhezustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem das zweite Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt, wobei die Spule mit der zweiten Stromstärke bestromt wird. Die mittlere Widerstandscharakteristik kann im mittleren Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums vorliegen. Die mittlere Widerstandscharakteristik kann durch die Bestromung der Spule mit der ersten Stromstärke bewirkt werden, wodurch der Rotor etwas mehr drehbar ist als in dem Aktivierungszustand. Der Rotor ist leicht drehbar, die Sperrwirkung des ersten Magnetfeldes ist teilweise kompensiert. Die geringe Widerstandscharakteristik kann durch die Bestromung der Spule mit der zweiten Stromstärke bewirkt werden, wodurch der Rotor drehbar ist.
In einem unbestromten Zustand der Spule kann lediglich das erste Magnetfeld auf den Zwischenraum wirken. Der Permanentmagnet kann in einem unbestromten Zustand der Spule das erste Magnetfeld erzeugen. Das erste Magnetfeld bewirkt einen Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums. Dadurch wird eine Drehbewegung des Rotors verhindert. Dies bietet den Vorteil, dass keine Stromstärke für den Aktivierungszustand und somit die Sperrwirkung verwendet zu werden braucht. Somit können Energie und eine selbsthemmende Getriebestufe eingespart werden.
Der Stator kann außenliegend und der Rotor innenliegend angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass ein einfacher und Platz sparender Aufbau der Vorrichtung ermöglicht wird.
Die Sperrvorrichtung kann eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweisen, die in dem Zwischenraum angeordnet sind. Die Wälzkörper können von dem Rotor und dem Stator durch Spalte beabstandet sein oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit denselben gekoppelt sein. Auf diese Weise kann ein Betätigungswiderstand der Sperrvorrichtung in Aktivierungszuständen des magnetorheologischen Mediums weiter erhöht werden.
Der Stator und zusätzlich oder alternativ der Rotor können eine Mehrzahl von Vorsprungselementen in einem Bereich des Zwischenraums aufweisen. Die Vorsprungselemente können ausgeformt sein, um bei einer Drehbewegung des Rotors relativ zu dem Stator eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium ausüben zu können. Auch auf diese Weise kann ein Betätigungswiderstand der Sperrvorrichtung in Aktivierungszuständen des magnetorheologischen Mediums weiter erhöht werden.
Die Sperrvorrichtung kann einen Versorgungsanschluss zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Spule und eine Stromregeleinrichtung aufweisen. Die Stromregeleinrichtung kann ausgebildet sein, um die Stromstärke der Bestromung der Spule einzustellen. Dies bietet den Vorteil, dass die Spule zuverlässig bestromt werden kann, beispielsweise mit der ersten Stromstärke und der zweiten Stromstärke.
Eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug weist einen Motor, ein Getriebe und eine Ausführungsform einer hierin genannten Sperrvorrichtung auf. Der Motor kann über eine Antriebswelle mit dem Getriebe gekoppelt oder koppelbar sein. Das Getriebe kann über eine Abtriebswelle mit der Sperrvorrichtung gekoppelt oder koppelbar sein. Alternativ kann die Sperrvorrichtung mit der Antriebswelle gekoppelt sein. Es kann somit eine zuverlässige Sperrwirkung des Getriebes im stromlosen Zustand der Sperrvorrichtung erzielt werden.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform einer hierin genannten Sperrvorrichtung weist einen Schritt des Bestromens der Spule auf. Im Schritt des wird das zweite Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen.
Das Verfahren kann auch einen Schritt des Bestromens der Spule mit einer ersten Stromstärke aufweisen, um das zweite Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetorheologische Medium in einen mittleren Aktivierungszustand zu versetzen. Hierbei kann im Schritt des Bestromens die Spule mit einer ersten Stromstärke bestromt werden. Die mittlere Widerstandscharakteristik kann zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik liegen. Die erste Stromstärke kann betragsmäßig geringer sein als die zweite Stromstärke.
Das Verfahren kann auch einen Schritt des Deaktivierens der Bestromung der Spule aufweisen, um das zweite Magnetfeld zu deaktivieren, um das magnetorheologische Medium in den Aktivierungszustand zu versetzen. So kann eine Sperrwirkung der Sperrvorrichtung erreicht werden, ohne dass die Spule bestromt ist.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete 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.
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.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Sperrvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Sperrvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Betätigungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung einer Sperrvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Sperrvorrichtung.

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.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sperrvorrichtung 100 für eine Betätigungseinheit für ein Fahrzeug. Die Sperrvorrichtung 100 ist ausgebildet, um eine Betätigung einer beliebigen Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs bei aktiver Betätigungseinheit freizugeben oder bei inaktiver Betätigungseinheit zu sperren. Beispielsweise kann die Betätigungseinheit durch einen Insassen des Fahrzeugs betätigt werden. Die Sperrvorrichtung 100 weist einen Rotor 105, einen Stator 110, ein magnetorheologisches Medium 115, einen Permanentmagneten 120 und eine Spule 125 auf.
Der Rotor 105 ist mit der Betätigungseinheit koppelbar, welche in 1 nicht gezeigt ist. Der Rotor 105 ist relativ zu dem Stator 110 drehbar gelagert. Der Rotor 105 ist innenliegend angeordnet und der Stator 110 ist außenliegend angeordnet. Ferner ist eine Drehachse 130 des Rotors 105 dargestellt.
Das magnetorheologische Medium 115 ist in einem Zwischenraum 135 zwischen Rotor 105 und Stator 110 angeordnet. Das magnetorheologische Medium 115 ist ausgebildet, um abhängig von einem auf den Zwischenraum 135 wirkenden Magnetfeld unterschiedliche Zustände einzunehmen, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung des Rotors 105 bewirken.
Der Permanentmagnet 120 ist an dem Stator 110 angeordnet. Der Permanentmagnet 120 ist ausgebildet, um ein auf den Zwischenraum 135 wirkendes erstes Magnetfeld zu erzeugen. Das erste Magnetfeld wird somit auch in einem unbestromten Zustand der Spule 125 erzeugt. Das erste Magnetfeld versetzt das magnetorheologische Medium 115 in einen Aktivierungszustand, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 105 bewirkt. Das magnetorheologische Medium 115 verfestigt sich im Aktivierungszustand, sodass die hohe Widerstandscharakteristik die Drehbewegung des Rotors 105 verhindert. Das erste Magnetfeld erzeugt demnach eine Sperrwirkung der Sperrvorrichtung 100.
Der Permanentmagnet 120 weist einen Südpol und einen Nordpol auf. Der Permanentmagnet 120 erzeugt unabhängig von einer Bestromung der Spule 125 das erste Magnetfeld. In dem unbestromten Zustand der Spule 125 wirkt lediglich das erste Magnetfeld auf den Zwischenraum 135.
Die Spule 125 ist an dem Stator 110 angeordnet. Die Spule 125 ist ausgebildet, um bei einer Bestromung der Spule 125 ein dem ersten Magnetfeld entgegenwirkendes zweites Magnetfeld zu erzeugen. Durch das zweite Magnetfeld ist das erste Magnetfeld in dem Zwischenraum 135 beeinflussbar. Das zweite Magnetfeld versetzt bei einer ersten Stromstärke der Bestromung der Spule 125 das magnetorheologische Medium 115 in einen mittleren Aktivierungszustand. Der mittlere Aktivierungszustand bewirkt eine mittlere Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 105. Das magnetorheologische Medium 115 verflüssigt sich teilweise im mittleren Aktivierungszustand, sodass die mittlere Widerstandscharakteristik die Drehbewegung des Rotors 105 teilweise verhindert. Der Rotor 105 ist leicht drehbar, die Sperrwirkung des ersten Magnetfeldes ist teilweise kompensiert.
Bei einer zweiten Stromstärke der Bestromung der Spule 125 versetzt das zweite Magnetfeld das magnetorheologische Medium 115 in einen Ruhezustand. Der Ruhezustand bewirkt eine geringe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 105. Das magnetorheologische Medium 115 verflüssigt sich im Ruhezustand, sodass die geringe Widerstandscharakteristik die Drehbewegung des Rotors 105 bewirkt. Der Rotor 105 ist drehbar, die Sperrwirkung des ersten Magnetfeldes ist vollständig oder weitestgehend kompensiert. Bei der geringen Widerstandscharakteristik kann beispielsweise ein minimaler oder kein Widerstand vorhanden sein.
Die mittlere Widerstandscharakteristik liegt zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik. Die erste Stromstärke ist betragsmäßig geringer als die zweite Stromstärke.
Die Spule 125 weist einen Versorgungsanschluss 140 zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Spule 125 auf. Eine Stromregeleinrichtung, die in 1 nicht dargestellt ist, ist ausgebildet, um die Stromstärke der Bestromung der Spule 125 einzustellen.
Der Stator 110 und/oder der Rotor 105 weisen gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Vorsprungselementen auf. Die Vorsprungselemente sind ausgeformt, um bei einer Drehbewegung des Rotors 105 relativ zu dem Stator 110 eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium 115 auszuüben. Auf diese Weise wird bei einer unbestromten Spule 125 und/oder bei der Bestromung der Spule 125 die Widerstandscharakteristik weiter erhöht.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sperrvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 beschriebene Sperrvorrichtung 100 oder eine ähnliche Sperrvorrichtung. Im Gegensatz zu dem vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel weist die Sperrvorrichtung 100 gemäß dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel Wälzkörper 200 auf, die in dem Zwischenraum 135 angeordnet sind. Die Wälzkörper 200 sind von dem magnetorheologischen Medium 115 umgeben. Die Wälzkörper 200 sind ausgebildet, um in einem Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums 115 die Sperrung für das Drehmoment des Rotors 105 zu erhöhen. Der Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums 155 wird durch das erste Magnetfeld erzeugt, welches von dem Permanentmagneten 120 auch in einem unbestromten Zustand der Spule 125 erzeugt wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Betätigungseinheit 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Betätigungseinheit 300 weist einen Motor 305, ein Getriebe 310 und eine Sperrvorrichtung 100 auf. Bei der Sperrvorrichtung 100 handelt es sich um die in 1 bis 2 beschriebene Sperrvorrichtung 100 oder eine ähnliche Sperrvorrichtung.
Der Motor 305 ist über eine Antriebswelle 315 mit dem Getriebe 310 gekoppelt oder koppelbar. Das Getriebe 310 ist über eine Abtriebswelle 320 mit der Sperrvorrichtung 100 gekoppelt oder koppelbar. Der Motor 305 ist beispielsweise als ein Elektromotor ausgeführt. Das Getriebe 310 ist beispielsweise als ein Stirnradgetriebe ausgeführt. Hierbei ist mit der Sperrvorrichtung 100 und/oder der Abtriebswelle 320 der Betätigungseinheit 300 eine zu betätigende Baugruppe oder Einheit gekoppelt oder koppelbar.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Motor 305 über die Sperrvorrichtung 100 mit dem Getriebe 310 gekoppelt oder koppelbar sein.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Sperrvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 bis 3 beschriebene Sperrvorrichtung 100 oder eine ähnliche Sperrvorrichtung. Gezeigt ist die Bestromung der Spule 125 der Sperrvorrichtung 100 mit unterschiedlichen Stromstärken.
Die Sperrvorrichtung 100 weist ein Steuergerät 400, den Versorgungsanschluss 140 und eine Stromregeleinrichtung 405 auf. Ferner sind die Spule 125 und der Permanentmagnet 120 gezeigt. Der Versorgungsanschluss 140 ist ausgebildet, um elektrische Energie einzuspeisen, um die Spule 125 zu betreiben bzw. bestromen. Die Stromregeleinrichtung 405 ist über den Versorgungsanschluss 140 elektrisch mit der Spule 125 verbunden. Das Steuergerät 400 ist signalübertragungsfähig mit der Stromregeleinrichtung 405 verbunden. Das Steuergerät 400 ist ausgebildet, um ein erstes Steuersignal 410 zum Bewirken der ersten Stromstärke an die Stromregeleinrichtung 405 auszugeben. Das Steuergerät 400 ist außerdem ausgebildet, um ein zweites Steuersignal 415 zum Bewirken der zweiten Stromstärke an die Stromregeleinrichtung 405 auszugeben.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer Sperrvorrichtung. Die Sperrvorrichtung entspricht oder ähnelt hierbei der Sperrvorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Das Verfahren 500 ist insbesondere mittels des Steuergeräts, der Stromregeleinrichtung und des Versorgungsanschlusses aus 4 ausführbar. Das Verfahren 500 weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen Schritt 505 des Bestromens der Spule mit einer ersten Stromstärke, einen Schritt 510 des Bestromens der Spule mit einer zweiten Stromstärke und einen Schritt 515 des Deaktivierens der Bestromung der Spule auf.
Im Schritt 505 des Bestromens der Spule mit der ersten Stromstärke wird das zweite Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den mittleren Aktivierungszustand zu versetzen, der eine mittlere Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors bewirkt.
Im Schritt 510 des Bestromens der Spule mit einer zweiten Stromstärke wird das zweite Magnetfeld erzeugt, um das magnetorheologische Medium in den Ruhezustand zu versetzen, der eine geringe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors bewirkt.
Im Schritt 515 des Deaktivierens der Bestromung der Spule wird das zweite Magnetfeld deaktiviert, um das magnetorheologische Medium in den Aktivierungszustand zu versetzen, der eine hohe Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors bewirkt.
Bei der Ausführung des Schrittes 505 des Bestromens der Spule mit der ersten Stromstärke befindet sich das magnetorheologische Medium in dem mittleren Aktivierungszustand. Bei der Ausführung des Schrittes 510 des Bestromens der Spule mit der zweiten Stromstärke befindet sich das magnetorheologische Medium in dem Ruhezustand. Wenn die Spule durch Ausführen des Schrittes 510 des Deaktivierens stromlos geschaltet wird, befindet sich das magnetorheologische Medium in dem Aktivierungszustand. Die Schritte 505, 510, 515 können in beliebiger Reihenfolge und/oder wiederholt ausgeführt werden. Insbesondere werden beispielsweise der Schritt 510 des Bestromens der Spule mit der zweiten Stromstärke und der Schritt 510 des Deaktivierens im Wechsel ausgeführt. Optional zusätzlich ist der Schritt 505 des Bestromens der Spule mit der ersten Stromstärke ausführbar.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren die bereits genannten Ausführungsbeispiele zusammenfassend nochmals kurz und mit anderen Worten erläutert.
Der hier vorgestellte Ansatz umfasst eine Sperrvorrichtung 100, die auch als Sperrelement bezeichnet werden kann, welche auf einer der Wellen eines Stellantriebs bzw. der Betätigungseinheit 300 angebracht ist.
Die Sperrvorrichtung 100 umfasst im Wesentlichen einen Rotor 105, einen Stator 110, ein magnetorheologisches Medium 115, das auch als magnetorheologische Flüssigkeit bezeichnet werden kann und im Folgenden als MRF bezeichnet wird, eine Spule 125 und einen Permanentmagneten 120.
Die Sperrvorrichtung 100 weist einen Rotor 105 auf, welcher drehfest an der zu sperrenden Welle angeordnet ist. Der Rotor 105 ist an einem Stator 110 gelagert, welcher fest im Gehäuse des Stellantriebes bzw. der Betätigungseinheit 300 angeordnet ist. Zwischen Rotor 105 und Stator 110 ist ein Zwischenraum 135 angeordnet, der auch als gedichteter Raum bezeichnet werden kann, welcher mit MRF 115 gefüllt ist. Die Kontur von Stator 110 und Rotor 105 kann im Bereich des Zwischenraumes 135 unterschiedlich ausgeführt sein. Ebenso kann dieser Zwischenraum 135 zusätzlich mit Wälzkörpern 200 versehen sein.
Der Stator 110 ist mit der Spule 125 und dem Permanentmagneten 120 versehen. Der Permanentmagnet 120 erzeugt ein erstes Magnetfeld im Zwischenraum 135 und sorgt damit für die Magnetisierung des MRF 115.
Durch die Verfestigung des MRF 115 sorgt dies für ein sperrendes Moment zwischen Rotor 105 und Stator 110 und sperrt die Welle. Dieses Sperrmoment kann durch die geometrische Ausführung des Zwischenraumes 135, der Auswahl des Permanentmagneten 120 sowie der Auswahl der Flüssigkeit, je nach Anwendungsfall, variiert werden.
Der Stator 110 nimmt zusätzlich eine Spule 125 auf. Diese Spule 125 ist so ausgeführt, dass sie bei Bestromung ein zweites Magnetfeld erzeugt, welches jenem des Permanentmagneten 120 entgegenwirkt. Hierdurch wird das erste Magnetfeld im Zwischenraum 135 kompensiert und das MRF 115 entmagnetisiert. Dadurch verliert das Element seine sperrende Wirkung.
Durch Einstellung des Spulenstromes kann das Magnetfeld, und damit das Sperrmoment, ganz oder teilweise kompensiert werden.
Durch das Bestromen der Spule 125 wird das System zum Verstellen freigegeben. Nach Erreichen der Sollposition wird die Spule 125 stromlos geschaltet, sodass die Sperrwirkung einsetzt und das System gegen ungewolltes Verstellen gesichert ist.
Da das System durch die Sperrvorrichtung 100 gegen ungewolltes Verstellen gesichert werden kann und somit ein selbsthemmendes Getriebe ersetzen kann, weist der Stellantrieb bzw. die Betätigungseinheit 300 keine selbsthemmenden Getriebestufen auf.
Beispielsweise kann das Getriebe 310 des Stellantriebes als reines Stirnradgetriebe ausgeführt sein. Nach konventioneller Bauart würde hier, um Selbsthemmung zu erreichen, ein Schneckengetriebe eingesetzt werden. Der Vorteil des reinen Stirnradgetriebes sind eine einfachere Bauart der Getriebeteile, ein geringerer Aufwand der Wellenlagerungen sowie ein wesentlich höherer Wirkungsgrad.
Als weitere Variante kann die Wirkweise auch umgekehrt werden. Durch Weglassen des Permanentmagneten 120 kann die Sperrwirkung auch durch das Magnetfeld der Spule 125 im bestromten Zustand umgesetzt werden. Im unbestromten Zustand ist der Stellantrieb bei dieser Variante verfahrbar.
Bezugszeichen

100: Sperrvorrichtung
105: Rotor
110: Stator
115: magnetorheologisches Medium
120: Permanentmagnet
125: Spule
130: Drehachse
135: Zwischenraum
140: Versorgungsanschluss
200: Wälzkörper
300: Betätigungseinheit
305: Motor
310: Getriebe
315: Antriebswelle
320: Abtriebswelle
400: Steuergerät
405: Stromregeleinrichtung
410: erstes Steuersignal
415: zweites Steuersignal
500: Verfahren zum Betreiben einer Sperrvorrichtung
505: Schritt des Bestromens
510: Schritt des Bestromens
515: Schritt des Deaktivierens

Claims

Sperrvorrichtung (100) für eine Betätigungseinheit (300) für ein Fahrzeug, wobei die Sperrvorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: einen Rotor (105), wobei der Rotor (105) mit einer Welle der Betätigungseinheit (300) koppelbar ist; einen Stator (110), wobei der Rotor (105) relativ zu dem Stator (110) drehbar gelagert ist; ein magnetorheologisches Medium (115), das in einem Zwischenraum (135) zwischen Rotor (105) und Stator (110) angeordnet ist und ausgebildet ist, um abhängig von einem auf den Zwischenraum (135) wirkenden Magnetfeld unterschiedliche Zustände einzunehmen, die unterschiedliche Widerstandscharakteristiken für eine Drehbewegung des Rotors (105) bewirken; zumindest einen Permanentmagneten (120), der an dem Stator (110) angeordnet ist, wobei der Permanentmagnet (120) ausgebildet ist, um ein auf den Zwischenraum (135) wirkendes erstes Magnetfeld zu erzeugen, welches das magnetorheologische Medium (115) in einen Aktivierungszustand versetzt, der eine hohe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors (110) bewirkt; und zumindest eine Spule (125), die an dem Stator (110) angeordnet ist, wobei die Spule (125) ausgebildet ist, um bei einer Bestromung der Spule (125) ein dem ersten Magnetfeld entgegenwirkendes zweites Magnetfeld zu erzeugen, wobei durch das zweite Magnetfeld das erste Magnetfeld in dem Zwischenraum (135) beeinflussbar ist, um das magnetorheologische Medium (115) in einen Ruhezustand zu versetzen, der eine geringe Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors (105) bewirkt.
Sperrvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei durch das zweite Magnetfeld das erste Magnetfeld in dem Zwischenraum (135) beeinflussbar ist, um bei einer ersten Stromstärke der Bestromung das magnetorheologische Medium (115) in einen mittleren Aktivierungszustand zu versetzen, der eine mittlere Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors (105) bewirkt, und um bei einer zweiten Stromstärke der Bestromung das magnetorheologische Medium (115) in den Ruhezustand zu versetzen, wobei die mittlere Widerstandscharakteristik zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik liegt, wobei die erste Stromstärke betragsmäßig geringer ist als die zweite Stromstärke.
Sperrvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in einem unbestromten Zustand der Spule (125) lediglich das erste Magnetfeld auf den Zwischenraum (135) wirkt.
Sperrvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator (110) außenliegend und der Rotor (110) innenliegend angeordnet ist.
Sperrvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Mehrzahl von Wälzkörpern (200), die in dem Zwischenraum (135) angeordnet sind.
Sperrvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Stator (110) und/oder der Rotor (105) eine Mehrzahl von Vorsprungselementen in einem Bereich des Zwischenraums (135) aufweist, wobei die Vorsprungselemente ausgeformt sind, um bei einer Drehbewegung des Rotors (105) relativ zu dem Stator (110) eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium (115) auszuüben.
Sperrvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Versorgungsanschluss (140) zum Bereitstellen elektrischer Energie zum Betreiben der Spule (125) und mit einer Stromregeleinrichtung (405), die ausgebildet ist, um die Stromstärke der Bestromung der Spule (125) einzustellen.
Betätigungseinheit (300) für ein Fahrzeug, mit einem Motor (305), einem Getriebe (310) und der Sperrvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Motor (305) über eine Antriebswelle (315) mit dem Getriebe (310) gekoppelt oder koppelbar ist und wobei das Getriebe (310) über eine Abtriebswelle (320) mit der Sperrvorrichtung (100) gekoppelt oder koppelbar ist.
Verfahren (500) zum Betreiben der Sperrvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (500) folgenden Schritt aufweist: Bestromen (510) der Spule (125), um das zweite Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetorheologische Medium (115) in den Ruhezustand zu versetzen.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 9, mit einem Schritt (505) des Bestromens der Spule (125) mit einer ersten Stromstärke, um das zweite Magnetfeld zu erzeugen, um das magnetorheologische Medium (115) in einen mittleren Aktivierungszustand zu versetzen, und wobei im Schritt (510) des Bestromens die Spule (125) mit einer ersten Stromstärke bestromt wird, wobei die mittlere Widerstandscharakteristik zwischen der geringen Widerstandscharakteristik und der hohen Widerstandscharakteristik liegt, wobei die erste Stromstärke betragsmäßig geringer ist als die zweite Stromstärke.
Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, mit einem Schritt (515) des Deaktivierens der Bestromung der Spule (125), um das zweite Magnetfeld zu deaktivieren, um das magnetorheologische Medium (115) in den Aktivierungszustand zu versetzen.
Steuergerät (400), das eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.