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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug und auf ein Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung.
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Magnetorheologische Flüssigkeit (MRF) kann in unterschiedlichen Aktoren, beispielsweise auch in Drehstellern, zum Einsatz kommen.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Stellvorrichtung für ein Fahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen darin, dass die Stellvorrichtung durch Auswahl einer geeigneten Oberflächenkontur eines Hohlrads der Stellvorrichtung sowohl im Hinblick auf eine variable Haptik als auch im Hinblick auf ein Sperrmoment optimiert werden kann.
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Eine Stellvorrichtung für ein Fahrzeug weist einen Stator, einen Rotor, ein magnetorheologisches Medium und eine Spule auf. Der Rotor ist mit einem Stellelement koppelbar. Der Rotor ist als Hohlrad ausgeführt und relativ zu dem Stator drehbar gelagert. Der Rotor weist auf einer dem Stator zugewandten Oberfläche eine Oberflächenkontur mit einer mittleren Rautiefe auf. Die mittlere Rautiefe der Oberflächenkontur ist mindestens so groß, wie ein mittlerer Durchmesser und maximal so groß, wie das 10-fache des mittleren Durchmessers von Partikeln eines magnetorheologischen Mediums. Das magnetorheologische Medium ist in einem Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet. Das magnetorheologische Medium ist ausgebildet, um in einem Ruhezustand eine erste Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors und in einem Aktivierungszustand eine zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors um den Stator zu bewirken. Die Spule ist ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei das Magnetfeld ausgebildet ist, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand zu bewirken.
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Bei der 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. Der Stator kann ein zentrales Rad der Stellvorrichtung darstellen. Typischerweise kann unter dem Stator ein feststehendes, unbewegliches Teil und unter dem Rotor ein bewegliches Teil der Vorrichtung verstanden werden. Alternativ kann der Stator ebenfalls beweglich angeordnet sein, sodass Rotor und Stator gegeneinander oder zusammen bewegt werden können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Stator beweglich und der Rotor feststehend ausgeführt sein. Gemäß einem alternativen Anwendungsform kann die Stellvorrichtung zum Koppeln zweier Wellen verendet werden, wobei eine der Welle mit dem Stator und die andere der Wellen mit dem Rotor verbunden ist. Eine der Welle kann beispielsweise eine Welle eines Elektromotors sein. Der Rotor kann außenliegend und der Stator innenliegend angeordnet sein. Somit kann das Hohlrad den Stator umschließen. Bei der mittleren Rautiefe der Oberflächenkontur kann es sich um eine mittlere Tiefe von Unebenheiten der innenseitigen Oberfläche des Hohlrads handeln. Bei dem 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. Die Partikel des magnetorheologischen Mediums können Metallpartikel sein. Beim Anlegen eines Magnetfeldes aufgrund des Bestromens der Spule verfestigt sich das magnetorheologische Medium. Der Ruhezustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem kein Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt, die Spule also nicht bestromt ist. Der Aktivierungszustand des magnetorheologischen Mediums kann als ein Zustand verstanden werden, in dem ein Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium wirkt, die Spule also bestromt ist. Die erste Widerstandscharakteristik kann einen fluidmechanischen Widerstand repräsentieren, der geringer ist als ein durch die zweite Widerstandscharakteristik repräsentierter fluidmechanischer Widerstand.
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Durch Anlegen des äußeren Magnetfelds können viskoelastische oder dynamischmechanische Eigenschaften des magnetorheologischen Mediums schnell und reversibel verändert werden, wobei zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand eine Verformung des magnetorheologischen Mediums stattfindet. Somit kann die erste 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 beispielsweise im Falle einer als Bedienvorrichtung ausgeführten Stellvorrichtung ein Bediener nur ein geringes Drehmoment auf das Stellelement auszuüben, um das Stellelement verdrehen zu können. Das Stellelement fühlt sich beispielsweise leichtgängig drehbar an. Die zweite 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 ist beispielsweise von einem Bediener ein hohes Drehmoment auf das Stellelement auszuüben, um das Stellelement verdrehen zu können. Das Stellelement fühlt sich beispielsweise schwergängig drehbar an. Der hohe Drehwiderstand kann auch so groß sein, dass das Stellelement gesperrt ist. Bei der Spule kann es sich um ein elektrisches Bauelement handeln, das Windungen aufweist, um bei Stromfluss ein Magnetfeld zu erzeugen. Der hier vorgestellte Ansatz kann auch als angepasste Kontur eines Gehäuses für einen MRF-Drehsteller verstanden werden.
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Der mittlere Durchmesser der Partikel des magnetorheologischen Mediums kann zwischen 3 und 10 Mikrometer liegen. Ein maximaler Durchmesser der Partikel kann beispielsweise bei 25 Mikrometern liegen. Vorteilhafterweise können die Partikel des magnetorheologischen Mediums aufgrund ihrer Größe in dem Aktivierungszustand in die mittlere Rautiefe der Oberflächenkontur des Rotors eingreifen. Anders ausgedrückt kann zumindest ein Partikel in einer Vertiefung der Oberflächenkontur angeordnet sein. Dadurch kann eine zuverlässige Scherbelastung und somit eine Drehmomenterhöhung ermöglicht werden.
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Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen kann die mittleren Rautiefe der Oberflächenkontur des Rotors beispielsweise größer als 3, 5, 7, 10, 15 oder 20 Mikrometern sein. Entsprechend kann die mittleren Rautiefe der Oberflächenkontur des Rotors beispielsweise kleiner als 200, 150, 100, 50 oder 20 Mikrometern sein. Beispielsweise kann eine maximale Tiefe von Unebenheit der Oberflächenkontur des Rotors kleiner als 500 oder 400 Mikrometern sein. Umso größer die Rautiefe ist, umso größer kann eine maximal erreichbare Scherung zwischen der Oberfläche des Rotors und dem magnetorheologischen Mediums sein. Umso geringer die Rautiefe ist, umso variabler kann eine Haptik der Stellvorrichtung gestaltet werden. Umso variabler die Haptik ist, umso variabler kann eine von einem Bediener der Stellvorrichtung erfühlbare Stellcharakteristik der Stellvorrichtung gestaltet werden.
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In dem Aktivierungszustand können Feldlinien des Magnetfeldes radial über den Zwischenraum verlaufen. Die Feldlinien des Magnetfeldes können beispielhaft durch Vorsprungselemente hindurch radial über den Zwischenraum verlaufen. Genauer gesagt können die Feldlinien vorteilhafterweise über die Bereiche der Vorsprungselemente verlaufen, die der Oberflächenkontur am nächsten angeordnet sind. Vorteilhafterweise orientieren sich die Partikel des magnetorheologischen Mediums am Verlauf der Feldlinien des Magnetfeldes, sodass sich insbesondere im Bereich der Feldlinien das magnetorheologische Medium im Aktivierungszustand verfestigen kann.
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Die Stellvorrichtung kann eine Mehrzahl von Vorsprungselementen aufweisen, die in dem Zwischenraum an dem Stator angeordnet sind, wobei die Vorsprungselemente ausgeformt sind, um bei einer Drehbewegung des Rotors relativ zu dem Stator eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium auszuüben. Unter Vorsprungselementen können Elemente verstanden werden, die an dem Stator angeordnet sind. Der Stator und die Vorsprungselemente können auch einstückig ausgeformt sein. Die Vorsprungselemente können eine Zahnkontur oder eine Wellenkontur aufweisen und erstrecken sich in Richtung des Rotors. Vorteilhafterweise kann zwischen den Vorsprungselementen und der Oberflächenkontur im Aktivierungszustand eine zuverlässige Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium ermöglicht werden. Eine Höhe der Vorsprungselemente kann beispielsweise mindestens dem 10-fachen der mittleren Rautiefe der Oberflächenkontur des Rotors entsprechen.
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Die Vorsprungselemente des Stators können wellenförmig und zusätzlich oder alternativ zahnförmig und zusätzlich oder alternativ kugelkalottenförmig und zusätzlich oder alternativ halbkugelförmig ausgeformt sein. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Scherbelastung des magnetorheologischen Mediums bewirkt werden und somit die Widerstandscharakteristik vorteilhaft beeinflusst werden. Auch kann hierbei eine vorteilhafte Wechselwirkung zwischen den Vorsprungselementen und der Oberflächenkontur eine Scherbelastung des magnetorheologischen Mediums erhöhen.
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Die Oberflächenkontur des Rotors kann entlang eines Umfangs des Rotors durch eine Anzahl von Zähnen ausgeformt sein. Dabei kann die Anzahl der Zähne mindestens doppelt so groß sein, wie eine Anzahl von Vorsprungselementen entlang eines Umfangs des Stators. Vorteilhafterweise kann somit eine ausreichend variable Haptik ermöglicht werden. Eine entsprechende Oberflächenkontur kann eine ausreichende Scherkraft zwischen den Partikeln des magnetorheologischen Mediums sowie eine Übertragung eins ausreichend großen Drehmoments ermöglichen.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform einer hierin genannten Stellvorrichtung weist einen Schritt des Aktivierens der Spule und einen Schritt des Deaktivierens der Spule auf. Der Schritt des Aktivierens der Spule wird ausgeführt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Ruhezustand zu dem Aktivierungszustand zu bewirken, um die zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors zu bewirken. Der Schritt des Deaktivierens der Spule wird ausgeführt, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Aktivierungszustand zu dem Ruhezustand zu bewirken, um die erste Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors zu bewirken.
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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 Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen des Steuergeräts umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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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 Detaildarstellung 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 oder eine Bedienung einer beliebigen Fahrzeugfunktion des Fahrzeugs durch einen Nutzer zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Stellvorrichtung 100 durch einen Insassen des Fahrzeugs manuell betätigt werden, z. B. über ein Stellelement.
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Die Stellvorrichtung 100 weist ein Hohlrad und ein zentrales Rad auf, die eine Relativbewegung zueinander ausführen können. Je nach Ausführungsbeispiel sind beide Räder beweglich oder eines der Räder ist festgestellt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das zentrale Rad ein feststehender Stator 105, und das Hohlrad ein relativ zu dem zentralen Rad drehbarer Rotor 110. Zwischen dem Stator 105 und dem Rotor 110 ist ein magnetorheologisches Medium 115 angeordnet. Eine nur schematisch angedeutete Spule 120 ist vorgesehen, um ein auf das magnetorheologische Medium 115 wirkende Magnetfeld zu erzeugen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Stellvorrichtung 100 als ein MRF-Drehsteller oder als ein Teil eines MRF-Drehstellers ausgeführt. Das Hohlrad dient als Antriebselement, das auf verschiedene Weisen angetrieben werden kann. Zwischen dem Hohlrad und dem Stator 105 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel keine Wälzrollen angeordnet. Das magnetorheologische Medium 115, beispielsweise eine Flüssigkeit, kann durch ein Magnetfeld stimuliert werden und verändert ansprechende auf eine solche Stimulierung die Viskosität. Die Viskositätseigenschaften des magnetorheologischen Mediums 115 nehmen Einfluss auf das spezifische Drehmoment der Stellvorrichtung 100. Ohne Magnetfeld ist das Drehmoment sehr gering und der Antrieb lässt sich sehr leicht drehen. Durch Anlegen eines Magnetfeldes steigt das Drehmoment, da sich die Metall-Partikel dem Magnetfeld anpassen.
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Der Rotor 110 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem Stellelement koppelbar, das beispielsweise von einem Bediener gedreht werden kann. Der Rotor 110 ist relativ zu dem Stator 105 drehbar gelagert, wobei der Stator 105 innenliegend und der Rotor 110 außenliegend angeordnet ist. Der Rotor 110 weist eine Oberflächenkontur mit einer vordefinierten mittleren Rautiefe auf, wobei die mittlere Rautiefe der Oberflächenkontur mindestens so groß ist wie ein mittlerer Durchmesser von Partikeln des magnetorheologischen Mediums 115. Beispielsweise ist die die mittlere Rautiefe maximal so groß ist wie das 10-fache des mittleren Durchmessers der Partikel des magnetorheologischen Mediums 115. Das magnetorheologische Medium 115 ist in einem Zwischenraum 130 zwischen dem Stator 105 und dem Rotor 110 angeordnet. Das magnetorheologische Medium 115 ist ausgebildet, um in einem Ruhezustand eine erste Widerstandscharakteristik für eine Drehbewegung des Rotors 110 und in einem Aktivierungszustand eine zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 110 um den Stator 105 zu bewirken. Die Spule 120 ist ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei das Magnetfeld ausgebildet ist, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums 115 zwischen dem Ruhezustand und dem Aktivierungszustand zu bewirken. Je nach Ausführungsbeispiel kann das Magnetfeld von der Spule 120 mit einer Mehrzahl unterschiedlichen Charakteristika erzeugt werden, so dass das magnetorheologische Mediums 115 eine Mehrzahl von Zwischenzuständen einnehmen kann, die einer Drehung des Rotors 110 jeweils unterschiedliche Drehwiderstände entgegensetzen.
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Der Stator 105 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Vorsprungselementen 125 auf. Dabei ragen die Vorsprungselemente 125 in den Zwischenraum 130 hinein. Die Vorsprungselemente 125 und der Stator 105 sind beispielsweise einstückig ausgeformt. Die Vorsprungselemente 125 sind beispielsweise ausgeformt, um bei einer Drehbewegung des Rotors 110 relativ zu dem Stator 105 eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium 115 auszuüben. Die Vorsprungselemente 125 des Stators 105 sind beispielhaft wellenförmig, zahnförmig, kugelkalottenförmig oder halbkugelförmig ausgeformt. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vorsprungselemente 125 halbkugelförmig ausgeformt. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist der Stator eine dem Rotor 110 entsprechend Oberflächenkontur mit einer vordefinierten mittleren Rautiefe auf.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Höhe der Vorsprungselemente 125 mehr als 5mal oder mehr als 10mal so groß wie ein Abstand zwischen den Scheitelpunkten der Vorsprungselemente 125 oder zumindest eines Scheitelpunktes eines der Vorsprungselemente 125 und einer dem jeweiligen Scheitpunkt gegenüberliegenden Oberfläche des Hohlrads 110.
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Die Spule 120 ist in 1 lediglich beispielhaft an dem Stator 105 angeordnet dargestellt. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist die Stellvorrichtung 100 eine Mehrzahl von Spulen auf, die radial an dem Stator 105 angeordnet sind. Ferner kann die Spule 120 auch axial versetzt zum Stator 105 angeordnet sein. Alternativ kann die Spule 120 an dem Rotor 110 oder an einer anderen geeigneten Position angeordnet sein.
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Bei einer Bestromung der Spule 120 verfestigt sich das magnetorheologische Medium 115, da ein Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium 115 wirkt. In anderen Worten ausgedrückt wird das magnetorheologische Medium 115 bei einer Bestromung der Spule 120 in einen Aktivierungszustand versetzt. Der Aktivierungszustand bewirkt eine zweite Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 110 relativ zu dem Stator 105. Ist die Spule 120 nicht bestromt, so wirkt kein Magnetfeld auf das magnetorheologische Medium 115. In anderen Worten ausgedrückt wird das magnetorheologische Medium 115 bei einer Nichtbestromung der Spule 120 in einen Ruhezustand versetzt und ist beispielsweise flüssig. Der Ruhezustand bewirkt eine erste Widerstandscharakteristik für die Drehbewegung des Rotors 110 relativ zu dem Stator 105.
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Die Oberflächenkontur des Rotors 110 weist eine mittlere Rautiefe mit einem vordefinierten Wert auf, der so gewählt ist, dass sich im Aktivierungszustand Partikel des magnetorheologischen Mediums 115 in Vertiefungen der Oberflächenkontur anordnen. Dadurch wirkt eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium 115 und es erfolgt eine Drehmomenterhöhung. Ein in 1 dargestellter Ausschnitt 135 der Oberflächenkontur des Rotors 110 und eine Funktionsweise der Stellvorrichtung 100 sind in 3 näher beschrieben.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei handelt es sich um die in 1 beschriebene Stellvorrichtung oder um eine ähnliche Stellvorrichtung. Von der Stellvorrichtung 100 in der Darstellung von 2 sind der Stator 105, der Rotor 110 und das magnetorheologische Medium 115 gezeigt. Der auch in 2 dargestellte Ausschnitt 135 der Oberflächenkontur des Rotors 110 und eine Funktionsweise der Stellvorrichtung 100 sind in 3 näher beschrieben. Beispielhaft ist auch eine Drehbewegung 200 des Rotors 110 dargestellt. Der Rotor 110 kann beispielsweise mittels eines Stellelements, wie es in 4 dargestellt ist, in die angezeigte Drehbewegung 200 versetzt werden. Je nach Zustand des magnetorheologische Mediums 115 ist ein unterschiedlich großes Drehmoment erforderlich, um die Drehbewegung 200 ausführen zu können.
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3 zeigt eine schematische Detaildarstellung des in 1 und 2 gezeigte Ausschnitts 135 einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei sind von der Stellvorrichtung 100 in der Darstellung von 3 Ausschnitte des Stators 105, des Rotors 110, des magnetorheologischen Mediums 115, der Vorsprungselemente 125, des Zwischenraums 130 und einer Oberflächenkontur 300 einer dem magnetorheologischen Medium 115 zugewandten Oberfläche des Rotors 110 gezeigt. Schematisch sind Partikel 315 des magnetorheologischen Mediums 115 dargestellt. Ferner sind eine Drehbewegung 200 des Rotors 110 und Feldlinien 305 des auf das magnetorheologische Medium 115 wirkenden Magnetfeldes eingezeichnet.
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Eine innenliegende Oberfläche des Hohlrads, hier des Rotors 110 weist die Oberflächenkontur 300 auf. Die Oberflächenkontur 300 weist eine vordefinierte mittlere Rautiefe auf. In 3 ist die Oberflächenkontur 300 beispielhaft zahnförmig ausgeformt. In anderen Worten ausgedrückt bildet die Oberflächenkontur 300 beispielhaft Zähne aus. Die Zähne sind gemäß einem Ausführungsbeispiel unterschiedlich ausgeformt. Die Zähne der Oberflächenkontur 300 unterscheiden sich beispielsweise in ihrer Höhe, ihrer Breite an der Basis, ihrer Flankensteilheit und/oder ihrer Flankenform. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Zähne eine Mindesthöhe auf, die einem mittleren Durchmesser der Partikeln 315 des magnetorheologischen Mediums 115 entspricht. Beispielsweiseweisen die Zähne eine Maximalhöhe auf, die dem 10-fachen des mittleren Durchmessers der Partikel 315 entspricht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Partikel 315 des magnetorheologischen Mediums 155 beispielsweise bis zu 25 Mikrometer. Beispielsweise beträgt der mittlere Durchmesser der Partikel des magnetorheologischen Mediums 115 beispielsweise 3 bis 7 Mikrometer.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Oberflächenkontur 300 mindestens doppelt so viele Zähne auf, wie der Stator 105 Vorsprungselemente 125. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Vorsprungselemente 125 des Stators 105 halbkugelförmig ausgeformt. Beispielhaft ist ein Konturverlauf des Stators 105 mit den Vorsprungselementen 125 abwechselnd geradlinig und erhaben halbkugelförmig ausgeformt. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Vorsprungselemente 125 wellenförmig oder zahnförmig ausgeformt.
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Der Zwischenraum 130 ist mit den Partikeln 315 des magnetorheologischen Mediums 115 gefüllt, wobei der Zwischenraum 130 durch die Vorsprungselemente 125 abwechselnd schmaler und breiter ausgeformt ist. Genauer gesagt ist der Zwischenraum 130 auf Höhe der Vorsprungselemente 125 schmaler ausgeformt als auf Höhe von Lücken zwischen den Vorsprungselementen 125.
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In 3 ist die Stellvorrichtung 100 in einem bestromten Zustand gezeigt. In anderen Worten ausgedrückt ist die Spule bestromt, wodurch ein Magnetfeld erzeugt ist. Die Feldlinien 305 des Magnetfeldes verlaufen beispielhaft bevorzugt durch die Vorsprungselemente 125 des Stators 105 hindurch radial über den Zwischenraum 130 sowie durch die Oberflächenkontur 300 des Rotors 110. Das magnetorheologische Medium 115 ist durch das Bestromen der Spule in den Aktivierungszustand versetzt. In dem Aktivierungszustand verfestigt sich das magnetorheologische Medium 115. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel verfestigt sich das magnetorheologische Medium 115 hauptsächlich in dem schmalen Bereich des Zwischenraums 130 im Bereich der Scheitelpunkte der Vorsprungselemente 125 entlang der Feldlinien 305 des Magnetfeldes.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die vordefinierte mittlere Rautiefe der Oberflächenkontur 300 des Rotors 110 mindestens so groß wie ein mittlerer Durchmesser von Partikeln 315 des magnetorheologischen Mediums 115. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugen die Partikel 315des magnetorheologischen Mediums 115 eine Mehrzahl von Ketten entlang der Feldlinien 305 des Magnetfeldes, also auf Höhe der erhabenen halbkugelförmigen Form der Vorsprungselemente 125. Beispielsweise erzeugen mindestens zwei Partikel 315 des magnetorheologischen Mediums 115 eine Kette, sodass in diesem Bereich bei einer Drehbewegung 200 des Rotors 100 eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium 115 wirkt. Auf Höhe der Lücken zwischen den Vorsprungselementen 125 sind in dem Zwischenraum 130 kaum Partikel 315 des magnetorheologischen Mediums 115 angeordnet, da in diesem Bereich keine Feldlinien 305 des Magnetfeldes verlaufen. In diesem Bereich wirkt demzufolge kaum eine Scherbelastung auf das magnetorheologische Medium 115.
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Der hier vorgestellte Ansatz zielt auf eine Integration einer Rautiefe, die auch allgemein als Rauheit bezeichnet werden kann, in die innere Oberflächenkontur des Rotors 110, der auch als Hohlrad bezeichnet werden kann, um ein Gleiten zwischen Rotor 110 und magnetorheologischem Medium 115, das auch als MR-Fluid bezeichnet werden kann, zu verhindern und das tatsächliche Scheren zwischen den Metallpartikeln des magnetorheologischen Mediums 115 zu erreichen.
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Der Stator 105 imitiert gemäß einem Ausführungsbeispiel mit seinen Vorsprungselementen 125 ein Zahnrad mit entsprechenden Zahnflanken und Freiräumen. In diesem Konzept bildet sich das Magnetfeld bevorzugt über die Zähne aus, die hier beispielhaft als abgerundete Vorsprungselemente 125 ausgeführt sind, sodass sich das magnetorheologische Medium 115 in den schmalen Spalten des Zwischenraums 130 zwischen den Vorsprungselementen 125 und dem
Rotor 110verfestigt. Anders ist es in den Freiräumen zwischen den Vorsprungselementen 125, hier ist die Stimulation des magnetorheologischen Mediums 115 geringer. Bei besonders glatten Oberflächenkonturen könnte eine Gleitfläche zwischen dem magnetorheologischen Medium und der Innenfläche des Rotors entstehen, wohingegen insbesondere durch die Vorsprungselemente 125 und die Oberflächenkontur 300 das Potential des magnetorheologischen Mediums 115 zu einem erhöhten Anteil genutzt werden kann und das maximale Drehmoment an dem Aktor ausgereizt werden kann, da die Scherung anstatt zwischen der Mantelfläche des Rotors 110 und dem magnetorheologischen Medium 115 verstärkt in dem magnetorheologischen Medium 115 entsteht. Eine feste Zahnkontur in dem Hohlrad kann ebenfalls vermieden werden, da ansonsten die Variabilität der angestrebten Haptik verloren gehen könnte. Daher ist die Oberflächenkontur 300 genau zwischen diesen beschriebenen Effekten definiert.
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Die von dem magnetorheologischen Medium 115 beinhalteten Partikel 315 in Form von Metallpartikeln haben beispielsweise einen angestrebten Durchmesser von bis zu 20 Mikrometer, wobei D50 der Normalverteilung, die auch als Gauß-Glockenkurve bezeichnet werden kann, zum Beispiel bei 4-6 Mikrometer liegen. Um eine Scherung zwischen den Partikeln 315 zu erreichen, ist die Rauheit an dem Rotor 110 so ausgelegt, dass sich bei einem angelegten Magnetfeld eine bestimmte Anzahl an Partikeln 315 in die Rauheit der Oberflächenkontur 300 positionieren kann, sodass diese Partikel 315 beim Rotieren definitiv verdreht werden. Also ist die Rauheit Rz größer oder gleich einem Durchmesser eines Partikels 315, so dass die Partikel 315 anhaften können. Durch das Anlegen eines Magnetfeldes wandern die die Partikel 315 zu den Magnetfeldlinien 305. Durch die Rauheit Rz der Oberflächenkontur 300 des Rotors 110 können sich einzelne die Partikel 315 des magnetorheologischen Mediums 115 in die Täler der Oberflächenkontur 300 einnisten. Beim Verdrehen des Rotors 110 wird der vorhandene Ruhezustand des Magnetfeldes beeinflusst und ein Widerstand in Form eines Drehmomentes ist messbar. Die angestrebte Oberflächenkontur 300 bewirkt ein Scheren zwischen den Partikeln 315 des magnetorheologischen Mediums 115 und erzielt eine Drehmomenterhöhung bei ansonsten gleichbleibenden Rahmenbedingungen verglichen mit einem herkömmlichen Konzept, bei dem eine Scherung zwischen einem magnetorheologischen Medium und einer Mantelfläche stattfindet. Ferner weist die Oberflächenkontur 300 des Rotors 110 keine Verzahnung auf, wie sie beim Stator 105 realisiert ist. Denn diese Zahnstruktur würde die variable Haptik einschränken. Aus diesem Grund kann die angestrebte Rauheit der Oberflächenkontur 300 am Gehäuse-Innendurchmesser maximal weiterentwickelt werden bis zu einer Zahnkontur, deren Anzahl an Zähne mindestens doppelt so groß ist wie die Anzahl in der Vorsprungselemente 125, die auch als Sternkontur bezeichnet werden können, am Stator 105.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Stellvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die in 1 und/oder 2 beschriebene Stellvorrichtung 100 oder eine ähnliche Stellvorrichtung handeln. Die Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft an einem Lenkrad 400 eines Fahrzeugs angeordnet. An dem Rotor der Stellvorrichtung 100 ist beispielhaft ein Stellelement 405 starr angeordnet. Das Stellelement 405 ist von einem Insassen des Fahrzeugs manuell durch eine Drehbewegung 200 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 Stellvorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Das Verfahren 500 weist einen Schritt 505 des Aktivierens der Spule und einen Schritt 510 des Deaktivierens der Spule auf.
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Der Schritt 505 wird ausgeführt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Ruhezustand zu dem Aktivierungszustand zu bewirken. Dadurch wird ein der Drehbewegung des Rotors entgegenstehender erhöhter Widerstandbewirkt. Der Schritt 510 wird ausgeführt, um ein Überführen des magnetorheologischen Mediums von dem Aktivierungszustand zu dem Ruhezustand zu bewirken. Dadurch wird ein der Drehbewegung des Rotors entgegenstehender verringerter Widerstand bewirkt.
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Bezugszeichen
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- 100
- Stellvorrichtung
- 105
- Stator
- 110
- Rotor
- 115
- magnetorheologisches Medium
- 120
- Spule
- 125
- Vorsprungselement
- 130
- Zwischenraum
- 135
- Ausschnitt
- 200
- Drehbewegung
- 300
- Oberflächenkontur
- 305
- Feldlinie
- 315
- Partikel
- 400
- Lenkrad
- 405
- Stellelement
- 500
- Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung
- 505
- Schritt des Aktivierens
- 510
- Schritt des Deaktivierens
