DE102022129071A1 - Steering actuator and method for steering actuation - Google Patents
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Abstract
Ein Lenkungsaktuator (1), insbesondere einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs, umfasst eine Schubstange (3), welche mit Hilfe mindestens eines dielektrischen Elastomeraktors (6) verschoben wird.A steering actuator (1), in particular a rear axle steering of a motor vehicle, comprises a push rod (3) which is displaced by means of at least one dielectric elastomer actuator (6).
Description
Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Verwendung in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs geeigneten Lenkungsaktuator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lenkungsbetätigung.The invention relates to a steering actuator which is particularly suitable for use in a rear axle steering system of a motor vehicle. The invention further relates to a method for steering actuation.
Ein Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der
Eine seit Langem bewährte Technologie, die sowohl in PKWs als auch in Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommt, stellen hydraulische Servolenkungen dar. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Aktorik, welche für den Einsatz in Lenkungen, insbesondere Hinterachslenkungen, geeignet ist, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders kompakter, robuster Aufbau angestrebt wird und die Anzahl an Getriebestufen minimiert werden soll.The invention is based on the object of further developing actuators which are suitable for use in steering systems, in particular rear-axle steering systems, compared to the aforementioned prior art, whereby a particularly compact, robust design is sought and the number of gear stages is to be minimized.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Lenkungsaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Lenkungsbetätigung gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Lenkungsbetätigungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Aktuator, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a steering actuator with the features of
Gemäß Anspruch 1 wird für die lineare Verlagerung einer Schubstange eines Lenkungsaktuators, insbesondere Aktuators einer Hinterachslenkung, ein dielektrischer Elastomeraktor genutzt. Es findet somit eine bionische Verschiebung der Schubstange, welche über weitere mechanische Mittel den Lenkeinschlag von Rädern variiert, mittels eines elektroaktiven Polymers statt.According to
Die Verwendung polymerer Materialien in Aktuatoren ist prinzipiell zum Beispiel aus der
Wie grundsätzlich in der
Ein weiteres Beispiel eines elektro-aktiven Polymeraktuators ist in der
Eine elektroaktive Polymeraktuatoreinrichtung ist grundsätzlich auch aus der
Die elektrischen Elastomer-Aktoren, wie sie im anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuator zum Einsatz kommen, sind in der Lage, elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln. Grundsätzlich handelt es sich bei einem dielektrischen Elastomeraktor um einen nachgiebigen Kondensator, welcher einen zwischen zwei flächigen Elektroden befindlichen Elastomerfilm aufweist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung ziehen sich die flächigen Elektroden an, sodass der Elastomerfilm zusammengedrückt wird und sich zugleich quer zur Stapelrichtung der Elektroden sowie der Elastomerfilme ausdehnt.The electrical elastomer actuators, as used in the steering actuator according to the application, are able to convert electrical energy directly into mechanical work. Basically, a dielectric elastomer actuator is a flexible capacitor which has an elastomer film located between two flat electrodes. When an electrical voltage is applied, the flat electrodes attract each other so that the elastomer film is compressed and at the same time expands transversely to the stacking direction of the electrodes and the elastomer films.
Bei dem Elastomermaterial des dielektrischen Elastomeraktors, wie er in dem anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuator zum Einsatz kommt, kann es sich beispielsweise um ein Silikon oder Acryl handeln. Als Materialien für die flächigen Elektroden sind zum Beispiel Graphit oder Silikonöl-Graphit-Gemische geeignet. Auch metallische Werkstoffe, unter anderem Gold, sind für die Herstellung der flächigen Elektroden des Lenkungsaktuators geeignet. In jedem Fall muss eine Nachgiebigkeit der Elektroden gegeben sein.The elastomer material of the dielectric elastomer actuator, as used in the steering actuator according to the application, can be, for example, a silicone or Acrylic. Graphite or silicone oil-graphite mixtures are suitable materials for the flat electrodes. Metallic materials, including gold, are also suitable for producing the flat electrodes of the steering actuator. In any case, the electrodes must be flexible.
Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen des Lenkungsaktuators sind die Elastomeraktoren jeder Aktorgruppe gegenüber der Mittelachse der Schubstange schräggestellt, wobei die Längsachsen der einzelnen Elastomeraktoren die Oberfläche eines gedachten Kegels, dessen Spitze auf der Mittelachse der Schubstange liegt, jeweils an mindestens einem Punkt tangieren. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die Längsachsen der einzelnen Elastomeraktoren keinen gemeinsamen Schnittpunkt mit der Mittelachse des Lenkungsaktuators haben, sondern bei gedachter Abwicklung des Kegels alternierend in entgegengesetzter Weise schräg auf der Kegeloberfläche angeordnet sind. Auf diese Weise wird Spiel im Lenkungsaktuator minimiert. Je nach Gesamtkonstruktion kann es damit sogar möglich sein, von einer gesonderten Verdrehsicherung der Schubstange abzusehen. Die Schubstange ist im Gehäuse des Lenkungsaktuators beispielsweise gleitgelagert.According to various possible designs of the steering actuator, the elastomer actuators of each actuator group are inclined relative to the central axis of the push rod, with the longitudinal axes of the individual elastomer actuators touching the surface of an imaginary cone, the tip of which lies on the central axis of the push rod, at least at one point. In particular, it can be provided that the longitudinal axes of the individual elastomer actuators do not have a common intersection point with the central axis of the steering actuator, but are arranged alternately in opposite directions at an angle on the cone surface when the cone is unfolded. In this way, play in the steering actuator is minimized. Depending on the overall design, it may even be possible to dispense with a separate anti-twisting device for the push rod. The push rod is, for example, slide-mounted in the housing of the steering actuator.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung existiert ein Längenmesssystem zur Detektion von Verschiebungen der Schubstange. Ein solches Längenmesssystem kann in an sich bekannter Weise als inkrementelles und/oder absolutes Messystem ausgebildet sein. Das Längenmesssystem ist beispielsweise mittig zwischen zwei Aktorgruppen oder seitlich neben beiden Aktorgruppen platziert. Eine zentrale Anordnung hat Vorteile hinsichtlich des Raumbedarfs; eine asymmetrische Anordnung kann Vorteile in Bezug auf die Zugänglichkeit von außen mit sich bringen.According to a possible further development, there is a length measuring system for detecting displacements of the push rod. Such a length measuring system can be designed in a known manner as an incremental and/or absolute measuring system. The length measuring system is placed, for example, in the middle between two actuator groups or to the side of both actuator groups. A central arrangement has advantages in terms of space requirements; an asymmetrical arrangement can bring advantages in terms of accessibility from the outside.
Was den Aufbau der einzelnen dielektrischen Elastomeraktoren, aus welchen die Aktorgruppen gebildet sind, betrifft, existieren zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Beispielsweise haben die einzelnen Elastomeraktoren jeweils eine gewickelte Form. Ebenso sind gestapelte oder gefaltete Formen von Elastomeraktoren einsetzbar. In allen Fällen sind die Kräfte und Verschiebewege abhängig vom Verwendungszweck praktisch beliebig skalierbar.There are numerous design options when it comes to the structure of the individual dielectric elastomer actuators from which the actuator groups are formed. For example, the individual elastomer actuators each have a wound shape. Stacked or folded forms of elastomer actuators can also be used. In all cases, the forces and displacement paths can be scaled practically as desired, depending on the intended use.
Das Verfahren zur Lenkungsbetätigung zeichnet sich allgemein dadurch aus, dass eine Schubstange der Lenkung bionisch mittels mindestens eines elektroaktiven Polymers betätigt wird. Die Betätigung kann hierbei getriebelos erfolgen. Auch sind Ausgestaltungen realisierbar, in denen die bionische Betätigung mittels einer Mehrzahl an Elastomeraktoren derart erfolgt, dass die Längenänderung der Elastomeraktoren geringer als die Verschiebung der Schubstange ist. Eine zumindest geringfügige Reduktion der Kraft, mit welcher die Schubstange linear bewegt wird, im Vergleich zur Kraft, die durch die aktiven, elektrisch angesteuerten Elastomeraktoren in Summe aufgebracht wird, wird hierbei in Kauf genommen.The method for steering actuation is generally characterized by the fact that a steering push rod is actuated bionically by means of at least one electroactive polymer. The actuation can be carried out without a gear. Designs can also be implemented in which the bionic actuation is carried out by means of a plurality of elastomer actuators in such a way that the change in length of the elastomer actuators is less than the displacement of the push rod. An at least slight reduction in the force with which the push rod is moved linearly, compared to the force that is applied in total by the active, electrically controlled elastomer actuators, is accepted here.
In zahlreichen Bauformen ist bei jeder Verschiebung der Schubstange jeweils nur die Hälfte der Elastomeraktoren - ähnlich einem Muskel, der eine Zugkraft erzeugt - aktiv, während die andere Hälfte der Elastomeraktoren passiv bleibt. Abweichend hiervon sind auch Bauformen denkbar, in welchen bei der Betätigung des Lenkungsaktuators die Gesamtheit seiner Elastomeraktoren zusammenwirkt. Im Fall einer Integration des Lenkungsaktuators in eine Hinterachslenkung ist typischerweise lediglich eine einzige Schubstange vorhanden, mit welcher beide Hinterräder gelenkt werden. Darüber hinaus sind Ausgestaltung des Lenkungsaktuators möglich, welche lediglich zur Bewirkung eines Lenkeinschlags auf einer einzigen Fahrzeugseite vorgesehen sind. In einem solchen Fall sind gesonderte Aktuatoren für die linke und die rechte Fahrzeugseite elektronisch zu synchronisieren.In many designs, only half of the elastomer actuators are active each time the push rod is moved - similar to a muscle that generates a pulling force - while the other half of the elastomer actuators remain passive. As an alternative to this, designs are also conceivable in which all of the elastomer actuators work together when the steering actuator is actuated. If the steering actuator is integrated into a rear-axle steering system, there is typically only a single push rod that steers both rear wheels. In addition, designs of the steering actuator are possible that are only intended to cause a steering angle on a single side of the vehicle. In such a case, separate actuators for the left and right sides of the vehicle must be electronically synchronized.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 einen Lenkungsaktuator für eine Hinterachslenkung in einer vereinfachten Schnittdarstellung, -
2 mehrere Elastomeraktoren des Lenkungsaktuators nach1 in einer abgewickelten Anordnung, -
3 einen Schnitt durch die Anordnung nach1 , -
4 und5 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lenkungsaktuators in einer Darstellung analog1 , -
6 einen Elastomeraktor für einen Lenkungsaktuator in perspektivischer Ansicht.
-
1 a steering actuator for a rear axle steering in a simplified sectional view, -
2 several elastomer actuators of thesteering actuator 1 in a developed arrangement, -
3 a section through the arrangement according to1 , -
4 and5 each a further embodiment of a steering actuator in a representation analogous1 , -
6 an elastomer actuator for a steering actuator in perspective view.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.The following explanations refer to all embodiments, unless otherwise stated. Parts that correspond to one another or have essentially the same effect are identified with the same reference symbols in all figures.
Ein Lenkungsaktuator 1, welcher kurz auch als Lenkaktor bezeichnet wird, ist als bionischer Aktor ausgebildet und zur Verwendung in einer nicht weiter dargestellten Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion von Hinterachslenkungen wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.A
Der Lenkungsaktuator 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem eine Schubstange 3 verschiebbar geführt ist. Die Schubstange 3 ist mit weiteren, nicht dargestellten Fahrwerkselementen gekoppelt, um eine Variation des Lenkeinschlags der Hinterräder zu ermöglichen. Zur Lagerung der Schubstange 3 im Gehäuse 2 sind Lagerungen 4 vorgesehen. In nicht dargestellter Weise kann die Schubstange 3 mehrteilig ausgebildet sein, was montagetechnische Vorteile bedeuten kann.The
Die Verschiebung der Schubstange 3 erfolgt, indem an Elastomeraktoren 6, die in den Lenkungsaktuator 1 integriert sind, eine elektrische Spannung angelegt wird. Weitere Betätigungsmittel, etwa in Form eines elektromotorischen oder hydraulischen Antriebs, sind nicht vorgesehen. Eine Mehrzahl an Elastomeraktoren 6 ist zu einer Wicklungsanordnung 5 zusammengefasst, die die Schubstange 3 konzentrisch umgibt. Im Gehäuse 2 sind zwei derartige Wicklungsanordnungen 5, die auch als Aktorgruppen bezeichnet werden, angeordnet, wobei die erste der Wicklungsanordnungen 5 eine Verschiebung der Schubstange 3 in einer ersten Axialrichtung und die zweite Wicklungsanordnung 5 eine Verschiebung der Schubstange 3 in der entgegengesetzten Axialrichtung bewirkt. Die beiden Wicklungsanordnungen 5 stellen somit antagonistisch wirkende Aktorgruppen dar.The
Die Mittelachse der Schubstange 3 und damit des gesamten Lenkungsaktuators 1 ist mit MA bezeichnet. Die mit VR bezeichnete Verschieberichtung der Schubstange 3 ist mit der Ausrichtung der Mittelachse MA identisch.The center axis of the
Die Elastomeraktoren 6 der beiden Wicklungsanordnungen 5 sind über gehäuseseitige Anbindungsstellen 7 sowie schubstangenseitige Anbindungsstellen 8 mechanisch mit dem Gehäuse 2 beziehungsweise mit der Schubstange 3 gekoppelt. In den Ausführungsbeispielen sind die Elastomeraktoren 6 gewickelt aufgebaut, wie aus
In sämtlichen Ausführungsbeispielen ist die Wicklungslängsachse WL eines jeden Elastomeraktors 6 gegenüber der Mittelachse MA des Lenkungsaktuators 1 schräggestellt. Ein entsprechender Schrägstellungswinkel ist mit α bezeichnet. Aufgrund des Schrägstellungswinkels α, der in den vorliegenden Fällen mindestens 5° und höchstens 30° beträgt, wird jede Längenänderung der Elastomeraktoren 6 in eine etwas größere Verschiebung der Schubstange 3 umgesetzt. Die Verschiebung der Schubstange 3 stellt somit eine etwas schnellere Bewegung als die Längenänderung der Elastomeraktoren 6 der aktiven Wicklungsanordnungen 5 dar.In all embodiments, the longitudinal winding axis WL of each
Im Ausführungsbeispiel nach den
Zur Versorgung der Elastomeraktoren 6 mit elektrischer Energie ist eine Energieversorgungseinheit 13 vorgesehen, die in den Fällen der
Dem Lenkungsaktuator 1 ist in jedem Ausführungsbeispiel ein Messsystem 9 zur Positionsbestimmung der Schubstange 3 zuzurechnen. Dem Messsystem 9 ist eine Maßverkörperung 10 sowie ein Sensor 11 zuzurechnen. Mit Hilfe des Messsystems 9 detektierte Verschiebewege weichen, wie bereits erläutert, zumindest geringfügig von Längenänderungen der Elastomeraktoren 6 ab. Die mit WR bezeichnete Wirkrichtung der Elastomeraktoren 6 ist jeweils in Richtung der Wicklungslängsachse WL ausgerichtet. Im Ausführungsbeispiel nach den
Im Gegensatz hierzu weist die Gesamtform der Aktorgruppen 5 des Lenkungsaktuators nach
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LenkungsaktuatorSteering actuator
- 22
- GehäuseHousing
- 33
- SchubstangePush rod
- 44
- Lagerungstorage
- 55
- Wicklungsanordnung, AktorgruppeWinding arrangement, actuator group
- 66
- Einzelwicklung, ElastomeraktorSingle winding, elastomer actuator
- 77
- gehäuseseitige AnbindungsstelleHousing-side connection point
- 88th
- schubstangenseitige Anbindungsstellepush rod side connection point
- 99
- MesssystemMeasuring system
- 1010
- MaßverkörperungMeasurement embodiment
- 1111
- Sensorsensor
- 1212
- Leitung Line
- αα
- Winkelangle
- ββ
- Winkelangle
- MAMA
- MittelachseCentral axis
- WLWL
- WicklungslängsachseWinding longitudinal axis
- WRWR
- WirkrichtungDirection of action
- VRVR
- VerschieberichtungShift direction
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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