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Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Fahrwerkseinrichtung, insbesondere für einen aktiv verstellbaren Wankstabilisator oder eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen aktiv verstellbaren Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 16.
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Aus der Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere der Fahrwerkstechnik, ist es bekannt, Kraftfahrzeuge mit einem sogenannten Wankstabilisator auszustatten. In einfacher Ausführung handelt es sich hierbei um eine im Wesentlichen C-förmige Drehstabfeder, die im mittigen Bereich drehbar gegenüber dem Fahrzeugaufbau gelagert ist und deren äußere, sich gegenüberliegende Enden jeweils mit einer Radaufhängung gekoppelt sind. Durch diese Konstruktion sorgt der Wankstabilisator dafür, dass die Karosserie des Fahrzeugs bei einer Kurvenfahrt nicht nur an der kurvenäußeren Seite einfedert (bedingt durch die Zentrifugalkraft), sondern zudem das kurveninnere Rad etwas abgesenkt wird (Kopierverhalten).
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Zur weiteren Steigerung des Fahrkomforts sowie der Fahrzeugstabilität ist es bekannt, Wankstabilisatoren aktiv verstellbar auszuführen. Der Wankstabilisator umfasst in diesem Fall einen Aktuator, und ist in zwei mit Hilfe des Aktuators um eine Rotationsachse relativ zueinander verdrehbare Stabilisatorabschnitte geteilt. Durch die Verdrehung der Stabilisatorabschnitte zueinander wird eine Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus gezielt erzeugt oder einer durch äußere Einflüsse hervorgerufenen Wankbewegung des Fahrzeugsaufbaus gezielt entgegengewirkt. Zur bedarfsgerechten Ansteuerung des Aktuators kann es zweckmäßig sein, ein zwischen den Stabilisatorabschnitten wirkendes Drehmoment zu erfassen, insbesondere um dieses beispielsweise in einen Regelkreis des Aktuators einfließen zu lassen.
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Auch für andere in der Fahrwerkstechnik zum Einsatz kommende Aktuatoren wie beispielsweise an einer Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs kann es zweckmäßig sein, ein auf den Aktuator wirkendes Drehmoment zu erfassen.
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Aus
DE 10 2011 078 819 A1 ist ein aktiv verstellbarer Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug bekannt, zwischen dessen beiden Stabilisatorabschnitten ein Aktuator zur Verdrehung der Stabilisatorabschnitte angeordnet ist. Der Wankstabilisator weist eine nach dem Prinzip der inversen Magnetostriktion arbeitende Sensoreinrichtung zur Erfassung eines zwischen den Stabilisatorabschnitten wirkenden Drehmoments auf. Dazu ist ein magnetisch kodierter Primärsensor an einem Stabilisatorabschnitt angeordnet, wobei ein Magnetfeldsensor als Sekundärsensor vorgesehen ist, der Änderungen des magnetischen Feldes des Primärsensors in ein elektrisches Signal umwandelt. Der magnetisch kodierte Primärsensor wird durch einen Abschnitt des Stabilisatorteiles gebildet. Als nachteilig daran ist anzusehen, dass in den Stabilisatorabschnitt eine magnetische Kodierung eingebracht werden muss. Die magnetische Kodierung ist zudem während des betrieblichen Einsatzes (des Kraftfahrzeugs) äu-ßerer Fremdeinwirkung (beispielsweise mechanischen Einflüssen wie Steinschlag, Vibration oder dergleichen, und/oder thermischen Einflüssen) ausgesetzt, wodurch unter Umständen die Funktionalität der Sensoreinrichtung eingeschränkt oder zumindest verschlechtert wird. Gemäß einem in
6 der
DE 10 2011 078 819 A1 gezeigten Sachverhalt ist der Sekundärsensor radial innerhalb einer den Primärsensor bildenden Hülse angeordnet, die wiederum stoffschlüssig innenliegend in einem Stabilisatorabschnitt angebracht ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aktuator für eine Fahrwerkseinrichtung, insbesondere für einen aktiv verstellbaren Wankstabilisator oder eine Lenkeinrichtung eines Kraftfahrzeugs anzugeben, dessen Drehmoment sich zuverlässig und mit hoher Genauigkeit erfassen lässt, dessen Sensoreinrichtung in möglichst geringem Maße äußeren Einflüssen ausgesetzt ist und der einfach herstellbar ist. Dieser Aufgabenstellung entsprechend soll ein aktiv verstellbarer Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug angegeben werden.
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Die Aufgabe wird zunächst gelöst durch einen Aktuator für eine Fahrwerkseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß weist dieser auf: eine Hohlwelle, eine damit verbundene Antriebseinheit, wobei der Aktuator ein wellenfestes Ende und ein abtriebsseitiges Ende aufweist, die mittels der Antriebseinheit unter Aufbringung eines zwischen den Enden des Aktuators wirkenden Drehmoments um eine Rotationsachse gegeneinander verdrehbar sind, und eine Sensoreinrichtung zur Erfassung des übertragenen Drehmoments unter Nutzung der inversen Magnetostriktion. Die Sensoreinrichtung umfasst erfindungsgemäß einen zumindest bereichsweise durch die Hohlwelle gebildeten Primärsensor und eine innerhalb der Hohlwelle angeordnete Sensoreinheit. Insbesondere dient dabei der durch die Hohlwelle gebildete Primärsensor als sogenannter „Hookscher Verformungskörper“ [lineares Verhalten bezüglich der wirkenden Kraft (mechanische Spannung) und der sich einstellenden Verformung (mechanische Dehnung)], der unter Nutzung eines inversen magnetostriktiven Effekts, insbesondere des sogenannten inversen Villari-Effekts („Längen-Magnetostriktion“), die mechanische Drehmomentlast in eine messbare Änderung seiner magnetischen Eigenschaften transformiert. Die Sensoreinheit wiederum dient dabei insbesondere als sogenannter Sekundärsensor, dessen magnetisch wirkende Koppel-Elektronik einerseits die Hohlwelle mit einem Magnetfeld dynamisch anregt, andererseits die magnetische Reaktion der Hohlwelle - insbesondere in zwei Achsen diagonal zur Symmetrieachse der Hohlwelle - misst.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich der Aktuator dadurch aus, dass die Sensoreinheit ein Sensorgehäuse und mit der Hohlwelle verbundene Haltemittel zum Anpressen des Sensorgehäuses von radial innen gegen die Hohlwelle aufweist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zweckmäßigerweise die Sensoreinheit ein Sensorgehäuse aufweist, insbesondere um eine für die Drehmomentmessung benötigte Spulenanordnung aufzunehmen. Das Sensorgehäuse kann dazu vorteilhaft so angeordnet sein, dass es die Hohlwelle innenseitig kontaktiert und zugleich eine Spulenanordnung aufnimmt. Das Sensorgehäuse hat demnach insbesondere die Funktion, die für die magnetische Anregung und für die Messung der magnetischen Reaktionen erforderliche Spulenanordnung in einer definierten und von Betriebseinflüssen möglichst unbeeinflussbaren Relativposition gegenüber der als Primärsensor dienenden Hohlwelle zu halten. Vorteilhaft erfolgt dies, indem das Sensorgehäuse die Hohlwelle innenseitig kontaktiert, wodurch sich auf konstruktiv einfache Weise ein durch die Gehäusegestaltung vorgebbarer Abstand zwischen Hohlwelle und Spulenanordnung erzielen lässt. Da sich gezeigt hat, dass die Relativposition der Spulenanordnung gegenüber der als Primärsensor dienenden Hohlwelle einen hohen Einfluss auf die Messergebnisse sowie deren Qualität hat, weist die Sensoreinheit erfindungsgemäß zudem mit der Hohlwelle verbundene Haltemittel zum Anpressen des Sensorgehäuses von radial innen gegen die Hohlwelle auf. Dadurch kann erreicht werden, dass die relative Position des Sensorgehäuses (und der davon aufgenommenen Spulenanordnung) gegenüber der als Primärsensor dienenden Hohlwelle über die Lebensdauer des Aktuators beibehalten wird. Die zum Einsatz kommenden Haltemittel können auf noch zu erläuternde Weise gestaltet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Aktuators ist die Hohlwelle Teil eines die Antriebseinheit aufnehmenden Aktuatorgehäuses, wobei die Sensoreinheit innerhalb des zumindest bereichsweise als Primärsensor dienenden Aktuatorgehäuses angeordnet ist. Mit anderen Worten kann in diesem Fall die Hohlwelle zumindest teilweise das Aktuatorgehäuse bilden, welches die Antriebseinheit des Aktuators aufnimmt. Indem die Sensoreinheit innerhalb dieses Aktuatorgehäuses angeordnet ist, wird deren Schutz vor äußeren mechanischen oder thermischen Einflüssen gewährleistet. Indem ein Teil des Aktuatorgehäuses als Primärsensor dient, wird auf vorteilhafte Weise eine Funktionsintegration erzielt.
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Vorteilhaft sind das wellenfeste Ende und das abtriebsseitige Ende des Aktuators jeweils mit gegenüberliegenden Stabilisatorabschnitten des Wankstabilisators verbindbar, um diese mittels der Antriebseinheit um die Rotationsachse gegeneinander verdrehen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Aktuators erstrecken sich die Haltemittel zumindest bereichsweise über das Sensorgehäuse und berühren dieses in wenigstens einem Haltebereich, um eine in Bezug auf die Rotationsachse radial nach außen wirkende Anpresskraft auf das Sensorgehäuse auszuüben.
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Bevorzugt weisen die Haltemittel zwei seitliche Bügel und zwei endseitige Stege auf, die zu einer geschlossenen, im Wesentlichen rechteckigen Struktur verbunden sind.
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In konstruktiver Hinsicht vorteilhaft sind die seitlichen Bügel hinsichtlich deren Profils derart ausgerichtet, dass diese ein vergleichsweise hohes Flächenträgheitsmoment in Hochrichtung (gemeint ist hier die Radialrichtung bezogen auf die Rotationsachse) gegenüber dem Flächenträgheitsmoment in Querrichtung (gemeint ist hier die Axialrichtung bezogen auf die Rotationsachse) aufweisen. Damit können die seitlichen Bügel die erforderliche Anpresskraft in radialer Richtung übertragen.
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Grundsätzlich können die Haltemittel aus unterschiedlichen geeigneten Materialien gefertigt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind diese als Metallteil, insbesondere Umformmetallteil hergestellt.
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Die Haltemittel können abhängig von der Gestaltung des Sensorgehäuses unterschiedlich gestaltet sein. Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Haltemittel das Sensorgehäuse rahmenartig umgeben und vorzugsweise als eine sogenannte Käfiglasche ausgebildet sind. Unter dem Begriff Käfiglasche sei im Rahmen der Erfindung ein zumindest doppelfunktionales Bauteil verstanden, welches das Sensorgehäuse bereichsweise umschließt (Wortbestandteil: „Käfig“), und zudem einen Verbindungsbereich (Wortbestandteil: „Lasche“) aufweist, der eine Verbindung zur Hohlwelle herstellt.
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Eine vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass an dem Sensorgehäuse ein oder mehrere, vorzugsweise zwei Haltebereiche in Form von Schultern ausgebildet sind, an denen die Haltemittel aufliegen. Die Haltebereiche dienen somit zur Gewährleistung einer sicheren Krafteinleitung vom Haltemittel auf das Sensorgehäuse.
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Die Haltemittel können stoffschlüssig mit der Hohlwelle, insbesondere dem Aktuatorgehäuse verbunden, insbesondere mit diesem verklebt, verlötet oder verschweißt sein.
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Bevorzugt sind an den Haltemitteln mehrere, insbesondere zwei Kontaktbereiche ausgebildet sind, über welche die Haltemittel mit dem Aktuatorgehäuse verbunden sind.
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Vorteilhaft sind die Kontaktbereiche je an einem endseitigen Steg der Haltemittel ausgebildet. Insbesondere ragen die Kontaktbereich davon in Umfangsrichtung ab.
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Zur Gewährleistung einer über die Lebensdauer des Aktuators unveränderten Relativposition des Sensorgehäuses gegenüber der Hohlwelle sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Haltemittel, insbesondere die daran ausgebildeten Kontaktbereiche in einem mit dem Aktuatorgehäuse verbundenen Zustand in radialer Richtung elastisch verformt sind, um mittels dadurch verursachter Rückstellkräfte das Sensorgehäuse von radial innen gegen das Aktuatorgehäuse zu pressen.
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Das Sensorgehäuse kann auf unterschiedliche Weise gestaltet sein. Vorteilhaft weist das Sensorgehäuse eine wannenartige Grundform auf, die an ihrer radial nach au-ßen weisenden Unterseite eine an den Konturverlauf der Innenwand des Aktuatorgehäuses angepasste Wölbung aufweist.
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Zur Erzielung einer definierten Relativposition des Sensorgehäuses gegenüber der Hohlwelle sind vorteilhaft an der radial nach außen weisenden Unterseite des Sensorgehäuses mehrere, insbesondere vier Anlagebereiche ausgebildet, wobei sich Sensorgehäuse und Aktuatorgehäuse in ausschließlich diesen Anlagebereichen kontaktieren. Durch diese Maßnahme lässt sich vorteilhalft gewährleisten, dass das Sensorgehäuse in einer definierten Relativposition gegenüber der Hohlwelle positioniert werden kann und dass diese Relativposition frei von späteren betrieblichen Einflüssen wie die Verformungen und/oder thermischen Veränderungen benachbarter Komponenten ist.
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Die Anlagebereiche treten zweckmäßigerweise aus dem Konturverlauf der Unterseite des Sensorgehäuses radial hervor. Damit ist gewährleistet, dass eine Kontaktierung nur in diesen Bereichen stattfindet.
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Bei der Antriebseinheit des Aktuators kann es sich um einen Elektromotor handeln, der weiterhin mit einem Getriebe, insbesondere einem mehrstufigen Planetengetriebe zu einer Antriebseinheit antriebsverbunden sein kann.
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Die erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Spulenanordnung kann auf unterschiedliche Weise gestaltet sein. Vorteilhaft umfasst diese eine Senderspule zur Magnetisierung des Primärsensors und eine, vorzugsweise mehrere, Empfängerspulen zur Erfassung des Magnetfelds des magnetisierten Primärsensors. Durch gemeinsame Anordnung der Spulen kann auf vorteilhafte Weise eine leicht handhabbare und einfach montierbare Einheit geschaffen werden.
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Vorteilhaft ist das Sensorgehäuse als Formteil, insbesondere als Kunststoffformteil hergestellt.
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Zweckmäßigerweise weist das Sensorgehäuse insbesondere nahe der gewölbten Unterseite einen Aufnahmebereich für die Spulenanordnung auf.
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In konstruktiver Hinsicht kann dies vorteilhaft dadurch verwirklicht sein, dass der Aufnahmebereich zur Aufnahme einer die Spulenanordnung aufnehmenden, insbesondere ebenen Spulenplatine und/oder einer Spulenträgerplatine ausgebildet ist.
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Vorzugsweise sind auf der Spulenplatine die Senderspule und mehrere Empfängerspulen, insbesondere nebeneinander, angeordnet. Spulenplatine und Spulenträgerplatine sind vorzugsweise miteinander verbunden.
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Zweckmäßigerweise nimmt das Sensorgehäuse weiterhin eine elektrisch mit der Spulenanordnung verbundene Elektronikplatine auf.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen aktiv verstellbaren Wankstabilisator für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 17. Dieser weist erfindungsgemäß einen Aktuator gemäß der zuvor beschriebenen Art auf, dessen wellenfestes Ende mit einem Stabilisatorabschnitt und dessen abtriebsseitiges Ende mit einem Stabilisatorabschnitt verbunden ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Daraus gehen auch weitere Merkmale und vorteilhafte Wirkungen der Erfindung hervor. In der Zeichnung zeigt:
- 1 einen aktiv verstellbaren Wankstabilisator eines Kraftfahrzeugs, in Zusammenwirkung mit gegenüberliegenden Radaufhängungen der rechten und linken Fahrzeugseite in schematischer Ansicht,
- 2 einen Aktuator eines verstellbaren Wankstabilisators mit Sensoreinrichtung zur Drehmomenterfassung in vereinfacht schematischer Darstellung,
- 3 eine an einem wie in 2 dargestellten Aktuator zum Einsatz kommende Sensoreinrichtung im axialen Schnitt des Aktuators in schematisch vereinfachter Darstellung,
- 4 eine Sensoreinheit einer Sensoreinrichtung in perspektivischer Darstellung von radial schräg außen,
- 5 die Sensoreinrichtung gemäß 4 in perspektivischer Schnittdarstellung, schräg von der Seite,
- 6 die Sensoreinheit der 4 und 5, angeordnet im Aktuatorgehäuse (Hohlwelle) eines Aktuators im axialen Schnitt, wobei aus Darstellungsgründen übrige Elemente des Aktuators weggelassen sind,
- 7 die im Aktuatorgehäuse (Hohlwelle) angeordnete Sensoreinheit (Sekundärsensor) im Anordnungszustand wie in 7 in perspektivischer Ansicht von schräg oben,
- 8 die Sensoreinheit in einer alternativen perspektivischen Darstellung von radial außen,
- 9 die Sensoreinheit in perspektivischer Darstellung schräg von der Seite,
- 10 die Sensoreinheit in Draufsicht,
- 11 eine Spulenträgerplatine in vereinfachter Darstellung in Draufsicht mit kreuzweise ausgerichteten Langlöchern.
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Zur Veranschaulichung des Einsatzgebietes der Erfindung zeigt 1 zunächst einen aktiv verstellbaren Wankstabilisator 1 für ein Kraftfahrzeug in vereinfacht schematischer, perspektivischer Ansicht. Der verstellbare Wankstabilisator 1 ist Teil eines nicht vollständig gezeigten Fahrwerks eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeugs. Ein linkes Rad 7a und ein auf der gegenüberliegenden Fahrzeugseite angeordnetes rechtes Rad 7b sind jeweils über eine Radaufhängung 8a bzw. 8b (vereinfacht dargestellt) mit dem Aufbau des Kraftfahrzeugs verbunden. Das linke Rad 7a und die zugehörige Radaufhängung 8a bzw. das rechte Rad 7b und die zugehörige Radaufhängung 8b sind jeweils mit einem äußeren Ende eines zugehörigen Stabilisatorabschnitts 6a bzw. 6b des aktiv verstellbaren Wankstabilisators 1 gekoppelt. Die beiden Stabilisatorabschnitte 6a und 6b sind fahrzeugmittig über einen Aktuator 2 - vereinfacht dargestellt als im Wesentlichen zylindrischer Körper - miteinander verbunden.
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Auf für sich gesehen bekannte Weise ist der verstellbare Wankstabilisator 1 um eine Rotationsachse 3 drehbar gegenüber dem Fahrzeugaufbau gelagert (Lagerung nicht näher dargestellt). Der Aktuator 2, vereinfacht als zylindrischer Körper dargestellt, umfasst im Wesentlichen ein in Bezug auf die Rotationsachse 3 im Wesentlichen rotationssymmetrisches Aktuatorgehäuse 4, das zumindest bereichsweise als Hohlwelle ausgebildet ist und entsprechend wirkt.
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In dem Aktuatorgehäuse 4 sind unter anderem ein Elektromotor 15 sowie ein mehrstufiges Planetengetriebe 16 angeordnet, hierzu sei auf 2 verwiesen, die einen wie in 1 zum Einsatz kommenden Aktuator 2 in schematischer Seitendarstellung zeigt, wobei die ungefähre Position vom Elektromotor 15 und Getriebe 16 durch Pfeile angedeutet ist. Über einen Teil des Aktuatorgehäuses 4, den Elektromotor 15 und das dazu koaxial angeordnete mehrstufige Planetengetriebe 16 stehen die Stabilisatorabschnitte 6a und 6b in Antriebsverbindung zueinander. Bei stehendem Elektromotor 15 sind die beiden Stabilisatorabschnitte 6a, 6b über den Aktuator 2 starr miteinander verbunden. Durch Verdrehung des Elektromotors 15 lassen sich die Stabilisatorabschnitte 6a, 6b abhängig von der Drehrichtung um die Rotationsachse 3 gegeneinander verdrehen. So lässt sich der verstellbare Wankstabilisator 1 gemäß 1 auf für sich gesehen bekannte Weise verstellen, womit eine Einflussnahme auf das Wankverhalten eines mit dem Wankstabilisator 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs möglich ist.
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Gemäß der gezeigten schematischen Darstellung ist der Stabilisatorabschnitt 6a gehäusefest, d. h. dieser ist drehfest mit einem Ende 5a des Aktuatorgehäuses 4 verbunden. Hingegen ist der Stabilisatorabschnitt 6b mit dem Aktuator 2 an dessen abtriebsseitigen Ende 5b verbunden. D. h., der Stabilisatorabschnitt 6b ist drehbar gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 gelagert, zugleich jedoch antriebsverbunden mit dem Getriebeausgang des Aktuators 2. Abhängig vom Betriebszustand des mit dem Wankstabilisator 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs wirkt zwischen den Stabilisatorabschnitten 6a, 6b ein Drehmoment M, das in 1 als um die Rotationsachse 3 wirkender Doppelpfeil bezeichnet ist. Stärke und Richtung des Drehmoments M hängen ab vom jeweiligen Betriebszustand.
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Der in 2 gezeigte Aktuator 2, der Teil eines wie in 1 schematisch dargestellten verstellbaren Wankstabilisators 1 sein kann, ist weiterhin mit einer Steuerung 14 versehen, die sich - wie der Elektromotor 15 und das mehrstufige Planetengetriebe 16 - innerhalb des Aktuatorgehäuses 4 in einem dem gehäusefesten Stabilisatorabschnitt 6a zugewandten Bereich des Aktuatorgehäuses befindet. Die Steuerung 14 umfasst unter anderem elektrische und/oder elektronische Komponenten, unter anderem zur Ansteuerung und Stromversorgung des Elektromotors 15. Weiterhin ist in diesem Bereich des Aktuatorgehäuses 4 eine Sensoreinrichtung 10 angeordnet, die nach dem Prinzip der aktiven inversen Magnetostriktion arbeitet und mit der sich ein auf den Aktuator 2 um die Rotationsachse wirkendes Drehmoment M erfassen und messen lässt.
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In 2 sind aus Vereinfachungsgründen die Stabilisatorabschnitte 6a, 6b verkürzt und vereinfacht dargestellt als sich entlang der Rotationsachse 3 erstreckende Stummel. Der zwischen diesen befindliche Aktuator 2, der die Stabilisatorabschnitte 6a und 6b miteinander verbindet (vergl. 1), weist einen Elektromotor 15 sowie ein dazu koaxial angeordnetes mehrstufiges Planetengetriebe 16 auf, die zusammen mit der Steuerung 14 innerhalb des Aktuatorgehäuses 4 angeordnet sind. Wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert, ist der Stabilisatorabschnitt 6a drehfest mit dem Aktuatorgehäuse 4 verbunden, während der Stabilisatorabschnitt 6b drehbar gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 gelagert ist und drehfest mit dem Abtrieb des mehrstufigen Planetengetriebes 16 verbunden ist, um mittels des Elektromotors 15 und des Getriebes 16 gegenüber dem (gehäusefesten) Stabilisatorabschnitt 6a verdrehbar zu sein. Das gehäusefeste Ende 5a des Aktuators ist also mit dem Stabilisatorabschnitt 6a verbunden, während am abtriebsseitigen Ende 5b des Aktuators der Stabilisatorabschnitt 6b drehbar gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 gelagert ist und in Antriebsverbindung zumindest mit dem mehrstufigen Planetengetriebe 16 und dem Elektromotor 15 steht. Alternativ oder ergänzend könnten auch weitere oder andere Elemente im so gebildeten Antriebsstrang vorhanden sein, beispielsweise eine Kupplung, Bremse, eine Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung.
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Die Sensoreinrichtung 10 des Aktuators 2 umfasst im Wesentlichen einen Primärsensor und einen Sekundärsensor. Ein axialer Abschnitt des Aktuatorgehäuses 4, der sich zwischen Elektromotor 15 und dem gehäusefesten Ende des Aktuators 5a befindet, ist aus einem magnetisierbaren Material hergestellt. Gemäß dem physikalischen Effekt der inversen Magnetostriktion, d. h. einer Änderung der Magnetisierung durch mechanische Spannungen, kann dieser als Hohlwelle ausgebildete Bereich des Aktuatorgehäuses 4, der das Drehmoment M zwischen den Stabilisatorabschnitten 6a und 6b überträgt, als Primärsensor genutzt werden. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Aktuatorgehäuses 4 weiterhin eine Sensoreinheit 11 angeordnet, die als sogenannter Sekundärsensor wirkt, wie in 3 schematisch dargestellt.
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Anhand von 3, die einen axialen Schnitt durch den Aktuator 2 der 2 im Bereich der Sensoreinheit 11 schematisch zeigt, sei die Funktionsweise der Sensoreinrichtung 10 erläutert: Innerhalb des im Wesentlichen rotationssymmetrischen Aktuatorgehäuses 4 ist eine Sensoreinheit 11 (Sekundärsensor) nahe der Gehäusewand des Aktuatorgehäuses 4, damit insbesondere radial innerhalb eines als Primärsensor dienenden Abschnitts des Aktuatorgehäuses 4 (Hohlwelle) angeordnet. Die Sensoreinheit 11 weist einen der Innenwand des Aktuatorgehäuses 4 (Hohlwelle) zugewandten gewölbten Sensorkopf auf, der mit einer Senderspule 12 und mehreren Empfängerspulen 13 ausgestattet ist. Mittels der an der Sensoreinheit 11 angeordneten Senderspule 12 ist ein in dessen Nähe befindlicher Bereich des Aktuatorgehäuses 4 (besonders behandelter Hohlwellenabschnitt des Aktuatorgehäuses 4) aktiv magnetisierbar. Die magnetische Reaktion des Primärsensors wird mittels der Empfängerspulen 13 der Sensoreinheit 11 (Sekundärsensor) erfasst.
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Liegt am Aktuatorgehäuse 4 ein Drehmoment M an, wie in 3 durch den gekrümmten Doppelpfeil angedeutet, so verursachen die im Material des Aktuatorgehäuses 4 hervorgerufenen mechanischen Spannungen - gemäß dem Prinzip der inversen Magnetostriktion -, dass die Hohlwelle die mechanische Drehmomentlast (das Drehmoment M) in messbare Änderungen ihrer magnetischen Eigenschaften transformiert. Durch Auslegung und Materialauswahl der Hohlwelle werden Linearität und Genauigkeit über die Lebensdauer gewährleistet. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften wird über die Empfängerspulen 13 erfasst. Somit kann die Sensoreinrichtung 10 durch Zusammenwirken von Primärsensor und Sekundärsensor ein auf das Aktuatorgehäuse 4 (Hohlwelle) des Aktuators 2 wirkendes Drehmoment M erfassen und messen (der Richtung und Höhe nach bestimmen).
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Anhand der nachfolgenden 4 bis 11 erfolgen Erläuterungen hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung der Sensoreinrichtung 10, im Fall der 4, 5 sowie 6 bis 10 anhand eines Ausführungsbeispiels, das nachfolgend in unterschiedlichen Aspekten beschrieben wird. Da sich die genannten Figuren auf dasselbe Ausführungsbeispiel beziehen, gilt die nachfolgende Beschreibung des Ausführungsbeispiels für sämtliche der genannten Figuren gleichermaßen.
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Die 4, 5 sowie 8 bis 10 zeigen eine Sensoreinheit 11 gemäß ein und desselben Ausführungsbeispiels in verschiedenen Ansichten, wobei die Sensoreinheit 11 in diesen Figuren für sich dargestellt ist. Hingegen zeigen die 6 und 7 die Sensoreinheit 11 eingebaut in einen Hohlwellenabschnitt des Aktuatorgehäuses 4 (Einbauzustand). Zur Veranschaulichung und übersichtlichen Darstellung sind in den 6 und 7 neben der Sensoreinheit 11 und dem Hohlwellenabschnitt des Aktuatorgehäuses 4 übrige Bauteile und Komponenten eines Aktuators weggelassen. Es versteht sich, dass der in den 6 und 7 dargestellte Abschnitt des Aktuatorgehäuses 4 Teil eines wie anhand von 2 bzw. 1 dargestellten Aktuators eines Wankstabilisators sein kann.
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Zunächst sei im Folgenden anhand der 4, 5 sowie 6 bis 10 die Sensoreinheit 11 hinsichtlich deren Aufbaus beschrieben. Als wesentliche Elemente weist die Sensoreinheit 11 demnach ein Sensorgehäuse 23, eine Spulenplatine 22, eine Spulenträgerplatine 18 (in der Schnittdarstellung gemäß 7 und 8 bezeichnet), eine Elektronikplatine 17 sowie eine Käfiglasche 25 auf. Bei dem Sensorgehäuse 23 handelt es sich um ein wannenförmiges Kunststoffteil mit einer radial nach außen gekrümmten Unterseite. Die Krümmung der Unterseite ist derart gewählt, dass das Sensorgehäuse 23 im Einbauzustand in dem Aktuatorgehäuse 4 (Hohlwelle) im Wesentlichen der Krümmung der Innenwand des Aktuatorgehäuses 4 folgt.
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Wie in den 4, 8 und 9 dargestellt, sind an der Unterseite des Sensorgehäuses 23 vier Auflagepads 27 ausgebildet, die aus der gekrümmten Ebene der Unterseite des Sensorgehäuses 23 radial hervortreten. Im Einbauzustand im Aktuatorgehäuse 4 (vergl. 6 und 7) kontaktiert das Sensorgehäuse 23 das Aktuatorgehäuse 4 ausschließlich über die vier Auflagepads 27. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Sensorgehäuse 23 eine definierte, über die Betriebsdauer des Aktuators 2 unveränderte Relativposition gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 (damit dem Primärsensor) einnimmt.
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An der Unterseite des Sensorgehäuses 23 sind, wie beispielsweise in 4 zu sehen, zwei Gehäuseschlitze 28 ausgebildet. Jeder der Gehäuseschlitze 28 erstreckt sich parallel zur Rotationsachse 3 (bezogen auf den Einbauzustand in das Aktuatorgehäuse 4), somit orthogonal zur Krümmungsrichtung der Unterseite des Sensorgehäuses 23.
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In dem Sensorgehäuse 23 ist, wie am besten in den 6 und 7 zu sehen, im Bodenbereich eine Spulenträgerplatine 18 angeordnet. Es handelt sich dabei um ein ebenes, rechteckiges Bauteil, das über vier Haltestifte 21 gegenüber dem Sensorgehäuse 23 in Position gehalten wird, wobei jeder der vier Haltestifte 21 durch ein in der Spulenträgerplatine 18 ausgebildetes Loch 20 hindurch ragt. Entsprechend ist die Spulenträgerplatine 18 in vier Bereichen gegenüber dem Sensorgehäuse 23 in der Ebene arretiert.
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An der Unterseite liegt die Spulenträgerplatine 18 zumindest in deren Außenbereichen am Sensorgehäuse 23 auf, wie in 6 zu sehen, womit gewährleistet ist, dass die Spulenträgerplatine 18 in definiertem Abstand zum Sensorgehäuse 23 und damit im definierten Abstand sowie nahe zum Aktuatorgehäuse 4 gehalten wird.
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Unterhalb der Spulenträgerplatine 18 ist die Spulenplatine 22 angeordnet, die an der Spulenträgerplatine 18 befestigt ist. Auf der Spulenplatine 22 befindet sich eine - hier nicht sichtbare - Anordnung von Sensorspulen, umfassend zumindest eine Senderspule und eine Empfängerspule (vergl. Erläuterung zu 3). Indem die Spulenplatine 22 an der Spulenträgerplatine 18 befestigt ist, befinden sich auch die auf der Spulenplatine 22 angeordneten Sender- und Empfängerspulen in einer definierten Position relativ zum Aktuatorgehäuse 4. Die Relativposition der Spulenplatine 22 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 ist für die Verlässlichkeit und Genauigkeit der Sensoreinrichtung 10 von hoher Bedeutung.
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Wie in 4 zu sehen, ragt die Spulenplatine 22 in gegenüberliegenden Bereichen jeweils in die am Sensorgehäuse 23 ausgebildeten zwei Gehäuseschlitze 28 hinein, so dass diese - wie in 4 dargestellt - von unten bereichsweise sichtbar wird.
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Wie in 5 zu sehen, sind an der Spulenträgerplatine 18 eine Vielzahl von Kontaktpins 19 ausgebildet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in zwei Reihen parallel zueinander orthogonal von der Spulenträgerplatine 18 in Richtung Elektronikplatine 17 abragen und diese durchdringen. Die Kontaktpins 19 dienen dazu, elektrisch notwendige Kontakte zwischen der Spulenträgerplatine 18 bzw. der daran angeordneten Spulenplatine 22 und auf der Elektronikplatine 17 befindlicher elektronischer Schaltkreise herzustellen. Die einzelnen Pins 19 durchdringen dabei die Elektronikplatine 17, insbesondere ohne dabei eine starre mechanische Verbindung zur Elektronikplatine 17 einzugehen. Damit ist insbesondere gewährleistet, dass zwischen Spulenplatine 22 und Elektronikplatine 17 eine gewisse mechanische Entkopplung gegeben ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass beispielsweise Lageänderungen der Elektronikplatine 17, die insbesondere durch Temperatureinflüsse oder sonstige Störeinflüsse verursacht sein können, Einfluss nehmen auf die Relativposition der Spulenplatine 22 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4, was zu einer Verschlechterung der Genauigkeit der Sensoreinrichtung führen würde. Die elektrische Verbindung zwischen Pins 19 und Schaltkreisen auf der Elektronikplatine 17 wird auf noch zu erläuternde Weise hergestellt.
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Wie in den 4, 6 bis 10 zu sehen, ist dem Sensorgehäuse 23 weiterhin eine sogenannte Käfiglasche 25 zugeordnet. Die Käfiglasche 25 trägt wesentlich dazu bei, das Sensorgehäuse 23 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 (Hohlwelle) in einer definierten, insbesondere über die Lebensdauer der Sensoreinrichtung 10 unveränderten Relativposition zu halten. Es handelt sich bei der Käfiglasche 25 um ein metallisches Formteil, welches das Sensorgehäuse 23 rahmenartig umgibt. Die Käfiglasche weist federnde Eigenschaften auf, insbesondere ist diese in sich federnd verformbar. Die Käfiglasche 25 weist zwei parallel zueinander verlaufende Bügel 33, 34 auf, die jeweils an einem vorderen Verbindungssteg 35 bzw. einem hinteren Verbindungssteg 36 enden. Der vordere und der hintere Verbindungssteg 35, 36 verlaufen ebenfalls parallel zueinander, orthogonal zu den beiden Bügeln 33, 34. Am vorderen Verbindungssteg 35 ist eine etwa tropfenförmige Lötfläche 26 ausgebildet, die nach vorn von der Käfiglasche 25 abragt, am hinteren Bügel ist eine entsprechende nach hinten weisende tropfenförmige Lötfläche 26 ausgebildet. Die Ausdrücke „vorn“ und „hinten“ seien in diesem Zusammenhang auf die umfängliche Erstreckung des Sensorgehäuses 23 bezogen.
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Wie den 4, 8, 9 und 10 zu entnehmen, verlaufen die Bügel 33, 34 der Käfiglasche 25 seitlich vom Sensorgehäuse 23, während die Verbindungsstege 35, 36 quer dazu parallel zu Stirnflächen des Sensorgehäuses 23 verlaufen, siehe insbesondere 10.
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Wie in 9 zu sehen, stützen sich die Bügel 33, 34 der Käfiglasche 25 in deren mittigen Bereichen jeweils auf einer am Sensorgehäuse 23 ausgebildeten Schulter 31 ab. Über die Schulter 31 kann von der Käfiglasche 25 eine radial nach außen wirkende Kraft auf das Sensorgehäuse 23 ausgeübt werden. Ein an der Schulter 31 jeweils ausgebildeter nach radial innen weisender Vorsprung in Form eines Haltearms 32 verhindert, dass der Bügel 33, 34 der Käfiglasche 25 seitlich nach jeweils außen von der Schulter 31 abrutschen kann.
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Mit Bezug auf 10 ist zu sehen, dass am Sensorgehäuse 23 im gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt acht Passnasen 24 ausgebildet sind. Davon weisen vier Passnasen 24 nach vorne bzw. hinten (Tangentialrichtung) vom Sensorgehäuse 23 ab, während vier weitere Passnasen 24 in seitlicher Richtung (in entgegengesetzte Axialrichtungen) vom Sensorgehäuse 23 abragen. Das Sensorgehäuse 23 liegt in tangentialer Richtung und in axialer Richtung an der Käfiglasche 25 ausschließlich in den durch die acht Passnasen 24 vorgegebenen Berührpunkten an. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Relativposition des Sensorgehäuses 23 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 nach der Montage möglichst entkoppelt ist von eventuellen Verformungen (thermisch oder mechanisch bedingt) oder sonstigen Störeinflüssen, die die Relativposition des Sensorgehäuses 23 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 beeinträchtigen könnten. Vorteilhaft werden die Passnasen 24 durch die Einfederung der Käfiglasche 25 bei der Montage auf Maß geschnitten und/oder abgerieben, so dass (bei Raumtemperatur gleich Montagetemperatur) eine spielfreie Verbindung entsteht.
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Zur Befestigung der Sensoreinheit 11 am Aktuatorgehäuse 4 wird die Sensoreinheit 11 einschließlich Käfiglasche 25 in das Aktuatorgehäuse 4 eingesetzt, wie in den 6 und 7 dargestellt. Die vier an der Unterseite des Sensorgehäuses 23 ausgebildeten Auflagepads 27 gewährleisten, dass insbesondere die Spulenplatine 22 eine definierte Relativposition gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 einnimmt.
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Zur Befestigung der Sensoreinheit 11 am Aktuatorgehäuse 4 wird die Käfiglasche 25 im Bereich der beiden abragenden Lötflächen 26 jeweils nach unten, das heißt nach radial außen, gedrückt (und damit leicht elastisch verformt) und dann an die Innenwandung des Aktuatorgehäuses 4 angelötet, also stoffschlüssig damit verbunden. Es sei erwähnt, dass die Käfiglasche 25 auch auf alternative Weise stoffschlüssig mit dem Aktuatorgehäuse 4 verbunden werden kann, insbesondere durch eine Schweißverbindung, vorzugsweise durch Widerstands-Punktschweißen.
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Bedingt durch die vorige leichte elastische Verformung übt die Käfiglasche 25 in ihrem verformten Zustand im Bereich der Bügel 33, 34 eine Rückstellkraft auf die Schultern 31 des Sensorgehäuses 23 aus, so dass das gesamte Sensorgehäuse 23 entsprechend der in 9 dargestellten Pfeile dauerhaft gegen die Wandung des Aktuatorgehäuses 4 gedrückt wird. Der Kraftfluss von der federnden Käfiglasche 25 auf das Sensorgehäuse 23 ist dahingehend optimiert, dass die Auflagepads 27 (Kontaktbereiche zum Aktuatorgehäuse 4) jeweils annähernd unter den durch die in 9 eingezeichneten Kraftpfeile angedeuteten Krafteinleitungspunkten angeordnet sind, so dass die Elektronik-, die Spulenträger- und die Spulenplatine weitgehend aus dem Kraftfluss herausgehalten werden. Bedingt durch die Anlage des Sensorgehäuses 23 ausschließlich über die vier Auflagepads 27 am Aktuatorgehäuse 4 entsteht eine reib- und kraftschlüssige Verbindung, womit eine dauerhafte Positionierung des Sensorgehäuses 23 gewährleistet ist.
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Gemäß der in 4 ersichtlichen, teils bereits zuvor erläuterten Gestaltung der Sensoreinheit 11 ist die Elektronikplatine 17 weitgehend mechanisch entkoppelt von der Spulenträgerplatine 18 bzw. der Spulenplatine 22. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass es im betrieblichen Einsatz der Sensoreinheit 11 zur einer Erwärmung und damit thermisch bedingten Ausdehnung der Elektronikplatine 17 kommen kann. Auch sonstige Komponenten wie beispielsweise das Gehäuse 23, die Pins 19, die Spulenträgerplatine 18, die Spulenplatine 22, die Käfiglasche 25 können sich betriebsbedingt erwärmen (oder abkühlen). Durch den beschriebenen Aufbau ist gewährleistet, dass insbesondere thermische Längenänderungen in der Platinenebene (Elektronikplatine 17) ausgeglichen werden können. Eine anfänglich mit Montage der Sensoreinheit 11 eingenommene Relativposition der Spulenplatine 22 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 kann daher über die Betriebsdauer weitgehend unverändert beibehalten werden.
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6 zeigt in vereinfachter Prinzipdarstellung weitere Möglichkeiten der Befestigung der Elektronikplatine 17, womit auch Lageänderungen in weiteren Raumrichtungen ausgeglichen werden können. Gemäß einem ersten (in 6 links dargestellt) Ansatz ist es vorteilhaft denkbar, die Elektronikplatine 17 mit der Spulenträgerplatine 18 bzw. der daran befestigten Spulenplatine 22 durch in sich flexible, elektrisch leitende Bauelemente zu verbinden. Zum Einsatz kommen könnten bspw. Flex-Foil-Platinen (obere Variante), Flachband-Kabel (mittlere Variante) oder gebogene Pins (untere Variante), anstelle der in 5 dargestellten geraden Pins.
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Gemäß einer in 6 oben mittig skizzierten Alternative könnte die Elektronikplatine 17 als gezielt freigestellte und/oder geschwächte Platine ausgeführt werden. In diesem Fall steht lediglich ein mittiger Bereich der Elektronikplatine 17 bspw. über Pins mit der Spulenträgerplatine 18 bzw. der daran befestigten Spulenplatine 22 in mechanischer Verbindung, wodurch sich die gekoppelte Masse zumindest verringert. Durch eine Materialschwächung der Elektronikplatine 17 weist diese zudem eine höhere Elastizität in sich auf, wodurch mechanische Wechselwirkungen zur Spulenträgerplatine 18 bzw. Spulenplatine 22 verringert werden.
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Wiederum alternativ zeigt die in 6 rechts oben dargestellte Variante die Möglichkeit, die Elektronikplatine 17 über Federelemente mit der Spulenträgerplatine 18 bzw. der damit verbundenen Spulenplatine 22 zu verbinden. Auch hierdurch wird bei Gewährleistung elektrischer Verbindungen (über die Federelemente) eine mechanische Entkopplung zwischen den elektrisch verbundenen Elementen erreicht.
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Wie anhand der vorigen Figuren beschrieben, und insbesondere in den 6 und 7 dargestellt, ist die Spulenträgerplatine 18, die mit der Spulenplatine 22 verbunden ist, um diese in einer definierten Relativposition gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 zu halten, über 4 Haltestifte 21 gegenüber dem Sensorgehäuse 23 arretiert. Die Haltestifte 21 durchdringen jeweils in der Spulenträgerplatine 18 ausgebildete Löcher 20.
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Da es betriebsbedingt - beispielsweise durch Temperatureinfluss oder mechanische Einflüsse - zu thermischer bzw. mechanischer Ausdehnung der Spulenträgerplatine 18 kommen kann, wodurch sich im ungünstigen Fall eine Veränderung der Relativposition der Spulenplatine 22 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 erheben kann, sind bei der in 11 dargestellten Spulenträgerplatine 18 die vier Durchgangslöcher 20 jeweils als Langlöcher ausgebildet und weisen zueinander eine Kreuzanordnung auf.
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Die in 11 dargestellte Spulenträgerplatine 18 weist in der Draufsicht eine quadratische Grundfläche auf, in welche (hilfsweise gestrichelt gezeichnete) Diagonalen eingezeichnet sind. Jedes der Langlöcher 20 ist parallel zu der das jeweilige Langloch schneidenden Diagonalen ausgerichtet. In einem Normalzustand, der sich insbesondere durch eine normale Umgebungstemperatur wie bspw. 21 °C auszeichnet, befinden sich die Befestigungsstifte 21 jeweils in der Mitte des jeweiligen Langlochs 20. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass sich zumindest das Zentrum der Spulenträgerplatine 18 trotz einer eventuell stattfindenden (beispielsweise thermischen) Ausdehnung der Spulenträgerplatine 18 in beide Flächenrichtungen hinsichtlich seiner Relativposition gegenüber dem Aktuatorgehäuse 4 nicht verändert. Die Langlöcher 20 in der kreuzweisen Anordnung geben einerseits eine statisch bestimmte Position der Spulenträgerplatine 18 vor, zugleich ermöglicht die Langloch-Anordnung eine Größenveränderung der Spulenträgerplatine 18, ohne dass es dabei zu einer Veränderung der Lage des Zentrums der Spulenträgerplatine 18 oder zu einer Verspannung der Lagerung kommt. Gemäß dem gleichen Prinzip werden auch - bspw. thermisch bedingte - Größenänderungen des Sensorgehäuses 23 kompensiert.
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Bezugszeichen
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- 1
- Wankstabilisator
- 2
- Aktuator
- 3
- Rotationsachse
- 4
- Aktuatorgehäuse (Hohlwelle)
- 5a
- gehäusefestes Ende des Aktuators
- 5b
- abtriebsseitiges Ende des Aktuators
- 6a
- Stabilisatorabschnitt (gehäusefest)
- 6b
- Stabilisatorabschnitt (abtriebsseitig)
- 7a, 7b
- Rad
- 8a, 8b
- Radaufhängung
- 10
- Sensoreinrichtung
- 11
- Sensoreinheit (Sekundärsensor)
- 12
- Senderspule
- 13
- Empfängerspule
- 14
- Steuerung
- 15
- Elektromotor
- 16
- (mehrstufiges Planeten-) Getriebe
- 17
- Elektronikplatine
- 18
- Spulenträgerplatine
- 19
- Kontaktpin
- 20
- Loch
- 21
- Haltestift
- 22
- Spulenplatine
- 23
- Sensorgehäuse
- 24
- Passnase
- 25
- Käfiglasche
- 26
- Lötfläche
- 27
- Auflagepad
- 28
- Gehäuseschlitz
- 31
- Schulter
- 32
- Haltearm
- 33
- Bügel
- 34
- Bügel
- 35
- Steg
- 36
- Steg
- M
- Drehmoment
