WO2022100943A1 - Verfahren zum herstellen eines verformungskörpers zum messen einer kraft und/oder eines drehmoments für ein wankstabilisierungssystem für ein fahrzeug und verformungskörper - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines verformungskörpers zum messen einer kraft und/oder eines drehmoments für ein wankstabilisierungssystem für ein fahrzeug und verformungskörper Download PDF

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WO2022100943A1
WO2022100943A1 PCT/EP2021/077976 EP2021077976W WO2022100943A1 WO 2022100943 A1 WO2022100943 A1 WO 2022100943A1 EP 2021077976 W EP2021077976 W EP 2021077976W WO 2022100943 A1 WO2022100943 A1 WO 2022100943A1
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WO
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deformation body
central element
carrier material
force
producing
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PCT/EP2021/077976
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Inventor
Georg TENCKHOFF
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Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/101—Magnetostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. generators, sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a deformation body for measuring a force and/or a torque for a roll stabilization system for a vehicle and to a deformation body.
  • EP 3 315 933 B1 describes a magnetostrictive sensor, a magnetic structure and a manufacturing method therefor, as well as a motor drive unit with a magnetostrictive sensor and a motor-assisted bicycle.
  • the present invention provides an improved method for manufacturing a deformation body for measuring a force and/or a torque for a roll stabilization system for a vehicle and an improved deformation body according to the independent claims.
  • Advantageous configurations result from the dependent claims and the following description.
  • the approach presented here can advantageously be used to produce a deformation body for measuring force and torque, whose elastic behavior can be measured under load.
  • a conflict of objectives between manufacturability, price, material costs, certain material properties, shape, weldability and availability of the semi-finished product can be avoided here.
  • a method for producing a deformation body for measuring a force and additionally or alternatively a torque for a roll stabilization system for a vehicle comprises a step of providing a carrier material, a step of producing a central element that can be connected to the carrier material and deformed by the force, and a step of connecting the carrier material to the central element in order to produce the deformation body.
  • the deformation body can be used as a torsion element of a roll stabilization system.
  • the deformation body can be arranged between a first stabilizer element and a second stabilizer element.
  • the deformation body can be a part suitable for power transmission. During operation of the deformation body, it can deform if, for example, the torque or the forces act on the carrier material or a carrier element made from it.
  • the central element can absorb these forces and also be deformed in dependence thereon, so as to serve as a sensor.
  • the method presented here now makes it possible to securely fasten the central element to the carrier material in order to ensure problem-free operation of the deformation body with the force and torque measurement.
  • Such a secure fastening can be realized, for example, by segmenting the deformable body or producing it by powder metallurgy.
  • the carrier material can be realized, for example, as a granulate or at least partially consisting of granulate.
  • the middle element can be implemented, for example, as an insert that can be inserted into the carrier material or placed against the carrier material.
  • the middle element in the manufacturing step, can be manufactured by injection molding, pressing, 3D printing, flame spraying, hot spraying and additionally or alternatively by sintering.
  • the injection molding can be carried out, for example, by means of an MIM method (Metal Injection Moulding), ie by means of metal powder injection moulding.
  • the sintering can be carried out as selective laser sintering (SLS), for example. Any desired shape can be produced for the central element by one or a combination of several such manufacturing processes. Depending on the manufacturing process, the central element is also referred to as a green part.
  • the carrier material and the central element in the step of connecting, can be connected to one another by injection molding.
  • the carrier material and the central element are connected to one another by MIM injection molding.
  • a secure connection for example a permanent or even non-detachable connection, can thus be created between the carrier material and the central element.
  • the carrier material and the central element can be connected to one another by solid-state welding, flame spraying and additionally or alternatively by sintering.
  • the solid state welding may advantageously include diffusion, friction, stir and, additionally or alternatively, ultrasonic welding.
  • the middle element can be produced as a sensor element in the production step.
  • the torque can advantageously be determined.
  • the central element can be connected to the carrier material in such a way that at least one side of the central element contacts at least one further side of the carrier material.
  • the carrier material can be implemented in one piece or in multiple pieces, for example. A good mechanical connection between the central element and the carrier material can thus be established.
  • the central element in the connecting step, can be arranged on an inner wall or on an outer wall. Additionally or alternatively, the central element can be arranged between a plurality of partial sections of the carrier material. This means that the middle element can be arranged, for example, on a wall of the carrier material, but also, for example, in the center of the carrier material. This enables a high degree of flexibility with regard to the design.
  • the central element can be manufactured in the form of a ring.
  • the carrier material can also be realized in the form of a ring. This enables a segmented, tube-like deformation body to be formed. During operation of the deformation body, the force or the torque can be transferred from an end via the central element. de d deformation body transferred to an opposite end of the deformation body and are thereby sensed.
  • the central element can be made with a herringbone-like pattern.
  • a plurality of webs can be formed by such a pattern, the spacing or orientation of which can change when the central element is deformed.
  • the webs can be shaped, for example, as a capacitor device. As a result, the deformation of the center element can be reliably recognized.
  • the central element can be formed in an X-shape.
  • the X-shape enables a good introduction of force into the central element.
  • the method may include a step of forming the carrier material prior to the step of providing the carrier material, wherein in the forming step the carrier material is formed using at least one base material and one binder.
  • the base material can be implemented, for example, as a metal powder and the binder as, for example, a plastic binder.
  • the carrier material can be shaped at least partially cylindrically in the step of connecting in order to obtain a carrier element.
  • the carrier element can thus be shaped as a hollow cylinder.
  • the central element in the manufacturing step, can be manufactured using at least one magnetostrictive material and one bonding agent.
  • the magnetostrictive material can advantageously be implemented as a further metal powder.
  • the magnetostrictive material can advantageously have sensory or, for example, electrically conductive properties.
  • a deformation body for measuring a force and additionally or alternatively a torque for a roll stabilization system for a vehicle. posed.
  • the deformation body has a carrier element and a central element that is connected to the carrier element and can be deformed by the force. It can thus be a segmented deformation body.
  • the deformation body can advantageously be realized as a wave that can be deformed in two opposite directions.
  • a shaft can be used as a torsion element of a roll stabilizer.
  • the central element can have at least one adapter structure and a sensory insert arranged on the adapter structure.
  • the adapter structure can be produced or has been produced by a welding process, for example.
  • Such an adapter structure can be used to attach the insert to the carrier element.
  • the insert can be shaped to sense a force coupled in via the adapter structure.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a deformation body according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a deformation body according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a deformation body according to an embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a deformation body according to an embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic partial representation of a deformation body according to an embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional illustration of a welded section of a deformation body according to an embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional illustration of a section of a deformation body to be pressed according to an embodiment
  • 8 shows a flow chart of a method according to an embodiment for producing a deformation body for measuring a force and/or a torque for a roll stabilization system for a vehicle;
  • FIG. 9 shows a flowchart of a method according to an embodiment for producing a deformation body for measuring a force and/or a torque for a roll stabilization system for a vehicle; and FIG. 10 shows a schematic illustration of a vehicle with a roll stabilization system comprising a deformation body according to an exemplary embodiment.
  • the deformation body 100 is designed to transmit a force and/or a torque.
  • the deformation body 100 can additionally be used to measure or at least record the force and/or the torque.
  • the deformation body 100 is shaped as a shaft which has a carrier element 102 and a central element 104 .
  • the carrier element 102 is formed from a carrier material.
  • the central element 104 is firmly connected, for example with a material connection, to the carrier element 102 and is realized in a deformable manner.
  • the deformation body 100 is realized in three parts.
  • the carrier element 102 according to this exemplary embodiment has a plurality of partial sections which are arranged on or around the central element 104 .
  • Both the carrier element 102 and the central element 104 are annular in shape.
  • the deformation body 100 is at least partially shaped as a cylinder, more precisely as a hollow cylinder.
  • a first end 106 and a second end 108 of the deformation body 100 have according to this embodiment example, has a smaller diameter than a body 110 of the deformation body 100.
  • the central element 104 serves not only to transmit force between the adjacent partial sections of the carrier element 102, but also to detect the force to be transmitted or a deformation resulting therefrom.
  • the center element 104 is formed as a sensor element or as a part of a sensor element.
  • the middle element 104 is formed as a magnetostrictive insert. If the center member 104 is configured not only to sense but also to measure the force or torque, the center member 104 is configured according to one embodiment to provide a sensor signal indicative of the force and/or torque.
  • the sensor signal is used, for example, by a control device of the roll stabilization system in order to control the roll behavior of the vehicle.
  • the middle element 104 is arranged, for example in the form of a layer, on a one-piece carrier element 102 .
  • the deformation body 100 is used for measuring force and/or torque.
  • the elastic behavior of the deformation body 100 can be measured under load.
  • the central element 104 is designed as a magnetostrictive measuring body.
  • a corresponding measuring principle usually requires high levels of carbon C, nickel Ni, chromium Cr and cobalt Co. This contradicts the requirement for weldability, which is desired as a connection technique to neighboring parts in series applications. The approach described here advantageously circumvents these problems.
  • the deformation body 100 which is also referred to as a shaft, according to this exemplary embodiment has three segments, with two of the segments forming the carrier element 102 and the third segment corresponding to the central element 104.
  • the carrier element 102 consists of a material that can be thermally welded, for example, and the central element 104 consists of a material with good sensory properties.
  • the connection is made, for example, by a solid-state welding process such as diffusion, Friction, stir and/or ultrasonic welding, applied to the segments that are produced separately, for example, or produced particularly advantageously by sintering at least one powder that is introduced one on top of the other by powder metallurgy.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a deformation body 100 according to an embodiment.
  • the deformation body 100 shown here can correspond to or be similar to the deformation body 100 described in FIG. 1 .
  • the deformation body 100 has a tubular shape. This means that the first end 106 and the second end 108 differ from the deformation body 100 described in FIG. 1 in having the same diameter as the body 110 itself.
  • the tubular shape of deformation body 100 shown here is advantageous for an electromechanical roll stabilization system (ERC).
  • EEC electromechanical roll stabilization system
  • MIM metal injection molding, metal powder in plastic binder matrix
  • the deformation body 100 can be used as a force and torque measurement technology/sensor system in connection with what is known as “road load weighing”, ie a road load measurement.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a deformation body 100 according to an exemplary embodiment.
  • the deformation body 100 shown here can correspond to or at least resemble the deformation body 100 described in one of FIGS.
  • the carrier element 102 is in one piece and the central element 104 is formed as an annular insert which has a herringbone-like pattern.
  • the deformation body 100 is realized in the form of a tube.
  • the central element 104 can be formed flush with a surface of the carrier element 102, for example.
  • complex inserts that is, central elements 104
  • a weldable material according to this exemplary embodiment and sintered to form a metallic and/or mixed-ceramic deformation body 100, for example. It is advantageous that filigree structures, such as supporting webs, are introduced inexpensively and/or flush with a surface.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a deformation body 100 according to an exemplary embodiment.
  • the deformation body 100 shown here can correspond to or at least resemble the deformation body 100 described in one of FIGS.
  • the carrier element 102 is in one piece and the central element 104 is realized in the shape of an X.
  • the central element 104 is arranged on or in an outer wall of the carrier element 102 .
  • the middle element 104 is arranged on or in an inner wall of the carrier element 102 that is opposite the outer wall and faces a cavity of the carrier element 102 . Deformations of the deformation body 100 can be recognized more easily as a result of this shaping of the central element 104 .
  • FIG. 5 shows a schematic partial illustration of a deformation body 100 according to an exemplary embodiment.
  • the deformation body 100 shown here can correspond to or at least resemble the deformation body 100 described in one of FIGS.
  • the central element 104 shown here has at least one adapter structure 500, 501, 502, 503 and a sensory insert 504.
  • the sensory insert 504 is, for example, formed as a square and is fixed to the at least one adapter structure 500, 501, 502, 503.
  • the central element 104 has a total of four adapter structures 500 , 501 , 502 , 503 which, according to this exemplary embodiment, are each formed as a square and are arranged in a square on an inner wall 506 of the carrier element 102 .
  • the sensory insert 504 is shaped to detect a force coupled via the adapter structure 500 .
  • the shape and arrangement shown, as well as the number of adapter structures 500, 501, 502, 503, is selected only as an example and can be adapted according to the shape of the sensory insert 504 and the type of force coupling desired.
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional illustration of a welded section 600 of a deformation body according to an exemplary embodiment.
  • the section 600 can, for example, correspond to or be similar to an interface between the carrier element and the central element, as described in one of FIGS. 1 to 5.
  • the section 600 can also be part of a carrier element or a middle part.
  • the section 600 comprises a plurality of layers 602 or thin sheets welded together, for example by means of ultrasonic welding.
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional representation of a section 600 to be pressed of a deformation body according to an exemplary embodiment.
  • Section 600 may be the same or similar to section 600 described in FIG. 6 , for example.
  • the section 600 also has the plurality of layers 602 here.
  • Section 600 is made using a punch 700 and a die 702 .
  • the arrow 704 shown here indicates a force direction in which the layers 602, which are powder layers according to one exemplary embodiment, are pressed together according to this exemplary embodiment in order to produce a so-called green compact, for example.
  • FIG. 8 shows a flow chart of a method 800 according to an embodiment for producing a deformation body for measuring a force and/or a torque for a roll stabilization system for a vehicle.
  • Method 800 produces, for example, a deformable body as described in one of FIGS. 1 to 5, for example with a section as described in one of FIGS. 6 or 7.
  • the method 800 includes a Step 802 of providing a carrier material, a step 804 of production and a step 806 of connecting.
  • a carrier material is provided in step 802 of providing the carrier material.
  • the middle element is produced, which can be connected to the carrier material and deformed by the force.
  • step 806 of bonding the carrier material is bonded to the central element in order to produce the deformation body.
  • the carrier element is produced from the carrier material.
  • the method 800 includes a step 808 of forming the substrate before the step 802 of providing the substrate.
  • the carrier material is formed using at least one base material and one binding agent.
  • the base material is, for example, a metal powder that can be easily welded, for example.
  • the central element is manufactured as a sensor element.
  • the central element is produced, for example, in the shape of a ring and/or with a herringbone-like pattern.
  • the central element is manufactured in an X-shape.
  • the middle element is produced, for example, using at least one magnetostrictive material and one binding agent.
  • the magnetostrictive material is, for example, a metal powder with sensory properties.
  • the middle element is produced, for example, by injection molding, for example what is known as metal injection molding (MIM), pressing, 3D printing, flame spraying, hot spraying and/or by sintering, such as selective laser sintering (SLS).
  • MIM metal injection molding
  • SLS selective laser sintering
  • the carrier material is at least partially shaped cylindrically, for example as a hollow cylinder.
  • the central element is connected to the carrier material in step 806 of connecting, preferably by injection molding (MIM), but alternatively also by solid state welding, such as diffusion, friction, stir and/or ultrasonic welding, flame spraying and/or sintering.
  • step 806 of connecting the central element is connected to the carrier material in such a way that at least one side of the central element contacts at least one further side of the carrier material.
  • the carrier ger element is optionally formed in one piece or in several pieces.
  • the central element is arranged, for example, on an inner wall, on an outer wall or between a plurality of partial sections of the carrier material, depending on the respective shape of the carrier element.
  • the deformation body is segmented and/or produced by powder metallurgy using the method 800 presented here.
  • the edge segments that is to say the carrier element, are made of a weldable material.
  • the central element which is also referred to as the central part, is shaped as an “inset”, for example.
  • the middle element is produced from a material with advantageous sensory, in particular magnetostrictive, properties.
  • the carrier element and the central element are produced either by solid-state welding of several segments, which also include metal foils, for example, or by sintering a pressed part suitably composed of appropriate metal powders, since thermal welding is generally ruled out due to the pairing of materials.
  • the compact comprises at least two metal powders or, alternatively, mixtures of metal powders with other desired materials, such as ceramics, alloying additives and/or binders.
  • Additive manufacturing processes such as "3D printing", SLS, flame and/or hot spraying are also conceivable for achieving the desired internal material structure.
  • shaping aspects are also taken into account and mounts, receptacles, ribs, openings, holes, threads and the like can be implemented.
  • the method 800 presented here is particularly conceivable for producing a hollow shaft and/or a cover of the ERC system.
  • Hot, flame and/or plasma spraying are conceivable here.
  • a cooling rate is of interest in order to achieve hardness and amorphousness as an advantageous property for a magnetostrictive sensor system.
  • a combination of magnetostrictive ceramic FeCoOx with a metal is also conceivable, for example.
  • the possibility of introducing patterns and/or structures made of magnetostrictive material, such as powder, sheet metal, preforms, inserts, into the surface or the interior of the deformation body is implemented.
  • a special embodiment is, for example, a graduated or stepped transition at the material boundaries for a soft adaptation of the thermal stresses. Alternatively, this can be achieved by selecting the appropriate material.
  • a targeted combination of two or more materials is made possible by a solid state, diffusion and/or sintering method to form a measuring body, which is referred to here as a deformation body, for a magnetostrictive force or torque measuring method with at least one area with advantageous sensory properties, as well as areas that are suitable for joining with neighboring components by thermal welding processes.
  • Sintering, flame spraying, ultrasonic or diffusion welding advantageously represent economically interesting production methods in large quantities.
  • a segmented or powder-metallurgically produced deformation body can advantageously be produced by the method 800 .
  • FIG. 9 shows a flow chart of a method 800 according to an embodiment for producing a deformation body for measuring a force and/or a torque for a roll stabilization system for a vehicle.
  • Method 800 may be the same as or similar to method 800 described in FIG. 8 . According to this exemplary embodiment, the method 800 is only shown in more detail than in FIG. 8.
  • the method 800 comprises a step 900 of providing a base material, a step 904 of providing the binding agent and a step 906 of providing the magnetostrictive material before the step 808 of forming the carrier material.
  • the forming step 808 includes a sub-step 908 of mixing the Base material and the binder to obtain a mixture.
  • the step 808 of forming further comprises a sub-step 910 of granulating using the mixture in order to obtain the carrier material, for example in the form of granules, which are subsequently provided as the granules in the further course of the method 800 in a sub-step 912 of providing.
  • the production step 804 also includes a plurality of sub-steps.
  • a mixing sub-step 914 the magnetostrictive material is mixed with the binder to obtain a further mixture.
  • a sub-step 916 of further granulation further granules are obtained using the further mixture and in a sub-step 918 of providing the further granules are provided.
  • the central element is also produced, which is also referred to as a green compact at this point in time, and the green compact is provided in a sub-step 921 of providing.
  • the faulty pressing is fed back in a partial step 922 of returning and is reused, for example, in a further production of a further deformation body.
  • the method 800 further includes a step 924 of insertion, in which the central element is inserted into a template, for example, in order to then connect it to the carrier material in step 806 of connecting.
  • the step 806 of connecting comprises a sub-step 926 of further injection molding in order to obtain a further green compact, which is provided in a sub-step 928 of providing as the further green compact.
  • the method 800 optionally comprises a step 930 of debinding, in which, according to this exemplary embodiment, the binding agent 904 is expelled from the further green compact in order to obtain a so-called brown compact, which is further provided in a step 932 of providing as the brown compact.
  • the method 800 includes an optional step 934 of post-processing, which includes a sub-step 936 of sintering, in which the brown compact is hardened in such a way that the deformation body is produced as a finished end product and is provided in a step 938 of providing as a finished end product.
  • FIG. 10 shows a schematic cross-sectional illustration of an electromechanical roll stabilization system 1000 according to an embodiment. This can be the roll stabilization system 1000 mentioned in FIG. 1 with a deformation body 100, as is described in one of FIGS. 1 to 5. The vehicle 1002 can also be the vehicle 1002 described in FIG. 1 .
  • the purely schematic representation shows a section through the vehicle 1002 along a vertical axis and transverse axis of the vehicle 1002.
  • a first axis 1004 is shown with an exemplary embodiment of a roll stabilization device 1006 of the roll stabilization system 1000, which is also referred to as a stabilizer.
  • roll stabilization device 1006 is implemented as a two-part torsion bar with a first stabilizer element 1008 and a second stabilizer element 1010 .
  • one end of the first stabilizer element 1008 is connected to a first wheel suspension element 1012 of the vehicle 1002 and one end of the second stabilizer element 1010 is connected to a second wheel suspension element 1014 of the vehicle 1002 .
  • the ends of the stabilizer elements 1008, 1010 are embodied as arms, preferably bent or offset in the direction of travel, which are connected to the wheel suspension elements 1012, 1014 by means of articulated pendulum supports 1016, 1018.
  • the wheel suspension elements 1012, 1014 are, for example, opposite wishbones of the vehicle 1002.
  • the stabilizer elements 1008, 1010 are each attached to a chassis or the body of the vehicle 1002 by means of a superstructure bearing 1020 such that they can rotate about a common axis of rotation D-D.
  • the axis of rotation D-D corresponds to the transverse axis of vehicle 1002, for example.
  • One end of the stabilizer elements 1008, 1010 facing the center of the vehicle 1002 is mechanically coupled to at least one electric motor of a three-phase drive device 1022 serving as an actuator.
  • the three-phase drive device 1022 is designed to, using a control signal 1024 from a control device 1026, stabilize the stabilizer elements 1008, 1010 to rotate in opposite directions about the axis of rotation DD.
  • the control signal 1024 represents, for example, a signal determined based on a field-oriented control.
  • vehicle 1002 is equipped with control device 1026 , which is connected to three-phase drive device 1022 and is designed to provide control signal 1024 .
  • Vehicle 1002 can also have at least one second electromechanical roll stabilization system, which can be designed correspondingly to roll stabilization system 1000 .
  • a second electromechanical roll stabilization system which can be designed correspondingly to roll stabilization system 1000 .
  • an alternative principle for roll stabilization can also be used.
  • the stabilizer elements 1008, 1010 can be omitted if the counter-rolling moments are provided in the wheel suspension elements 1012, 1014, for example using suitable actuators.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Verformungskörpers (100) zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines Trägermaterials, einen Schritt des Herstellens eines mit dem Trägermaterial verbindbaren und durch die Kraft verformbaren Mittelelements (104) und einen Schritt des Verbindens des Trägermaterials mit dem Mittelelement (104) umfasst, um den Verformungskörper (100) herzustellen.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Verformunqskörpers zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierunqssystem für ein Fahrzeug und Verformunqskörper
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Verformungskörpers zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug und auf einen Verformungskörper.
Die EP 3 315 933 B1 beschreibt einen magnetostriktiven Sensor, eine magnetische Struktur und ein Herstellungsverfahren dafür sowie eine Motorantriebseinheit mit einem magnetostriktiven Sensor und ein motorunterstütztes Fahrrad.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Verformungskörpers zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug und einen verbesserten Verformungskörper gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann vorteilhafterweise ein Verformungskörper für die Kraft- und Drehmomentmessung hergestellt werden, dessen elastisches Verhalten unter Last gemessen werden kann. Hierbei kann ein Ziel-Konflikt zwischen Hersteilbarkeit, Preis, Materialkosten, bestimmten Materialeigenschaften, Formgebung, Schweißbarkeit sowie Verfügbarkeit des Halbzeugs vermieden werden.
Es wird daher ein Verfahren zum Herstellen eines Verformungskörpers zum Messen einer Kraft und zusätzlich oder alternativ eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug vorgestellt. Das Verfahren umfasst dabei einen Schritt des Bereitstellens eines Trägermaterials, einen Schritt des Herstellens eines mit dem Trägermaterial verbindbaren und durch die Kraft verformbaren Mittelelements und einen Schritt des Verbindens des Trägermaterials mit dem Mittelelement, um den Verformungskörper herzustellen. Lediglich beispielhaft kann der Verformungskörper als ein Torsionselement eines Wankstabilisierungssystems eingesetzt werden. Dabei kann der Verformungskörper zwischen einem ersten Stabilisatorelement und einem zweiten Stabilisatorelement angeordnet sein. Ein solches System ermöglicht es, an einer Vorder- und zusätzlich oder alternativ einer Hinterachse des Fahrzeugs Stabilisierungsmomente bereitzustellen, so dass eine Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus minimiert oder gänzlich beseitigt wird. Der Verformungskörper kann ein zur Kraftübertragung geeignetes Teil sein. Im Betrieb des Verformungskörpers kann sich dieser verformen, wenn beispielsweise das Drehmoment oder die Kräfte auf das Trägermaterial oder ein daraus hergestelltes Trägerelement einwirken. Das Mittelelement kann diese Kräfte aufnehmen und davon abhängig ebenfalls verformt werden, um so als ein Sensor zu dienen. Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht es nun, das Mittelelement sicher an dem Trägermaterial zu befestigen, um einen einwandfreien Betrieb des Verformungskörpers mit der Kraft- und Drehmomentmessung zu gewährleisten. Eine solche sichere Befestigung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Verformungskörper segmentiert oder pulver-metallurgisch hergestellt wird. Das Trägermaterial kann beispielsweise als ein Granulat oder zumindest teilweise aus Granulat bestehend realisiert sein. Das Mittelelement kann beispielsweise als ein Einleger realisiert sein, der in das Trägermaterial eingelegt oder an das Trägermaterial angelegt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Herstellens das Mittelelement durch Spritzgießen, Pressen, 3D-Druck, Flammspritzen, Heißspritzen und zusätzlich oder alternativ durch Sintern hergestellt werden. Das Spritzgießen kann beispielsweise mittels eines MIM-Verfahrens (Metal Injection Moulding), also mittels Metallpulverspritzgießen, durchgeführt werden. Das Sintern kann beispielsweise als selektives Lasersintern (SLS) durchgeführt werden. Durch eines oder eine Kombination mehrerer derartiger Herstellungsverfahren kann für das Mittelelement eine beliebige Form erzeugt werden. Das Mittelelement wird je nach Herstellungsverfahren auch als Grünling bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt des Verbindens das Trägermaterial und das Mittelelement durch Spritzgießen miteinander verbunden werden. Vorteilhaf- terweise werden das Trägermaterial und das Mittelelement durch MIM-Spritzgießen miteinander verbunden. So kann eine sichere, beispielsweise beständige oder sogar unlösbare, Verbindung zwischen dem Trägermaterial und dem Mittelelement entstehen.
Weiterhin können im Schritt des Verbindens das Trägermaterial und das Mittelelement durch Festkörperschweißen, Flammspritzen und zusätzlich oder alternativ durch Sintern miteinander verbunden werden. Das Festkörperschweißen kann vorteilhafterweise Diffusions-, Reib-, Rühr- und zusätzlich oder alternativ Ultraschallschweißen umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Herstellens das Mittelelement als Sensorelement hergestellt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise das Drehmoment ermittelt werden.
Im Schritt des Verbindens kann das Mittelelement derart mit dem Trägermaterial verbunden werden, dass zumindest eine Seite des Mittelelements zumindest eine weitere Seite des Trägermaterials kontaktiert. Das Trägermaterial kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig realisiert sein. Somit kann eine gute mechanische Verbindung zwischen Mittelelement und Trägermaterial hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Verbindens das Mittelelement an einer Innenwand oder an einer Außenwand angeordnet werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Mittelelement zwischen einer Mehrzahl von Teilabschnitten des Trägermaterials angeordnet werden. Das bedeutet, dass das Mittelelement beispielsweise an einer Wand des Trägermaterials, aber auch beispielsweise mittig in dem Trägermaterial angeordnet sein kann. Somit wird eine hohe Flexibilität bezüglich der Gestaltung ermöglicht.
Das Mittelelement kann ringförmig hergestellt werden. In diesem Fall kann das Trägermaterial ebenfalls ringförmig realisiert sein. Dies ermöglicht eine Ausformung eines segmentierten rohrartigen Verformungskörpers. Im Betrieb des Verformungskörpers kann so die Kraft oder das Drehmoment über das Mittelelement von einem En- de d Verformungskörpers auf ein gegenüberliegendes Ende des Verformungskörpers übertragen und dabei sensiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Mittelelement mit einem fischgrätenartigen Muster hergestellt werden. Durch ein solches Muster kann eine Mehrzahl von Stegen ausgeformt werden, deren Abstand oder Ausrichtung sich bei einer Verformung des Mittelelements ändern kann. Die Stege können beispielsweise als eine Kondensatoreinrichtung ausformen. Dadurch kann die Verformung des Mittelelements sicher erkannt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Mittelelement X-förmig ausgeformt werden. Vorteilhafterweise ermöglicht die X-Form eine gute Krafteinleitung in das Mittelelement.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bildens des Trägermaterials vor dem Schritt des Bereitstellens des Trägermaterials aufweisen, wobei im Schritt des Bildens das Trägermaterial unter Verwendung zumindest eines Basisstoffs und eines Bindemittels gebildet wird. Der Basisstoff kann beispielsweise als ein Metallpulver und das Bindemittel als beispielsweise ein Kunststoffbinder realisiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Verbindens das Trägermaterial zumindest teilweise zylindrisch ausgeformt werden, um ein Trägerelement zu erhalten. Somit kann das Trägerelement als ein Hohlzylinder ausgeformt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Herstellens das Mittelelement unter Verwendung zumindest eines magnetostriktiven Materials und eines Bindemittels hergestellt werden. Das magnetostriktive Material kann vorteilhafterweise als ein weiteres Metallpulver realisiert sein. Das magnetostriktive Material kann vorteilhafterweise sensorische oder beispielsweise elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweisen.
Ferner wird ein Verformungskörper zum Messen einer Kraft und zusätzlich oder alternativ eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug vor- gestellt. Der Verformungskörper weist dabei ein Trägerelement und ein mit dem Trägerelement verbundenes und durch die Kraft verformbares Mittelelement auf. Es kann sich somit um einen segmentierten Verformungskörper handeln.
Der Verformungskörper kann vorteilhafterweise als Welle realisiert sein, die in zwei entgegengesetzte Richtungen verformbar ist. Eine solche Welle kann als Torsionselement eines Wankstabilisators verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Mittelelement zumindest eine Adapterstruktur und einen an der Adapterstruktur angeordneten sensorischen Einleger aufweisen. Die Adapterstruktur ist beispielsweise durch ein Schweißverfahren herstellbar oder hergestellt worden. Eine solche Adapterstruktur kann zum Befestigen des Einlegers an dem Trägerelement dienen. Der Einleger kann ausgeformt sein, um eine über die Adapterstruktur eingekoppelte Kraft zu sensieren.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine schematische Teildarstellung eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines verschweißten Abschnitts eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine schematische Querschnittsdarstellung eines zu pressenden Abschnitts eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Verformungskörpers zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug;
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Verformungskörpers zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug; und Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem einen Verformungskörper gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassenden Wankstabilisierungssystem.
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.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Verformungskörper 100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eine Kraft und/oder ein Drehmoment zu übertragen. Dabei kann der Verformungskörper 100 zusätzlich verwendet werden, um die Kraft und/oder das Drehmoment zu messen oder zumindest zu erfassen.
Der Verformungskörper 100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Welle ausgeformt, die ein Trägerelement 102 und ein Mittelelement 104 aufweist. Das Trägerelement 102 ist dabei aus einem Trägermaterial ausgeformt. Das Mittelelement 104 ist fest, beispielsweise stoffschlüssig, mit dem Trägerelement 102 verbunden und verformbar realisiert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Verformungskörper 100 dreiteilig realisiert. Das bedeutet, dass das Trägerelement 102 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Teilabschnitten aufweist, die an oder um das Mittelelement 104 herum angeordnet sind. Sowohl das Trägerelement 102 als auch das Mittelelement 104 sind ringförmig ausgeformt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Verformungskörper 100 zumindest teilweise als ein Zylinder, genauer gesagt als Hohlzylinder, ausgeformt. Ein erstes Ende 106 und ein zweites Ende 108 des Verformungskörpers 100 weisen dabei gemäß diesem Ausfüh- rungsbeispiel einen kleineren Durchmesser auf als ein Korpus 110 des Verformungskörpers 100.
Das Mittelelement 104 dient nicht nur der Kraftübertragung zwischen den benachbarten Teilabschnitten des Trägerelements 102, sondern auch zur Erfassung der zu übertragenden Kraft oder einer daraus resultierenden Verformung. Somit ist das Mittelelement 104 als ein Sensorelement oder als ein Teil eines Sensorelements ausgeformt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Mittelelement 104 als ein magnetostriktiver Einleger ausgeformt. Wenn das Mittelelement 104 ausgebildet ist, um die Kraft oder das Drehmoment nicht nur zu erfassen sondern auch zu messen, ist das Mittelelement 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgeformt, um ein die Kraft und/oder das Drehmoment anzeigendes Sensorsignal bereitzustellen. Das Sensorsignal wird beispielsweise von einer Steuereinrichtung des Wankstabilisierungssystems verwendet, um das Wankverhalten des Fahrzeugs zu steuern.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Mittelelement 104 beispielsweise in Form einer Schicht auf einem einteiligen Trägerelement 102 angeordnet.
Der Verformungskörper 100 wird gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Kraft- und/oder Drehmomentmessung eingesetzt. Dabei kann das elastische Verhalten des Verformungskörpers 100 unter Last gemessen werden. Das Mittelelement 104 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel als magnetostriktiver Messkörper ausgeführt. Ein entsprechendes Messprinzip erfordert in der Regel hohe Gehalte an Kohlenstoff C, Nickel Ni, Chrom Cr und Kobalt Co. Dies steht im Widerspruch zur Anforderung der Schweißbarkeit, welche als Verbindungstechnik zu Nachbarteilen in Serienanwendungen gewünscht ist. Durch den hier beschriebenen Ansatz werden vorteilhafterweise diese Probleme umgangen. Dazu weist der Verformungskörper 100, der auch als Welle bezeichnet wird, gemäß diesem Ausführungsbeispiel drei Segmente auf, wobei zwei der Segmente das Trägerelement 102 formen und das dritte Segment dem Mittelelement 104 entspricht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht das Trägerelement 102 aus beispielsweise thermisch schweißbarem Material und das Mittelelement 104 aus einem Material mit guten sensorischen Eigenschaften. Die Verbindung ist beispielsweise durch ein Festkörperschweißverfahren, wie Diffusions-, Reib-, Rühr- und/oder Ultraschallschweißen, auf die beispielsweise gesondert hergestellten Segmente angewandt oder aber besonders vorteilhaft durch Versintern zumindest eines pulvermetallurgisch übereinander eingebrachten Pulvers hergestellt worden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hier dargestellte Verformungskörper 100 kann dem in Fig. 1 beschriebenen Verformungskörper 100 entsprechen oder ähneln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Verformungskörper 100 rohrartig ausgeformt. Das bedeutet, dass das erste Ende 106 und das zweite Ende 108 gegenüber dem in Fig. 1 beschriebenen Verformungskörper 100 abweichend den gleichen Durchmesser aufweisen wie der Korpus 110 selbst. Auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Verformungskörper 100 ein Trägerelement 102 und ein Mittelelement 104 auf.
In anderen Worten ist die hier dargestellte rohrförmige Ausformung des Verformungskörpers 100 für ein elektromechanisches Wankstabilisierungssystem (ERC) vorteilhaft. Dabei wird beispielsweise ein ungünstiges Wandstärken zu Durchmesser und Längen Verhältnis ignoriert, wenn beispielsweise eine sogenannte MIM (Metal Injection Moulding, Metallpulver in Kunststoff Binder Matrix) Herstellungsart verwendet wird. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Verformungskörper 100 als Kraft- und Drehmoment-Messtechnik/Sensorik im Zusammenhang mit einem sogenannten „Road Load Weighing“, also einer Straßenbelastungsmessung, einsetzbar.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hier dargestellte Verformungskörper 100 kann dem in einer der Figuren 1 oder 2 beschriebenen Verformungskörper 100 entsprechen oder zumindest ähneln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Trägerelement 102 einteilig und das Mittelelement 104 als ein ringförmiger Einleger ausgeformt, der ein fischgrätenartiges Muster aufweist. Auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Verformungskörper 100 rohrartig realisiert. Das Mittelelement 104 ist beispielsweise bündig zu einer Oberfläche des Trägerelements 102 ausformbar. In anderen Worten lassen sich komplexe Einleger, das bedeutet Mittelelemente 104, gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einem schweißbaren Material umformen und zu beispielsweise einem metallisch und/oder gemischt keramischen Verformungskörper 100 versintern. Vorteilhaft ist, dass filigrane Strukturen, wie beispielsweise Tragstege preiswert und/oder bündig zu einer Oberfläche eingebracht werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verformungskörpers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hier dargestellte Verformungskörper 100 kann dem in einer der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Verformungskörper 100 entsprechen oder zumindest ähneln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Trägerelement 102 einteilig und das Mittelelement 104 X-förmig realisiert. Das Mittelelement 104 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel an oder in einer Außenwand des Trägerelements 102 angeordnet. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Mittelelement 104 an oder in einer der Außenwand gegenüberliegenden und einem Hohlraum des Trägerelements 102 zugewandten Innenwand des Trägerelements 102 angeordnet. Durch diese Formgebung des Mittelelements 104 sind Verformungen des Verformungskörpers 100 leichter erkennbar.
Fig. 5 zeigt eine schematische Teildarstellung eines Verformungskörpers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hier dargestellte Verformungskörper 100 kann dem in einer der Figuren 1 bis 4 beschriebenen Verformungskörper 100 entsprechen oder zumindest ähneln. Abweichend weist das hier dargestellte Mittelelement 104 zumindest eine Adapterstruktur 500, 501 , 502, 503 und einen sensorischen Einleger 504 auf. Der sensorische Einleger 504 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft viereckig ausgeformt und an der zumindest einen Adapterstruktur 500, 501 , 502, 503 fixiert.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Mittelelement 104 insgesamt vier Adapterstrukturen 500, 501 , 502, 503 auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel jeweils viereckig ausgeformt sind und im Viereck an einer Innenwand 506 des Trägerelements 102 angeordnet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der sensorische Einleger 504 ausgeformt, um eine über die Adapterstruktur 500 eingekoppelte Kraft zu erfassen. Die gezeigte Ausformung und Anordnung sowie die Anzahl der Adapterstrukturen 500, 501 , 502, 503 ist dabei nur beispielhaft gewählt und entsprechend der Ausformung des sensorischen Einlegers 504 und der Art der gewünschten Krafteinkopplung anpassbar.
Fig. 6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines verschweißten Abschnitts 600 eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Abschnitt 600 kann beispielsweise einer Schnittstelle zwischen dem Trägerelement und dem Mittelelement entsprechen oder ähneln, wie sie in einer der Figuren 1 bis 5 beschrieben wurden. Auch kann der Abschnitt 600 Teil eines Trägerelements oder eines Mittelteils sein.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Abschnitt 600 eine Mehrzahl von Schichten 602 oder Dünnblechen auf, die beispielsweise mittels Ultraschallschweißen zusammengeschweißt sind.
Fig. 7 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines zu pressenden Abschnitts 600 eines Verformungskörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Abschnitt 600 kann beispielsweise dem in Fig. 6 beschriebenen Abschnitt 600 entsprechen oder ähneln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Abschnitt 600 auch hier die Mehrzahl von Schichten 602 auf. Der Abschnitt 600 wird unter Verwendung eines Stempels 700 und einer Matrize 702 hergestellt. Der hier dargestellte Pfeil 704 zeigt eine Kraftrichtung an, in welche die Schichten 602, die gemäß einem Ausführungsbeispiel Pulverschichten sind, gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusammengepresst werden, um beispielsweise einen sogenannten Grünling herzustellen.
Fig. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Verformungskörpers zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug. Durch das Verfahren 800 wird beispielsweise ein Verformungskörper hergestellt, wie er in einer der Figuren 1 bis 5 beschrieben wurde, beispielsweise mit einem Abschnitt, wie er in einer der Figuren 6 oder 7 beschrieben ist. Das Verfahren 800 weist einen Schritt 802 des Bereitstellens eines Trägermaterials, einen Schritt 804 des Herstellens und einen Schritt 806 des Verbindens auf. Im Schritt 802 des Bereitstellens des Trägermaterials wird ein Trägermaterial bereitgestellt. Im Schritt 804 des Herstellens wird das Mittelelement hergestellt, das mit dem Trägermaterial verbindbar und durch die Kraft verformbar ist. Im Schritt 806 des Verbindens wird das Trägermaterial mit dem Mittelelement verbunden, um den Verformungskörper herzustellen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird aus dem Trägermaterial das Trägerelement hergestellt.
Optional umfasst das Verfahren 800 einen Schritt 808 des Bildens des Trägermaterials vor dem Schritt 802 des Bereitstellens des Trägermaterials. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird dabei im Schritt 808 des Bildens das Trägermaterial unter Verwendung zumindest eines Basisstoffs und eines Bindemittels gebildet. Der Basisstoff ist dabei beispielsweise ein Metallpulver, das beispielsweise gut schweißbar ist. Weiterhin optional wird im Schritt 804 des Herstellens das Mittelelement als ein Sensorelement hergestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Mittelelement beispielsweise ringförmig und/oder mit einem fischgrätenartigen Muster hergestellt. Alternativ wird das Mittelelement im Schritt 804 des Herstellens X-förmig hergestellt. Dabei wird das Mittelelement beispielsweise unter Verwendung zumindest eines magnetostriktiven Materials und eines Bindemittels hergestellt. Das magnetostriktiven Material ist dabei beispielsweise ein Metallpulver mit sensorischen Eigenschaften. Das Mittelelement wird dabei beispielsweise durch Spritzgießen, beispielsweise das so genannte Metal Injection Moulding (MIM), Pressen, 3D-Druck, Flammspritzen, Heißspritzen und/oder durch Sintern, wie beispielsweise selektives Lasersintern (SLS), hergestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 806 des Verbindens das Trägermaterial zumindest teilweise zylindrisch ausgeformt, beispielsweise als Hohlzylinder. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das Mittelelement mit dem Trägermaterial im Schritt 806 des Verbindens vorzugsweise durch Spritzgießen (MIM), alternativ aber auch durch Festkörperschweißen, wie beispielsweise Diffusions-, Reib-, Rühr- und/oder Ultraschallschweißen, Flammspritzen und/oder Sintern verbunden. Im Schritt 806 des Verbindens wird das Mittelelement derart mit dem Trägermaterial verbunden, dass zumindest eine Seite des Mittelelements zumindest eine weitere Seite des Trägermaterials kontaktiert. Das bedeutet, dass das Trä- gerelement wahlweise einteilig oder mehrteilig ausgeformt ist. Entsprechend einer jeweiligen Ausformung des Trägerelements wird im Schritt 806 des Verbindens das Mittelelement beispielsweise an einer Innenwand, an einer Außenwand oder zwischen einer Mehrzahl von Teilabschnitten des Trägermaterials angeordnet.
In anderen Worten ausgedrückt wird der Verformungskörper durch das hier vorgestellte Verfahren 800 segmentiert und/oder pulvermetallurgisch hergestellt. Die Randsegmente, das bedeutet das Trägerelement wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem schweißbaren Werkstoff hergestellt. Das Mittelelement, das auch als Mittelteil bezeichnet wird, ist beispielsweise als ein „Inset“ ausgeformt. Das Mittelelement wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus einem Werkstoff mit vorteilhaften sensorischen, insbesondere magnetostriktiven Eigenschaften hergestellt.
Das Trägerelement und das Mittelelement werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel entweder durch Festkörperverschweißen mehrerer Segmente, zu denen beispielsweise auch Metallfolien zählen, oder durch Versintern eines geeignet aus entsprechenden Metallpulvern zusammengesetzten Presslings hergestellt, da thermisches Schweißen in der Regel aufgrund der Werkstoffpaarung ausscheidet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Pressling mindestens zwei Metallpulver oder alternativ Gemische von Metallpulvern mit anderen gewünschten Materialien, wie beispielsweise Keramiken, Legierungszuschläge und/oder Bindemittel.
Auch generative Herstellungsverfahren, wie beispielsweise "3D-Druck", SLS, Flamm- und/oder Heißspritzen, sind für ein Erzielen des gewünschten internen Materialaufbaus denkbar. Beispielsweise sind dabei neben den funktionalen Aspekten auch Formgebungsaspekte berücksichtigt und Halterungen, Aufnahmen, Rippen, Durchbrüche, Löcher, Gewinde und Ähnliches realisierbar. Das hier vorgestellte Verfahren 800 ist insbesondere für eine Herstellung einer Hohlwelle und/oder eines Deckels des ERC Systems denkbar. Dabei sind Heiß-, Flamm- und/oder Plasmaspritzen denkbar. Dabei ist beispielsweise eine Abkühlgeschwindigkeit interessant, um eine Härte und eine Amorphheit als vorteilhafte Eigenschaft für eine magnetostriktive Sensorik zu erzielen. Ebenfalls ist beispielsweise eine Kombination aus magnetostriktiver Keramik FeCoOx mit einem Metall denkbar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Möglichkeit des Einbringens von Mustern und/oder Strukturen aus magnetostriktivem Material, wie beispielsweise Pulver, Bleche, Vorpresslinge, Einsätze, in die Oberfläche oder das Innere des Verformungskörpers realisiert. Eine besondere Ausführungsform ist beispielsweise ein graduierter oder gestufter Übergang an den Materialgrenzen für eine weiche Anpassung der Wärmespannungen. Alternativ ist dies über entsprechende Materialauswahl zu erreichen.
Zusammengefasst wird in dem Verfahren 800 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine gezielte Kombination zweier oder mehrerer Werkstoffe durch ein Festkörper-, Diffusions- und/oder Sinter-Verfahren zu einem Messkörper ermöglicht, der hier als Verformungskörper bezeichnet ist, für ein magnetostriktives Kraft- oder Drehmoment- Messverfahren mit zumindest einem Bereich mit vorteilhaften sensorischen Eigenschaften, sowie Bereichen, welche zum Fügen mit Nachbarbauteilen durch thermische Schweißverfahren geeignet sind. Sintern, Flammspritzen, Ultraschall- oder Diffusionsschweißen stellen dabei vorteilhafterweise in großen Stückzahlen zudem wirtschaftlich interessante Fertigungsverfahren dar. Durch das Verfahren 800 ist vorteilhafterweise ein segmentierter oder Pulver-metallurgisch hergestellter Verformungskörper herstellbar.
Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Verformungskörpers zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem für ein Fahrzeug. Das Verfahren 800 kann dem in Fig. 8 beschriebenen Verfahren 800 entsprechen oder ähneln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Verfahren 800 lediglich detaillierter abgebildet als in Fig. 8.
Das Verfahren 800 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 900 des Bereitstellens eines Basismaterials, einen Schritt 904 des Bereitstellens des Bindemittels und einen Schritt 906 des Bereitstellens des magnetostriktiven Materials vor dem Schritt 808 des Bildens des Trägermaterials. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Schritt 808 des Bildens einen Teilschritt 908 des Mischens des Basismaterials und des Bindemittels, um ein Gemisch zu erhalten. Ansprechend darauf umfasst der Schritt 808 des Bildens weiterhin einen Teilschritt 910 des Granulierens unter Verwendung des Gemischs, um das Trägermaterial beispielsweise in Form von Granulat zu erhalten, das anschließend im weiteren Verlauf des Verfahrens 800 in einem Teilschritt 912 des Bereitstellens als das Granulat bereitgestellt wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst auch der Schritt 804 des Herstellens eine Mehrzahl von Teilschritten. In einem Teilschritt 914 des Vermengens wird das magnetostriktive Material mit dem Bindemittel vermengt, um ein weiteres Gemisch zu erhalten. In einem Teilschritt 916 des weiteren Granulierens wird unter Verwendung des weiteren Gemischs weiteres Granulat erhalten und in einem Teilschritt 918 des Bereitstellens das weitere Granulat bereitgestellt. In einem Teilschritt 20 des Spritzgießens wird weiterhin das Mittelelement hergestellt, das beispielsweise zu diesem Zeitpunkt auch als Grünling bezeichnet wird, und in einem Teilschritt 921 des Bereitstellens der Grünling bereitgestellt. Im Falle beispielsweise einer Fehlpressung wird in einem Teilschritt 922 des Rückführens die Fehlpressung zurückgeführt und bei beispielsweise einer weiteren Herstellung eines weiteren Verformungskörpers neu verwertet.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 800 weiterhin einen Schritt 924 des Einlegens, in dem das Mittelelement beispielsweise in eine Schablone eingelegt wird, um es anschließend im Schritt 806 des Verbindens mit dem Trägermaterial zu verbinden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Schritt 806 des Verbindens einen Teilschritt 926 des weiteren Spritzgießens, um einen weiteren Grünling zu erhalten, welcher in einem Teilschritt 928 des Bereitstellens als der weitere Grünling bereitgestellt wird. Ansprechend darauf umfasst das Verfahren 800 optional einen Schritt 930 des Entbinderns, in dem gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Bindemittel 904 aus dem weiteren Grünling ausgetrieben wird, um einen so genannten Bräunling zu erhalten, der ferner in einem Schritt 932 des Bereitstellens als der Bräunling bereitgestellt wird. Das Verfahren 800 umfasst einen optionalen Schritt 934 des Nachbearbeitens, der einen Teilschritt 936 des Sinterns umfasst, in dem der Bräunling derart ausgehärtet wird, sodass der Verformungskörper als fertiges Endprodukt entsteht und in einem Schritt 938 des Bereitstellens als fertiges Endprodukt bereitgestellt wird. Fig. 10 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines elektromechanischen Wankstabilisierungssystems 1000 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um das in Fig. 1 genannte Wankstabilisierungssystem 1000 mit einem Verformungskörper 100 handeln, wie er in einer der Figuren 1 bis 5 beschrieben ist. Auch das Fahrzeug 1002 kann das in Fig. 1 beschriebene Fahrzeug 1002 sein.
Die rein schematische Darstellung zeigt einen Schnitt durch das Fahrzeug 1002 längs einer Hochachse und Querachse des Fahrzeugs 1002. Gezeigt ist beispielsweise eine erste Achse 1004 mit einem Ausführungsbeispiel einer Wankstabilisierungseinrichtung 1006 des Wankstabilisierungssystems 1000, die auch als Stabilisator bezeichnet wird. Die Wankstabilisierungseinrichtung 1006 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als zweigeteilter Drehstab mit einem ersten Stabilisatorelement 1008 und einem zweiten Stabilisatorelement 1010 realisiert. Hierbei ist ein Ende des ersten Stabilisatorelements 1008 mit einem ersten Radaufhängungselement 1012 des Fahrzeugs 1002 verbunden und ein Ende des zweiten Stabilisatorelements 1010 mit einem zweiten Radaufhängungselement 1014 des Fahrzeugs 1002 verbunden.
Beispielsweise sind die Enden der Stabilisatorelemente 1008, 1010 hierbei als, vorzugsweise etwa in Fahrtrichtung gebogene oder gekröpfte, Arme ausgeführt, die mittels gelenkig gelagerter Pendelstützen 1016, 1018 jeweils mit den Radaufhängungselementen 1012, 1014 verbunden sind. Bei den Radaufhängungselementen 1012, 1014 handelt es sich beispielsweise um gegenüberliegende Querlenker des Fahrzeugs 1002. Die Stabilisatorelemente 1008, 1010 sind je mittels eines Aufbaulagers 1020 um eine gemeinsame Drehachse D-D drehbar an einem Fahrgestell bzw. der Karosserie des Fahrzeugs 1002 befestigt. Die Drehachse D-D entspricht hierbei beispielhaft der Querachse des Fahrzeugs 1002.
Je ein einer Fahrzeugmitte des Fahrzeugs 1002 zugewandtes Ende der Stabilisatorelemente 1008, 1010 ist mit zumindest einem als Aktuator dienenden Elektromotor einer Drehstromantriebseinrichtung 1022 mechanisch gekoppelt. Die Drehstromantriebseinrichtung 1022 ist ausgebildet, um unter Verwendung eines Regelungssignals 1024 von einer Steuervorrichtung 1026, die Stabilisatorelemente 1008, 1010 gegensinnig um die Drehachse D-D zu verdrehen. Hierbei repräsentiert das Regelungssignal 1024 bspw. ein basierend auf einer feldorientierten Regelung ermitteltes Signal. Durch das gegensinnige Verdrehen der Stabilisatorelemente 1008, 1010 werden die Radaufhängungselemente 1012, 1014 bewegt und es kann einem Wanken der Karosserie bspw. bei Kurvenfahrt entgegengewirkt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug 1002 mit der Steuervorrichtung 1026 ausgestattet, die an die Drehstromantriebseinrichtung 1022 angeschlossen ist und ausgebildet ist, um das Regelungssignal 1024 bereitzu stellen.
Das Fahrzeug 1002 kann auch zumindest ein zweites elektromechanisches Wankstabilisierungssystem aufweisen, das entsprechend zu dem Wankstabilisierungssystem 1000 ausgeführt sein kann. Alternativ kann auch auf ein alternatives Prinzip zur Wankstabilisierung zurückgegriffen werden. Beispielsweise können die Stabilisatorelemente 1008, 1010 entfallen, wenn die Gegenwankmomente beispielsweise unter Verwendung geeigneter Aktoren in den Radaufhängungselementen 1012, 1014 bereitgestellt werden.
Bezuqszeichen
Verformungskörper
Trägerelement
Mittelelement erstes Ende zweites Ende
Korpus , 501 , 502, 503 Adapterstruktur sensorischer Einleger
Innenwand
Abschnitt
Schicht
Stempel
Matrize
Pfeil
Verfahren
Schritt des Bereitstellens eines Trägermaterials
Schritt des Herstellens
Schritt des Verbindens
Schritt des Bildens
Schritt des Bereitstellens eines Basismaterials
Schritt des Bereitstellens des Bindemittels
Schritt des Bereitstellens des magnetostriktiven Materials
Teilschritt des Mischens
Teilschritt des Granulierens
Teilschritt des Bereitstellens des Granulats
Teilschritt des Vermengens 916 Teilschritt des weiteren Granulierens
918 Teilschritt des Bereitstellens des weiteren Granulats
920 Teilschritt des Spritzgießens
921 Teilschritt des Bereitstellens des Grünlings
922 Teilschritt des Rückführens
924 Schritt des Einlegens
926 Teilschritt des weiteren Spritzgießens
928 Teilschritt des Bereitstellens des weiteren Grünlings
930 Schritt des Entbinderns
932 Schritt des Bereitstellens des Bräunlings
934 Schritt des Nachbearbeitens
936 Teilschritt des Sinterns
938 Schritt des Bereitstellens des fertigen Endprodukts
1000 Wankstabilisierungssystem
1002 Fahrzeug
1004 erste Achse
1006 Wankstabilisierungseinrichtung
1008 erstes Stabilisatorelement
1010 zweites Stabilisatorelement
1012 erstes Radaufhängungselement
1014 zweites Radaufhängungselement
1016 Pendelstütze
1018 Pendelstütze
1020 Aufbaulager
1022 Drehstromantriebseinrichtung
1024 Regelungssignal
1026 Steuervorrichtung
D-D Drehachse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (800) zum Herstellen eines Verformungskörpers (100) zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem (1000) für ein Fahrzeug (1002), wobei das Verfahren (800) die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen (802) eines Trägermaterials;
Herstellen (804) eines mit dem Trägermaterial verbindbaren und durch die Kraft verformbaren Mittelelements (104); und
Verbinden (806) des Trägermaterials mit dem Mittelelement (104), um den Verformungskörper (100) herzustellen.
2. Verfahren (800) gemäß Anspruch 1 , wobei im Schritt (804) des Herstellens das Mittelelement (104) durch Spritzgießen, Pressen, 3D-Druck, Flammspritzen, Heißspritzen und/oder Sintern hergestellt wird.
3. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (806) des Verbindens das Trägermaterial und das Mittelelement (104) durch Spritzgießen miteinander verbunden werden.
4. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (806) des Verbindens das Trägermaterial und das Mittelelement (104) durch Festkörperschweißen, Flammspritzen und/oder Sintern miteinander verbunden werden.
5. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (804) des Herstellens das Mittelelement (104) als Sensorelement hergestellt wird.
6. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (806) des Verbindens das Mittelelement (104) derart mit dem Trägermaterial verbunden wird, dass zumindest eine Seite des Mittelelements (104) zumindest eine weitere Seite des Trägermaterials kontaktiert.
7. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (806) des Verbindens das Mittelelement (104) an einer Innenwand (506) oder an einer Außenwand oder zwischen einer Mehrzahl von Teilabschnitten des Trägermaterials angeordnet wird.
8. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (804) des Herstellens das Mittelelement (104) hergestellt wird, das ringförmig ausgeformt ist.
9. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (804) des Herstellens das Mittelelement (104) hergestellt wird, das ein fischgrätenartiges Muster aufweist.
10. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (804) des Herstellens das Mittelelement (104) hergestellt wird, das X-förmig ausgeformt ist.
11 . Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (808) des Bildens des Trägermaterials vor dem Schritt (802) des Bereitstellens, wobei im Schritt (808) des Bildens das Trägermaterial unter Verwendung zumindest eines Basisstoffs und eines Bindemittels gebildet wird.
12. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (806) des Verbindens das Trägermaterial zumindest teilweise zylindrisch ausgeformt wird, um ein Trägerelement (102) zu erhalten.
13. Verfahren (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (804) des Herstellens das Mittelelement (104) unter Verwendung zumindest eines magnetostriktiven Materials und eines Bindemittels hergestellt wird.
14. Verformungskörper (100) zum Messen einer Kraft und/oder eines Drehmoments für ein Wankstabilisierungssystem (1000) für ein Fahrzeug (1002), wobei der Verformungskörper (100) die folgenden Merkmale aufweist: ein Trägerelement (102); und ein mit dem Trägerelement (102) verbundenes und durch die Kraft verformbares Mittelelement (104).
15. Verformungskörper (100) gemäß Anspruch 14, wobei das Mittelelement (104) zumindest eine Adapterstruktur (500, 501 , 502, 503) und einen an der Adapterstruktur (500, 501 , 502, 503) angeordneten sensorischen Einleger (504) aufweist.
PCT/EP2021/077976 2020-11-13 2021-10-11 Verfahren zum herstellen eines verformungskörpers zum messen einer kraft und/oder eines drehmoments für ein wankstabilisierungssystem für ein fahrzeug und verformungskörper WO2022100943A1 (de)

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