DE10001087A1 - Elektromechanischer Stabilisator für das Fahrwerk eines Fahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stabilisator für das Fahrwerk eines Fahrzeuges, insbesondere Kraftfahrzeuges, mit einem zwischen zwei Stabilisatorhälften eingebundenen und diese bedarfsweise gegeneinander um einen Verdrehwinkel verdrehenden Aktuator, der aus einem Elektromotor sowie einem diesem nachgeschalteten Getriebe besteht. Dabei weist das Getriebe ein sich in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel veränderndes Übersetzungsverhältnis auf. Bevorzugt ist das Getriebe derart ausgelegt, daß sich in der Neutralposition bei nicht gegeneinander verdrehten Stabilisatorhälften das kleinstmögliche Übersetzungsverhältnis ergibt, und daß sich dieses für große Verdrehwinkel in Richtung "unendlich" verschiebt. Beispielsweise kann das ein variables Übersetzungsverhältnis aufweisendes Getriebe als Hypocycloidgetriebe mit Linearführungen oder als Exzentergetriebe ausgebildet sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stabilisator für das Fahr­ werk eines Fahrzeuges, insbesondere Kraftfahrzeuges, mit einem zwischen zwei Stabilisatorhälften eingebundenen und diese bedarfsweise gegenein­ ander um einen Verdrehwinkel verdrehenden Aktuator, der aus einem Elek­ tromotor sowie einem diesem nachgeschalteten Getriebe besteht. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 44 43 809 A1 verwiesen.

Mit einem Kraftfahrzeug-Fahrwerk, dessen Stabilisator in eine erste der Auf­ hängung des linken Rades einer Fahrzeug-Achse zugeordneten Stabilisa­ torhälfte und in eine zweite der Aufhängung des rechten Rades dieser Fahr­ zeug-Achse zugeordneten Stabilisatorhälfte unterteilt ist, und bei dem diese Stabilisatorhälften um deren gemeinsame Längsachse gegeneinander ver­ drehbar sind, kann gegenüber Fahrwerken mit einstückigem Stabilisator eine deutlich gesteigerte Wankstabilität erzielt werden. Dabei ist zwischen den beiden Stabilisatorhälften ein geeigneter Schwenkmotor oder allgemein Ak­ tuator vorgesehen, der aufgrund einer geeigneten Ansteuerung diese Stabi­ lisatorhälften bedarfsgerecht gegeneinander verdreht. Dieser Schwenkmotor oder Aktuator ist in der eingangs genannten Schrift in Form eines hydrauli­ schen Drehantriebes ausgebildet.

Anstelle eines hydraulischen Drehantriebes kann auch ein elektromecha­ nischer Aktuator vorgesehen werden, der einen Elektromotor und ein mechanisches Getriebe sowie eine Feststellbremse umfaßt. Dann erhält man einen sog, elektromechanischen Stabilisator, bestehend aus den bei­ den beiden Stabilisatorhälften, die durch einen elektromechanischen Aktua­ tor miteinander verbunden sind. Wie bereits geschildert dient auch dieser elektromechanische Aktuator dazu, gezielt eine Verdrehung der beiden Sta­ bilisator-Hälften zueinander zu erreichen, damit ein gewünschtes Stabilisa­ tormoment erzeugt wird, welches dann das Wanken des Fahrzeug-Aufbaus verhindert.

Zumindest internen Stand der Technik, wie er vereinfacht in der beigefügten Fig. 1 dargestellt ist, bildet ein mit der Bezugsziffer 1 versehener elektro­ mechanischer Aktuator, der - wie bereits erwähnt - einen Elektromotor 2 und ein mechanisches Getriebe 3 sowie eine Feststellbremse 4 umfaßt. Die gewählte Getriebeübersetzung des bevorzugt als dreistufiges Planeten­ getriebe ausgeführten Getriebes 3 ist konstant. Die Dynamik des Ge­ samtsystems ist dabei maßgeblich durch die Getriebeübersetzung, die Mas­ senträgheit des Systems und die Torsionssteifigkeit der beiden mit den Be­ zugsziffern 5a und 5b versehenen Stabilisatorhälften gekennzeichnet. Die besagte Feststellbremse 4 wird dabei benötigt, um den Elektromotor 2 vor einer Überlastung infolge hoher Stabilisatormomente zu schützen.

Elektromotore zeichnen sich üblicherweise durch hohe Drehzahlen und ge­ ringe Nennmomente aus und sind per se für den vorliegenden An­ wendungsfall in einem elektromechanischen Stabilisator nicht besonders gut geeignet. Der elektromechanische Aktuator hierin sollte nämlich hohe Drehmomente bei geringen Drehwinkeln erzeugen. Für das benötigte Getriebe ergibt sich aus diesem Widerspruch zwangsläufig eine hohes Über­ setzungsverhältnis, welches jedoch Nachteile mit sich bringt. So resultiert hieraus nicht nur eine große Baugröße (aufgrund der erforderlichen Planetenstufen), sondern auch ein relativ niedriger Wirkungsgrad (aufgrund der unvermeidbaren Reibungsverluste). In Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall sind derart hohe Drehmomente am Stabilisator zu realisieren, daß die hierfür erforderlichen hohen Übersetzungsverhältnisse überhaupt nicht realisierbar sind, weil der zur Verfügung stehende Bauraum sowie der Wirkungsgrad eine physikalische Obergrenze definieren.

Weiterhin wirkt sich eine hohe Getriebeübersetzung negativ auf die Dynamik des Gesamtsystemes aus. Die Systemeigenfrequenz ist nämlich umgekehrt proportional zur Getriebe-Übersetzung. Dies resultiert aus der radbezogenen Massenträgheit, die sich aus der Aktuatorträgheit multipliziert mit dem quadrierten radbezogenem Übersetzungsverhältnis (dies ist die Beziehung zwischen dem Elektromotor-Drehwinkel und dem sich daraus ergebenden Radhub) bestimmt. Hierdurch wird Fahrkomfort und Energieverbrauch des Gesamtsystems negativ beeinflußt.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein sich in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel veränderndes Übersetzungsver­ hältnis aufweist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Un­ teransprüche.

Vorgeschlagen wird somit ein kontinuierlich variables Getriebe, das in Ab­ hängigkeit vom Verdrehwinkel der Stabilisatorhälften bzw. des Aktuator- Elektromotors seine Übersetzung bevorzugt kontinuierlich verändert, d. h. daß die mathematische Verknüpfung zwischen dem Eingangsdrehwinkel des Getriebes und dessen Augangsdrehwinkel einer nichtlinearen statischen Funktion entspricht. Die Getriebeauslegung erfolgt bevorzugt derart, daß für einen Eingangswinkel von 0° ein Minimum des Übersetzungsverhältnisses erreicht wird und für große Eingangswinkel die Übersetzung gegen un­ endlich läuft. Ein beispielhafter Verlauf des Getriebe-Übersetzungsverhältnisses (dimensionslos und mit dem Buchstaben "i" bezeichnet) ist in der beigefügten Fig. 2 über dem Verdrehwinkel α (in Winkelgraden angegeben) in einem Diagramm aufgetragen. Wie ersichtlich sowie dem Anwendungsfall an einem Fahrwerks-Stabilisator angepaßt kann ausgehend von einer Mittellage, die dem Einganswinkel oder Verdrehwinkel α = 0° ent­ spricht, sowohl ein positiver als auch ein negativer Verdrehwinkel zwischen den beiden Stabilisatorhälften mit einem entsprechenden Drehsinn des Elektromotors eingestellt werden.

Bei den in Fig. 2 beispielhaft angegebenen Werten für das Über­ setzungsverhältnis i handelt es sich um diejenigen des erfindungsgemäß vorgesehenen variablen Getriebes. Ein von diesen Werten sich um eine Größenordnung unterscheidendes Gesamt-Übersetzungsverhältnis zwi­ schen dem Elektromotor und den Stabilisatorhälften kann dabei in Kombina­ tion mit einer konstanten Getriebe-Vorstufe, d. h. mit einem in Reihe geschalteten Getriebe mit konstanter Übersetzung erreicht werden, so dies gewünscht bzw. erforderlich ist.

Ein erfindungsgemäß vorgesehenes sog. variables Getriebe mit einem sich in Abhängigkeit vom Drehwinkel verändernden Übersetzungsverhältnis kann in verschiedenen Bauformen realisiert werden, so bspw. als Hypocycloid­ getriebe oder als Exzentergetriebe, aber auch in Form eines Stabilisators mit seitlich angebrachter Kurbel, d. h. in Form eines Kurbelgetriebes. Zur Kraftübertragung können dabei allgemein Kurbeln oder Linearführungen verwendet werden, wie auch aus den beigefügten und später beschriebenen weiteren Figurendarstellungen bevorzugter Ausführungsbeispiele der Er­ findung hervorgeht.

Zunächst jedoch seien die erheblichen Vorteile erläutert, die die vorgeschla­ gene variable Getriebeübersetzung an einem elektromechanischen Stabilisator in den Bereichen Baugröße, Energiebedarf, Systemdynamik, Funktion­ alität und maximal mögliche Stabilisator-Momentaufprägung bietet. Wie ein­ gangs bereits ausgeführt wurde, müßte nämlich eine konstante Getrie­ beübersetzung in einem elektromechanischen Aktuator deshalb relativ hoch sein, um ein geeignet hohes Stabilisatormoment generieren zu können. Da nun bei Einsatz der vorgeschlagenen variablen Getriebeübersetzung das Übersetzungsverhältnis mit dem Verdrehwinkel steigt, können mit zunehmendem Drehwinkel nahezu beliebig große Stabilisatormomente erzeugt werden, was in extremen Einsatzfällen durchaus erwünscht sein kann. Hierfür nun benötigt ein vorgeschlagenes sog. variables Getriebe weniger Vorstufen als ein herkömmliches Getriebe mit konstantem Über­ setzungsverhältnis, was offensichtlich der Baugröße der gesamten Anord­ nung zugute kommt, d. h. es wird weniger Bauraum benötigt.

Ferner ergeben sich große Vorteile im Energiebedarf des Gesamtsystemes. Für das Bereitstellen von hohen Drehmomenten zwischen den beiden Stabi­ lisatorhälften muß der Elektromotor insbesondere mit einem in Anspruch 2 angegebenen Zusammenhang zwischen Verdrehwinkel und Über­ setzungsverhältnis lediglich ein relativ geringes Moment aufbringen und ver­ braucht demzufolge wenig Energie. Wird kein besonders hohes Drehmoment zwischen den Stabilisatorhälften gefordert, so bspw. bei Geradeausfahrt des Fahrzeuges, so ist lediglich ein kleines Übersetzungsverhältnis im variablen Getriebe gefragt, so daß die auf das Rad des Fahrwerks bzw. Gesamtsys­ temes bezogene Masse erheblich reduziert ist. Damit muß vorteilhafterweise weniger Energie zum Erreichen der Komfortziele aufgebracht werden als bei Vorliegen einer hohen Getriebe-Übersetzung. Eine hiermit möglichst geringe Zahl von Übersetzungsstufen verbessert außerdem den Gesamt- Wirkungsgrad des Getriebes und damit die grundsätzliche Leistungsauf­ nahme des Gesamtsystemes.

Hingegen wird die Dynamik des Gesamtsystemes durch die vorgeschlagene variable Übersetzung vorteilhafterweise deutlich erhöht. Denn die Eigenfre­ quenz des Systems ist umgekehrt proportional zur Übersetzung, so daß be­ sonders das Ansprechverhalten insbesondere in der Mittelstellung, d. h. wenn kein besonders hohes Drehmoment weder in der einen Richtung noch in der anderen Richtung gefragt ist, stark verbessert wird. Das führt zu einer deutlichen Komfortverbesserung in der Geradeausfahrt des Fahrzeuges. Diese ist gewünscht, weil in diesem Betriebzustand die Fahrzeuginsassen besonders sensibel gegenüber Fahrwerkeigenschaften sind. In der Kurven­ fahrt erfolgt demgegenüber zugunsten der Belastung des Elektromotors eine Dynamikreduktion, weil das Übersetzungsverhältnis des eingesetzten vari­ ablen Getriebes ansteigt. Dies entspricht ebenfalls der gewünschten Auslegung, weil der Mensch während einer Kurvenfahrt weniger sensibel auf Komforteigenschaften reagiert als bei Geradeausfahrt eines Kraftfahrzeuges.

Zurückkommend auf die in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 4 bezeichnete und im internen Stand der Technik vorgesehenen Feststellbremse, so kann deren Funktionalität durch ein erfindungsgemäßes variables Getriebe teil­ weise oder sogar vollständig ersetzt werden. Durch Erhöhen des Fahrzeug- Wankwinkels über den vom elektromechanischen Stabilisator kompensier­ baren Bereich wird das Stabilisator-Drehmoment passiv vergrößert. Auf­ grund des variablen Getriebes ist keine Feststellbremse notwendig, um ein unerwünschtes Weiterdrehen des Aktuators zu verhindern. Im übrigen kön­ nen - wie bereits oben erläutert - aufgrund der in Fig. 2 dargestellten Über­ setzungskurve deutlich höhere Stabilisatormomente als mit einer konstanten Getriebe-Übersetzung realisiert werden.

Im folgenden werden nun die in den beigefügten Fig. 3-6 lediglich prin­ zipiell dargestellten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen variablen Getriebes eines elektromechanischen Aktuators 1 bzw. Stabilisators mit sich in Abhängigkeit vom Drehwinkel veränderndem Übersetzungsverhältnis er­ läutert. Zumeist nicht dargestellt sind hierin die beiden Stabilisatorhälften 5a, 5b sowie der Elektromotor 2 (vgl. hierzu Fig. 1) des Aktuators 1; ferner ist eine ggf. vorzusehende und bereits erläuterte in Reihe geschaltete Getriebe­ stufe mit konstanter Übersetzung (zur Erzielung eines gewünschten Gesamt- Übersetzungsverhältnisses) auch nicht dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein Hypocycloidgetriebe mit Linearführungen in perpektivischer Explosionsdarstellung. Wie in einem Planetengetriebe ist ein Sonnenrad 10 vorgesehen, dessen Antriebswelle 11 mit dem Elektromotor (2) ggf. über die weitere Getriebestufe mit konstanter Übersetzung verbunden ist. Die Plane­ tenräder 12 weisen wie ersichtlich exzentrisch angeordnete Bolzen 12a auf und sind vom Hohlrad 13 geführt, welches drehfest mit einer der beiden Sta­ bilisatorhälften (5a oder 5b) verbunden ist.

Mit der anderen Stabilisatorhälfte (5b oder 5a) ist das Abtriebselement 14 dieses Hypocycloidgetriebes drehfest verbunden, in welchem ebensoviele Gleitsteinführungen 14a vorgesehen sind, als Planetenräder 12 vorhanden sind. In jeder Gleitsteinführung 14a ist ein Gleitstein 15 gelagert, der eine Aufnahme für einen Bolzen 12a des zugeordneten Planetenrades 12 auf­ weist.

Fig. 6 zeigt ein Hypocycloidgetriebe mit einer Kurbel in perspektivischer und gegenüber Fig. 3 vereinfachter Explosionsdarstellung. Auch hier ist das Sonnenrad 10 mit seiner Antriebswelle 11 mit dem Elektromotor (2) ver­ bunden, während das Hohlrad 13 drehfest mit einer der beiden Stabilisator­ hälften (5a oder 5b) verbunden ist. Mit der anderen Stabilisatorhälfte (5b oder 5a) ist das Abtriebselement 14 dieses Hypocycloidgetriebes drehfest verbunden, das mit Kurbelzapfen 14b versehen ist, die drei Pleuel 14c tragen, die ihrerseits Aufnahmen für die bereits genannten exzentrischen Bol­ zen 12a der Planetenräder 12 aufweisen.

Fig. 4 zeigt ein Exzentergetriebe mit Linearführungen in perpektivischer Explosionsdarstellung. Wie in einem Planetengetriebe ist auch hier ein Son­ nenrad 10 vorgesehen, dessen Antriebswelle 11 mit dem Elektromotor (2) ggf. über die weitere Getriebestufe mit konstanter Übersetzung verbunden ist. Die Planetenräder 12 weisen abermals wie ersichtlich exzentrisch ange­ ordnete Bolzen 12a auf, wobei die Drehachsen der Planetenräder auf hier der Einfachheit halber nicht dargestellte Weise zu einem (nicht gezeigten) Wellenzapfen zusammengefasst sind, der drehfest mit einer der beiden Sta­ bilisatorhälften (5a oder 5b) verbunden ist. Die Abtriebsseite dieses Getrie­ bes ist analog Fig. 3 gestaltet, d. h. das Abtriebselement 14 dieses Exzen­ tergetriebes ist mit der anderen Stabilisatorhälfte (5b oder 5a) drehfest ver­ bunden, wobei in diesem Abtriebselement 14 ebensoviele Gleitsteinführun­ gen 14a vorgesehen sind, als Planetenräder 12 vorhanden sind. In jeder Gleitsteinführung 14a ist ein Gleitstein 15 gelagert, der eine Aufnahme für einen Bolzen 12a des zugeordneten Planetenrades 12 aufweist.

Fig. 5 zeigt ein Kurbelgetriebe, das aus einer Kurbel 16, einem an dieser angelenkten Pleuel 17 sowie aus einer hiermit gelenkig verbundenen, hier zylinderförmigen Schwinge 18 besteht. Letztere ist drehfest mit der hier lin­ ken Stabilisatorhälfte 5a verbunden, während die (hier rechte) Stabilisator­ hälfte 5b drehfest am Gehäuse des Elektromotors 2 befestigt ist. Dessen Drehachse 2a ist drehfest mit der Kurbel 16 verbunden, so daß bei einer Drehbewegung der Elektromotor-Drehachse 2a die beiden Stabilisatorhälf­ ten 5a, 5b in gewünschter Weise mit einem sich in Abhängigkeit vom Ver­ drehwinkel (α; vgl. Fig. 2) verändernden Übersetzungsverhältnis (i) gegen­ einander verdreht werden.

Die hier lediglich beispielhaft dargestellten und erläuterten Getriebe haben unterschiedliche Abhängigkeiten zwischen dem Verdrehwinkel und dem je­ weils aktuellen Übersetzungsverhältnis. In Abhängigkeit vom konkreten An­ wendungsfall kann unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen (wie Bauaufwand, Dauerfestigkeit, etc.) ein jeweils geeignetes Getriebe ausge­ wählt werden. Daneben sind selbstverständlich weitere Getriebe- Ausführungsformen möglich, die hier nicht erläutert wurden, wie überhaupt eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abwei­ chend von den gezeigten Ausführungsbeispieles gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Wesentlich ist stets, daß für den beanspruchten Anwendungsfall ein Getriebe zum Einsatz kommt, wel­ ches ein sich in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel veränderndes Überset­ zungsverhältnis aufweist.

Bezugszeichenliste

1

Aktuator

2

Elektromotor

2

a Drehachse (von

2

)

3

Getriebe

4

Feststellbremse
5a, b Stabilisator-Hälfte(n)

10

Sonnenrad

11

Antriebswelle von

10

12

Planetenrad

12

a Bolzen (an

12

exzentrisch angeordnet)

13

Hohlrad

14

Abtriebselement

14

a Gleitsteinführung

14

b Kurbelzapfen

14

c Pleuel

15

Gleitstein

16

Kurbel

17

Pleuel

18

Schwinge

Claims (5)

1. Elektromechanischer Stabilisator für das Fahrwerk eines Fahrzeuges, insbesondere Kraftfahrzeuges, mit einem zwischen zwei Stabilisator­ hälften (5a, 5b) eingebundenen und diese bedarfsweise gegeneinan­ der um einen Verdrehwinkel verdrehenden Aktuator (1), der aus ei­ nem Elektromotor (2) sowie einem diesem nachgeschalteten Getriebe (3) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (3) ein sich in Abhängig­ keit vom Verdrehwinkel (α) veränderndes Übersetzungsverhältnis (i) aufweist.

2. Elektromechanischer Stabilisator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derart ausgelegtes Getriebe (3), daß sich in der Neutralposition (α = 0°) bei nicht gegeneinander verdrehten Stabilisatorhälften (5a, 5b) das kleinstmögliche Übersetzungsverhält­ nis ergibt, und daß sich dieses für große Verdrehwinkel in Richtung "unendlich" verschiebt.

3. Elektromechanischer Stabilisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ein variables Übersetzungsver­ hältnis aufweisenden Getriebe (3) eine Getriebestufe mit konstanter Übersetzung in Reihe geschaltet ist.

4. Elektromechanischer Stabilisator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das ein variables Übersetzungsverhält­ nis aufweisendes Getriebe als Hypocycloidgetriebe mit Linearführun­ gen oder Kurbel oder als Exzentergetriebe ausgebildet ist.

5. Elektromechanischer Stabilisator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das ein variables Übersetzungsverhält­ nis aufweisendes Getriebe als Kurbelgetriebe ausgebildet ist.