DE102006031456B4 - Lagerungsanordnung mit integrierter Drehmomentmessung und Vorrichtung zur Regelung einer Momentenverteilung - Google Patents

Lagerungsanordnung mit integrierter Drehmomentmessung und Vorrichtung zur Regelung einer Momentenverteilung Download PDF

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Abstract

Lagerungsanordnung zur Lagerung eines antreibbaren Rades an einem Radträger (02) eines Fahrzeuges, umfassend:
- einen Lagerinnenring (03), dessen erstes axiales Ende (04) drehfest mit der Nabe (06) des Rades verbunden ist und dessen zweites axiales Ende (12, 17) an eine Antriebswelle gekoppelt ist;
- einen Lageraußenring (07), der drehfest mit dem Radträger (02) verbunden ist;
- einen ersten Sensor (19) zur Messung des Rotationswinkels des Lagerinnenringes (03) an einer ersten axialen Position des Lagerinnenringes (03); und
- einen zweiten Sensor (21) zur Messung des Rotationswinkels des Lagerinnenringes (03) an einer zweiten axialen Position des Lagerinnenringes; wobei der Lagerinnenring (03) mit einer Stirnverzahnung (12) zur Übertragung eines Antriebs- und eines Schleppdrehmomentes an die Antriebswelle gekoppelt ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Lagerungsanordnung zur Lagerung eines angetriebenen bzw. eines antreibbaren Rades eines Fahrzeuges. Die erfindungsgemäße Lagerungsanordnung ermöglicht die Messung des Drehmomentes, welches zwischen dem Rad und einer Antriebswelle wirkt.
  • Kraftfahrzeuge, bei denen insbesondere alle vier Räder angetrieben werden, werden zunehmend mit einer Steuerung zur Antriebsmomentenverteilung ausgestattet, wodurch eine verbesserte Fahrzeugquerdynamik bei gleichzeitiger Erhöhung der Fahrsicherheit erzielt wird. Für die Steuerung der Antriebsmomentenverteilung bedarf es geeigneter Messeinrichtungen, um die jeweilige Fahrsituation bestimmen zu können.
  • Aus der DE 41 12 904 A1 ist eine Antriebsmoment-Verteilungssteuervorrichtung für Fahrzeuge bekannt, die eine Kupplung zur Veränderung der Momentenverteilung zwischen ersten und zweiten Antriebsrädern aufweist. Die Kupplung wird durch ein Steuersignal gesteuert, welches auf Basis der Messwerte eines Beschleunigungspositionssensors und eines Querbeschleunigungssensors bestimmt wird. Nachteilig an dieser Lösung ist die begrenzte Genauigkeit, mit der die jeweilige Fahrsituation bestimmt werden kann. Die auf die Räder tatsächlich wirkenden Drehmomente werden bei dieser Lösung nicht ermittelt.
  • Es sind verschiedene weitere Lösungen für eine Erfassung anderer Größen bekannt, alle mit dem Ziel der Bestimmung der Momentenverteilung. In diesem Zusammenhang ist aus der DE 689 28 004 T2 ist eine Anordnung zur Steuerung der Kraftübertragung eines vierrad-getriebenen Fahrzeuges bekannt, bei dem die Veränderung der Antriebsmomentenverteilung u. a. auch abhängig von dem aktuellen Lenkwinkel, der Gaspedalstellung, der Motorleistung und der Bremskraft gewählt wird. In der DE 40 31 890 A1 wird vorgeschlagen, die Differenz der Drehzahlen der Vorder- und Hinterräder zu bestimmen. Aus der DE 41 33 060 A1 ist es bekannt, zusätzlich das durch den Seitenwind erzeugte Windgiermoment zu bestimmen. Allen genannten Lösungen ist gemein, dass die Bestimmung der Momentenverteilung nur indirekt erfolgt, sodass die erzielte Genauigkeit in vielen Fahrsituationen nicht befriedigend ist.
  • Aus der DE 195 14 093 B4 ist es bekannt, die Torsion in den Radantriebsachsen eines Fahrzeuges mit Geschwindigkeitssensoren an den Radantriebswellen zu bestimmen. Hierfür ist die Bestimmung weiterer Kenngrößen, wie der Umdrehungsgeschwindigkeit, der Antriebseinheit und der Drosselklappenöffnung notwendig. Vorteilhaft an dieser Lösung ist die Messung von Kenngrößen direkt an den Antriebswellen. Nachteilig ist wiederum die Indirektheit der Bestimmung der in den Antriebswellen wirkenden Drehmomente, wodurch nur eine begrenzte Genauigkeit ermöglicht ist.
  • Aus der DE 103 38 172 B3 ist eine Radnaben-Drehgelenk-Anordnung bekannt, wie sie in dieser oder ähnlichen Ausführungen vielfach zur Lagerung von antreibbaren Rädern von Kraftfahrzeugen Verwendung findet. Bei diesen Lösungen weist ein Zapfen an einem Drehgelenk einer Antriebswelle eine Außenverzahnung auf, die in eine Innenverzahnung einer Radnabe eingreift, wodurch das Antriebsdrehmoment übertragen werden kann. Die Radnabe ist im Bereich des eingreifenden Zapfens in einem zweireihigen Kugellager eines Radträgers gelagert. Eine alternative Lösung zur Radlagerung ist aus der DE 36 04 630 C2 bekannt, bei der die Übertragung des Antriebsdrehmomentes vom Drehgelenk der Antriebswelle über eine Stirnverzahnung auf die Radnabe erfolgt. Die Radnabe bildet gleichzeitig den Lagerinnenring des zweireihigen Kugellagers zur Lagerung des Rades. Für die angeführten Lösungen zur Lagerung eines über ein Drehgelenk angetriebenen Rades ist keine Lösung bekannt, das auf das Rad wirkende Drehmoment zu bestimmen.
  • Die DE 11 2004 001 197 T5 zeigt eine Radträger-Lager-Anordnung mit einem darin eingebauten Lastsensor zum Erfassen einer auf eine Lagereinheit eines Fahrzeugrades ausgeübten Last. Die Radträger-Lager-Anordnung umfasst ein Außenelement mit mehreren Laufflächen in einer inneren Umfangsfläche und ein aus einer Achsnabe und einem inneren Laufring an einem inneren Ende der Achsnabe zusammengesetztes Innenelement. Das Innenelement hat in der Achsnabe und im inneren Laufring Laufflächen, welche den Laufflächen des Außenelementes gegenüberliegen. Zwischen den Laufflächen befinden sich Reihen von Wälzkörpern zum rotierbaren Tragen des Fahrzeugrads. Ein zu erfassendes Element ist als ein magnetostriktives Element zwischen einem inneren Ende der Achsnabe und der Lauffläche ausgebildet. Eine Krafterfassungseinheit zum Erfassen einer Änderung einer magnetischen Spannung in dem zu erfassenden Element ist in einem Außenlaufring vorgesehen.
  • Die DE 197 03 832 A1 zeigt ein Radlager für Kraftfahrzeuge, bei welchem durch Sensoren zur Erfassung von Raddrehzahl, Radbeschleunigung und Antriebs- und/oder Brems-beschleunigungen eine direkte Datenerfassung und eine platzsparende Erfassung der an den Lagern herrschenden Zustände erreicht werden soll. Es wird vorgeschlagen, dass die Sensoren als Mikrosensoren in Form von Kondensatoranordnungen ausgebildet sind, von denen mindestens einer am drehenden Teil des Lagers angebracht ist. Die Signale des Sensors werden mit abgespeicherten Grundmustern oder mit Signalen eines gleichartigen am stehenden Teil des Lagers angeordneten Mikrosensors verglichen und ausgewertet.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Lagerungsanordnung zur Lagerung eines antreibbaren Rades eines Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen, welche eine aufwandsarme und genaue Messung des zwischen dem Rad und der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes ermöglicht.
  • Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen dem inversen magnetostriktiven Effekt und dem magnetoelastischen Effekt ist die erfindungsgemäße Lagerungsanordnung in gleicher Weise unter Anwendung des magnetoelastischen Effektes ausführbar. Daher schließt die Verwendung des Begriffes des inversen magnetostriktiven Effektes den magnetoelastischen Effekt ein. Dies gilt gleichfalls für jeglichen Effekt, bei dem es infolge einer Krafteinwirkung zu einer Veränderung der magnetischen Eigenschaften kommt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch Lagerungsanordnungen gemäß den beigefügten Ansprüchen 1 und 2, bei denen die Übertragung von Antriebs- und Schleppdrehmomenten zwischen einer Radnabe und eine Antriebswelle ebenfalls über einen Lagerinnenring erfolgt. Ein auf den Lagerinnenring wirkendes Drehmoment bewirkt eine Torsion des Lagerinnenringes. Die Lagerungsanordnung umfasst weiterhin zwei Sensoren, welche den Rotationswinkel des Lagerinnenringes an zwei verschiedenen axialen Positionen messen. Ist es infolge eines wirkenden Drehmomentes zu einer Torsion des Lagerinnenringes gekommen, werden die Sensoren unterschiedliche Rotationswinkel messen. Die Differenz zwischen den gemessenen Rotationswinkeln stellt einen Verdrehwinkel dar und ist ein Maß für die Torsion und daher ein Maß für das wirkende Drehmoment.
  • Einen weiteren Gegenstand bildet eine Anordnung zur Regelung der Verteilung von Antriebs- und Schleppdrehmomenten von antreibbaren Rädern eines Fahrzeuges.
  • Dabei ist zur Messung der Antriebs- und Schleppdrehmomentenverteilung an den antreibbaren Rädern jeweils eine Sensoreinheit zur Messung des auf das jeweilige Rad wirkenden Drehmomentes angeordnet.
  • Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnungen besteht darin, dass hierfür nur wenige konstruktive Änderungen gegenüber konventionellen Lagerungsanordnungen notwendig sind. Die bestehende Produktionstechnik muss lediglich für eine Montage des Sensors bzw. der Sensoren erweitert werden.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung wirkt das zwischen dem Rad und der Antriebswelle auftretende Drehmoment auch axial auf den Lagerinnenring, da ein axiales Ende des Lagerinnenringes mit dem Rad und das andere axiale Ende mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist. Diese beiden axialen Enden des Lagerinnenringes müssen nicht grundsätzlich durch die beiden axial äußersten Positionen des Lagerinnenringes gebildet sein. Es muss vielmehr gewährleistet sein, dass zumindest ein größerer axialer Teil des Lagerinnenringes zwischen diesen beiden Enden angeordnet ist, sodass dieser Teil dem wirkenden Drehmoment unterliegt und so eine Kraft bzw. Torsionswirkung gemessen werden kann. Die beiden axialen Enden können auch unterschiedliche Radien gegenüber der Achse des Lagerinnenringes aufweisen, wodurch das auftretende Drehmoment auch teilweise Kräfte entlang des radialen Abstandes bewirkt. Auch diese Kräfte bzw. die daraus resultierenden Torsionen können einen Anteil der in einer erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung gemessenen Größe bilden.
  • Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Lagerungsanordnung als zweireihiges Kugellager ausgeführt, wobei der Lagerinnenring durch einen Ansatz an der Nabe des Rades gebildet ist. Eine solche Ausführung erlaubt eine reibungsarme Lagerung, eine kompakte Bauform und eine sichere Übertragung großer Drehmomente.
  • Der axiale Abschnitt des Lagerinnenringes, der gemäß dem Anspruch 1 einen inversen magnetostriktiven Effekt aufweist, kann auch durch eine eingebrachte Füllung oder eine aufgebrachte Beschichtung gebildet sein. Alternativ kann der Lagerinnenring so ausgeführt werden, dass er in seiner Gesamtheit einen inversen magnetostriktiven Effekt aufweist.
  • Ein wichtiger Vorteil der Anordnung zur Regelung der Antriebsmomente von antreibbaren Rädern eines Fahrzeuges ist, dass die Beeinflussung der Momentenverteilung in Abhängigkeit von den tatsächlich auftretenden Drehmomenten der einzelnen Räder erfolgt. Es bedarf keiner sekundären Messwerte für Beschleunigungskomponenten, Lenkwinkel o. ä., mit welchen die erforderliche Beeinflussung der Momentenverteilung lediglich abgeschätzt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung ist es möglich, das tatsächlich auf das Rad wirkende Drehmoment zu bestimmen.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
    • 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung; und
    • 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung mit vergrößertem Sensorabstand.
  • 1 zeigt eine teilweise geschnittene seitliche Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung zur Lagerung eines antreibbaren Rades an einem Radträger 02 eines Fahrzeuges. Die Lagerungsanordnung umfasst einen Lagerinnenring 03, der durch einen Ansatz 04 an einer Nabe 06 des Rades gebildet ist. Ein Lageraußenring 07 ist im Radträger 02 ausgebildet. Der Lagerinnenring und der Lageraußenring können auch als eigenständige Teile ausgebildet sein, die mit der Radnabe 06 bzw. dem Radträger 02 fest verbunden sind. Die Lagerungsanordnung ist als ein zweireihiges Kugellager ausgeführt, bei welchem Kugeln 08 als Wälzkörper fungieren. Die erfindungsgemäße Lagerungsanordnung kann aber auch als beliebiges Wälzlager oder auch als Gleitlager ausgeführt werden.
  • Die Radnabe 06 ist an einem Drehgelenk 09 befestigt. Das Drehgelenk 09 ist mit einer Antriebswelle (nicht gezeigt) drehfest verbunden und überträgt Drehmomente zwischen der Antriebswelle und der Radnabe 06. Die Radnabe 06 ist mit einer Schraube 11 mit dem Drehgelenk 09 verbunden. Diese Verbindung erzeugt eine axiale Anpresskraft der Radnabe 06 an das Drehgelenk 09. Diese Verbindung ist allein nicht geeignet, um die auftretenden Drehmomente zu übertragen. Hierfür weisen die stirnseitigen Auflageflächen zwischen der Radnabe 06 und dem Drehgelenk 09 eine Stirnverzahnung 12 auf. Die Stirnverzahnung 12 ermöglicht eine sichere Übertragung der auftretenden Drehmomente zwischen der Radnabe 06 und dem Drehgelenk 09. Gleichzeitig erlaubt diese Art der Verbindung eine schnelle Montage und Demontage der Radnabe 06.
  • Bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform wird das auf den Lagerinnenring 03 wirkende Drehmoment durch eine Messung der Torsion des Lagerinnenringes 03 bestimmt. Die Torsion des Lagerinnenringes 03 wird mit einem ersten Sensor 19 und einem zweiten Sensor 21 bestimmt. Der erste Sensor 19 befindet sich zwischen dem Lageraußenring 07 und der Radnabe 06. Der zweite Sensor 21 befindet sich axial beabstandet zum ersten Sensor 19 zwischen den beiden Reihen der Kugeln 08. Bei den Sensoren 19, 21 handelt es sich beispielsweise um optische Sensoren. Der erste Sensor 19 steht einem ersten Geberring 22 gegenüber, der am Lagerinnenring 03 befestigt ist. Der zweite Sensor 21 steht einem zweiten Geberring 23 gegenüber, der gleichfalls am Lagerinnenring 03 befestigt ist. Mit dieser Anordnung der Sensoren 19, 21 und der Geberringe 22, 23 kann der Rotationswinkel des Lagerinnenringes 03 an zwei verschiedenen axialen Positionen desselben bestimmt werden. Insofern kein Drehmoment auf den Lagerinnenring 03 wirkt, sind die Rotationswinkel an beiden axialen Positionen gleich. Kommt es infolge eines Drehmomentes zu einer Torsion des Lagerinnenringes 03 werden sich die gemessenen Rotationswinkel an den beiden axialen Positionen der Sensoren 19, 21 geringfügig unterscheiden. Diese Rotationswinkeldifferenz ist ein Maß für das einwirkende Drehmoment. Mit Hilfe der Auswerteelektronik kann die gemessene Rotationswinkeldifferenz in ein Drehmoment umgerechnet werden.
  • Die beiden Sensoren 19, 21 sind an einem gemeinsamen Sensorträger 24 am Radträger 02 befestigt. Der elektrische Anschluss beider Sensoren erfolgt über die Anschlussleitung 16. Statt der optischen Sensoren 19, 21 und der zugehörigen Geberringe 22, 23 können auch andere Sensoren zur Bestimmung des Rotationswinkels verwendet werden, so z. B. magnetische Sensoren.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung, bei welcher der Abstand zwischen den Sensoren 19, 21 gegenüber der in 4 gezeigten Ausführungsform vergrößert ist. Diese Abstandsvergrößerung wird durch eine veränderte Position des zweiten Sensors 21 erzielt. Der Sensor 21 befindet sich an einem axialen Ende des Lagerinnenringes 03 neben der Stirnverzahnung 12.
  • Folglich wird mit den Sensoren 19, 21 die Torsion über nahezu die gesamte axiale Länge des Lagerinnenringes 03 gemessen, wodurch größere Rotationswinkeldifferenzen als bei der in 1 gezeigten Ausführungsform gemessen werden, was eine genauere Messung des wirkenden Drehmomentes ermöglicht.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    -
    02
    Radträger
    03
    Lagerinnenring
    04
    Ansatz an der Radnabe
    05
    -
    06
    Radnabe
    07
    Lageraußenring
    08
    Kugeln
    09
    Drehgelenk
    10
    -
    11
    Schraube
    12
    Stirnverzahnung
    13
    axialer Abschnitt
    14
    Sensor
    15
    -
    16
    Anschlussleitung
    17
    Außenverzahnung
    18
    Zapfen
    19
    erster Sensor
    20
    -
    21
    zweiter Sensor
    22
    erster Geberring
    23
    zweiter Geberring
    24
    Sensorträger

Claims (9)

  1. Lagerungsanordnung zur Lagerung eines antreibbaren Rades an einem Radträger (02) eines Fahrzeuges, umfassend: - einen Lagerinnenring (03), dessen erstes axiales Ende (04) drehfest mit der Nabe (06) des Rades verbunden ist und dessen zweites axiales Ende (12, 17) an eine Antriebswelle gekoppelt ist; - einen Lageraußenring (07), der drehfest mit dem Radträger (02) verbunden ist; - einen ersten Sensor (19) zur Messung des Rotationswinkels des Lagerinnenringes (03) an einer ersten axialen Position des Lagerinnenringes (03); und - einen zweiten Sensor (21) zur Messung des Rotationswinkels des Lagerinnenringes (03) an einer zweiten axialen Position des Lagerinnenringes; wobei der Lagerinnenring (03) mit einer Stirnverzahnung (12) zur Übertragung eines Antriebs- und eines Schleppdrehmomentes an die Antriebswelle gekoppelt ist.
  2. Lagerungsanordnung zur Lagerung eines antreibbaren Rades an einem Radträger (02) eines Fahrzeuges, umfassend: - einen Lagerinnenring (03), dessen erstes axiales Ende (04) drehfest mit der Nabe (06) des Rades verbunden ist und dessen zweites axiales Ende (12, 17) an eine Antriebswelle gekoppelt ist; - einen Lageraußenring (07), der drehfest mit dem Radträger (02) verbunden ist; - einen ersten Sensor (19) zur Messung des Rotationswinkels des Lagerinnenringes (03) an einer ersten axialen Position des Lagerinnenringes (03); und - einen zweiten Sensor (21) zur Messung des Rotationswinkels des Lagerinnenringes (03) an einer zweiten axialen Position des Lagerinnenringes; wobei die Antriebswelle mit einem in den Lagerinnenring (03) hineinragenden Zapfen (18) an denselben gekoppelt ist, wobei zur Übertragung eines Antriebs- und Schleppdrehmomentes eine Außenverzahnung (17) des Zapfens (18) in eine Innenverzahnung des Lagerinnenringes (03) eingreift, und wobei der Zapfen (18) axial in den Lagerinnenring (03) hineinragt.
  3. Lagerungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (19, 21) am Lageraußenring (07) angeordnet sind.
  4. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Lagerinnenring (03) ein erster Geberring (22) und ein zweiter Geberring (23) angeordnet sind, wobei der erste Geberring (22) dem ersten Sensor (19) und der zweite Geberring (23) dem zweiten Sensor (21) gegenübersteht.
  5. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (19) axial neben der drehfesten Verbindungsstelle zwischen der Radnabe (06) und dem Lagerinnenring (03) angeordnet ist und der zweite Sensor (21) an der axiale Mitte des Lagerinnenringes (03) angeordnet ist.
  6. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (19) axial neben der drehfesten Verbindungsstelle zwischen der Radnabe (06) und dem Lagerinnenring (03) angeordnet ist und der zweite Sensor (21) axial neben der Kopplungsstelle des Lagerinnenringes (03) an die Antriebswelle angeordnet ist.
  7. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Wälzkörper (08) zwischen dem Lagerinnenring (03) und dem Lageraußenring (07) angeordnet sind, um gemeinsam ein Wälzlager auszubilden.
  8. Lagerungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager als zweireihiges Kugellager ausgeführt ist.
  9. Lagerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (03) als ein Ansatz (04) an einer Nabe (06) des Rades ausgebildet ist.
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