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Die Erfindung betrifft einen insbesondere zur Verwendung in einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs geeigneten Lenkungsaktuator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lenkungsbetätigung.
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Ein Aktuator für eine Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der
DE 10 2020 131 828 A1 bekannt. Der bekannte Aktuator ist als elektromechanischer Lenkungsaktuator ausgebildet, welcher mit einem Planetenwälzgewindetrieb arbeitet. Das Planetenwälzgetriebe setzt eine Rotation in eine lineare Bewegung einer Schubstange der Lenkung um. Als weiteres Getriebe des bekannten Aktuators ist ein elektrisch betätigter Riementrieb vorgesehen. Es liegt somit eine Hintereinanderschaltung zweier Getriebe, nämlich eines Rotativ-Rotativ-Getriebes und eines Rotativ-Linear-Getriebes, vor.
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Eine seit Langem bewährte Technologie, die sowohl in PKWs als auch in Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommt, stellen hydraulische Servolenkungen dar. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
DE 20 2004 008 847 U1 und
DE 10 2020 006 165 A1 hingewiesen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Aktorik, welche für den Einsatz in Lenkungen, insbesondere Hinterachslenkungen, geeignet ist, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders kompakter, robuster Aufbau angestrebt wird und die Anzahl an Getriebestufen minimiert werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Lenkungsaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Lenkungsbetätigung gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Lenkungsbetätigungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Aktuator, und umgekehrt.
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Gemäß Anspruch 1 wird für die lineare Verlagerung einer Schubstange eines Lenkungsaktuators, insbesondere Aktuators einer Hinterachslenkung, ein dielektrischer Elastomeraktor genutzt. Es findet somit eine bionische Verschiebung der Schubstange, welche über weitere mechanische Mittel den Lenkeinschlag von Rädern variiert, mittels eines elektroaktiven Polymers statt.
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Die Verwendung polymerer Materialien in Aktuatoren ist prinzipiell zum Beispiel aus der
EP 1 145 417 B1 bekannt, die eine polymere Microantriebsmatrize mit makroskopischer Kraft und Verschiebung beschreibt.
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Wie grundsätzlich in der
EP 1 145 417 B1 dargelegt ist, ist auch im vorliegenden Fall, das heißt beim anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuator, eine bidirektionale Betätigung durch zwei Aktuatoren oder zwei in entgegengesetzte Richtung wirkende, jeweils aus mehreren Einzelaktoren aufgebauten Aktorgruppen möglich.
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Ein weiteres Beispiel eines elektro-aktiven Polymeraktuators ist in der
DE 10 2014 213 717 A1 offenbart. In diesem Fall ist die Verwendung eines Polymeraktuators in einem Bremssystem eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Der elektro-aktive Polymeraktuator nach der
DE 10 2014 213 717 A1 umfasst unter anderem einen Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung. Ein solcher Wandler ist optional auch beim anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuator vorhanden.
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Eine elektroaktive Polymeraktuatoreinrichtung ist grundsätzlich auch aus der
DE 10 2018 637 B3 bekannt. Ein dielektrischer Elastomeraktuator dieser Aktuatoreinrichtung weist eine Mehrzahl von abwechselnd aufeinander folgenden Elektrodenschichten und Elastomermaterialschichten auf. Hierbei hat jede Elastomermaterialschicht zwei einander entgegengesetzte, in der Hauptrichtung des Aktuators orientierte Hauptseiten, wobei an jeder Hauptseite eine der Elektrodenschichten anliegt. Mindestens eine der Elastomermaterialschichten ist im Fall der
DE 10 2018 218 637 B3 als eine Relief-Elastomermaterialschicht ausgebildet. Im Fall des anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuators können Schichten aus Elastomermaterialien ebene und/oder dreidimensional strukturierte Oberflächen aufweisen. In analoger Weise können auch Elektrodenschichten des anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuators eben oder strukturiert sein.
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Die elektrischen Elastomer-Aktoren, wie sie im anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuator zum Einsatz kommen, sind in der Lage, elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln. Grundsätzlich handelt es sich bei einem dielektrischen Elastomeraktor um einen nachgiebigen Kondensator, welcher einen zwischen zwei flächigen Elektroden befindlichen Elastomerfilm aufweist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung ziehen sich die flächigen Elektroden an, sodass der Elastomerfilm zusammengedrückt wird und sich zugleich quer zur Stapelrichtung der Elektroden sowie der Elastomerfilme ausdehnt.
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Bei dem Elastomermaterial des dielektrischen Elastomeraktors, wie er in dem anmeldungsgemäßen Lenkungsaktuator zum Einsatz kommt, kann es sich beispielsweise um ein Silikon oder Acryl handeln. Als Materialien für die flächigen Elektroden sind zum Beispiel Graphit oder Silikonöl-Graphit-Gemische geeignet. Auch metallische Werkstoffe, unter anderem Gold, sind für die Herstellung der flächigen Elektroden des Lenkungsaktuators geeignet. In jedem Fall muss eine Nachgiebigkeit der Elektroden gegeben sein.
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Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen des Lenkungsaktuators sind die Elastomeraktoren jeder Aktorgruppe gegenüber der Mittelachse der Schubstange schräggestellt, wobei die Längsachsen der einzelnen Elastomeraktoren die Oberfläche eines gedachten Kegels, dessen Spitze auf der Mittelachse der Schubstange liegt, jeweils an mindestens einem Punkt tangieren. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die Längsachsen der einzelnen Elastomeraktoren keinen gemeinsamen Schnittpunkt mit der Mittelachse des Lenkungsaktuators haben, sondern bei gedachter Abwicklung des Kegels alternierend in entgegengesetzter Weise schräg auf der Kegeloberfläche angeordnet sind. Auf diese Weise wird Spiel im Lenkungsaktuator minimiert. Je nach Gesamtkonstruktion kann es damit sogar möglich sein, von einer gesonderten Verdrehsicherung der Schubstange abzusehen. Die Schubstange ist im Gehäuse des Lenkungsaktuators beispielsweise gleitgelagert.
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Gemäß einer möglichen Weiterbildung existiert ein Längenmesssystem zur Detektion von Verschiebungen der Schubstange. Ein solches Längenmesssystem kann in an sich bekannter Weise als inkrementelles und/oder absolutes Messystem ausgebildet sein. Das Längenmesssystem ist beispielsweise mittig zwischen zwei Aktorgruppen oder seitlich neben beiden Aktorgruppen platziert. Eine zentrale Anordnung hat Vorteile hinsichtlich des Raumbedarfs; eine asymmetrische Anordnung kann Vorteile in Bezug auf die Zugänglichkeit von außen mit sich bringen.
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Was den Aufbau der einzelnen dielektrischen Elastomeraktoren, aus welchen die Aktorgruppen gebildet sind, betrifft, existieren zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Beispielsweise haben die einzelnen Elastomeraktoren jeweils eine gewickelte Form. Ebenso sind gestapelte oder gefaltete Formen von Elastomeraktoren einsetzbar. In allen Fällen sind die Kräfte und Verschiebewege abhängig vom Verwendungszweck praktisch beliebig skalierbar.
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Das Verfahren zur Lenkungsbetätigung zeichnet sich allgemein dadurch aus, dass eine Schubstange der Lenkung bionisch mittels mindestens eines elektroaktiven Polymers betätigt wird. Die Betätigung kann hierbei getriebelos erfolgen. Auch sind Ausgestaltungen realisierbar, in denen die bionische Betätigung mittels einer Mehrzahl an Elastomeraktoren derart erfolgt, dass die Längenänderung der Elastomeraktoren geringer als die Verschiebung der Schubstange ist. Eine zumindest geringfügige Reduktion der Kraft, mit welcher die Schubstange linear bewegt wird, im Vergleich zur Kraft, die durch die aktiven, elektrisch angesteuerten Elastomeraktoren in Summe aufgebracht wird, wird hierbei in Kauf genommen.
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In zahlreichen Bauformen ist bei jeder Verschiebung der Schubstange jeweils nur die Hälfte der Elastomeraktoren - ähnlich einem Muskel, der eine Zugkraft erzeugt - aktiv, während die andere Hälfte der Elastomeraktoren passiv bleibt. Abweichend hiervon sind auch Bauformen denkbar, in welchen bei der Betätigung des Lenkungsaktuators die Gesamtheit seiner Elastomeraktoren zusammenwirkt. Im Fall einer Integration des Lenkungsaktuators in eine Hinterachslenkung ist typischerweise lediglich eine einzige Schubstange vorhanden, mit welcher beide Hinterräder gelenkt werden. Darüber hinaus sind Ausgestaltung des Lenkungsaktuators möglich, welche lediglich zur Bewirkung eines Lenkeinschlags auf einer einzigen Fahrzeugseite vorgesehen sind. In einem solchen Fall sind gesonderte Aktuatoren für die linke und die rechte Fahrzeugseite elektronisch zu synchronisieren.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 einen Lenkungsaktuator für eine Hinterachslenkung in einer vereinfachten Schnittdarstellung,
- 2 mehrere Elastomeraktoren des Lenkungsaktuators nach 1 in einer abgewickelten Anordnung,
- 3 einen Schnitt durch die Anordnung nach 1,
- 4 und 5 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Lenkungsaktuators in einer Darstellung analog 1,
- 6 einen Elastomeraktor für einen Lenkungsaktuator in perspektivischer Ansicht.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein Lenkungsaktuator 1, welcher kurz auch als Lenkaktor bezeichnet wird, ist als bionischer Aktor ausgebildet und zur Verwendung in einer nicht weiter dargestellten Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion von Hinterachslenkungen wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Der Lenkungsaktuator 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem eine Schubstange 3 verschiebbar geführt ist. Die Schubstange 3 ist mit weiteren, nicht dargestellten Fahrwerkselementen gekoppelt, um eine Variation des Lenkeinschlags der Hinterräder zu ermöglichen. Zur Lagerung der Schubstange 3 im Gehäuse 2 sind Lagerungen 4 vorgesehen. In nicht dargestellter Weise kann die Schubstange 3 mehrteilig ausgebildet sein, was montagetechnische Vorteile bedeuten kann.
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Die Verschiebung der Schubstange 3 erfolgt, indem an Elastomeraktoren 6, die in den Lenkungsaktuator 1 integriert sind, eine elektrische Spannung angelegt wird. Weitere Betätigungsmittel, etwa in Form eines elektromotorischen oder hydraulischen Antriebs, sind nicht vorgesehen. Eine Mehrzahl an Elastomeraktoren 6 ist zu einer Wicklungsanordnung 5 zusammengefasst, die die Schubstange 3 konzentrisch umgibt. Im Gehäuse 2 sind zwei derartige Wicklungsanordnungen 5, die auch als Aktorgruppen bezeichnet werden, angeordnet, wobei die erste der Wicklungsanordnungen 5 eine Verschiebung der Schubstange 3 in einer ersten Axialrichtung und die zweite Wicklungsanordnung 5 eine Verschiebung der Schubstange 3 in der entgegengesetzten Axialrichtung bewirkt. Die beiden Wicklungsanordnungen 5 stellen somit antagonistisch wirkende Aktorgruppen dar.
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Die Mittelachse der Schubstange 3 und damit des gesamten Lenkungsaktuators 1 ist mit MA bezeichnet. Die mit VR bezeichnete Verschieberichtung der Schubstange 3 ist mit der Ausrichtung der Mittelachse MA identisch.
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Die Elastomeraktoren 6 der beiden Wicklungsanordnungen 5 sind über gehäuseseitige Anbindungsstellen 7 sowie schubstangenseitige Anbindungsstellen 8 mechanisch mit dem Gehäuse 2 beziehungsweise mit der Schubstange 3 gekoppelt. In den Ausführungsbeispielen sind die Elastomeraktoren 6 gewickelt aufgebaut, wie aus 6 hervorgeht. WL bezeichnet die Wicklungslängsachse des Elastomeraktors 6.
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In sämtlichen Ausführungsbeispielen ist die Wicklungslängsachse WL eines jeden Elastomeraktors 6 gegenüber der Mittelachse MA des Lenkungsaktuators 1 schräggestellt. Ein entsprechender Schrägstellungswinkel ist mit α bezeichnet. Aufgrund des Schrägstellungswinkels α, der in den vorliegenden Fällen mindestens 5° und höchstens 30° beträgt, wird jede Längenänderung der Elastomeraktoren 6 in eine etwas größere Verschiebung der Schubstange 3 umgesetzt. Die Verschiebung der Schubstange 3 stellt somit eine etwas schnellere Bewegung als die Längenänderung der Elastomeraktoren 6 der aktiven Wicklungsanordnungen 5 dar.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 sind die Elastomeraktoren ein und derselben Wicklungsanordnung 5 in der Abwicklung (2) in Zickzackform angeordnet. Hierbei ist zwischen zwei benachbarten Elastomeraktoren 6 jeweils ein Winkel β eingeschlossen, der im vorliegenden Fall ebenfalls im Bereich zwischen 5° und 30° liegt. Die Wicklungslängsachsen WL der einzelnen Elastomeraktoren 6 liegen somit nicht auf einem gemeinsamen Kegelmantel, sondern tangieren diesen Kegelmantel jeweils nur an einem einzigen Punkt. Keine der Wicklungslängsachsen WL schneidet die auf der Mittelachse MA liegende Spitze des Kegels. Insgesamt ist damit eine doppelte Schrägstellung der Elastomeraktoren 6 gegeben: zum einen ist jeder der Elastomeraktoren 6 der Wicklungsanordnung 5 gegenüber der Mittelachse MA um einen einheitlichen Winkel α schräggestellt, sodass sich die angenäherte Kegelform der Wicklungsanordnung 5 ergibt. Zum anderen sind die einzelnen Elastomeraktoren 6 jeweils um eine Achse verschwenkt, welche die Kegeloberfläche orthogonal und die Mittelachse MA um den Winkel (90°-α) schneidet. Insgesamt wird damit Spiel aus den Wicklungsanordnungen 5 und dem gesamten Lenkungsaktuator 1 genommen und eine zentrierende Wirkung auf die Schubstange 3 erzielt.
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Zur Versorgung der Elastomeraktoren 6 mit elektrischer Energie ist eine Energieversorgungseinheit 13 vorgesehen, die in den Fällen der 1 und 4 in das Gehäuse 2 eingebaut ist. Durch die zentrale Anordnung der Energieversorgungseinheit 13 ist in diesen Fällen die Anzahl an Durchreichestellen am Gehäuse 2 minimiert, wobei zugleich einfache Montagemöglichkeiten gegeben sind. Im Fall von 5 sind zwei Energieversorgungseinheiten 13 an das Gehäuse 2 angebaut. Elektrische Leitungen sind in allen Fällen mit 12 bezeichnet. Wie aus den 2 und 3 beispielhaft hervorgeht, sind mehrere Elastomeraktoren 6 gemeinsam an elektrische Leitungen 12 angeschlossen.
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Dem Lenkungsaktuator 1 ist in jedem Ausführungsbeispiel ein Messsystem 9 zur Positionsbestimmung der Schubstange 3 zuzurechnen. Dem Messsystem 9 ist eine Maßverkörperung 10 sowie ein Sensor 11 zuzurechnen. Mit Hilfe des Messsystems 9 detektierte Verschiebewege weichen, wie bereits erläutert, zumindest geringfügig von Längenänderungen der Elastomeraktoren 6 ab. Die mit WR bezeichnete Wirkrichtung der Elastomeraktoren 6 ist jeweils in Richtung der Wicklungslängsachse WL ausgerichtet. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 ist das Messsystem 9, bei welchem es sich um ein inkrementelles und/oder absolutes Messsystem handeln kann, asymmetrisch neben der Anordnung aus beiden Aktorgruppen 5 angeordnet. Dagegen befindet sich das Messsystem 9 im Ausführungsbeispiel nach 4 mittig zwischen den beiden Wicklungsanordnungen 5. Die jeweils näherungsweise kegelförmigen Wicklungsanordnungen 5 sind sowohl im Fall von 1 als auch im Fall von 4 derart ausgebildet, dass sich die beiden Kegel zur Mitte des Lenkungsaktuators 1 hin öffnen. Die Gesamtform der Aktorgruppen 5 erinnert somit an eine X-Anordnung eines zweireihigen Wälzlagers.
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Im Gegensatz hierzu weist die Gesamtform der Aktorgruppen 5 des Lenkungsaktuators nach 5 geometrische Gemeinsamkeiten mit einer zweireihigen Wälzlagerung in O-Anordnung auf. In diesem Fall weiten sich die beiden Kegel, die durch die Elastomeraktoren 6 der zwei Aktorgruppen 5 beschrieben sind, zu den beiden Stirnseiten des Lenkungsaktuators 1 hin auf. Das Messsystem 9 des Lenkungsaktuators 1 nach 5 ist, wie auch im Fall von 4, zwischen den beiden Aktorgruppen 5 platziert. Der gesamte Lenkungsaktuator 1 nach 5 weist eine asymmetrische Form auf, die sich darin ausdrückt, dass der Abstand zwischen dem Messsystem 9 und der linken Wicklungsanordnung 5 größer als der Abstand zwischen dem Messsystem 9 und der rechten Wicklungsanordnung 5 ist. In allen Ausführungsformen zeichnet sich der Lenkungsaktuator 1 durch gleichbleibende Produkteigenschaften über eine sehr hohe Zahl an Lastwechseln aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenkungsaktuator
- 2
- Gehäuse
- 3
- Schubstange
- 4
- Lagerung
- 5
- Wicklungsanordnung, Aktorgruppe
- 6
- Einzelwicklung, Elastomeraktor
- 7
- gehäuseseitige Anbindungsstelle
- 8
- schubstangenseitige Anbindungsstelle
- 9
- Messsystem
- 10
- Maßverkörperung
- 11
- Sensor
- 12
- Leitung
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- MA
- Mittelachse
- WL
- Wicklungslängsachse
- WR
- Wirkrichtung
- VR
- Verschieberichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020131828 A1 [0002]
- DE 202004008847 U1 [0003]
- DE 102020006165 A1 [0003]
- EP 1145417 B1 [0007, 0008]
- DE 102014213717 A1 [0009]
- DE 102018637 B3 [0010]
- DE 102018218637 B3 [0010]
