Bezeichnung der Erfindung

Lagerungsanordnung mit integrierter Drehmomentmessung und Vorrichtung zur Regelung einer Momentenverteilung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Lagerungsanordnung zur Lagerung eines ange- triebenen bzw. antreibbaren Rades eines Fahrzeuges. Die erfindungsgemäße Lagerungsanordnung ermöglicht die Messung des Drehmomentes, welches zwischen dem Rad und einer Antriebswelle wirkt. Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung der Verteilung der auf die antreibbaren Räder eines Fahrzeuges wirkenden Antriebs- und Schlepp- drehmomente.

Kraftfahrzeuge, bei denen insbesondere alle vier Räder angetrieben werden, werden zunehmend mit einer Steuerung zur Antriebsmomentenverteilung ausgestattet, wodurch eine verbesserte Fahrzeugquerdynamik bei gleichzei- tiger 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 Quer- beschleunigungssensors 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 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 14093 B4 ist es bekannt, die Torsion in den Radantriebsachsen eines Fahrzeuges mit Geschwindigkeitssensoren an den Radantriebswellen zu bestimmen. Hierfür ist die Bestimmung weiterer Kenngrö- ßen, 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 be- kannt, 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 Lager- innenring 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.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Lagerungsanordnung zur Lagerung eines antreibbaren Rades eines Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen, welche eine direkte Messung des zwischen dem Rad und der Antriebswelle wirkenden Drehmomentes ermöglicht. Die übergeordnete Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine verbesserte An- Ordnung zur Regelung der Antriebsmomentenverteilung der antreibbaren Räder eines Fahrzeuges zur Verfügung zu stellen, durch welche eine genauere Bestimmung der jeweiligen Fahrsituation möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lagerungsanordnung gemäß dem beigefügten unabhängigen Anspruch 1 , bei der die übertragung von Antriebs- und Schleppdrehmomenten zwischen einem Rad und einer Antriebswelle über eine Stirnverzahnung an einem Lagerinnenring erfolgt.

Ein druckempfindliches Messelement ist axial neben der Stirnverzahnung angeordnet und für dort auftretende Axialkräfte empfindlich. Mit diesem Messelement kann eine axial wirkende Kraft bestimmt werden, die direkt proportional zu dem wirkenden Drehmoment ist, da das wirkende Drehmoment an schrägen Zähnen der Stirnverzahnung teilweise in eine axial wirkende Kraftkomponente umgewandelt wird.

In verallgemeinerte Form wird die Aufgabe durch eine Anordnung zur Rege- lung der Verteilung von Antriebs- und Schleppdrehmomenten von antreibbaren Rädern eines Fahrzeuges gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 19 gelöst. Dabei ist zur Messung der Antriebs- und Schleppdreh- momentenverteilung an den antreibbaren Rädern jeweils eine Sensoreinheit zur Messung des auf das jeweilige Rad wirkenden Drehmomentes angeord- net.

Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung besteht darin, dass hierfür nur wenige konstruktive änderungen gegenüber konventionellen Lagerungsanordnungen notwendig sind. Die bestehende Produkti- onstechnik muss lediglich für eine Montage des Messelementes und des Sensors erweitert werden.

Vorzugsweise ist das druckempfindliche Messelement am Lagerinnenring angeordnet.

Weiterhin kann dabei der Lagerinnenring eine Ausnehmung aufweisen, welche zumindest abschnittsweise axial neben der Stirnverzahnung im Lagerinnenring verläuft, in welcher Ausnehmung des Lagerinnenringes das druckempfindliche Messelement angeordnet ist. Besonders bevorzugt kann vor- gesehen sein, dass die Ausnehmung als Nut ausgebildet ist, die umlaufend im Lagerinnenring angeordnet ist.

Weiterhin vorzugsweise ist die Nut unmittelbar axial neben der Stirnverzahnung in dem Lagerinnenring angeordnet, d. h. der Lagerinnenring weist zwischen der Bodenfläche der Verzahnung und der Nut eine axiale Länge auf, die gerade notwendig ist, damit die Stirnverzahnung die auftre- tenden Beanspruchungen aufnehmen kann. Bei dieser Ausführungsform wird die durch das wirkende Drehmoment an der Stirnverzahnung hervorgerufene axiale Kraft weitestgehend auf das druckempfindliche Messelement übertragen, so dass eine genaue Messung möglich ist.

Alternativ kann auch eine Anlagefläche oder ähnliches - in entsprechender Position - am Lagerinnenring vorgesehen sein, an welcher das druckempfindliche Messelement angeordnet ist.

Das Messelement kann durch einen Messring gebildet sein, dessen Material einen ausgeprägten inversen magnetostriktiven oder magnetoelastischen Effekt aufweist. Die aufgrund der Krafteinwirkung hervorgerufene Formänderung bewirkt eine Veränderung des Magnetfeldes, die mit einem oder mehreren geeigneten Sensoren bestimmt werden kann. Der oder die Sensoren sind am Lageraußenring oder Radträger befestigt und befinden sich im ver- änderlichen Magnetfeld des Messringes. Insbesondere steht er bzw. stehen sie dem druckempfindlichen Messelement, beispielsweise angeorndet in der Ausnehmung des Lagerinnenringes, gegenüber.

Bevorzugt ist der Sensor auf dem Lageraußenring an einer Position ange- ordnet, die sich innerhalb einer durch eine Radseitenkraft ergebenden Kippachse befindet. Hierdurch wird die Querbeeinflussung durch die Radseitenkraft minimiert und die Messgenauigkeit erhöht.

Bei dieser Ausführungsform kann auch ein zweiter Sensor auf dem Lager- außenring angeordnet werden, wobei sich der zweite Sensor ebenfalls in der genannten Kippachse befindet und dem ersten Sensor auf dem Umfang des Lageraußenringes gegenübersteht.

Das Messelement kann in abgewandelten Ausführungsformen auch durch andere druckempfindliche Materialen oder Sensorelemente oder auch durch eine druckempfindliche Beschichtung auf einem Messelementträger gebildet sein, die mit dem oder den Sensoren am Lageraußenring ausgelesen werden.

Bevorzugt ist das ringförmige Messelement in Segmente unterteilt, die zyklisch oder gleichzeitig ausgelesen werden. Bei einem gleichzeitigen Auslesen der einzelnen Segmente können die Messwerte je nach Lage der Sensoren gewichtet summiert werden, um einer Querbeeinflussung durch eine Radseitenkraft zu minimieren. Bei einer anderen Gewichtung für die Summation ist das Kippmoment bestimmbar, sodass sich bei bekanntem Reifenradius die Radseitenkraft ableiten lässt.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Lagerungsanordnung als zweireihiges Kugellager ausgeführt, wobei der Lagerinnenring durch einen Ansatz an der Nabe des Rades gebildet wird. Eine solche Ausführung erlaubt eine reibungsarme Lagerung, eine kompakte Bauform und eine sichere übertragung großer Drehmomente.

Ein wichtiger Vorteil der Vorrichtung zur Regelung der Antriebsmomente von antreibbaren Rädern eines Fahrzeuges ist, dass die Beeinflussung der Momentenverteilung in Abhängigkeit von den tatsächlich auftretenden Dreh- momenten der einzelnen Räder erfolgt. Es bedarf keiner Messwerte für Beschleunigungskomponenten, Lenkwinkel o. ä., mit denen die erforderliche Beeinflussung der Momentenverteilung bislang lediglich abgeschätzt werden konnte. Mit der erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung ist es nunmehr möglich, das tatsächlich auf das Rad wirkende Drehmoment zu bestimmen und diese Werte für die erfindungsgemäße Regelung zu verwenden.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lagerungsanordnung;

Fig. 2 eine Perspektivansicht der in Fig. 1 gezeigten Lagerungsanordnung; und

Fig. 3 eine Detailansicht einer in den Fig. 1 und 2 gezeigten Lagerungsanordnung.

Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene seitliche Ansicht und Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lagerungsanordnung 01 zur Lagerung eines antreibbaren Rades an einem Radträger 02 eines Fahrzeuges. Die Lagerungsanordnung 01 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 01 ist hier 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 wer- den.

Die Radnabe 06 ist an einem Drehgelenk 09 befestigt. Das Drehgelenk 09 ist mit einer Antriebswelle (nicht gezeigt) verbunden und überträgt Drehmomente von der Antriebswelle zur 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 jedoch nicht geeignet, um die auftretenden Drehmomente

zu übertragen. Hierfür weisen die stirnseitigen Auflageflächen zwischen der Radnabe 06 und dem Drehgelenk 09 jeweils 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.

Der Lagerinnenring 03 weist axial neben der Stirnverzahnung 12 eine Ausnehmung in Form einer umlaufenden Nut 13 auf. Hierdurch erfährt der Lage- rinnenring 03 im Bereich zwischen der Nut 13 und der Stirnverzahnung 12 eine Materialschwächung und ist als ein Kragen 14 ausgebildet. Der Kragen 14 besitzt eine axiale Länge von nur einigen Millimetern, wobei diese mit zunehmendem Radius abnimmt. Die axiale Länge des Kragens 14 ist so bemessen, dass dieser die auf die Stirnverzahnung 12 wirkenden Kräfte aufnehmen kann. Bei den im Betrieb auftretenden Kräften kommt es daher nicht zu einer plastischen Verformung des Kragens 14. Gleichzeitig ist die axiale Länge des Kragens 14 so bemessen, dass axial auf die Stirnzahnung 12 in Richtung der Radnabe 06 wirkende Kräfte eine elastische Verformung am freien Ende des Kragens bewirken und in hohem Maße auch bis zur Nut 13 wirken. In der Nut 13 befinden sich ein Messelementträger 16 mit einem Messelement 17. Der Messelementträger 16 füllt die Nut 13 fast vollständig aus und besteht aus einem harten Werkstoff. Er fungiert auch als Laufbahn des Lagerinnenringes 03 für eine der beiden Reihen der Kugeln 08. Zwischen dem Messelementträger 16 und dem Kragen 14 ist das Messelement 17 spielfrei angeordnet. Durch die spielfreie Anordnung des Messelementes 17 gegenüber dem harten Messelementträger 16 ist gewährleistet, dass eine auf den Kragen 14 axial in Richtung der Radnabe 06 wirkende Kraft in hohem Maße auf das Messelement 17 einwirkt. Da der Messelementträger 16 gleichzeitig als Laufbahn für die Kugeln 08 fungiert, wird eine axial in Rich- tung der Radnabe 06 auf den Kragen 14 wirkende Kraft unmittelbar vom Messelementträger 16 auf die Kugeln 08 übertragen, sodass die Kraft nur geringfügig vom Ansatz 04 der Radnabe 06 aufgenommen werden kann.

Auch diese konstruktive Gestaltung gewährleistet, dass die axial wirkende Kraft in hohem Maße auf das Messelement 17 wirkt.

Das Messelement 17 weist eine Ringform entsprechende der Nut 13 auf und besteht aus einem Material, welches einen ausgeprägten inversen magne- tostriktiven Effekt aufweist. Wirkt eine Kraft auf das Messelement 17, so verändert sich das magnetische Feld des Messelementes 17 aufgrund des inversen magnetostriktiven Effektes.

Das veränderliche magnetische Feld des Messelementes 17 wird mit einem Sensor 18 gemessen. Der Sensor 18 ist am Lageraußenring 07 befestigt und steht dem Messelement 17 gegenüber. Zwischen dem Sensor 18 und dem Messelement 17 ist ein Spalt von wenigen Millimetern vorhanden. Bei dem Sensor 18 handelt es sich um einen magentoresistiven Sensor, wie beispielsweise einen MR-, AMR-, TMR-, CMR- oder GMI-Sensor. Es kann jedoch jeder Sensortyp verwendet werden, mit dem die auftretende Magnetfeldänderung gemessen werden kann; beispielsweise auch ein Sensor, mit dem die induzierte Spannung gemessen wird. Der Sensor 18 ist mit einer Anschlussleitung 19 mit einer Auswerteelektronik (nicht gezeigt) verbunden.

Mit der Lagerungsanordnung 01 ist es möglich, ein Drehmoment, welches auf die Antriebswelle, das Drehgelenk 09, die Radnabe 06 und das Rad wirkt, zu bestimmen. Es können sowohl Antriebsdrehmomente als auch Schleppdrehmomente bestimmt werden. Beide Drehmomentarten bewirken, dass das auftretende Drehmoment an der Stirnverzahnung 12 teilweise in eine zum Drehmoment proportionale, axial wirkende Kraft umgewandelt wird, welche auf das Messelement 17 wirkt. Diese Wirkung wird mit dem Sensor 18 gemessen und der Auswertelektronik signalisiert.

Das Fahrzeug umfasst vorzugsweise drei weitere antreibbare Räder, deren Lagerungseinheiten in gleicher Weise wie die gezeigte Lagerungseinheit 01 ausgeführt sind. Die Auswerteelektronik empfängt die Signale der Sensoren

aller vier Lagerungseinheiten. Auf diese Weise kann jederzeit die Momentenverteilung der Räder des Fahrzeuges ermittelt werden. Das Fahrzeug verfügt weiterhin über eine Vorrichtung zur Steuerung der Momentenverteilung. Derartige Steuerungsvorrichtungen nehmen Einfluss u. a. auf das Drehmo- ment einer Antriebseinrichtung, auf die Einstellungen von Differentialgetrieben, auf Kupplungen zwischen den Antriebswellen und auf einzelne Radbremsen. Da die Momentenverteilung mit Hilfe der Auswerteelektronik permanent gemessen wird, kann ein Regelkreis zur Regelung der Antriebs- und Schleppdrehmomente der Räder des Fahrzeuges aufgebaut werden. Dieser Regelkreis ermöglicht eine genaue Anpassung der Momentenverteilung an die gegebene Fahrsituation.

In der gezeigten Ausführungsform ist eine Sensoreinheit durch das Messelement 17 und den Sensor 18 gebildet. Die Sensoreinheit einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur Regelung der Momentenverteilung kann auch durch andere Anordnungen zur Bestimmung des auf das jeweilige Rad wirkenden Drehmomentes gebildet sein.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Lagerungs- anordnung. Es ist insbesondere ein Zahn 21 der Stirnverzahnung am Kragen 14 und das Messelement 17 dargestellt. Die Darstellung verdeutlicht, dass die Ausführung des Kragens 14 eine Weiterleitung einer axial wirkenden Kraft auf das Messelement 17 ermöglicht, da der Kragen 14 eine entsprechend kleine Materialstärke aufweist. Ein Pfeil 22 symbolisiert ein zwi- sehen dem Rad und der Antriebswelle wirkendes Drehmoment, welches als seitlich wirkende Kraft auf den Zahn 21 einwirkt. Aufgrund der schrägen Ausführung des Zahnes 21 an seinen Flanken 23 resultiert das Drehmoment 22 in einer axial wirkenden Kraftkomponente, welche durch den Pfeil 24 symbolisiert ist. Das Verhältnis zwischen der seitlich wirkenden Kraft des Drehmo- mentes 23 zur axial wirkenden Kraft 24 wird durch den Neigungswinkel der Flanken 23 bestimmt.

Bezugszeichenliste

01 Lagerungsanordnung

02 Radträger 03 Lagerinnenring

04 Ansatz an der Radnabe

05 -

06 Radnabe

07 Lageraußenring 08 Kugeln

09 Drehgelenk

10 -

11 Schraube

12 Stirnverzahnung 13 Nut

14 Kragen

15 -

16 Messelementträger

17 Messelement 18 Sensor

19 Anschlussleitung

20 -

21 Zahn

22 Drehmoment 23 schräge Flanke

24 axiale Kraft