WO2026077802A1 - Aktuator zur anordnung in einer nabe eines fahrzeugrades mit beweglichen aeroelementen und ein fahrzeugrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Anordnung in einer Nabe (43) eines Fahrzeugrades (45) mit beweglichen Aeroelementen (511, 513) der zur Verstellung der am Fahrzeugrad (45) beweglich gelagerten Aeroelemente (511, 513) elektrische und elektronische Komponenten umfasst. Bei einem Aktuator, bei welchem eine Kühlung der in und/oder hinter dem Rad angeordneten Bauteile verbessert wird, sind die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (5, 17) auf beziehungsweise in einem Gehäuse (23) aus einem thermisch leitenden Material angeordnet, welches mit einem außenliegenden Kühlelement (31) verbunden ist.

Description

Mercedes-Benz Group AG Frank Thoms

01.10.2025

Aktuator zur Anordnung in einer Nabe eines Fahrzeugrades mit beweglichen Aeroelementen und ein Fahrzeugrad

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Anordnung in einer Nabe eines Fahrzeugrades mit beweglichen Aeroelementen, der zur Verstellung der am Fahrzeugrad beweglich gelagerten Aeroelemente elektrische und elektronische Komponenten umfasst, sowie ein Fahrzeugrad.

Die EP 3 530482 A1 offenbart ein Rad mit einer Nabe, die einen zylindrischen Hohlraum aufweist, in welchem ein elektrische Energie in mechanische Energie wandelnder Aktuator angeordnet ist. Der Aktuator ist Bestandteil einer modularen Einheit, die an Stelle einer Nabenkappe angeordnet und mit der Nabe drehfest verbunden ist. Die modulare Einheit umfasst neben dem Aktuator einen Energiespeicher sowie eine drahtlose Steuerung zur Ansteuerung eines Verbrauchers, beispielweise des Aktuators.

Aus der DE 102022 001 651 A1 ist ein Rad für ein Kraftfahrzeug bekannt, das eine zentral im Rad angeordnete Radnabe und eine radial im Umfangsbereich des Rads angeordnete Radfelge aufweist. In einem Zwischenbereich zwischen Radnabe und Radfelge ist eine Radscheibe angeordnet, welche in mehrere voneinander getrennte bewegliche Scheibensegmente unterteilt ist. Durch einen in die Radnabe integrierten Aktuator wird die Winkelstellung der beweglichen Scheibensegmente verändert. Dabei können zwei unterschiedliche Betriebszustände eingestellt werden, bei welchen die Scheibensegmente entweder in einer ausgerückten Position des Aktuators vollständig geschlossen sind oder in einer eingerückten Position des Aktuators eine Winkelposition zur Bildung eines Luftspalts einnehmen, um einen Luftstrom auf die Rückseite des Rads gelangen zu lassen, um beispielsweise die Bremsscheiben des Kraftfahrzeuges zu kühlen. Der Luftspalt ist zwischen dem an die Radfelge angrenzenden Randbereich der Scheibensegmente und der Radfelge ausgebildet. Eine solche aerodynamische Optimierung des Rades reduziert unter anderem die Funktion der Bremsenkühlung, da der zur Kühlung benötigte Luftstrom, welcher durch das Rad zwischen den Radspeichen abfließt, gehemmt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aktuator und ein Rad für ein Fahrzeug mit beweglichen Scheibensegmenten anzugeben, bei welchem eine Kühlung der in und/oder hinter dem Rad angeordneten Bauteile verbessert wird.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.

Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand der Patentansprüche 1 beziehungsweise 10 gelöst.

Bei dem eingangs erläuterten Aktuator zur Anordnung in einer Nabe eines Fahrzeugrades mit beweglichen Aeroelementen, der zur Verstellung der am Fahrzeugrad beweglich gelagerten Aeroelemente elektrische und/oder elektronische Komponenten umfasst, sind die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten auf beziehungsweise in einem Gehäuse aus einem thermisch leitenden Material angeordnet, welches mit einem außenliegenden Kühlelement verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die von den elektrischen und/oder elektronischen Komponenten erzeugte Wärme von dem großflächigen Gehäuse über den Kühlelement direkt an die Umgebung abgeleitet wird. Dadurch wird ein Überhitzungsschutz gewährleistet, welcher zu einer thermischen Stabilität der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten beiträgt. Durch diese Reduzierung der thermischen Komponentenlast wird die Lebensdauer der elektrischen und/oder elektronischen Komponenten und somit die Funktionssicherheit des Aktuators erhöht.

In einer Ausgestaltung ist das Gehäuse wenigsten zweiteilig ausgebildet und umfasst ein die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten umgebendes Innengehäuse, das aus dem thermisch leitenden Material ausgebildet ist, wobei das Innengehäuse in einem Außengehäuse gelagert ist, welches aus einem thermisch nichtleitenden Material gebildet ist. Das Innengehäuse mit den elektrischen und/oder elektronischen Komponenten lässt sich gemeinsam mit dem Kühlelement als eine Baueinheit vormontieren, welche anschließend nur noch in das Außengehäuse eingesetzt werden muss, was die Montage des Aktuators vereinfacht.

In einer weiteren Ausgestaltung besteht eine metallische Verbindung zwischen dem Kühlelement und dem thermisch leitenden Innengehäuse. Dadurch wird sichergestellt, dass der Wärmeabfluss vom Innengehäuse zu dem außenliegenden Kühlelement nicht unterbrochen wird.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kühlelement auf die die Radnabe abschließende Außenseite des Aktuators aufgesetzt. Das Kühlelement wird während der Fahrt des Fahrzeuges kontinuierlich vom Fahrtwind umströmt, was zu einer schnellen Abfuhr der von innen nach außen transportierten Wärme an die Umgebung beiträgt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Kühlelement als metallisches Zierelement ausgebildet. Ein solches Kühlelement trägt zu einem anmutenden Design des Rades des Fahrzeuges bei.

In einerweiteren Ausgestaltung umfassen die elektrischen Komponenten einen Elektromotor, welcher über ein die Motordrehbewegung weiterleitendes Übertragungselement mit einem aus der Motordrehbewegung eine Linearbewegung erzeugenden Koppelelement in einer Wirkverbindung steht, wobei das Koppelelement mit einem zur Betätigung der beweglichen Aeroelemente ausgebildeten Mitnehmerelement verbunden ist. Ein solcher Aktuator kann zentral am Rad montiert werden, wobei die Lebensdauer der verwendeten Bauelemente erhöht und deren Unempfindlichkeit gegenüber im Fahrzeug auftretenden Fliehkräften und Vibrationen genauso wie gegenüber thermischen Belastungen verbessert wird. Eine solcher Aktuator ist zum Einsatz in unterschiedlichen Fahrzeugrädern geeignet, weshalb große Stückzahlen in einer Serienproduktion hergestellt werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Übertragungselement als Spindelhohlwelle ausgebildet, welche den Elektromotor umschließt, wobei die Außenwandung der Spindelhohlwelle in einem Formschluss mit dem Koppelelement zur linearen Verschiebung des Mitnehmerelements steht. Dadurch wird eine besonders kompakte Einheit realisiert, die nur wenig axialen Bauraum benötigt und somit in der Nabe des Fahrzeugrads komfortabel verbaut werden kann. Dazu trägt auch die Verbringung einer Signal- und Leistungsübertragung in dem Aktuator bei. In einer weiteren Ausgestaltung greift ein an dem Koppelelement positionierter Läufer auf- und abfahrbar zur Ausführung einer axialen Bewegung in ein Spindelgewinde der Außenwandung der Spindelhohlwelle entlang deren Längserstreckung ein. Dadurch, dass das Koppelelement um die Spindelhohlwelle herum angeordnet ist, wird nur wenig axialer Bauraum zur Umwandlung der Motordrehbewegung in die lineare Bewegung des Mitnehmerelements benötigt.

In einer weiteren Ausgestaltung überragt das scheibenförmig ausgebildete Mitnehmerelement das Gehäuse und weist einen als zentrale Luftdurchlassöffnung im Bereich der elektrischen und/oder elektronischen Elemente ausgebildeten Kanal zu deren Kühlung auf. Durch diese zentrale Luftdurchlassöffnung wird der Aktuator zusätzlich von außen mit kühlender Luft angeströmt, wodurch der Kühleffekt weiter erhöht wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Rad für ein Fahrzeug, mit einer zentral im Rad angeordneten Radnabe, einer radial im Umfangsbereich des Rads angeordneten Radfelge und einer im Zwischenbereich zwischen Radfelge und Radnabe angeordneten Radscheibe, die in mindestens zwei voneinander getrennte bewegliche Scheibensegmente unterteilt ist, deren Winkelstellung bei einer Ansteuerung durch einen in der Radnabe integrierten Aktuator veränderbar ist, wobei der Aktuator nach mindestens einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmal ausgebildet ist. Mittels eines solchen Fahrzeugrades lassen sich durch unterschiedliche Winkelstellungen der Scheibensegmente, die durch die in dem Aktuator untergebrachte Bewegungsmechanik eingestellt werden, vorzugsweise die Bremsscheiben des Fahrzeuges bei Überhitzung kühlen, da durch die Winkelstellung ein Luftspalt zwischen den Scheibensegmenten eingestellt wird, durch welchen eine konvektive Strömung auf die Rückseite des Fahrzeugrades gelangt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Dabei zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Außenansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aktuators im zusammengebauten Zustand,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Gehäuses des Aktuators,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fahrzeugrades mit dem Aktuator in einer ausgerückten Position im Schnitt, und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Fahrzeugrades mit dem Aktuator gemäß Figur 3 in einer eingerückten Position im Schnitt.

Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktuators 1 umfasst dieser einen Motorkäfig 3, in welchem ein Elektromotor und ein Getriebe einschiebbar sind. Eine Spindelhohlwelle ist von der entgegengesetzten Seite in den Motorkäfig 3 eingeschoben und umfasst dabei den Elektromotor. Ein als Spinne ausgebildetes Koppelelement 11 greift mittels eines Läufers an der Außenseite der Spindelhohlwelle an. Mit dem Koppelelement 11 ist ein Mitnehmerelement 15 verbunden, das von dem Koppelelement 11 zu einer linearen Vor- und Zurückbewegung angeregt wird. In dem Motorkäfig 3 sind Akkumulatoren eingelegt, die die Spindelhohlwelle umgeben. Ein Generatorhalter dient als Träger für einen Unwuchtgenerator, durch welchen die Akkumulatoren während der Fahrt des Fahrzeuges aufgeladen werden. Gleichzeitig trägt der Generatorhalter eine nicht weiter dargestellte Leistungselektronikeinheit. Ein Gehäuse 23 deckt ein rotierendes Unwuchtgewicht und den Motorkäfig 3 mit den darin angeordneten Bauteilen ab und dichtet diese gleichzeitig ab. Das Gehäuse 23 ist mit einer Membran abgedichtet, die gleichzeitig eine Abfuhr von Luftfeuchtigkeit aus dem Gehäuse 23 erlaubt. Der in den Motorkäfig 3 inklusive Getriebe eingesetzte Elektromotor ist mit einem Elektronikdeckel abgedeckt und dient zur Abdichtung einer nicht weiter gezeigten Steuerelektronik sowie zur Unterbringung von Elektronikkomponenten. Auch der Elektronikdeckel ist nach außen mit einer Membran zur Abfuhr von Luftfeuchtigkeit versehen. Ein Radzierdeckel 31 schließt den Aktuator 1 nach außen als Sichtteil ab. Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Motorkäfig 3 in seiner radialen Ausdehnung verschiedene Ausnehmungen aufweist, um die Montage des Elektromotors, der Spindelhohlwelle, des Koppelelements und der Akkumulatoren nacheinander einfach zu ermöglichen. Der zentriert angeordnete Elektromotor steht über seine Motorachse mit der ihn umgebenden Spindelhohlwelle in einer Wirkverbindung, wodurch die Drehbewegung des Elektromotors auf die Spindelhohlwelle übertragen wird. Die Spindelhohlwelle weist an ihrem Außenumfang ein Spindelgewinde auf, in welches der Läufer des Koppelelementes 11 formschlüssig eingreift und in axialer Richtung je nach Drehrichtung des Elektromotors in einer linearen Bewegung hin und her geführt wird. Dadurch wird das mit dem Koppelelement 11 verbundene Mitnehmerelement 15 vor und zurück bewegt. Das Mitnehmerelement 15 weist entlang seinem Umfang Mitnehmertaschen 36 auf, die das Gehäuse 23 überragen. Durch eine Überschneidung von Koppelement 11 und Gehäuse 23 wird die durch das Mitnehmerelement 15 verursachte Öffnung abgedichtet.

Eine Außenansicht des erfindungsgemäßen Aktuators 1 im zusammengebauten Zustand ist in Figur 1 dargestellt. Dabei ist das Gehäuse 23 mit der integrierten Linearführung gezeigt, welche außen nur durch das Koppelelement 11 und das Mitnehmerelement 15 wahrnehmbar ist, wobei die Mitnehmertaschen 36 radial von dem Gehäuse 23 abstehen. Der Radzierdeckel 31 dient zur Abdeckung der Befestigungsschrauben des Aktuators 1 am Fahrzeugrad. Fig. 1a zeigt das Mitnehmerelement 15 und das Koppelelement 11 in einer ersten Position A der Linearbewegung L mit Anschlag am Radzierdeckel 31. Gemäß Fig. 1b haben sich das Koppelelement 11 und das Mitnehmerelement 15 linear in Richtung des Endes des Gehäuses 23 in eine Position B der Linearbewegung verschoben und dabei einen Verfahrweg von etwa 20 mm zurückgelegt.

Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung des Gehäuses 23 des Aktuators 1, welches zweiteilig aufgebaut ist und ein Außengehäuse 37 und ein in dieses formschlüssig eingeschobenes Innengehäuse 39 aufweist. Das Innengehäuse 39 besteht aus einem thermisch leitenden Material, beispielsweise aus einem Metall wie Aluminium, und ist über ein metallisches Verbindungselement 41 an den Radzierdeckel 31 angebunden. Dieser Radzierdeckel 31 ist ebenfalls aus einem thermisch leitenden Metall gefertigt und dient als Kühlkörper für den Aktuator 1 , da er vom Fahrwind während der Fahrt des Fahrzeuges umströmt wird. Innerhalb des Innengehäuses 39 sind der Motorkäfig 3 mit den Elementen Elektromotor, Spindelhohlwelle, Läufer des Koppelelementes 11 und weitere nicht weiter dargestellte, thermisch sensible Bauelemente angeordnet. Das als Träger für das Innengehäuse 39 ausgebildete Außengehäuse 37 besteht aus einem thermisch nichtleitenden Material, wie beispielsweise Kunststoff, und schützt den Aktuator 1 vor Vibrationen und Erschütterungen sowie mechanischer Beschädigung. Das Mitnehmerelement 15 ist scheibenförmig ausgebildet und weist einen umlaufenden Kanal 43 auf.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rades mit ausgerückten Aktuator 1 dargestellt. Im Rad 45 ist zentral eine Radnabe 47 ausgebildet, die mit einer nichtdargestellten Achse des Fahrzeuges verbunden ist. Im peripheren Umfeld des Rades 45 ist eine Radfelge 49 umlaufend angeordnet, auf der ein nicht weiter dargestellter Reifen montiert werden kann. Weiterhin befindet sich zwischen der Radnabe 47 und der Radfelge 49 eine Radscheibe 51 , die beispielsweise in vier gleichgroße, voneinander getrennte, bewegliche Scheibensegmente unterteilt ist. Der Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren nur zwei Scheibensegmente 511 , 513 dargestellt. In der Radnabe 47 ist der sich in dieser axial erstreckende elektromagnetische Aktuator 1 integriert, der mit dem Radzierelement 31 abgeschlossen ist und über Verbindungselemente 53, die als Kipphebel ausgebildet sind, mit allen vier Scheibensegmenten 511 , 513 der Radscheibe 51 verbunden ist. Die ins Zentrum weisenden Enden 65 der Scheibensegmente 511 , 513 sind über die Verbindungselemente 53 mit dem außenliegenden Mitnehmerelement 15 des Aktuators 1 gekoppelt. Jedes Scheibensegment 511 , 513 ist über ein Stützelement 55 mit einer Radspeiche 57 gekoppelt, wobei das Stützelement 55 fest an dem Scheibensegment 511 , 513 und einem Lagerpunkt 59 an der Radspeiche 57 drehbeziehungsweise schwenkbeweglich gelagert ist.

Der Aktuator 1 kann die Scheibensegmente 511, 513 in zwei unterschiedliche Winkelstellungen verstellen. Dazu wird der Aktuator 1 in axialer Richtung verschoben. Im normalen Fahrzustand befindet sich der Aktuator 1 in einer ausgerückten Position, wie sie in Figur 3 gezeigt ist. Die Scheibensegmente 511, 513 bilden eine vollflächig geschlossene Abdeckung des Rades 45, indem ein äußerer Rand 61 der Scheibensegmente 511, 513 auf der Radfelge 49 aufliegen. Der Kanal 43 des Mitnehmerelementes 15 ist durch das Radzierelement 31 verschlossen, da dieser in radialer Richtung das scheibenförmig ausgebildete Mitnehmerelement 15 überragt. Am Umfang des Mitnehmerelementes 15 erstrecken sich radial die als Kipphebel ausgebildete Verbindungselemente 53, die an dem jeweiligen direkten Enden 65 der Scheibensegmente 511, 513 an deren Schmalseite angekoppelt sind. Die Scheibensegmente 511, 513 bilden somit eine vollflächig geschlossene Abdeckung des Rades 45.

Figur 4 zeigt das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rades mit eingerücktem Aktuator 1. Durch die Einrückbewegung des Aktuators 1 wird das Mitnehmerelement 15 nach unten gezogen, wodurch ein Abstand zu dem Radzierelement 31 entsteht. Dieser Abstand generiert einen Luftspalt 67, durch welchen aus der Umgebung Luft (Pfeil P1) angesaugt wird, die durch den Kanal 43 hindurchtritt und über den Luftspalt 69 wieder nach außen abgegeben wird. Der Luftspalt 69 entsteht dadurch, dass die Verbindungselemente 53 die Scheibensegmente 511 , 513 nach unten drücken, wodurch sich die Scheibensegmente 511 , 513 an der Radfelge 49 öffnen.

Claims

Mercedes-Benz Group AG Frank Thoms 01.10.2025 Patentansprüche

1. Aktuator zur Anordnung in einer Nabe (43) eines Fahrzeugrades (45) mit beweglichen Aeroelementen (511 , 513), der zur Verstellung der am Fahrzeugrad (45) beweglich gelagerten Aeroelemente (511, 513) elektrische und/oder elektronische Komponenten umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten in einem Gehäuse (23) aus einem thermisch leitenden Material angeordnet sind, welches mit einem außenliegenden Kühlelement (31) verbunden ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (23) wenigsten zweiteilig ausgebildet ist und ein die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten umfassendes Innengehäuse (39) aus dem thermisch leitenden Material umfasst, wobei das Innengehäuse (39) in einem Außengehäuse (37) gelagert ist, welches aus einem thermisch nichtleitenden Material gebildet ist.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Verbindung (41) zwischen dem Kühlelement (31) und dem thermisch leitenden Innengehäuse (39) besteht.

4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (31) auf die die Radnabe (47) abschließende Außenseite des Aktuators (1) aufgesetzt ist.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement als metallisches Zierelement (31) ausgebildet ist.

6. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Komponenten einen Elektromotor umfassen, welcher über ein die Motordrehbewegung weiterleitendes Übertragungselement mit einem aus der Motordrehbewegung eine Linearbewegung erzeugenden Koppelelement (11) in einer Wirkverbindung steht, wobei das Koppelelement (11) mit einem zur Betätigung der beweglichen Aeroelemente (511 , 513) ausgebildeten Mitnehmerelement (15) verbunden ist.

7. Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement als Spindelhohlwelle ausgebildet ist, welche den Elektromotor umschließt, wobei die Außenwandung der Spindelhohlwelle in einem Formschluss mit dem Koppelelement (11) zur linearen Verschiebung des Mitnehmerelements (15) steht.

8. Aktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein an dem Koppelelement (11) positionierter Läufer auf- und abfahrbar zur Ausführung einer axialen Bewegung in ein Spindelgewinde (35) der Außenwandung der Spindelhohlwelle entlang deren Längserstreckung eingreift.

9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmig ausgebildete Mitnehmerelement (15) das Gehäuse (23) überragt und eine als zentrale Luftdurchlassöffnung im Bereich der elektrischen und/oder elektronischen Elemente ausgebildeten Kanal (43) zu deren Kühlung aufweist.

10. Rad für ein Fahrzeug, mit einer zentral im Rad (45) angeordneten Radnabe (47), einer radial im Umfangsbereich des Rads (45) angeordneten Radfelge (49) und einer im Zwischenbereich zwischen Radfelge (49) und Radnabe (47) angeordneten Radscheibe (51), die in mindestens zwei voneinander getrennte bewegliche Scheibensegmente (511 , 513) unterteilt ist, deren Winkelstellung bei einer Ansteuerung durch einen in der Radnabe (47) integrierten Aktuator (1) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.