CN116917187A - 旋转角度传感器布置结构和用于车辆的转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转角度传感器布置结构(6)，所述旋转角度传感器布置结构用于在轴(8)绕所述轴(8)的旋转轴线(10)旋转的情况下确定轴(8)的旋转角度，所述旋转角度传感器布置结构包括：与轴(8)力传递连接的周转编码器(12)和用于探测周转编码器(12)的运动的周转传感器(14)，其特征在于，在所述轴(8)上设置有旋转角度传感器布置结构(6)的传动装置(18)的抗扭设置的第一传动装置件(16)，且所述周转编码器(12)构成为传动装置(18)的与第一传动装置件(16)处于接合的第二传动装置件；其中，所述传动装置(18)同时在轴(8)逆时针旋转的情况下在轴(8)的旋转角度范围的第一端部上以及在轴(8)顺时针旋转的情况下在轴(8)的旋转角度范围的第二端部上分别构成轴(8)的固定的机械止挡部。

Description

旋转角度传感器布置结构和用于车辆的转向系统

技术领域

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中所提及的类型的旋转角度传感器布置结构以及一种在权利要求7的前序部分中所提及的类型的用于车辆的转向系统。

背景技术

这种旋转角度传感器布置结构和用于车辆的转向系统从现有技术中在许多实施变型中已经已知。已知的用于在轴绕所述轴的旋转轴线旋转的情况下确定轴的旋转角度的旋转角度传感器布置结构在此此外包括：与轴力传递连接的周转编码器和用于探测周转编码器的运动的周转传感器。已知的用于车辆的转向系统包括：刚性的转向柱；控制器；借助于方向盘执行器和轴能旋转地设置在转向柱上的方向盘，其中，与控制器信号传输地连接的并具有外转子电动机的方向盘执行器刚性地紧固在转向柱上且借助于轴与方向盘扭矩传递地连接；以及上述的且与控制器信号传输地连接的旋转角度传感器布置结构，所述旋转角度传感器布置结构用于在轴绕所述轴的旋转轴线旋转的情况下确定上述的且与方向盘抗扭地且与方向盘执行器扭矩传递地连接的轴的旋转角度。

发明内容

本发明在此开始。

本发明基于的任务在于，改进一种旋转角度传感器布置结构和配备有所述旋转角度传感器布置结构的用于车辆的转向系统。

所述任务通过具有权利要求1的特征的旋转角度传感器布置结构来解决，其特征在于，在轴上设置有旋转角度传感器布置结构的传动装置的抗扭设置的第一传动装置件，且周转编码器构成为传动装置的与第一传动装置件处于接合的第二传动装置件；其中，所述传动装置同时在轴逆时针旋转的情况下在轴的旋转角度范围的第一端部上以及在轴顺时针旋转的情况下在轴的旋转角度范围的第二端部上分别构成轴的固定的机械止挡部。此外，该问题通过具有权利要求7的特征的转向系统来解决。从属权利要求涉及本发明的有利进一步扩展方案。

本发明主要的优点特别是在于，旋转角度传感器布置结构和配备有所述旋转角度传感器布置结构的用于车辆的转向系统是改善的。基于旋转角度传感器布置结构和用于车辆的转向系统的按照本发明的构成，一方面旋转角度传感器布置结构和另一方面用于车辆的转向系统的结构基本上是简化的。这特别是因为：传动装置在按照本发明的旋转角度传感器布置结构中一方面用作在轴绕其旋转轴线逆时针旋转和顺时针旋转的情况下轴的固定的机械止挡部且如此有效并可靠地防止轴的过度旋转(überdrehen)、例如转向系统的方向盘的转向过度。另一方面，传动装置同时用于探测轴的部分的和/或完整的和/或多次的周转，并从而探测例如转向系统的方向盘的部分的和/或完整的和/或多次的周转。由此能实现旋转角度传感器布置结构和配备有所述旋转角度传感器布置结构的用于车辆的转向系统的节省空间且节省构件以及构造和制造友好的结构方式。

原则上，按照本发明的旋转角度传感器布置结构可根据类型、功能方式、材料和尺寸在广泛的适合范围中自由选择。

按照本发明的旋转角度传感器布置结构的一个有利的进一步扩展方案规定，所述旋转角度传感器布置结构构成为用于确定轴的多个360°周转，其中，所述轴能绕所述轴的旋转轴线在-n*360°至+n*360°的旋转角度范围中旋转，且所述传动装置同时在-n*360°的旋转角度的情况下和在+n*360°的旋转角度的情况下分别构成轴的固定的机械止挡部。通过这种方式显著地扩展了按照本发明的旋转角度传感器布置结构的应用范围。例如这在商用车、如卡车或诸如此类的情况下是有利的，在这些商用车中通常在控制车辆时需要方向盘的多次周转。N在此可以是自然数。然而，这不是一定必要的。相应地也可设想如下旋转角度范围，其中，旋转角度范围在轴从0°开始逆时针和顺时针旋转的情况下，分别以不完整的周转结束。

按照本发明的旋转角度传感器布置结构的另一有利的进一步扩展方案规定，所述第一传动装置件构成为所述轴的一体的组成部分，优选的是，所述第一传动装置件构成为在轴中的螺纹式凹槽，且所述第二传动装置件构成为在螺纹式凹槽中引导的滑块。由此，传动装置能通过在构造和制造技术方面特别简单和鲁棒的方式和方法而被实现。这特别是适用于该进一步扩展方案的优选实施方式。

按照本发明的旋转角度传感器布置结构的特别有利的进一步扩展方案规定，所述旋转角度传感器布置结构具有与轴抗扭连接的旋转角度编码器和与旋转角度编码器对应的、用于检测轴绕旋转轴线在-/+360°之下的旋转角度范围中的旋转的旋转角度传感器，优选的是，所述旋转角度编码器设置在所述轴的自由端侧上，特别优选的是，所述旋转角度编码器构成为所述轴的一体的组成部分。通过这种方式，例如所谓的粗略/精细跟踪方法(Spurverfahren)可以借助于在一侧上的周转编码器和周转传感器且借助于在另一侧上的旋转角度编码器和旋转角度传感器来实现。但是特别是也可以考虑的是应用所谓的游标(Nonius)方法。

按照本发明的旋转角度传感器布置结构的上述实施方式的一个有利的进一步扩展方案规定，所述旋转角度编码器和旋转角度传感器附加地构成为适合于检测所述轴绕旋转轴线在大于-/+360°、优选地为-/+n*360°的旋转角度范围中的旋转。由此例如足够的是，如果在车辆中将方向盘的旋转角度范围减小到例如小于2个周转，那么借助于周转编码器和周转传感器检测仅仅两个切换状态。

相应地，在这种情况或类似情况下不需要的是，周转编码器和周转传感器以高分辨率探测旋转角度。相反，周转编码器和周转传感器也可以仅仅构成为，作为具有有限和可控的数量的切换位置的计数器来起作用。周转传感器例如可以容性、感性或光学地(例如作为光栅)实现。这种系统也称为接近切换器。

例如，这样的计数器可以在具有-350°至+350°的旋转角度范围的转向的情况下如此设计，使得对于名义上的-350°至0°的范围金属面(在光学传感器的情况下为遮蔽面或反射面)在接近切换器之下/之前起作用且名义上在0°至+350°的范围不产生这样的作用。换言之，这样实现了如下切换器，所述切换器在0°——这应对应于车辆的直线行驶——的情况下进行切换。向左或向右转动方向盘、亦即轴沿逆时针方向或沿顺时针方向的旋转可以借助于切换状态明确地区分。

根据切换器的选择和所使用的物理基本原理(容性、感性、光学)，可以通过应用多样的物理基本原理来实现安全收益。这意味着，不同的物理基本原理通常不能同时受到同一个错误或受到同一个干扰的影响。

如果在狭窄的空间中结构空间集成是期望的或必要的，则在选择多样的设计方案的情况下的另一方面可以是串扰的最小化。

用于选择多样的基本原理的这些考虑以相同的方式适用于分别具有比在构成为切换器或诸如此类的情况下更高分辨率的周转编码器和周转传感器和/或旋转角度编码器和旋转角度传感器。

功能性与周转编码器和周转传感器是否构成为高分辨率或者是否构成为切换器(必要时构成为多级切换器)无关地分别结合旋转角度编码器和旋转角度传感器而保持不变，对此应基于商业和结构空间集成的考虑以及根据功能安全性的考虑在相应的单个情况下做出选择。

按照本发明的旋转角度传感器布置结构的另一有利的进一步扩展方案规定，所述周转传感器和/或旋转角度传感器分别构成为感性传感器，优选的是，所述周转传感器和/或旋转角度传感器分别具有大于1兆赫兹的测量频率。感性传感器是鲁棒的且在困难的应用条件下(例如在车辆中)也是非常可靠的。这特别是适用于该进一步扩展方案的优选实施方式。基于优选实施方式，有效防止了电机电流的寄生串扰，或还防止了由于永磁体的寄生串扰。在没有对周转传感器和/或旋转角度传感器的进一步屏蔽措施的情况下如此成功实现：关于耐辐射和照射方面遵循在汽车领域中已知的用于电磁兼容(EMV)的测试。

原则上，按照本发明的用于车辆的转向系统同样可根据类型、功能方式、材料和尺寸在广泛的适合范围中自由选择。特别是，按照本发明的转向系统可有利地用于所谓的线控转向车辆中。

按照本发明的转向系统的一个有利的进一步扩展方案、援引权利要求4规定，所述旋转角度编码器和旋转角度传感器附加地构成为用于检测电动机的外转子相对于刚性的转向柱的旋转位置，优选的是，所述旋转位置的检测构成并设立为与电动机的极对划分相匹配。通过这种方式，提高旋转角度编码器和旋转角度传感器的功能性。这特别是有利地实现在该进一步扩展方案的优选实施方式中。如果在电机中或者在传感装置中的不对称性必须在大于-/+360°的旋转角度范围上被补偿，那么有必要例如检测电动机的外转子相对于刚性的转向柱的旋转位置。这样的补偿在调节中按目的地借助于查阅表实现。在前述表格的网格点之间的角度例如通过插值在数学上计算。

在完整的-/+360°上的补偿是重要的，因为许多机械公差效应和不对称性恰好只能在完整的-/+360°上识别出并因此能得到补偿。当然，也可能构成具有在-/+180°上的周期或具有-/+360°的更小划分的周期的不对称性，所述不对称性在这样的情况下应根据相同的方案进行校正。

按照本发明的转向系统的另一有利的进一步扩展方案、援引权利要求4规定，所述旋转角度传感器设置在紧固在转向柱上的电路板上，且所述轴以旋转角度编码器突出通过电路板中的开口。由此，例如可能的是，将旋转角度传感器相对于外转子电动机非常节省空间地设置，因为在外转子电动机的情况下可以在结构空间技术方面非常好地安置环形或扇形的传感器。如此，这种旋转角度传感器例如构成为环或环的一段。

附图说明

根据所附的、粗略示意的附图在下文中进一步阐明本发明。在此，唯一的附图示出：

图1在局部透视的视图中示出用于车辆的包括按照本发明的旋转角度传感器布置结构的按照本发明的转向系统的一个实施例。

具体实施方式

在图1中纯示例性地示出用于车辆的包括按照本发明的旋转角度传感器布置结构的按照本发明的转向系统的一个实施例。

车辆在图1中未进一步示出。转向系统2构成为所谓的线控转向系统且包括：刚性的转向柱；控制器；借助于方向盘执行器和轴8能旋转地设置在转向柱上的方向盘4，其中，与控制器信号传输地连接的并具有外转子电动机的方向盘执行器刚性地紧固在转向柱上且借助于轴8与方向盘4扭矩传递地连接。此外，转向系统2包括与控制器信号传输地连接的旋转角度传感器布置结构6，所述旋转角度传感器布置结构用于在轴8绕轴8的旋转轴线10旋转的情况下确定与方向盘4抗扭地且与方向盘执行器扭矩传递地连接的轴8的旋转角度。转向柱、控制器和具有外转子电动机的转向执行器在图1中未示出。控制器通过对于本领域技术人员自身已知的方式和方法设置在转向系统2的电路板上。

用于在轴8绕轴8的旋转轴线10旋转的情况下确定轴8的旋转角度的旋转角度传感器布置结构6包括：与轴8力传递连接的周转编码器12和用于探测周转编码器12的运动的周转传感器14，其中，按照本发明在轴8上设置有旋转角度传感器布置结构6的传动装置18的抗扭设置的第一传动装置件16，且周转编码器12构成为传动装置18的与第一传动装置件16处于接合的第二传动装置件；且所述传动装置18同时在轴8逆时针旋转的情况下在轴8的旋转角度范围的第一端部上以及在轴8顺时针旋转的情况下在轴8的旋转角度范围的第二端部上分别构成轴8的固定的机械止挡部。

在本实施例中，旋转角度传感器布置结构6构成为用于确定轴8的多个360°周转，其中，轴8能绕轴8的旋转轴线10在-n*360°至+n*360°的旋转角度范围中旋转，且所述传动装置18同时在-n*360°的旋转角度的情况下和在+n*360°的旋转角度的情况下分别构成轴8的固定的机械止挡部。符号“-”和“+”在申请文本中仅仅代表轴8逆时针和顺时针绕其旋转轴线10的可能的旋转。

第一传动装置件16在此构成为轴8的一体的组成部分，亦即如此，第一传动装置件16构成为在轴8中的螺纹式凹槽，且第二传动装置件12构成为在螺纹式凹槽16中引导的滑块。

在本实施例中，旋转角度传感器布置结构6还具有与轴8抗扭连接的旋转角度编码器20和与旋转角度编码器20对应的、用于检测轴8绕旋转轴线10在-/+360°之下的旋转角度范围中的旋转的旋转角度传感器，其中，所述旋转角度编码器20在此设置在轴8的自由端侧上，亦即如此，所述旋转角度编码器20构成为轴8的一体的组成部分。旋转角度传感器在此未示出且具有在转向系统2的同样未示出的电路板上设置的导体电路。

在本发明的其他实施方式中，旋转角度编码器和旋转角度传感器可以附加地构成为适合于检测所述轴绕旋转轴线在大于-/+360°、优选地为-/+n*360°的旋转角度范围中的旋转。为此也参见在说明书开始部分中的关于此的实施方案。

在本实施例中，所述周转传感器14和旋转角度传感器分别构成为感性传感器，其中，所述周转传感器14和旋转角度传感器分别具有大于1兆赫兹的测量频率。然而，原则上其他传感器原理也是可以考虑的，例如容性或光学传感装置。对此同样参见在说明书开始部分中的相应实施方案。

在本实施例中此外规定，旋转角度编码器20和旋转角度传感器附加地构成为用于检测电动机的外转子相对于刚性的转向柱的旋转位置，亦即如此，所述旋转位置的检测构成并设立为与电动机的极对划分相匹配。而且为此进一步的说明在说明书开始部分中找到。

在下文中根据图1简短阐明按照本实施例用于包括按照本发明的旋转角度传感器布置结构的车辆的按照本发明的转向系统的功能方式。

一旦车辆的未示出的驾驶员在转向系统2的方向盘4上转动，那么轴8同样绕其旋转轴线10旋转。因为构成为滑块的周转编码器12与传动装置18的构成为螺纹的第一传动装置件16处于接合，那么借助于轴8绕其旋转轴线10的旋转，根据旋转方向周转编码器12在图1的图平面中从左向右或从右向左运动。在本实施例中，轴8的旋转运动于是转换为周转编码器12的平移运动。因为由此周转编码器12相对于周转传感器14的相对位置变化，所以旋转角度的变化可以借助于周转传感器14探测且可被转发给控制器以用于进一步处理。

随着轴8绕其旋转轴线10的上述旋转，集成在从图1可以看出的端侧中的旋转角度编码器20绕旋转轴线10旋转。相应地，所述旋转角度编码器与旋转角度传感器的相对位置也发生变化，从而旋转角度的变化借助于旋转角度传感器同样可探测到且可被转发给控制器以用于进一步处理。

周转传感器12和旋转角度传感器的通过前述方式和方法产生的输出信号例如可以在控制器中根据在说明书开始部分中所提及的方法之一转换为轴8的旋转角度并从而转换为转向系统2的方向盘4的旋转角度。

基于旋转角度传感器布置结构6和转向系统2的按照本发明的构成，一方面旋转角度传感器布置结构6且另一方面转向系统2的结构是极其简化的。这特别是因为：传动装置18在旋转角度传感器布置结构6中一方面用作在轴8绕其旋转轴线10逆时针旋转和顺时针旋转的情况下轴8的固定的机械止挡部且如此有效并可靠防止轴8的过度旋转、亦即转向系统2的方向盘4的转向过度。另一方面，传动装置18同时用于探测轴8的部分的和/或完整的和/或多次周转，并从而探测例如转向系统2的方向盘4的部分的和/或完整的和/或多次周转。由此能实现旋转角度传感器布置结构6和配备有所述旋转角度传感器布置结构的用于车辆的转向系统2的节省空间和节省构件以及构造且制造友好的结构方式。

本发明不限于本实施例。例如按照本发明的转向系统和按照本发明的旋转角度传感器布置结构也可有利地用于其他类型车辆中。

特别是本发明不限于上述构造和制造技术的细节。

例如，代替螺纹式的第一螺纹件，构成为第二螺纹件的周转编码器、例如所述实施例中的滑块可以借助于第一螺纹件如此在轴上引导，使得周转编码器在轴绕其旋转轴线旋转的情况下相对于旋转轴线不是平移地而是旋转地运动。

与在本实施例中构成为所谓的轴端(End-of-shaft)编码器的旋转角度编码器20不同，旋转角度编码器可以在本发明的其他实施方式中构成为所谓的通孔编码器。相应地，旋转角度传感器可以设置在紧固在转向柱上的电路板上，其中，所述轴在这种情况下以旋转角度编码器突出通过电路板中的开口。

附图标记列表

2转向系统

4方向盘

6旋转角度传感器布置结构

8轴

10轴8的旋转轴线

12 周转编码器

14 周转传感器

16传动装置18的第一传动装置件

18 传动装置

20 旋转角度编码器

Claims (9)

1.旋转角度传感器布置结构(6)，所述旋转角度传感器布置结构用于在轴(8)绕所述轴(8)的旋转轴线(10)旋转的情况下确定轴(8)的旋转角度，所述旋转角度传感器布置结构包括：与轴(8)力传递连接的周转编码器(12)和用于探测周转编码器(12)的运动的周转传感器(14)，

其特征在于，

在所述轴(8)上设置有旋转角度传感器布置结构(6)的传动装置(18)的抗扭设置的第一传动装置件(16)，且所述周转编码器(12)构成为传动装置(18)的与第一传动装置件(16)处于接合的第二传动装置件；其中，所述传动装置(18)同时在轴(8)逆时针旋转的情况下在轴(8)的旋转角度范围的第一端部上以及在轴(8)顺时针旋转的情况下在轴(8)的旋转角度范围的第二端部上分别构成轴(8)的固定的机械止挡部。

2.根据权利要求1所述的旋转角度传感器布置结构(6)，其特征在于，

所述旋转角度传感器布置结构(6)构成为用于确定轴(8)的多个360°周转，其中，所述轴(8)能绕所述轴(8)的旋转轴线(10)在-n*360°至+n*360°的旋转角度范围中旋转，且所述传动装置(18)同时在-n*360°的旋转角度的情况下和在+n*360°的旋转角度的情况下分别构成轴(8)的固定的机械止挡部。

3.根据权利要求1或2所述的旋转角度传感器布置结构(6)，

其特征在于，

所述第一传动装置件(16)构成为所述轴(8)的一体的组成部分，优选的是，所述第一传动装置件(16)构成为在轴(8)中的螺纹式凹槽，且所述第二传动装置件(12)构成为在螺纹式凹槽中引导的滑块。

4.根据权利要求1至3之一所述的旋转角度传感器布置结构(6)，

其特征在于，

所述旋转角度传感器布置结构(6)具有与轴(8)抗扭连接的旋转角度编码器(20)和与旋转角度编码器(20)对应的、用于检测轴(8)绕旋转轴线(10)在-/+360°之下的旋转角度范围中的旋转的旋转角度传感器，优选的是，所述旋转角度编码器(20)设置在所述轴(8)的自由端侧上，特别优选的是，所述旋转角度编码器(20)构成为所述轴(8)的一体的组成部分。

5.根据权利要求4所述的旋转角度传感器布置结构，

其特征在于，

所述旋转角度编码器和旋转角度传感器附加地构成为适合于检测所述轴绕旋转轴线在大于-/+360°、优选地为-/+n*360°的旋转角度范围中的旋转。

6.根据权利要求1至5之一所述的旋转角度传感器布置结构(6)，

其特征在于，

所述周转传感器(14)和/或旋转角度传感器分别构成为感性传感器，优选的是，所述周转传感器(14)和/或旋转角度传感器分别具有大于1兆赫兹的测量频率。

7.用于车辆的转向系统(2)，所述转向系统包括：刚性的转向柱；控制器；在转向柱上借助于方向盘执行器和轴(8)能旋转地设置的方向盘(4)，其中，与控制器信号传输地连接的并具有外转子电动机的方向盘执行器刚性地紧固在转向柱上且借助于轴(8)与方向盘(4)扭矩传递地连接；以及与控制器信号传输地连接的旋转角度传感器布置结构(6)，所述旋转角度传感器布置结构用于在轴(8)绕所述轴(8)的旋转轴线(10)旋转的情况下确定与方向盘(4)抗扭地且与方向盘执行器扭矩传递地连接的轴(8)的旋转角度，

其特征在于，

所述旋转角度传感器布置结构(6)根据权利要求1至6之一构成。

8.根据权利要求7、援引权利要求4所述的转向系统(2)，

其特征在于，

所述旋转角度编码器(20)和旋转角度传感器附加地构成为用于检测电动机的外转子相对于刚性的转向柱的旋转位置，优选的是，所述旋转位置的检测构成并设立为与电动机的极对划分相匹配。

9.根据权利要求7或8、援引参考权利要求4所述的转向系统(2)，

其特征在于，

所述旋转角度传感器设置在紧固在转向柱上的电路板上，且所述轴以旋转角度编码器突出通过电路板中的开口。