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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Heutige Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, sind in der Regel mit hydraulischen Servolenkungen ausgestattet, bei denen ein Lenkhandrad mechanisch mit den lenkbaren Fahrzeugrädern zwangsgekoppelt ist. Die Lenkstange ist hier meist als eine Zahnstange ausgebildet (Zahnstangen-Servolenkung).
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Ferner sind Fahrzeuglenkungen bekannt, bei denen die Lenkbetätigungseinrichtung und die gelenkten Fahrzeugräder nur über eine Regelstrecke gekoppelt sind und wobei eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkhandrad und den Fahrzeugrädern nicht mehr vorliegt. Die lenkbaren Fahrzeugräder werden dann durch ein elektromechanisches Stellaggregat verstellt, welches die Lenkstange linear bewegt und über weitere Elemente, wie Spurstange und Spurstangenhebel, die Räder in die gewünschte Stellung verschwenkt (elektromechanische Lenkung).
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Zur Messung der Stellung der Fahrzeugräder kann die Lage der Lenkstange bzw. der Lenkstangenteile – bei einer geteilten Lenkstange – im Stellaggregat oder Achslenkmodul ermittelt werden.
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Aus der
DE 100 45 874 A1 ist eine Kraftfahrzeugsensoreinrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt. Aus der vorbekannten Vorrichtung ist es bekannt, zwei Sensorelemente vorzusehen, um eine Redundanz des Ausgangssignals zu ermöglichen. Eine mögliche, radial bedingte Verschiebung der Lenkstange kann mit dieser Anordnung jedoch nicht ausreichend erkannt werden.
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Aus der
DE 38 13 691 A1 ist ein induktiver Weggeber mit einer eine erste Messspule aufweisenden Messinduktivität und zur Erreichung einer von Redundanz eine zweite Messspule vorgesehen ist, die den Messweg des Messkonus erfasst. Da sich beide Messspulen gegenüber liegen, kann eine radial bedingte Verschiebung der Lenkstange mit dieser Anordnung nicht ausreichend erkannt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass eine radial bedingte Verschiebung der Lenkstange kompensiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Durch die konzentrische und um 90 Grad versetzte Anordnung der Hall-Sensoren wird durch Summenbildung der einzelnen Sensorsignale eine Kompensation der radialen bedingt möglichen Verschiebung der Lenkstange erzielt und somit die Signalqualität erhöht. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der Begriff „Lenkstange” ist erfindungsgemäß sehr weit aufzufassen und umfasst z. B. einteilige Lenkstangen sowie die Teile von mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen, Lenkstangen.
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Für die Erfindung ist es demnach wesentlich, dass ein Teil der Lenkstange oder die Lenkstange zumindest in einem Teilbereich ein Profil mit einer über die Länge der Lenkstange ansteigenden bzw. abfallenden Kontur aufweist (variable Kontur). Die variable Kontur oder deren Veränderung wird mit einem oder mehreren ortsfest angeordneten Sensormodulen abgetastet und eine lineare Wegänderung bzw. die Stellung der Lenkstange wird ganz oder teilweise in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umgeformt. Die Sensormodule sind in Nachbarschaft zu der Lenkstange, d. h. direkt neben oder um die Lenkstange herum mit einem bestimmten Abstand, vorzugsweise ca. 0,1 mm bis 5 mm, ortsfest angeordnet. Damit ist eine sichere, aber berührungslose, d. h. ohne mechanische Kopplungselemente, Sensierung gewährleistet. Zudem kann die Sensorik konstruktiv robust und sinnvoll in eine Fahrzeuglenkung integriert werden. Auch ein relativ großer Messbereich, bis zu 150 mm und größer, ist relativ einfach möglich.
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Der Begriff „ortsfest” bedeutet hier, dass die Sensormodule – auch bei einer Lenkbewegung – immer am selben Ort bleiben, während die Lenkstange eine Linearbewegung bei einer Lenkungsbetätigung durchführt. Ein Sensormodul weistmindestens ein Sensorelement und ggf. mindestens einen Sensorschaltkreis auf.
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Es wird bei der Messung die durch eine Linearbewegung der Lenkstange verursachte Veränderung der Kontur sensiert, wodurch die Lage der Lenkstange relativ zur Lage des Sensormoduls bzw. Sensorelements relativ sicher und genau festgestellt werden kann. Insbesondere ist auch bei einem begrenzten axialen Einbauraum die Integration eines Wegsensors parallel zur Lenkstange durch die Erfindung möglich.
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Nach der Erfindung ist das Profil konzentrisch bezüglich der Längsachse der Lenkstange, vorzugsweise konusförmig, ausgebildet.
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Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass zwischen der Lenkstange oder einem Teil der Lenkstange und einer umgebenden Baueinheit zumindest in einem Teilbereich ein über die Länge der Lenkstange sich vergrößernder bzw. sich verkleinernder Luftspalt (variabler Luftspalt) vorgesehen ist, der oder dessen Veränderung abgetastet wird mit einem oder mehreren ortsfest angeordneten Sensormodulen, die eine lineare Wegänderung bzw. die Stellung der Lenkstange ganz oder teilweise in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformen.
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Vorzugsweise besteht der Werkstoff für die Lenkstange oder das Profil der Lenkstange aus einem magnetisch wirksamen Werkstoff.
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Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Lenkstange zur Profilierung bzw. Bildung des Luftspalts Ausnehmungen aufweist, die vorzugsweise mit einem magnetisch nicht wirksamen Werkstoff ausgefüllt sind.
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Die Lenkstange ist vorteilhaft konzentrisch mit einem über die Länge gleichbleibenden Durchmesser. Daher sind die Ausnehmungen der (konzentrischen) Lenkstange vorzugsweise mit einem magnetisch nicht wirksamen Material ausgefüllt. Das magnetisch nicht wirksame Material ist vorzugsweise formschlüssig mit der Lenkstange verbunden. Die formschlüssige Verbindung wird vorzugsweise durch Einpassen eines insbesondere länglichen Formkörpers in einen Lenkstangengrundkörper hergestellt, so dass vorzugsweise ein zumindest annähernd kreisförmiger Querschnitt der Lenkstange gebildet wird.
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Demnach besteht die Lenkstange teilweise aus einem magnetisch wirksamen Material (Lenkstangengrundkörper), vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem mechanisch harten und gleichzeitig weichmagnetischen Werkstoff und in Teilbereichen aus einem magnetisch nicht wirksamen Werkstoff, vorzugsweise aus Aluminiumwerkstoff oder einem Kunststoff.
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Vorzugsweise wird der magnetisch nicht wirksame Werkstoff auf die Oberfläche der Lenkstange aufgebracht durch ein Spritzguß-Verfahren oder eine Klebeverfahren.
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Vorzugsweise weisen die Sensormodule ringförmige Sensorelemente auf.
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Nach der Erfindung wird mittels der variablen Kontur bzw. des variablen Luftspalts ein magnetischer Leitwert eines Magnetkreises bei einer Längsbewegung der Lenkstange verändert.
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Erfindungsgemäß weisen die Sensorelemente Mittel auf, zur Abtastung einer Veränderung des magnetischen Leitwerts mittels einer Hall-Spannung, wobei der dazu erforderliche Eisenrückschluss des Magnetkreises durch die Lenkstange oder einen Teil der Lenkstange, d. h. durch den magnetisch wirksamen Werkstoff, gebildet wird.
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Die Längsbewegung der Lenkstange wir demnach durch Ausnutzung des Hall-Effekts sensiert. Der Hall-Effekt beruht auf der Tatsache, dass eine Kraft (Lorentz-Kraft) auf in einem stromdurchflossene Leiter in einem Magnetfeld sich bewegende Ladungsträger wirkt. Die Ladungsträger werden relativ zum Leiter seitlich abgelenkt, bis sich ein Querfeld aufbaut, dass die Kraft kompensiert und eine Querspannung, die Hall-Spannung, bedingt.
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Das Sensormodul weist daher vorzugsweise mindestens einen Hall-Generator bzw. einen Hall-Sensor auf. Dieser wird von einem Magnetfeld durchsetzt, wodurch die Ladungsträger eines Steuerstromes abgelenkt werden. Die Hall-Spannung infolge des Hall-Effekts ist dem Produkt aus Steuerstromstärke und magnetischer Flussdichte direkt proportional. Diese ist durch die variable Kontur bzw. den variablen Luftspalt veränderbar. So wird der magnetische Fluss, der den Hall-Generator bzw. Hall-Sensor durchsetzt, entsprechend der Lage bzw. der Wegänderung der Lenkstange gesteuert, was erfasst und durch eine elektronische Schaltung in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umgeformt wird.
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Nach der Erfindung ist das Sensormodul ortsfest an einem Achslenkmodul oder einem an ein Achslenkmodul angeordneten Träger angeordnet, wobei das Sensormodul vorzugsweise mechanisch lösbar mit dem Achslenkmodul bzw. dem Träger verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass mindestens zwei Sensormodule vorgesehen sind, wodurch eine redundante Funktion gewährleistet wird und wobei die mindestens zwei Sensormodule entweder die variable Kontur bzw. den variablen Luftspalt eines gemeinsamen Lenkstangenabschnitts bzw. der Lenkstange abgreifen oder einige bzw. alle Sensormodule die variable Kontur bzw. den variablen Luftspalt eines jeweils einem Sensormoduls eigens zugeordneten Lenkstangenabschnitts abgreifen.
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Die redundante Funktion kann entweder vollredundant, teilredundant oder auch zwei- bzw. mehrfach redundant sein, so dass bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion eines Sensormoduls oder Sensorelements bzw. Sensorschaltkreises ein doppelt vorhandenes Element die Funktion des ausgefallenen oder fehlerhaften Elementes übernimmt oder dessen Fehlfunktion erkennt und ggf. an eine Überwachungseinrichtung weitermeldet.
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Nach der Erfindung ist die Lenkstange – bzw. das Antriebsmodul der Lenkstange zum Verschwenken der Räder – mit dem Lenkhandrad nicht hydraulisch und/oder mechanisch verbunden, sondern nur durch eine elektrische Verbindungsleitung (Steer-by-wire-Lenkung). Vorzugsweise ist insbesondere im Fall einer Steer-by-wire-Lenkung für jedes lenkbare Rad jeweils eine unabhängige erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist, die vorzugsweise selbst redundant ausgeführt ist.
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Die Erfindung wird vorzugsweise für eine elektromechanische Lenkung verwendet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges ist anhand von Abbildungen (1 bis 8) beispielhaft näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung
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2 das Achslenkmodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vergrößerten Darstellung
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3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das Achslenkmodul an einem ersten Endabschnitt des Sensormoduls
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4 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch das Achslenkmodul im Bereich eines Sensormoduls
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5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das Achslenkmodul an einem zweiten Endabschnitt des Sensormoduls
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6 ein Achslenkmodul mit integriertem Sensormodul in einer vergrößerten Darstellung im Längsschnitt
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7 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts im Bereich eines Sensormoduls in einer vergrößerten Darstellung
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8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts im Bereich eines Sensormoduls in einer vergrößerten Darstellung
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1 zeigt eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges in schematischer Darstellung. Der Fahrer betätigt das Lenkhandrad 33 oder ein ähnliches Bedienelement, z. B. einen Sidestick, mit dem er seinen Fahrtrichtungswunsch vorgeben kann. Der Fahrtrichtungswunsch wird durch Sensoren redundant erfasst und einer Zentralsteuereinheit 4 mitgeteilt. Über einen Betätigungskraftsimulator 8 erhält der Fahrer eine haptische Rückwirkung bei der Lenkbetätigung. Dieser, vorzugsweise elektromechanische Betätigungskraftsimulator 8 wird von der Zentralsteuereinheit 4 gesteuert. Der Fahrerwunsch wird in der Zentralsteuereinheit 4 ausgewertet, in einen Lenkwinkel (Sollwert) für ein Stellaggregat 3 umgerechnet und dem Stellaggregat über Datenübertragungsleitungen 43, 44 zugeführt. Das Stellaggregat 3 verschwenkt dann durch eine Bewegung der Lenkstange 5 die Räder 9a, 9b nach Maßgabe des Fahrerwunsches.
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Der aktuelle Istwert der Radstellung der lenkbaren Räder 9a, 9b wird durch zwei Sensormodule 1a, 1b ermittelt, die ein Profil mit einer über die Länge der Lenkstange ansteigenden bzw. abfallenden Kontur 35 abtasten und in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformen. Die Ausgangssignale, die eine lineare Wegänderung bzw. die Stellung der Lenkstange 5 innerhalb des elektromechanischen Achslenkmoduls 3 in Richtung ihrer Längsachse anzeigen, werden über die Datenübertragungsleitung 41, 42 der Zentralsteuereinheit 4 zugeführt. Vorzugsweise wird bei dieser Art von Lenkung ein redundantes Systemkonzept realisiert. Daher weist auch das Achslenkmodul 3 zwei unabhängige Motormodule zur Längsverstellung der Lenkstange 5 auf. Auch die Elektronikeinheiten der Motormodule sind redundant ausgeführt. Fällt ein Stellaggregat und/oder eine Elektronikeinheit aus, so übernimmt das noch intakte Motormodul/die noch intakte Elektronikeinheit die Lenkfunktion. Der Lenkstangenweg wird dabei redundant durch die Sensormodule 1a, 1b erfasst.
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In der 2 ist Achslenkmodul 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vergrößerten Darstellung dargestellt.
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Hier wie in den folgenden Abbildungen sind dieselben Bauteile auch mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Achslenkmodul 3 besteht aus zwei vorzugsweise konzentrisch um die Lenkstange 5 angeordneten Motormodulen 6, 7 in einem gemeinsamen Gehäuse 12, welche die Sollwertvorgabe des Lenksimulators 8 bzw. der Einheit 4 in eine Stellbewegung der Lenkstange 5 und somit eine Lenkbewegung der Räder 9a, 9b umsetzen. Bei dieser Ausführungsform ist eine mechanische Kopplung zwischen Achslenkmodul 3 und dem Lenksimulator 8 bzw. dem Lenkhandrad 33 nicht vorhanden. Der Regelkreis wird durch die Istwerterfassung des Lenkstangenweges 2 mittels der Sensormodule 1a, 1b geschlossen, wobei der Lenkstangenweg 2 redundant erfasst wird. Durch das Profil 35, in diesem Fall ein partiell konzentrisches Profil, der Lenkstange 5, hier konusförmig ausgebildet, wird ein variabler Luftspalt erzeugt, z. B. Luftspalt 10 und 11 der endseitigen Bereiche des einen Sensormoduls 1a.
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In der 3 bis 5 ist ein Sensormodul im Querschnitt (3 und 5) an dessen Endabschnitten und im Längsschnitt (4) dargestellt. Das Sensormodul ist hier im Bereich, d. h. innerhalb des Gehäuses 12, des Achslenkmoduls 3 angeordnet. Das Sensormodul 1a, 1b weist einen Sensorring 13 auf, der die Lenkstange 5 umgibt. Der Sensorring 13 des Sensormoduls 1a, 1b (4) besteht im wesentlichen aus zwei metallischen Sensorscheiben 26, 27, einem Ringmagneten 28, redundanten Hall-Sensoren 18, einer elektrischen Schnittstelle 23 zum Achslenkmodul 3 bzw. dessen Gehäuse 12 und ggf. Trägerplatinen 29, 30. In diesem Beispiel sind zwei getrennte Trägerplatinen 29, 30 angeordnet. Diese können z. B. Auswertelektronik beinhalten.
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6 zeigt das Achslenkmodul mit integriertem Sensormodul 1a, 1b in einer vergrößerten Darstellung im Längsschnitt. Die Lenkstange 5 ist mittels einer Gleitlagerung 21 im Achslenkmodul 3 gelagert. Vorzugsweise kann der Sensorring 13 mit elektrischer Schnittstelle 23 zum Achslenkmodul und die Gleitlagerung 21 der Lenkstange 5 eine eigenständige Baugruppe bilden. Die Baueinheiten der Baugruppe sind vorzugsweise in einen Kunststoff-Körper 22 integriert. Diese Baugruppe kann somit leicht in das Achslenkmodul-Gehäuse 12 axial eingesteckt und durch Formgebung in ihm verriegelt werden. Die Baugruppe wird durch eine federnde Anschlagscheibe 24 gegen Beschädigung gesichert. Des weiteren kann die Anschlagscheibe einen Abstreifer 25 beinhalten, um das Eindringen von Schmutz zu verhindern. Die Lenkstange 5 muss infolge der wirkenden radialen und axialen Stellkräfte 19 zentrisch geführt werden und gleichzeitig auch einen variablen Luftspalt 10, 11 darstellen. Vorzugsweise wird die Lenkstange daher mit einem magnetisch nicht leitenden Material, z. B. Kunststoff oder Aluminium 20, ummantelt und kann somit die ihr zugeordnete Doppelfunktion erfüllen.
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7 und 8 zeigen eine schematische Darstellung eines Längsschnitts bzw. Querschnitts im Bereich des Sensormoduls in einer vergrößerten Darstellung. Durch die partiell konzentrisch profilierte Lenkstange 5, vorzugsweise als Konus ausgebildet, wird der variable Luftspalt 10, 11 zu dem im Achslenkmodul-Gehäuse 12 integrierten Sensorring 13 erzeugt. Wird nun die Lenkstange 5 axial bewegt, so ist der Luftspalt 10, 11 eine analoge und absolute Größe. Dieser variable Luftspalt 10, 11 wird erfindungsgemäß berührungslos in eine analoge reproduzierbare elektrische Größe 14,15 umgesetzt, d. h. L1/L2 = f(dx). Es wird der variable Luftspalt 10, 11 genutzt, um einen magnetischen Leitwert 16 in einem Magnetkreis 17 zu verändern. Dieser Effekt bewirkt eine durch den Hall-Sensor 18 messbare physikalisch Größe, d. h. eine Hall-Spannung. Der erforderliche Eisenrückschluss des Magnetkreises 17 wird hierbei durch die Lenkstange 5 dargestellt. Vorzugsweise sind je 4 Hall-Sensoren einer Trägerplatine 29 zugeordnet und beinhalten eine eigenständige Auswertelektronik. Durch die radial versetzte Anordnung der zweiten Trägerplatine 30 mit ebenfalls vorzugsweise je 4 Hall-Sensoren wird die Redundanz des Wegsensors erzielt. Die je 4 Sensoren mit Elektronik bilden somit ein unabhängiges Sensormodulelement des Sensormoduls 1a bzw. 1b. Das beiden unabhängigen Sensormodulelementen gemeinsame Magnetfeld 17 wird durch entsprechende Formgebung 31 der Sensorscheibe 26 durch die konzentrisch angeordneten Hall-Sensoren in die Lenkstange 5 hindurchgeführt und über die zweite Sensorscheibe 27 mit dem Ringmagnet wieder geschlossen. Durch die konzentrische und um 90 Grad versetzte Anordnung der Hall-Sensoren 18 wird durch Summenbildung der einzelnen Sensorsignale eine Kompensation der radialen bedingt möglichen Verschiebung der Lenkstange 5 erzielt und somit die Signalqualität erhöht. Die Hall-Sensoren 18 reagieren abhängig von der Bewegungsrichtung entweder mit einem Anstieg oder mit einer Absenkung eines Ausgangssignals. Aus diesem Analogsignal kann mittels einer Sensorelektronik ein ortsabhängiges Signal erfasst und ausgegeben werden. Das Signal kann z. B. über einen Analog-Digital-Umsetzer quantisiert werden, um eine hohe Wegauflösung zu erreichen.
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Es ist ebenso denkbar, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Bewegung der Lenkstange zu messen und dieses Signal als ein die Stellung der Lenkbetätigungseinrichtung, insbesondere des Lenkrades, repräsentierendes Eingangssignal für eine Fahrzeugregelungsanlage, insbesondere eine Fahrdynamikregelung (ESP), zu verwenden.
