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Die
Erfindung betrifft eine Überlagerungslenkung für
ein Fahrzeug, mit einem Überlagerungsgetriebe, nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Überlagerungslenkungen
sind bekannt und zeichnen sich dadurch aus, daß dem von
einem Fahrer an einer Lenkhandhabe gewählten Lenkwinkel bei
Bedarf ein weiterer Drehwinkel durch einen Aktuator überlagert
werden kann. Der zusätzliche Drehwinkel wird durch eine
elektronische Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (ESP-Regler)
gesteuert und dient zur Erhöhung der Fahrstabilität
des Fahrzeugs oder zu sonstigen Zwecken. Beispielsweise wird hierfür
ein Überlagerungsgetriebe, das als Planetenradgetriebe,
wie es in der
DE 101
59 800 A1 oder als Wellgetriebe (harmonic-drive) wie es
in der
US 6 938 724
B1 offenbart ist, herangezogen.
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Die Übersetzung
einer Servo- oder Hilfskraftlenkung mit Überlagerungsfunktion
setzt sich aus den Übersetzungen eines Lenkgetriebes und
des Überlagerungsgetriebes zusammen. Ein Überlagerungsgetriebe
weist zu diesem Zweck ein erstes Getriebeeingangsglied oder eine
erste Getriebeeingangswelle und ein zweites Getriebeeingangsglied oder
eine zweite Getriebeeingangswelle auf und überlagert die
an den Getriebeeingangswellen auftretenden Drehwinkel auf ein Getriebeausgangsglied oder
eine Getriebeausgangswelle, die mit einem Lenkgetriebe und lenkbaren
Rädern des Fahrzeugs wirkverbunden ist. Die erste Getriebeeingangswelle oder
die Getriebeausgangswelle können drehfest mit der Lenkhandhabe
verbunden sein.
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Solche Überlagerungslenkungen
weisen einen Drehwinkelsensor zur Messung der Winkellage der ersten
Getriebeeingangswelle oder der Getriebeausgangswelle auf. Beispielsweise
beschreibt die
DE
102 10 372 A1 einen Drehwinkelsensor mit hoher Winkelauflösung,
wobei auf einem als Polrad ausgebildeten scheiben- oder ringförmigen
Träger eine erste Spur von magnetischen Nord- und Südpolen
angeordnet ist. Der Träger der ersten Spur von magnetischen
Nord- und Südpolen ist quer zu einer Längsachse
einer Welle angeordnet und drehfest mit der Welle verbunden. Um
eine hohe Auflösung des Drehwinkels der Welle zu ermöglichen,
ist eine zweite Spur von magnetischen Nord- und Südpolen
mit, im Vergleich zur ersten Spur, wesentlich geringeren Bogenlängen
der Magnetpole auf dem scheiben- oder ringförmigen Träger
angeordnet.
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Die
zweite Spur wird von einem zweiten Magnetfeldsensor vermessen und über
eine Winkelfunktion werden die Signale der magnetischen Winkelsensoren
linearisiert. Mit einem derartigen Drehwinkelsensor lassen sich
Drehlagen einer Welle im Bereich bis 360° hochauflösend
ermitteln. Ein solcher Drehwinkelsensor bedarf jedoch eines separaten
Zählerbausteins und eines separaten Speicherbausteins und
ist nicht in der Lage bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung
die Drehlage der Welle absolut wiederzugeben oder eine über
360° hinausgehende Drehlage der Welle darzustellen.
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Die
DE 198 39 446 A1 beschreibt
einen weiteren Drehwinkelsensor der eine absolute Winkelmessung über
einen Bereich von 0° bis 360° ermöglicht.
Zwei anisotrope Magnetowiderstand-Dünnschichtsensoren sind
zu jeweils zwei Wheatstone-Brücken verschaltet und dienen
zu einer Extraktion eines winkelabhängigen Nutzsignals
in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Sensoren zu einem äußeren
Magnetfeld. Zur Unterscheidung der beiden jeweiligen Winkelbereiche
von 0° bis 180° und 180° bis 360° wird
kurzzeitig ein Hilfsmagnetfeld an die Sensorschaltung angelegt,
wodurch sich die von den Wheatstone-Brücken generierten
Spannungssignale ändern. Diese Signaländerungen
werden in einer Bereichsfunktion ausgewertet, wodurch eine Winkelmessung über
einen Bereich von 0° bis 360° mit dem Drehwinkelsensor
ermöglicht ist. Bei eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
ist eine Initialisierung erforderlich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlagerungslenkung
in einem karosseriefesten Überlagerungssteller zu schaffen,
die eine absolute Bestimmung der Drehlage ihrer Wellen über
einen Bereich, der größer als 360° ist,
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird mit einer Überlagerungslenkung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch
dass in dem Überlagerungsteller aus Servomotor und Überlagerungsgetriebe
ein Summenwinkelsensor als Drehwinkelsensor zur Erfassung der Lage
des ersten Getriebeeingangsglieds oder des Getriebeausgangsglieds
eingesetzt ist, ermöglicht die Überlagerungslenkung
eine Drehwinkellage der entsprechenden Welle oder des entsprechenden
Getriebeglieds über mehr als 360° darzustellen.
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Bevorzugte
Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Drehwinkelsensor
aus einer Kombination aus einem magnetischen Winkelsensor, welcher
die Drehlage eines scheiben- oder ringförmigen Trägers einer
Spur von magnetischen Nord- und Südpolen detektiert, mit
einem magnetischen Zähler, dessen Resisitivität
sich auch bei einem Drehwinkel der größer als
360° ist, signifikant ändert, gebildet, wobei dieser
die periodische Winkelinformation des Winkelsensors zählt
und diese periodische Winkelinformation von einer Berechnungseinrichtung
in einen multiturn-Winkel transformiert. Auch nach einer Unterbrechung
der Versorgungsspannung für den Drehwinkelsensor ist es
möglich, hochauflösend eine absolute Winkellage
zu detektieren, da der magnetische Zähler als Speicher
für Drehwinkellagen von mehr als 360° geeignet
ist, da sich seine Resistivität signifikant über
mehrere Umdrehungen der Spur von magnetischen Nord- und Südpolen
auf dem scheiben- oder ringförmigen Träger ändert.
Die Speicherung der Drehwinkellagen geschieht in dem magnetischen Zähler
stromlos. Der magnetische Zähler ist dabei Sensor und Speicher
zugleich.
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Der
magnetische Zähler ist bevorzugt als Streifenleiter gebildet,
der in der Art eines GMR-Sensors aus einer Multischicht-Struktur,
bestehend aus einer Abwechslung von Schichten aus ferromagnetischem Übergangsmetall
und Schichten aus nicht magnetischen Metall, besteht. Ein derartiger
Streifenleiter weist beispielsweise eine Anzahl von spiralförmig
mit parallel zueinander angeordneten geraden Abschnitten von Spuren
von Multischicht-Strukturen auf. Auf einem Silizium-Substrat kann
folgende Schichtabfolge der Multischicht-Strukturen aufgebaut sein:
Tantal mit einer Aluminiumkontaktierung-Antiferromagnet-Refenzschicht(CoFe)-unmagnetische Schicht-Sensorschicht(NiFe/CoFe)-Tantal.
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In
solchen Multischichtstrukturen tritt unter dem Einfluß eines äußeren
Magnetfeldes ein Riesen-Magnetowiderstandseffekt auf, wobei sich
die relative Ausrichtung der Magnetisierung der aufeinanderfolgenden
ferromagnetischen Schichten ändert.
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Die
Resistivität des GMR-Sensors ändert sich dadurch.
In schmalen, streifenförmigen und spiralförmig
ineinandergeschachtelten Multischichtstrukturen bilden sich Domänenwände,
d. h. Bereiche in denen sich über eine bestimmte Strecke die Magnetisierung
um 180° dreht. Die jeweilige Domänenwand trennt
Bereiche in denen die Magnetisierung um 180° dreht.
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Die
jeweilige Domänenwand trennt Bereiche in denen die Magnetisierung
um 180° voneinander abweicht. Bei einer Drehung des scheiben-
oder ringförmigen Trägers einer Spur von magnetischen
Nord- und Südpolen an dem magnetischen Zähler ändert sich
beim Vorbeistreichen eines jeden Polpaares die Magnetisierung in
der Multischichtstruktur und die Resistivität des magnetischen
Zählers, die signifikant über mehrere Umdrehungen
des scheiben- oder ringförmigen Trägers ist und
die über einen an dem magnetischen Zähler angelegten
Strom gemessen werden kann. Auch im stromlosen Zustand des magnetischen
Zählers bleibt die Resistivität für den
jeweiligen Drehwinkel des scheiben- oder ringförmigen Trägers
signifikant erhalten, sodaß eine etwaige Unterbrechung
der Stromversorgung des Drehwinkelsensors bedeutungslos ist und
keiner Initialisierung bedarf. Um die relativ grobe Auflösung
des magnetischen Zählers zu verfeinern, ist dieser die
Polpaare abtastende magnetische Winkelsensor bevorzugt als ein empfindlicher
MR-, GMR- oder Hallsensor ausgebildet. Der aus dem magnetischen
Winkelsensor und dem magnetischen Zähler gebildete Drehwinkelsensor
ist bevorzugt auf einer Leiterplatte angeordnet und dessen Zählerstand
oder Resistivitätsänderungen werden von der Berechnungseinrichtung
erfasst, die einen hochaufgelösten Drehwinkel einer Welle der Überlagerungslenkung
ermittelt.
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Es
kann zweckmäßig sein, den Summenwinkel mittels
des Drehwinkels der zweiten Getriebeeingangswelle und eines weiteren
Drehwinkels am ersten Getriebeeingangsglied oder am Getriebeausgangsglied
unter Zuhilfenahme der Getriebestandübersetzung zu berechnen.
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Es
kann auch zweckmäßig sein, das Überlagerungsgetriebe
und den Servomotor um 180° verdreht in einen Lenkstrang
einzubauen, sodaß eine Lenkhandhabe beispielsweise mit
dem Getriebeausgangsglied anstatt mit dem ersten Getriebeeingangsglied
wirkverbunden ist.
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Die
Erfindung wird nun näher anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben und anhand der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Überlagerungslenkung.
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In 1 ist
in einer schematischen Ansicht und in einem Längsschnitt
eine Überlagerungslenkung 1 für ein Fahrzeug
gezeigt. Die Überlagerungslenkung 1 ist als elektrische Überlagerungslenkung aus
einem Überlagerungsgetriebe 2 gebildet, das eine
erste Getriebeeingangswelle oder erstes Getriebeglied 3 und
eine zweite Getriebeeingangswelle oder zweites Getriebeglied 4 aufweist.
Die erste Getriebeeingangswelle 3 ist drehfest mit einer
Lenkhandhabe 8 verbunden, die als Lenkrad gebildet ist. Die
zweite Getriebeeingangswelle 4 ist drehfest mit einer Hohlwelle 9 eines
elektrischen Servomotors 5 verbunden. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ist das Überlagerungsgetriebe 2 als
Wellgetriebe 10 gebildet, wobei die zweite Getriebeeingangswelle 4 durch
die Hohlwelle 9 gebildet wird, auf der Rotormagnete 11 eines
Rotors des Servomotors 5 festgelegt sind.
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Die
Hohlwelle 9 ist einstückig mit einem exzentrischen
Antriebskern 12 des Wellgetriebes 10 gebildet.
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Um
den ellipsenförmigen Umfang des exzentrischen Antriebskerns 12 ist
ein flexibles Kugellager 13 aufgezogen. Der exzentrische
Antriebskern 12 greift mit seiner axialen Erstreckung in
eine aus elastischem Stahlblech gebildete, topfförmige,
radialflexible Abrollbuchse 14 ein. Die radialflexible
Abrollbuchse 14 weist eine Außenmantelfläche 15 auf,
die im axialen Bereich des Kugellagers 13 eine Außenverzahnung
trägt. Diese Außenverzahnung greift unter Wirkung
der ellipsenförmigen Aufweitung der radialflexiblen Abrollbuchse 14 mit
zwei Umfangsabschnitten in eine Innenverzahnung an einer zylindrischen
Stützfläche 16 eines drehfest mit einem
Ausgangsglied 6 oder einer Getriebeausgangswelle 17 des
Wellgetriebes 10 verbundenen Stützring 18 ein. Der
innenverzahnte Stützring 18 weist eine größere Zähnezahl
als die radialflexible Abrollbuchse 14 auf, wodurch eine
Verdrehung des Stützrings 18 und damit der Getriebeausgangswelle 17 pro
Umdrehung des exzentrischen Antriebskerns 12 um die Differenz der
Zähnezahl erfolgt. Somit ist durch den Servomotor 5 eine
Winkelüberlagerung, die insbesondere von Fahrt- und Fahrzeugparametern
abhängig sein kann, durchführbar.
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An
einer Stützfläche des Stützrings 18 ist
ein ringförmiger Träger 19 einer Spur
von magnetischen Nord- und Südpolen angeordnet und drehfest
mit dem Stützring 18 verbunden. Der Drehwinkelsensor 7 ist
in dem Ausführungsbeispiel als Summe aus einem magnetischen
Zähler, einem magnetischen Winkelsensor und einer Berechnungs-
und Auswerteeinheit auf einer Leiterplatte 20 angeordnet,
gebildet. Der magnetische Winkelsensor ist in dem Ausführungsbeispiel
als hochauflösender AMR-Sensor mit zwei quer zueinander
liegenden Messstreifen beispielsweise aus Permalloy gebildet und
in der Lage, Winkeländerungen des Drehwinkels des Stützrings 18 und
damit des Ausgangsgliedes 6 des Überlagerungsgetriebes 2 zu
erfassen. Die Messweise ist an sich bekannt und basiert auf einer
elektrischen Widerstandsänderung von AMR-Materialien in
Abhängigkeit von einem Winkel eines angelegten magnetischen
Feldes und der Richtung eines durch die AMR-Materialen fließenden,
elektrischen Stroms. Die Winkelabhängigkeit des elektrischen
Widerstands des AMR-Sensors besitzt eine 90°-Periodizität.
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Wird
der hochauflösende Winkelsensor mit einem magnetischen
Zähler, der die Umdrehungen des scheibenförmigen
Trägers zählt, kombiniert, so können
so viele Positionen wie der scheibenförmige Träger
Polpaare hat, gespeichert und mit den Informationen des hochauflösenden
Winkelsensors mit Hilfe einer Berechnungseinrichtung kombiniert
werden, um einen Drehwinkel der größer als 360° ist
zu ermitteln.
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Der
magnetische Zähler des Drehwinkelsensors ist als Streifenleiter
in der Art eines GMR-Sensors aus einer Multischicht-Struktur, bestehend
aus einer Abwechslung von Schichten aus nicht magnetischem Metall
und ferromagnetischen Schichten aus Übergangsmetall gebildet.
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Die
Multischichtstrukturen sind spiralförmige, mit parallel
zueinander angeordneten geraden Abschnitte auf einem Silitiumsubstrat.
Solche Multischichtstrukturen zeigen unter dem Einfluß eines äußeren
Magnetfeldes einen Riesen-Magnetowiderstandseffekt, wobei sich die
relative Ausbildung der Magnetisierung der aufeinanderfolgenden
ferromagnetischen Schichten und damit die Resistivität
des magnetischen Zählers ändert. Sind die Multischichtstrukturen
schmal, streifenförmig und ineinandergeschachtelt, bilden
sich sogenannte Domänenwände, d. h. Bereiche in
denen sich über einer bestimmten Stelle die Magnetisierung
um 180° dreht. In jedem Streifen zwischen zwei Domänenwänden wechselt
die Magnetisierung relativ zu dem jeweils nächsten Streifen
um etwa 180° ab. Beim Vorbeistreichen eines jeden Polpaares
des scheibenförmigen Trägers ändert sich
die Magnetisierung in den Multischicht-Strukturen und dessen Resistivität,
die signifikant zu den Umdrehungen des scheibenförmigen Trägers
ist und die über einen an dem magnetischen Zähler
angelegten Strom gemessen werden kann.
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Die
Informationen des hochauflösenden Winkelsensors und des
magnetischen Zählers werden von der Berechnungseinrichtung
ausgewertet und zu eine linearen Abhängigkeit des Drehwinkels des
Getriebeausgangsgliedes 6 über mehrere Umdrehungen
transformiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10159800
A1 [0002]
- - US 6938724 B1 [0002]
- - DE 10210372 A1 [0004]
- - DE 19839446 A1 [0006]