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Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit einem elektrischen Überlagerungsantrieb.
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Aus
DE 10 2007 000 945 A1 ist ein Überlagerungssteller für ein Lenksystem eines Fahrzeuges bekannt. Der Überlagerungssteller weist ein Überlagerungsgetriebe mit einer ersten Getriebeeingangswelle und einer zweiten Getriebeeingangswelle zur Überlagerung der an beiden Getriebeeingangswellen auftretenden Drehwinkeln auf eine Getriebeausgangswelle des Überlagerungsgetriebes auf, wobei die erste Getriebeeingangswelle mit einer Lenkhandhabe wirkverbunden ist. Die zweite Getriebeeingangswelle ist mit einem elektronisch kommutierten Servomotor wirkverbunden. Der Drehwinkelsensor dient zur Messung des Drehwinkels für eine korrekte Phasenumschaltung des Servomotors. Es ist außerdem vorgesehen, dass der Drehwinkelsensor von einem Sensorlager oder von einem zumindest zweipoligen Magnetrad, welches von zumindest zwei versetzt zueinander angeordneten Hallelementen abgetastet ist, oder durch einen Resolver gebildet wird und der Drehwinkelsensor von einer der Wellen des Überlagerungsgetriebes durchragt ist.
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Aus
DE 10 2007 051 418 A1 ist ein Getriebe für ein Fahrzeuglenksystem bekannt. Das Getriebe dient dazu, den von einem Fahrer ausgeübten Lenkbewegungen zusätzliche Lenkbewegungen zu überlagern. Das Getriebe weist eine Eingangswelle auf, die mit einem Flexspline drehfest verbunden ist. Darüber hinaus weist das Getriebe eine Ausgangswelle auf, die drehfest mit einem Circularspline verbunden ist. Der Flexspline ist mit einer Außenverzahnung versehen, die mit einer Innenverzahnung des Circularsplines in Eingriff steht. Innerhalb des Flexspline ist ein elektromotorisch angetriebener Wellengenerator angeordnet.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Aktuatoren sind einige der zum Betreiben, zum Steuern und Regeln nötigen elektronischen Bauteile und/oder Sensoren an unterschiedlichen Stellen fest innerhalb des Aktuators installiert, während andere der zum Betreiben, zum Steuern und Regeln nötigen elektronischen Bauteile und/oder Sensoren außerhalb des Aktuators – teilweise sogar weiter entfernt vom Aktuator – angeordnet sind. Die Aktuatoren müssen daher zusätzlich aufwändig mit der Fahrzeugelektronik und deren Sensoren vernetzt werden. Dies hat unter anderem zur Folge, dass jeder Aktuator insgesamt für die jeweilige Anwendung, insbesondere angepasst an die unterschiedlichen Fahrzeugtypen, speziell ausgelegt und aufgebaut sein muss. Darüber hinaus muss beim Auftreten von Fehlern zumeist der gesamte Aktuator ausgebaut werden, um die elektronischen Bauteile überprüfen und/oder austauschen zu können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung anzugeben, die diesen Problemen Rechnung trägt.
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Die Aufgabe wird durch einen Aktuator mit einem elektrischen Überlagerungsantrieb gelöst, der gekennzeichnet ist durch ein Steuerungs- und Sensormodul, das zumindest einen Drehwinkelsensor und eine Steuerungselektronik aufweist, wobei die Steuerungselektronik in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Drehwinkelsensors die Drehrichtung und/oder die Drehgeschwindigkeit und/oder die Drehstellung des Überlagerungsantriebs steuert oder regelt und/oder wobei der Drehwinkelsensor Signale bereitstellt, aus denen die Steuerungselektronik Ansteuersignale zur Steuerung oder Regelung der Kommutierung des Überlagerungsantriebs erzeugt.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass derselbe Aktuator durch Austausch bzw. Auswahl des geeigneten Steuerungs- und Sensormoduls universell für unterschiedliche Anwendungen, insbesondere für unterschiedliche Fahrzeuglenkungen und/oder unterschiedliche Fahrzeugtypen, einsetzbar ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Steuerungselektronik eines erfindungsgemäßen Steuerungs- und Sensormoduls sowohl die Funktionselektronik, die grundsätzlich – beispielsweise zur Steuerung und/oder Regelung der Kommutierung – überhaupt nötig ist, um einen Antriebsmotor eines Aktuators betreiben zu können, als auch die eigentliche Befehlselektronik, die die gewünschten Parameter, wie Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder Drehmoment und/oder Drehstellung usw., steuert bzw. regelt, beinhalten kann.
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Für die Verwendung in einer Fahrzeuglenkung kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Aktuator einen elektrischen Überlagerungsantrieb aufweist, wobei die Ausgangssignale des Drehwinkelsensors dazu verwendet werden, die Kommutierung des elektrischen Überlagerungsantriebs zu steuern bzw. zu regeln. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung, bei der die Steuerungselektronik die Ausgangssignale des Drehwinkelsensors zur Steuerung der Kommutierung des elektrischen Überlagerungsantriebs empfängt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung für eine Fahrzeuglenkung beinhaltet die Steuerungselektronik eine Überlagerungselektronik, die den Überlagerungsantrieb in Abhängigkeit von Signalen eines Lenkwinkelsensors und ggf. in Abhängigkeit von weiteren Parametern, insbesondere von Parametern bezüglich des Fahrzustandes eines Fahrzeuges, steuert und/oder regelt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei langsamer Fahrt die an der Eingangswelle ankommenden Lenkbewegungen vom Aktuator mittels des Überlagerungsantriebs vergrößert weitergegeben werden, während bei schneller Fahrt die an der Eingangswelle ankommenden Lenkbewegungen vom Aktuator untersetzt weitergegeben werden.
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Wie weiter unten noch detaillierter ausgeführt wird, kann in vorteilhafter, erfindungsgemäßer Weise vorgesehen sein, dass auch der Lenkwinkelsensor Bestandteil des Steuerungs- und Sensormoduls ist. Es ist grundsätzlich allerdings auch möglich, einen externen Lenkwinkelsensor zu verwenden, der beispielsweise im Bereich einer Lenkhandhabe angeordnet sein kann.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung sind die Funktionselektronik und die Befehlselektronik benachbart – beispielsweise auf einer gemeinsamen Platine – zueinander angeordnet. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Funktionselektronik und die Befehlselektronik gemeinsam Teile einer integrierten Schaltung der Steuerungselektronik sind.
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Diese Ausführungen haben den ganz besonderen Vorteil, dass auf einfache Weise und sehr zuverlässig ein Abgleich der Sensorsignale, der Funktionssignale und der Stellsignale durchgeführt werden kann. Ein solche Plausibilitätsprüfung durch Abgleich von Stell-, Funktions- und Sensorsignalen wäre bei den Aktuatoren, die aus dem Stand der Technik bekannten sind, nicht oder nur mit enormen Aufwand möglich. Dies insbesondere deshalb, weil die einzelnen, zumeist sowohl innerhalb des Aktuators und außerhalb des Aktuators an anderen Stellen eines Fahrzeuges angeordneten Komponenten nicht ausreichend miteinander vernetzt sind und die erforderlichen Schnittstellen und die erforderliche Verkabelung zumindest sehr aufwändig wäre.
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Insbesondere kann beispielsweise durch Abgleich der Signale des Drehwinkelsensors und eines Lenkwinkelsensor überprüft werden, ob eine Störung – beispielsweise bei der Übertragung der Lenkbewegung auf die Eingangswelle des Aktuators – vorliegt.
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Insbesondere kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Steuerungs- und Sensormodul ein eigenes Gehäuse aufweist und/oder dass das Steuerungs- und Sensormodul ein von einem weiteren Gehäuse des Aktuators unabhängiges Gehäuse aufweist. Hierdurch ist eine einfache Austauschbarkeit im Bedarfsfall genauso gewährleistet, wie ein besonderer mechanischer Schutz des Drehwinkelsensors, der Steuerungselektronik und der übrigen integrierten Bauteile.
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In weiterer vorteilhafter Weise kann darüber hinaus auch vorgesehen sein, dass das Steuerungs- und Sensormodul eine Dichtung für den Aktuator bereitstellt und/oder als Dichtung eines Aktuators fungieren kann. Es ist alternativ oder zusätzlich außerdem erfindungsgemäß möglich, dass das Steuerungs- und Sensormodul als Teil eines weiteren Gehäuses des Aktuators fungiert. Insbesondere diese Ausführungen zeichnen sich vorteilhaft dadurch aus, dass das Steuerungs- und Sensormodul zusätzliche Funktionen innerhalb eines Aktuators übernimmt.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung beinhaltet das erfindungsgemäße Steuerungs- und Sensormodul ein Lager zur drehbaren Lagerung einer Welle, insbesondere zur drehbaren Lagerung einer Eingangswelle und/oder einer Ausgangswelle und/oder einer Antriebswelle eines Aktuators. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Drehwinkelsensor besonders präzise relativ zur Welle positionierbar ist, so dass besonders genaue Messungen des Drehwinkels ermöglicht sind. Es ist alternativ jedoch auch möglich mit dem Drehwinkelsensor den Drehwinkel einer anderen Welle als der in dem Lager gelagerten Welle zu messen und/oder zu überwachen.
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Bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Steuerungs- und Sensormodul einen weiteren Drehwinkelsensor aufweist und/oder dass ein weiterer Drehwinkelsensor in das Steuerungs- und Sensormodul integriert ist.
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Für die Verwendung des Steuerungs- und Sensormodul in einem Aktuator einer Fahrzeuglenkung kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Drehwinkelsensor und/oder der weitere Drehwinkelsensor als Lenkwinkelsensor ausgebildet sind. Diese Ausführung hat den ganz besonderen Vorteil, dass der Aktuator weitgehend unabhängig von der übrigen Fahrzeugelektronik verwendbar ist und dass insbesondere auf einen Lenkwinkelsensor im Bereich der Lenkhandhabe und die zugehörigen Datenleitungen verzichtet werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Drehwinkelsensor oder der weitere Drehwinkelsensor den Drehwinkel einer mittels des Lagers drehbar gelagerten Welle erfasst. Alternativ oder zusätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass der Drehwinkelsensor oder der weitere Drehwinkelsensor den Drehwinkel einer in das Steuerungs- und Sensormodul ragenden Welle erfasst.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass als weiterer Drehwinkelsensor ein Lenkwinkelsensor in das Steuerungs- und Sensormodul integriert ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass durch die integrierte Bauweise eine präzisere Positionierung der Bauteile des Lenkwinkelsensors relativ zur Eingangswelle erreicht werden kann.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungs- und Sensormodul ist der Drehwinkelsensor und/oder der weitere Drehwinkelsensor (z. B. als Lenkwinkelsensor) in ein Lager des Aktuators integriert, das vorzugsweise ein Lager zur drehbaren Lagerung einer Eingangswelle und/oder einer Ausgangswelle und/oder einer Antriebswelle ist. Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, dass der Drehwinkelsensor und/oder der weitere Drehwinkelsensor sehr präzise und geschützt relativ zu der im Lager drehbar gelagerten Welle positionierbar ist.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise kann der Drehwinkelsensor dazu ausgebildet sein, Signale bereitzustellen, aus denen – vorzugsweise von der Steuerungselektronik – Ansteuersignale zur Steuerung und/oder Regelung der Kommutierung eines elektrischen Antriebsmotors erzeugbar sind. Wie bereits erwähnt, kann in weiter vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Steuerungselektronik dazu ausgebildet ist, einen elektrischen Antriebsmotor, insbesondere die Kommutierung eines elektrischen Antriebsmotors, zu steuern und/oder zu regeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungselektronik dazu ausgebildet sein, die Drehrichtung und/oder die Drehgeschwindigkeit und/oder das Drehmoment und/oder die Drehstellung eines Antriebsmotors in Abhängigkeit von Ausgangssignalen des Drehwinkelsensors und/oder des weiteren Drehwinkelsensors zu steuern und/oder zu regeln.
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Bei einer besonders präzise und zuverlässig arbeitenden Ausführung ist vorgesehen, dass das Steuerungs- und Sensormodul einen Lagerschild aufweist, der zum Einen das Lager und zum Anderen zumindest einen Teil des Drehwinkelsensors und/oder zumindest einen Teil des weiteren Drehwinkelsensors und/oder die Steuerungselektronik trägt. Eine solche Ausführung weist vorteilhaft besonders kurze Daten- und Signalübertragungswege und auch eine besonders hohe mechanische Stabilität und Präzision auf.
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In vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass der Aktuator eine Eingangswelle aufweist, die dazu ausgebildet ist derart mit einer Lenkhandhabe verkoppelt zu werden, dass sie sich in Abhängigkeit von Lenkbewegungen dreht. Hierbei kann sowohl vorgesehen sein, dass die Eingangswelle mechanisch mit einer Lenkhandhabe in Wirkverbindung gebracht wird, als auch dass die Eingangswelle über eine indirekte Wirkverbindung, wie sie bei Steer-by-wire-Systemen üblich ist, mit einer Lenkhandhabe verkoppelt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist der Aktuator ein Getriebe, insbesondere ein Spannungswellengetriebe auf. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Aktuator ein Getriebe, insbesondere ein Spannungswellengetriebe aufweist, dessen Antriebswelle eine koaxial zur Eingangswelle drehbar gelagerte Hohlwelle ist. Bei einer besonders zuverlässigen und präzise arbeitenden Ausführung ragen die Eingangswelle und die Antriebswelle in ein Steuerungs- und Sensormodul, das sowohl einen Drehwinkelsensor zur Messung des Drehwinkes der Antriebswelle, als auch einen Lenkwinkelsensor, der den Drehwinkel misst, aufweist.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 einen Aktuator für eine Fahrzeuglenkung mit einem Steuerungs- und Sensormodul,
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2 ein Steuerungs- und Sensormodul und
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3 eine Detailansicht eines anderen Aktuators für eine Fahrzeuglenkung mit einem Steuerungs- und Sensormodul.
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1 zeigt einen Aktuator 1 für eine Fahrzeuglenkung mit einem Steuerungs- und Sensormodul 20. Der Aktuator 1 beinhaltet ein Spannungswellengetriebe 2. Das Spannungswellengetriebe 2 weist eine Ausgangswelle 3 auf, die mittels eines Abtriebslagers 4 drehbar gelagert ist. Die Ausgangswelle 3 weist darüber hinaus einen Verzahnungsteil 5 mit einer Innenverzahnung 6 auf. Das Spannungswellengetriebe 1 weist außerdem ein verformbares Rohr 7, das man auch als Flexspline bezeichnen könnte, auf.
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Das verformbare Rohr 7 ist drehfest mit einer Eingangswelle 8 verbunden und mit einer Außenverzahnung 9 versehen, die mit der Innenverzahnung 6 des Verzahnungsteils 5 in Eingriff ist.
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Der Aktuator 1 weist einen elektrischen Überlagerungsantrieb 19 auf, der einen an einem Gehäuse 10 befestigten Stator 11 und einen drehfest zu einem Wellengenerator 12 angeordneten Rotor 13 aufweist.
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Der Wellengenerator 12 ist mit einem Wellengeneratorlager 14 versehen, das es ermöglicht, den Wellengenerator 12 innerhalb des verformbaren Rohres 7 zu drehen, wobei das verformbare Rohr 7 von dem Wellengenerator 12 und seinem Wellengeneratorlager 14 in eine ovale Form gedrückt wird, die bei Drehung des Wellengenerators 12 innerhalb des verformbaren Rohres umläuft, sodass sich die Außenverzahnung 9 des verformbaren Rohres 7 auf der Innenverzahnung 6 des Verzahnungsteils 5 abwälzt. Der Wellengenerator 12 ist mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 15 verbunden, die mittels eines Lagers 16 drehbar an dem Gehäuse 10 gelagert ist.
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Die Ausgangswelle 3 ist ebenfalls als Hohlwelle ausgeführt, in der ein Zentrierdorn 18 verankert ist. Der Zentrierdorn dient dazu, die Ausgangswelle 3 und die Eingangswelle 8 mittels eines weiteren Lagers 17 zueinander drehbar zu zentrieren und zu lagern.
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Der Aktuator 1 weist ein Steuerungs- und Sensormodul 20 auf, das ein Lager 21 zur drehbaren Lagerung der Eingangswelle 8 aufweist. Innerhalb des Steuerungs- und Sensormoduls 20 ist ein Drehwinkelsensor 22 vorgesehen, dessen Ausgangssignale dazu verwendet werden, die Kommutierung des elektrischen Überlagerungsantriebs 19 zu steuern bzw. zu regeln. Die Kommutierung des Überlagerungsantriebs 19 wird von Steuerungselektronik 23 gesteuert, die die Ausgangssignale des Drehwinkelsensors 22 empfängt.
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Der Aktuator 1 ist mit einem in das Steuerungs- und Sensormodul 20 integrierten weiteren Drehwinkelsensor, nämlich einem Lenkwinkelsensor 24, ausgerüstet. Konkret ist der Lenkwinkelsensor 24 dazu ausgebildet, die Drehwinkelstellung der Eingangswelle 8 kontinuierlich zu messen und entsprechende Signale an die Steuerungselektronik 23 zu senden.
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Die Steuerungselektronik 23 beinhaltet eine Überlagerungselektronik, die den Überlagerungsantrieb 19 in Abhängigkeit von Signalen des Lenkwinkelsensors 24 und in Abhängigkeit von weiteren Parametern bezüglich des Fahrzustandes, die die Steuerungselektronik 23 von außen empfängt, regelt.
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Das Steuerungs- und Sensormodul 20 weist einen Lagerschild 25 auf, der das Lager 21 trägt. Außerdem trägt der Lagerschild 25 einen Teil des Drehwinkelsensors 22, die Steuerungselektronik 23, die eine Funktionselektronik und eine Überlagerungselektronik beinhaltet, und den Lenkwinkelsensor 24.
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Das Steuerungs- und Sensormodul 20 weist ein eigenes Gehäuse 31 auf, bildet einen Deckel für das Gehäuse 10 des Aktuators 1 und dichtet das Gehäuse 10 des Aktuators 1 gleichzeitig ab.
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2 zeigt ein Steuerungs- und Sensormodul 20 für einen Aktuator 1. Das Steuerungs- und Sensormodul 20 weist ein Lager 21 für eine Eingangswelle auf. Darüber hinaus ist innerhalb des Steuerungs- und Sensormoduls 20 als weiterer Drehwinkelsensor ein Lenkwinkelsensor 24 angeordnet. Der Lenkwinkelsensor 24 weist eine Scheibe 26 mit einem gezahnten Durchbruch 27 zur drehfesten Lagerung an einer Eingangswelle auf. Der Lenkwinkelsensor 24 weist außerdem Sensoren 28 zur Erfassung der Drehung der Scheibe 26 auf.
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Das Steuerungs- und Sensormodul 20 beinhaltet außerdem andere Sensoren 29 eines Drehwinkelsensors 22 zur Erfassung der Drehstellung einer in dieser Figur nicht gezeigten Magnetscheibe 33.
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Das Steuerungs- und Sensormodul 20 weist einen Lagerschild 25 auf, der das Lager 21 trägt. Innerhalb des Gehäuses ist eine Platine 30 die mit elektronischen Bauteilen 32 einer Funktionselektronik und einer Überlagerungselektronik bestückt ist.
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3 zeigt eine Detailansicht eines anderen Aktuators 1. Der Aktuator 1 ist mit dem in 2 dargestellten Steuerungs- und Sensormodul 20 ausgerüstet.
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Am Ende der als Hohlwelle ausgeführten Antriebswelle 15 ist drehfest zur Antriebswelle 15 eine Magnetscheibe 33 angeordnet, deren Winkelstellung mittels der anderen Sensoren 29 des Drehwinkelsensors 22 kontinuierlich erfasst wird. Die Ausgangssignale des Drehwinkelsensors 22 werden dazu verwendet, die Kommutierung des Stators 11 des elektrischen Überlagerungsantriebs 19 zu steuern bzw. zu regeln.
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Die Eingangswelle 8 weist an ihrem Ende eine Außenverzahnung 34 auf, die die drehfeste Ankopplung der Scheibe 26 des Lenkwinkelsensors 24 und die Ankopplung einer Lenkwelle eines Fahrzeugs ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator
- 2
- Spannungswellengetriebe
- 3
- Ausgangswelle
- 4
- Abtriebslagers
- 5
- Verzahnungsteil
- 6
- Innenverzahnung
- 7
- verformbares Rohr
- 8
- Eingangswelle
- 9
- Außenverzahnung
- 10
- Gehäuse
- 11
- Stator
- 12
- Wellengenerator
- 13
- Rotor
- 14
- Wellengeneratorlager
- 15
- Antriebswelle
- 16
- Lager
- 17
- weiteres Lager
- 18
- Zentrierdorn
- 19
- Überlagerungsantrieb
- 20
- Steuerungs- und Sensormodul
- 21
- Lager
- 22
- Drehwinkelsensor
- 23
- Steuerungselektronik
- 24
- Lenkwinkelsensor
- 25
- Lagerschild
- 26
- Scheibe
- 27
- Durchbruch
- 28
- Sensoren
- 29
- andere Sensoren
- 30
- Platine
- 31
- Gehäuse
- 32
- elektronische Bauteile
- 33
- Magnetscheibe
