DE102010044540A1

DE102010044540A1 - Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkwelle

Info

Publication number: DE102010044540A1
Application number: DE201010044540
Authority: DE
Inventors: Dr. Hofmann Alexander; Eduard Beresch; Andreas Jung; Sebastian Pachner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines Lenkwelle, umfassend ein Gehäuse mit einem Lenkwellenlager zur Lagerung der Lenkwelle und einen Drehwinkelsensor, der mit der in das Gehäuse zu führenden Lenkwelle zusammenwirkt, gekennzeichnet durch einen Motor (7) zur Gabe eines über die Lenkwelle (4) als hapitsches Signal erfahrbaren Moments an die Lenkwelle (4), wobei die Motorabtriebswelle (8) parallel zur Lenkwelle (4) verläuft und über ein Getriebe mit dieser gekoppelt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkwelle, umfassend ein Gehäuse mit einem Lenkwellenlager zur Lagerung der Lenkwelle und einen Drehwinkelsensor, der mit der in das Gehäuse zu führenden Lenkwelle zusammenwirkt.
Hintergrund der Erfindung
Solche Vorrichtung zur Drehwinkelerfassung einer Lenkwelle kommen überall dort zum Einsatz, wo über ein Lenkrad in Verbindung mit einer Lenkwelle ein Fahrzeug, sei es ein Land- oder ein Wasserfahrzeug, gelenkt werden soll. Neben PKW- und LKW-Anwendungen oder bei land- und bauwirtschaftlichen Fahrzeugen ist ein Beispiel der Schiffbau, wo etwaige Differenzen zwischen Rudersoll- und Ruderistposition erfasst werden, die aus der Trägheit des Ruders resultieren. Die Erfindung erfasst auch anderweitige Einsätze einer solchen Vorrichtung, beispielsweise auch Kontroller für Spielkonsolen, die eine entsprechende Lenkwelle, die im Rahmen des Videospiels als Lenkrad dient, umfassen, und ähnliche Einsätze. Über den Drehwinkelsensor wird die Drehung der Lenkwelle in inkrementellen Winkelschritten erfasst. Aus dem Sensorsignal kann folglich exakt abgeleitet werden, um welchen Winkel die Lenkwelle und in welche Richtung die Lenkwelle verdreht wird, um gestützt auf diese Signale unterschiedlichste Stellaufgaben vorzunehmen. Im Falle des Einsatzes bei einem realen Fahrzeug kann hierüber beispielsweise im Rahmen einer Steer-by-Wire-Lenkung, also einer elektronisch gesteuerten Lenkung, das Signal abgegriffen werden, das zur Ansteuerung des Lenkgetriebes, das sodann die Radverstellung und Ähnliches vornimmt, dient. Gleiches gilt natürlich auch bei anderen Fahrzeugen mit anderen boden- oder wasserseitigen Antrieben. Auch im Falle des exemplarisch beschriebenen Einsatzes bei einem Spielkonsolenkontroller dient dieses Signal der nachfolgenden Steuerung, hier der Bildschirmdarstellung, die sich in Abhängigkeit der Lenkwellenverdrehung ändert. Lediglich exemplarisch wird auf eine aus US 6,984,072 B2 bekannte Erfassungsvorrichtung verwiesen.
Weiterhin ist es bekannt, über das Lenkrad haptisch erfahrbare Signale zu geben, die den Bediener beispielsweise in bestimmten Situationen warnen oder informieren sollen. Hierzu werden entsprechende Vibratoren verwendet, die entweder lenkradseitig verbaut sind und ein Signal geben, oder die unter Verwendung eines Motors ein Moment an die Lenkwelle geben, das seinerseits lenkradseitig als Vibrationssignal erfasst werden kann. Jedoch werden nicht nur Warnsignale übertragen, sondern gegebenenfalls auch aktive Lenkeingriffe vorgenommen, d. h., dass über einen solchen Motor ein der Lenkradverdrehung entgegenwirkendes Gegendrehmoment erzeugt wird, um gegebenenfalls bis zu einem gewissen Grad zurückzulenken und das Fahrzeug zu führen.
Die bekannten hierzu geeigneten Einrichtungen können jedoch nur relativ geringe Momente zur Rückmeldung des Lenkzustandes erzeugen, da sie in der Regel direkt in koaxialer Anordnung mit der Lenkwelle verbunden sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die neben einer Lenkwinkelerfassung auch gleichzeitig die Möglichkeit zur Gabe hinreichender Momente an die Lenkwelle bietet.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß ein Motor vorgesehen, der zur Gabe eines über die Lenkwelle als haptisches Signal erfahrbaren Moments an die Lenkwelle dient, wobei die Motorabtriebswelle parallel zur Lenkwelle verläuft und über ein Getriebe mit dieser gekoppelt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gehäuseseitig sowohl ein Drehwinkelsensor als auch der das Moment an die Lenkwelle gebende Motor integriert. Dieser Motor ist jedoch nicht koaxial zur Lenkwelle angeordnet und unmittelbar mit dieser gekoppelt, vielmehr liegt er parallel zur Lenkwelle derart, dass seine Motorabtriebswelle parallel zur Lenkwelle verläuft. Die Kraftkopplung erfolgt über ein zwischengeschaltetes Getriebe, das also die Motorabtriebswelle mit der Lenkwelle koppelt. Über dieses Getriebe ist es nun möglich, auf axial kleinem Bauraum eine Untersetzung zu realisieren, worüber es möglich ist, ein höheres Moment als bei unmittelbarer Anbindung der Abtriebswelle an die Lenkwelle zu übertragen.
Gleichzeitig bietet die Integration sowohl der Lenkwellenlagerung als auch des Drehwinkelsensors und des Motors in einem Gehäuse die Möglichkeit, eine kompakte und kleinbauende Vorrichtung zu bilden, die auch bei relativ kleinem vorhandenem Bauraum integriert und mit der Lenkwelle gekoppelt werden kann.
Als Getriebe kann beispielsweise ein Stirnradgetriebe oder ein Hüllgetriebe, beispielsweise auf Riemenbasis, verwendet werden, wobei selbstverständlich auch andere Untersetzungsgetriebe eingesetzt werden können, solange sie eine parallele Anordnung von Motor und Lenkwelle ermöglichen.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Lenkwelle und/oder die Abtriebswelle aus dem Gehäuse herauszuführen. D. h., dass eine der beiden Wellen oder im Bedarfsfall auch beide Wellen an der Gehäuseunterseite aus dem Gehäuse ragen und so die Möglichkeit bieten, an dieser Seite einen zusätzlichen mechanischen Abgriff zu ermöglichen. Dieser wahlweise Abgriff der Lenkwelle oder der Motorwelle ermöglicht die Wahl eines schnell oder langsam laufenden mechanischen Abgriffs mit entsprechend niedrigem bzw. hohem Drehmoment. Sofern an der Motorwelle ein Abgriff erfolgen soll, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, diese auch bei Bedarf von der Lenkwelle zu entkoppeln, mithin also das Getriebe auszukuppeln. Der Abgriff an der Lenkwelle ermöglicht den Einsatz von flexiblen Lenkwellen, beispielsweise zur Realisierung eines Notdurchtriebes, über den von der Lenkwelle mechanisch auf das Lenkgetriebe zugegriffen werden kann, wenn beispielsweise die Elektronik ausgefallen ist.
Ist die Lenkwelle aus dem Gehäuse herausgeführt, so ist sie bevorzugt im Bereich des Gehäuseaustritts über ein weiteres Lenkwellenlager drehgelagert, d. h., dass sowohl im Bereich des Gehäuseeintritts als auch des Gehäuseaustritts eine Lagerstelle für die Lenkwelle vorgesehen ist. Diese zweite Lagerstelle ist jedoch optional, vielmehr kann bereits die Lagerung der Lenkwelle durch das erste Lenkwellenlager ausreichend sein. Dieses kann beliebig ausgeführt sein, es kann auch Kippmoment aufnehmen, also beispielsweise als 4-Punkt-Lager ausgeführt sein. Entsprechendes gilt für die Motorabtriebswelle.
Zweckmäßig ist ferner, wenn ein zweiter Drehwinkelsensor, der mit der Lenkwelle zusammenwirkt, zur Erfassung des Drehwinkels vorgesehen ist. Dieser zweite Drehwinkelsensor ist als redundanter Sensor vorgesehen, der separat zum ersten Drehwinkelsensor ein Lenkwinkelsignal liefert. Hieraus folgt die Möglichkeit, dass im Falle eines Ausfalls eines Sensors stets ein zweiter Sensor zur Verfügung steht, wie auch bei ordnungsgemäßem Betrieb beider Sensoren stets eine Plausibilisierungsprüfung durch Abgleich der Sensorsignale, die im Betrieb gleich sein müssen, möglich ist.
Kommen zwei solcher Sensoren zum Einsatz, ist zweckmäßigerweise ein gemeinsames Anschlusselement zum Abgriff der Sensorsignale vorgesehen, mithin also eine gemeinsame Anschlussstelle für das herausgeführte Signalkabel.
Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Lager- und Winkelsensoranordnung zur Erfassung von Lenkbefehlen insbesondere in Land- bzw. Wasserfahrzeugen bzw. überall dort, wo eine Lenkwelle vorhanden ist, die vermittels einer bedarfsgesteuerten Drehmomenterzeugung eine fühlbare Rückmeldung über den Lenkungszustand an den Bediener vermittelt. Das Drehmoment wird elektromotorisch erzeugt und durch ein Getriebe untersetzt an die parallel zur Motorabtriebswelle verlaufende Lenkwelle gegeben. Die Anordnung ermöglicht neben der elektronischen Erfassung des Lenkwinkels auch den mechanischen. Abgriff auf der Lenkwelle und optional der schneller laufenden Motorwelle.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer ersten Ausführungsform;
2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt als Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, umfassend ein Gehäuse 2, das eine oberseitige Öffnung 3 aufweist, in die eine Lenkwelle 4 geführt ist. Die Lenkwelle 4 ist in einem Lenkwellenlager 5 drehgelagert aufgenommen. Dieses Lager kann beliebiger Ausgestaltung sein, es kann auch zur Aufnahme von Kippmomenten ausgelegt sein und Ähnliches.
Der Lenkwelle 4 zugeordnet ist ein Drehwinkelsensor 6, der die Drehung der Lenkwelle 4 erfasst und absolutkodierte elektronische Signale, die den aktuellen Lenkwinkel wiedergeben, zur Verfügung stelle, die über eine nicht näher gezeigte Kabelverbindung an eine nachgeschaltete Steuereinrichtung gegeben werden, die darauf gestützt beispielsweise ein Lenkgetriebe steuert. Der Drehwinkelsensor 6 ist selbstverständlich wie alle anderen Komponenten über geeignete Befestigungsmittel und Ähnliches gehäuseseitig gelagert.
Parallel zur Lenkwelle 4 ist ein Motor 7 angeordnet, dessen Abtriebswelle 8 parallel zur Lenkwelle 4 verläuft. Über ein untersetzendes Getriebe 9, beispielsweise ein Stirnrad- oder ein Hüllgetriebe ist die Abtriebswelle 8 mit der Lenkwelle 4 verbunden, so dass es möglich ist, ein Drehmoment von der Abtriebswelle 8 untersetzt auf die Lenkwelle 4 zu geben und hierüber eine haptisch fühlbare Rückmeldung über den Lenkungszustand an den Bediener zu vermitteln. Eine solche Rückmeldung erfolgt dann, wenn aus dem Drehwinkelsensorsignal erfasst wird, dass in irgendeiner Weise ein Zustand gegeben ist, der eine Signalisierung oder Rückmeldung zu Informationszwecken oder Ähnlichem an den Bediener verlangt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, wobei soweit möglich für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
Vorgesehen ist wiederum ein Gehäuse 2 mit einer oberseitigen Öffnung 3, durch die die Lenkwelle 4 in das Gehäuse läuft. In diesem Bereich ist die Lenkwelle 4 wiederum über ein oberes Lenkwellenlager 5 gelagert. Vorgesehen ist wiederum ein Drehwinkelsensor 6, dem bei dieser Ausgestaltung ein zweiter Drehwinkelsensor 10 nachgeschaltet ist. Beide Drehwinkelsensoren liefern separate Erfassungssignale, d. h., dass von beiden Sensoren separat der Drehwinkel gemessen wird. Die beiden Sensorsignale werden, bevorzugt über ein gemeinsames, nicht näher gezeigtes Anschlussmittel, an eine gemeinsame Steuerungseinrichtung gegeben, wo sie separat ausgewertet werden können.
Vorgesehen ist wiederum der Motor 7 mit seiner parallel zur Lenkwelle 4 verlaufenden Abtriebswelle 8, die wiederum über ein Getriebe, das bevorzugt untersetzend ausgelegt ist, mit der Lenkwelle 4 gekoppelt ist.
Im gezeigten Beispiel durchsetzt die Lenkwelle 4 das Getriebe und tritt an der Gehäuseunterseite über eine weitere Öffnung 11 aus. In diesem Bereich kann optional ein zweites Lenkwellenlager 12 vorgesehen sein, d. h., dass die Lenkwelle an zwei Lagerstellen im Gehäuse 2 drehgelagert ist. An dem unterseitig aus dem Gehäuse herausgeführten Lenkwellenende 13 kann ein mechanischer Abgriff erfolgen, über den beispielsweise ein mechanischer Notdurchtrieb unter Verwendung einer flexiblen Welle zum Lenkgetriebe erfolgen kann, sollte im Betrieb die Elektronik, die in Abhängigkeit der Sensorsignale das Lenkgetriebe steuert, ausfallen.
Wie optional gezeigt, besteht ferner die Möglichkeit, auch die Motorabtriebswelle 8 aus dem Gehäuse 2 unterseitig herauszuführen, wie gestrichelt dargestellt ist. Gegebenenfalls kann auch hier ein zusätzliches Motorabtriebswellenlager vorgesehen sein. An der Motorwelle kann ebenfalls ein mechanischer Abgriff erfolgen, wobei die Motorwelle deutlich schneller dreht als die mechanisch gedrehte Lenkwelle.
Für den Fall, dass ein mechanischer Abgriff erfolgen soll, besteht auch die Möglichkeit, Motorwelle 8 bzw. Lenkwelle 4 vom Getriebe 9 zu entkoppeln.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gehäuse
3: Öffnung
4: Lenkwelle
5: Lenkwellenlager
6: Drehwinkelsensor
7: Motor
8: Abtriebswelle
9: Getriebe
10: Drehwinkelsensor
11: Öffnung
12: Lenkwellenlager
13: Lenkwellenende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6984072 B2 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines Lenkwelle, umfassend ein Gehäuse mit einem Lenkwellenlager zur Lagerung der Lenkwelle und einen Drehwinkelsensor, der mit der in das Gehäuse zu führenden Lenkwelle zusammenwirkt, gekennzeichnet durch einen Motor (7) zur Gabe eines über die Lenkwelle (4) als haptisches Signal erfahrbaren Moments an die Lenkwelle (4), wobei die Motorabtriebswelle (8) parallel zur Lenkwelle (4) verläuft und über ein Getriebe mit dieser gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (9) ein Stirnrad- oder ein Hüllgetriebe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (4) und/oder die Abtriebswelle (8) aus dem Gehäuse (2) herausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Gehäuse (2) herausgeführte Lenkwelle (4) und/oder Motorabtriebswelle (8) im Bereich des Gehäuseaustritts über ein weiteres Lenkwellenlager (12) drehgelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Drehwinkelsensor (10), der mit der Lenkwelle (4) zusammenwirkt, zur Erfassung des Drehwinkels vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Anschlusselement zum Abgriff der Sensorsignale vorgesehen ist.