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Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Referenzbauteils bezüglich einer axialen Richtung, beispielsweise einen Drehwinkelsensor zur Bestimmung eines Lenkwinkels eines Rads eines Kraftfahrzeugs.
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Bei vielen Maschinen und Anlagen treten zwischen einzelnen Bauteilen und Baugruppen Drehbewegungen auf, die im Rahmen des Betriebs der betreffenden Maschine erfasst werden sollen. Kraftfahrzeuge, beispielsweise geländegängige Kraftfahrzeuge, Lastkraftfahrzeuge, Busse oder andere Personenkraftwagen, stellen hierfür Beispiele dar. So kann es für entsprechende Kraftfahrzeuge beispielsweise ratsam sein, den momentanen Lenkwinkel eines oder mehrerer gelenkter Räder zu erfassen, wobei es sich bei diesen sowohl um angetriebene als auch um antriebslose Räder handeln kann. Aber auch bei ungelenkten Rädern kann es gegebenenfalls interessant sein, ihre momentane Ausrichtung zur Längsachse des Kraftfahrzeugs zu bestimmen.
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Der oder die erfassten Lenkwinkel eines oder mehrerer Räder kann beispielsweise im Rahmen der Überwachung, Steuerung und/oder gegebenenfalls der Regelung eines Lenksystems des betreffenden Kraftfahrzeugs ebenso eingesetzt werden, wie beispielsweise im Rahmen von Systemen zur Überwachung und gegebenenfalls Beeinflussung gegenwärtiger fahrdynamischer Zustände, von denen ein Antiblockiersystem (ABS) sowie eine Antriebsschlupfregelung (ASR) lediglich zwei Beispiele darstellen.
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Zu diesem Zweck ist es beispielsweise möglich, den betreffenden Lenkwinkel unmittelbar im Bereich des oder der gelenkten Räder zu bestimmen. So beschreibt beispielsweise die
WO 2010/055370 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Lenkwinkels eines Achsschenkelbolzens bzw. eines Königszapfens einer Achsschenkellenkung. Die in der
WO 2010/055370 A1 beschriebene Vorrichtung stellt eine vergleichsweise große und komplexe Vorrichtung dar, die gegebenenfalls sogar eine Anpassung des Achsschenkelbolzens erfordert.
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Die
WO 2010/055370 A1 beschreibt so einen Drehwinkelsensor mit einem Magnethalterungsbauteil mit einem Magneten. Das Magnethalterungsbauteil ist mit einem Referenzbauteil drehfest verbunden. Zu dem Drehwinkelsensor zählt ferner ein drehbar befestigter Sensor zum Erfassen des von dem Magneten erzeugten Magnetfelds sowie ein Federelement.
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Aber auch in anderen Bereichen des Maschinen-, des Anlagen- und des Fahrzeugbaus treten entsprechende Herausforderungen hinsichtlich der Bestimmung eines Drehwinkels eines Referenzbauteils bezüglich einer axialen Richtung auf, die ähnlichen Randbedingungen unterworfen sind.
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Es besteht daher ein Bedarf, einen Drehwinkelsensor zu schaffen, der einen einfacheren und/oder kleineren Aufbau ermöglicht.
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Diesem Bedarf trägt ein Drehwinkelsensor gemäß Patentanspruch 1 Rechnung.
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Ein Drehwinkelsensor zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Referenzbauteils bezüglich einer axialen Richtung gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Magnethalterungsbauteil mit einem Magneten, wobei das Magnethalterungsbauteil ausgebildet ist, um mit dem Referenzbauteil drehfest verbindbar, jedoch axial verschiebbar zu sein, einen bezüglich des Referenzbauteils drehbar befestigten Sensor, der ausgebildet ist, ein von dem Magneten erzeugtes Magnetfeld zu erfassen, und ein Federelement, das ausgebildet ist, um eine axiale Kraft derart auf das Magnethalterungsbauteil auszuüben, dass ein axialer Abstand zwischen dem Sensor und dem Magneten einen vorbestimmten Wert annimmt, wobei das Magnethalterungsbauteil ferner ausgebildet ist, um mit dem Referenzbauteil über eine formschlüssige Verbindung die drehfeste Verbindung zu schaffen. Einem Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt so die Erkenntnis zu Grunde, dass ein einfacherer und/oder kompakter Aufbau dadurch ermöglicht werden kann, dass anstelle einer kraftschlüssigen Verbindung eine formschlüssige Verbindung bezüglich des Magnethalterungsbauteils zum Einsatz kommt. Zu diesem Zweck weist der Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel gerade das Magnethalterungsbauteil mit dem Magneten auf, das mit dem Referenzbauteil drehfest verbindbar ist, wobei die drehfeste Verbindung über eine formschlüssige Verbindung geschaffen wird.
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Dadurch, dass eine formschlüssige Verbindung anstelle einer kraftschlüssigen Verbindung zum Einsatz kommt, können die einzelnen Komponenten eines Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel kompakter und kleiner ausgelegt werden. Im Gegensatz zu einer kraftschlüssigen Verbindung entfällt insbesondere die Notwendigkeit, zwischen dem Referenzbauteil und dem Magnethalterungsbauteil des Drehwinkelsensors eine ausreichende Normal- oder Anpresskraft zu schaffen, um überhaupt die kraftschlüssige Verbindung zu ermöglichen. Durch den Wegfall der Notwendigkeit, eine entsprechende Kraft aufzubringen, können die einzelnen Komponenten des Drehwinkelsensors kompakter ausgeführt werden. Ebenso können die einzelnen Komponenten auch für geringere Belastungen ausgelegt werden, sodass auch aus diesem Grund kleinerer Bauteile eingesetzt werden können.
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Ebenso kann es ein Ausführungsbeispiel ermöglichen, eine Anpassung bereits existierender oder gegenwärtiger Komponenten oder Bauteile überflüssig zu machen. Eine Modifikation des Referenzbauteils oder des Aufbaus kann daher gegebenenfalls entfallen, was den Aufwand und die damit verbundenen Kosten für eine Anpassung des Systems, in das der Drehwinkelsensor integriert werden soll, erheblich reduzieren kann. Ein Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel kann so gegebenenfalls unmittelbar und sofort betriebsbereit (engl.: „Plug and Play”) in einen existierenden Aufbau integriert werden.
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Das Federelement kann hierbei gegebenenfalls auftretende Toleranzen des Bauteils und/oder des Drehwinkelsensors bzw. seiner Komponenten in axialer Richtung ausgleichen.
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Bei dem Referenzbauteil kann es sich beispielsweise um einen Achsschenkelbolzen oder einen Königszapfen einer Achsschenkellenkung eines Kraftfahrzeugs handeln. Es kann sich jedoch auch um ein anderes Bauteil einer Baugruppe, einer Maschine oder eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs handeln.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann der Sensor mit einem Gehäuse des Drehwinkelsensors drehfest gekoppelt sein. Das Gehäuse kann dann beispielsweise mit einem weiteren Bauteil, beispielsweise einem Radträger einer Achsschenkellenkung eines Kraftfahrzeugs mechanisch gekoppelt bzw. verbunden werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann der Drehwinkelsensor derart ausgebildet sein, dass das Magnethalterungsbauteil in axialer Richtung über oder auf das Referenzbauteil aufschiebbar ist, um die formschlüssige Verbindung zu schaffen. Aus diesem Grund wird das Magnethalterungsbauteil auch als Abdeckungsbauteil bezeichnet. Hierdurch kann es möglich sein, den Drehwinkelsensor auch an nur schwer zugänglichen und/oder nur schwer einsehbaren Orten leichter einzubauen. Aufgrund der Aufschiebbarkeit des Magnethalterungsbauteils in axialer Richtung auf das Referenzbauteil kann so beispielsweise eine blinde Montage an einem nur schwer zugänglichen Ort, beispielsweise im Fahrwerksbereich eines Kraftfahrzeugs, erleichtert werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann das Magnethalterungsbauteil eine Mehrzahl von sich parallel zu der axialen Richtung erstreckenden Verbindungskanten aufweisen, um die formschlüssige Verbindung zu schaffen. Hierdurch kann eine einfache und/oder stabile Verbindung des Magnethalterungsbauteils mit dem Referenzbauteil erzielbar sein.
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Bei einem solchen Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann die Mehrzahl der Verbindungskanten eine Schnittebene senkrecht zu der axialen Richtung in einer Mehrzahl von Schnittpunkten schneiden, die Eckpunkte eines regelmäßigen Polygons bilden. Hierdurch kann gegebenenfalls eine gleichmäßige Belastung hinsichtlich auftretender Kräfte erreichbar sein. Ebenso kann hierdurch gegebenenfalls ein flexiblerer Einbau des Magnethalterungsbauteils auf das Referenzbauteil erreichbar sein, da aufgrund der Verwendung einer regelmäßigen Polygonform das Magnethalterungsbauteil in mehreren Positionen auf das Referenzbauteil aufsetzbar bzw. mit diesem drehfest verbindbar ist. Hierbei stellt ein regelmäßiges Polygon ein zweidimensionales, gleichseitiges und gleichwinkliges Polygon dar.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann die Mehrzahl von Verbindungskanten eine gerade Anzahl von Verbindungskanten umfassen. Ebenso kann bei diesem nur jede zweite Verbindungskante der Mehrzahl von Verbindungskanten mit einer entsprechenden Gegenverbindungskante oder einer entsprechenden Gegenverbindungsfläche in einem montierten Zustand in Kontakt stehen. Hierdurch kann gegebenenfalls eine genauere Vormontage bzw. Vorjustierung erzielbar sein, da das Magnethalterungsbauteil in einer höheren Anzahl von Positionen mit dem Referenzbauteil drehfest verbindbar ist.
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Eine solche Implementierung kann beispielsweise dann besonders interessant sein, wenn das Bauteil oder ein mit diesem mechanisch verbundenes Bauteil in dem Bereich, indem das Magnethalterungsbauteil montiert werden soll, bereits eine polygonale Form, beispielsweise einen Außensechskant zur Montage mithilfe eines Werkzeugschlüssel aufweist. In einem solchen Fall kann hierdurch gegebenenfalls eine Implementierung eines Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel an ein bestehendes System weiter vereinfacht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann ferner ein Verbindungsbauteil aufweisen, das mit dem Referenzbauteil mechanisch verbindbar und derart ausgeformt ist, um die formschlüssige Verbindung mit dem Magnethalterungsbauteil zu schaffen. Alternativ oder ergänzend kann bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors ebenso das Magnethalterungsbauteil derart ausgeformt sein, dass dieses auf das Referenzbauteil unmittelbar aufbringbar ist, um die formschlüssige Verbindung zu schaffen. Hierdurch kann es möglich sein, durch Anpassung nur des Magnethalterungsbauteils bzw. durch Vorsehen des Verbindungsbauteils eine einfachere und/oder gegebenenfalls flexiblere Implementierung eines Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem bereits existierenden oder aus anderen Gründen festgelegten System zu ermöglichen. So kann beispielsweise ein Verbindungsbauteil mit einem Innengewinde und einem polygonalen Außenquerschnitt verwendet werden, wenn das Referenzbauteil, dessen Drehwinkel zu bestimmen ist, beispielsweise ein entsprechendes Außengewinde aufweist. Der polygonale Querschnitt am Außenbereich des Verbindungsbauteils kann dann zur Schaffung der formschlüssigen und drehfesten Verbindung zwischen dem Magnethalterungsbauteil und dem Referenzbauteil verwendet werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann das Magnethalterungsbauteil aus einem Kunststoff oder einem Blech gefertigt sein. Hierdurch kann es möglich sein, nur durch Austausch bzw. Anpassung des Abdeckungsbauteils einen Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel an unterschiedliche Referenzbauteile anzupassen. Ebenso kann es hierdurch möglich sein, einen Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel weiter zu vereinfachen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines solchen Drehwinkelsensors kann der Magnet mit dem Magnethalterungsbauteil mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, beispielsweise mittels einer Verklebung, und/oder mittels einer kraftschlüssigen Verbindung, beispielsweise einer Verklemmung oder einer Verpressung, und/oder mittels einer formschlüssigen Verbindung, beispielsweise einer an dem Magnethalterungsbauteil vorgesehenen Halterung und/oder einer in einem montierten Zustand dem Sensor zugewandten Vertiefung (zurückgesetzter Abschnitt in einer Montagefläche) mit dem Abdeckungsbauteil mechanisch verbunden sein. Ebenso kann der Magnet gegebenenfalls auch in das auch als „Kappe” bezeichneten Magnethalterungsbauteil eingegossen, mit diesem vergossen oder mittels eines Kunststoffs oder eines Polymers eingespritzt sein. Hierdurch kann gegebenenfalls eine Herstellung des Drehwinkelsensors gegebenenfalls vereinfacht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann ferner ein Lager umfassen, das mit einem Gehäuse des Drehwinkelsensors drehfest verbunden ist, wobei das Lager in einem montierten Zustand mit dem Magnethalterungsbauteil durch die durch das Federelement ausgeübte Kraft derart in Kontakt steht, dass der axialen Abstand zwischen dem Sensor und dem Magneten den vorbestimmten Wert annimmt. Hierdurch kann es möglich sein, einen definierten Abstand zwischen dem Sensor und dem Magneten unabhängig von Toleranzen oder anderen Störeinflüssen, z. B. durch thermische Effekte oder Verschleiß, zu schaffen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors kann das Lager ein solches Lager sein, das im Wesentlichen nur Kräfte entlang der axialen Richtung weiterleitet, und/oder bei dem das Lager ein Axialgleitlager ist, und/oder bei dem das Lager eine Tragzahl für eine axiale Belastung von höchstens 2 kN aufweist. Hierdurch kann es möglich sein, den Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel kompakter auszuführen. Dies ist möglich, da die auftretenden Kräfte bauartbedingt gegenüber einer konventionellen Implementierung reduziert werden können, sodass auch kleinere Lager, also beispielsweise ein Axialgleitlager, welches im Wesentlichen nur zur Aufnahme und Weiterleitung axialer Kräfte, nicht jedoch zur Aufnahme und Weiterleitung radialer Kräfte ausgelegt ist, und/oder ein Lager mit einer vergleichsweise kleinen Tragzahl für axiale Belastungen verwendet werden kann. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das Lager auch derart ausgeführt sein, dass dieses eine Tragzahl für eine axiale Belastung aufweist, die höchstens 1,2 kN oder höchstens 1 kN beträgt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Drehwinkelsensors mit einem Lager kann das Federelement derart angeordnet sein, dass dieses das Magnethalterungsbauteil gegen das Lager drückt. Anders ausgedrückt kann das Federelement zwischen dem Magnethalterungsbauteil und dem Referenzbauteil und/oder dem gegebenenfalls integrierten Verbindungsbauteil derart angeordnet sein, dass das Federelement auf Druck beansprucht wird. Hierdurch kann es möglich sein, eine einfachere Montage des Drehwinkelsensors an dem Referenzbauteil zu ermöglichen, da das Federelement in das Magnethalterungsbauteil gegebenenfalls vor der Montage eingesetzt werden kann. Eine blinde Montage oder eine Montage an einem nur schwer zugänglichen Ort kann daher gegebenenfalls vereinfacht werden. Bei einem Federelement kann es sich beispielsweise um einen Federring, eine Tellerfeder, eine Tonnenfeder, eine Schraubenfeder oder eine Gasfeder handeln.
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Ein Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ausgebildet sein, um als Drehwinkelsensor einer Achsschenkellenkung eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Lastkraftwagens oder eines Busses, eingesetzt zu werden, wobei das Referenzbauteil ein Achsschenkelbolzen oder Königszapfen der Achsschenkellenkung des Kraftfahrzeugs ist, und wobei ein Gehäuse des Drehwinkelsensors mit einem Achsschenkel der Achsschenkellenkung gekoppelt ist.
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Hierbei kommt eine kraftschlüssige Verbindung durch Haftreibung, eine stoffschlüssige Verbindung durch molekulare oder atomare Wechselwirkungen und Kräfte und eine formschlüssige Verbindung durch geometrische Verbindung der betreffenden Verbindungspartner zustande. Die Haftreibung setzt somit insbesondere eine Normalkraftkomponente zwischen den beiden Verbindungspartnern voraus.
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Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben und erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenksystems;
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2 zeigt schematisch mögliche elektrische Ausgangskennlinien eines Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 zeigt eine vereinfachte Querschnittsdarstellung eines an einen Achsschenkelbolzen integrierten Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines konventionellen Drehwinkelsensors; und
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6a bis 6c zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen von Magnethalterungsbauteilen eines Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und andere Komponenten verwendet werden, wenn die betreffende Komponente an sich oder mehrerer entsprechende Komponenten innerhalb eines Ausführungsbeispiels oder innerhalb mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Passagen der Beschreibung, die sich auf eine Komponente beziehen, sind daher auch auf andere Komponenten in anderen Ausführungsbeispielen übertragbar, soweit dies nicht explizit ausgeschlossen ist oder sich dies aus dem Zusammenhang ergibt. Werden einzelne Komponenten bezeichnet, werden individuelle Bezugszeichen verwendet, die auf den entsprechenden zusammenfassenden Bezugszeichen basieren. Bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen bezeichnen daher gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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Komponenten, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen auftreten, können hierbei bezüglich einiger ihrer technischen Parameter identisch und/oder unterschiedlich ausgeführt oder implementiert werden. Es ist so beispielsweise möglich, dass mehrere Entitäten innerhalb eines Ausführungsbeispiels bezüglich eines Parameters identisch, bezüglich eines anderen Parameters jedoch unterschiedlich implementiert sein können.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lenkungssystems 100, im Rahmen dessen ein Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommen kann. 1 zeigt so ein Kraftfahrzeug 110, bei dem es sich beispielsweise um einen Lastkraftwagen handeln kann. Das Kraftfahrzeug 110 weist zwei nicht lenkbare Räder 120-1 und 120-2 auf. Darüber hinaus sind in einer Längsrichtung 130 vorne insgesamt vier lenkbare Räder 140-1, ..., 140-4 angeordnet, die jeweils in einem zu der Längsrichtung 130 verdrehten bzw. eingelenkten Zustand dargestellt sind.
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Das Kraftfahrzeug 110 verfügt hierbei über eine Achsschenkellenkung, sodass die einzelnen Räder 120, 140 im Wesentlichen parallel zu der Fahrtrichtung 130 angeordnet sind. Um ein möglichst verspannungsfreies Fahren um eine Kurve zu ermöglichen, sollten sich die Verlängerungen der Achsen der Räder 120, 140 in einem gemeinsamen Kurvenmittelpunkt 150 schneiden, wie dies auch in 1 gezeigt ist. Hierdurch rollen die einzelnen Räder 120, 140 nicht nur auf unterschiedlichen Radien ab, sondern die gelenkten Räder 140 sind auch gegenüber der Längsrichtung 130 um individuelle Lenkwinkel aus ihrer geraden Position verdreht.
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Die lenkbaren Räder 140 sollten daher über ein Lenkungssystem 100 so angesteuert werden, dass auf eine Drehung an einem Lenkrad 160 oder durch eine Betätigung eines anderen Bedienelements durch den Fahrer das Kraftfahrzeug 110 sich entlang einer Kurve bewegt. Ein solches Lenksystem 100 kann beispielsweise auf Basis einer mechanischen Ansteuerung der einzelnen lenkbaren Räder 140 arbeiten, die optional durch elektrische, hydraulische oder gegebenenfalls pneumatische Aktuatoren unterstützt werden kann. Darüber hinaus kann grundsätzlich ein Lenkungssystem 100 auch ohne eine entsprechende mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad 160 und den lenkbaren Rädern 140 dadurch umgesetzt werden, dass die einzelnen lenkbaren Räder 140 von Aktuatoren autark bewegt werden. Bei den entsprechenden Aktuatoren kann es sich wiederum um elektrische, hydraulische oder gegebenenfalls pneumatische Aktuatoren handeln.
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Das Lenkungssystem 100 weist so ein Lenkrad 160 auf, dass mechanisch mit in einem Lenkradwinkelsensor 170 gekoppelt ist. Rein mechanisch, durch einen Aktuator unterstützt oder auch autark von einem oder mehreren Aktuatoren betätigt können so über eine Vorderradverstellung 180 die beiden vorderen lenkbaren Räder 140-1 und 140-2 eingelenkt werden, wie dies durch eine als Pfeil in 1 eingezeichnete mechanische Kopplung zwischen der Vorderradverstellung 180 und den beiden Rädern 140-1 und 140-2 dargestellt ist.
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Der Lenkradwinkelsensor 170 ist mit einer elektronischen Steuereinheit (engl. Elektronic Control Unit, ECU) 190 so gekoppelt, dass eine Lenksignal des Lenkradwinkelsensors 170 mit einer Information bezüglich des Einschlagwinkels des Lenkrads 160 an diese übermittelt wird. Die elektronische Steuereinheit 190 ist ferner mit einem Lenkwinkelsensor 200 so gekoppelt, dass ein entsprechendes Ausgangssignal mit einer Information bezüglich des Lenkwinkels des oder der betreffenden lenkbaren Räder 140-3 (und ggf. 140-4) ebenfalls an die elektronische Steuereinheit 190 übertragen wird. Auf Basis des Lenkradwinkels von dem Lenkradwinkelsensor 170 und dem Lenkwinkel des Lenkwinkelsensors 200 kann die elektronische Steuereinheit 190 ein entsprechendes Steuersignal an einen Aktuator 210 ausgeben, der mechanisch mit dem betreffenden Rad 140 gekoppelt ist, wie dies in 1 wiederum durch einen Pfeil angedeutet ist. Auch hier kann wiederum der Aktuator 210 im Rahmen einer Unterstützung oder autark den Lenkwinkel des betreffenden Rads 140 entsprechend dem Steuersignal der elektronische Steuereinheit 190 verändern.
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Über den Lenkwinkelsensor 200, den Aktuator 210 und die elektronische Steuereinheit 190 wird so eine geschlossene Regelschleife bei dem in 1 gezeigten Lenkungssystem 100 geschaffen, welches eine kompakte, robuste und genaue Steuerung der einzelnen Lenkwinkel der lenkbaren Räder 140 zumindest – je nach konkreter Implementierung – an der hinteren Lenkachse mit den beiden lenkbaren Rädern 140-3 und 140-4 ermöglicht.
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Ein Drehwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel kann hierbei sowohl als Lenkwinkelsensor 200 wie auch als Lenkradwinkelsensor 170 zum Einsatz kommen. Je nach konkreter Implementierung eines entsprechenden Sensors, kann es beispielsweise im Falle eines Lenkradwinkelsensors 170 ratsam sein, nicht nur den aktuellen Winkel in einem Winkelbereich zwischen 0° und 360° bzw. –180° und +180° im Rahmen des Ausgangssignals desselben bereitzustellen, sondern ebenfalls Informationen über vollständige Umdrehungen (360°), falls das mit diesem gekoppelte Bauteil einen Drehwinkelbereich von mehr als 360° aufweist.
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2 zeigt eine schematische vereinfachte Darstellung zweier Kennlinien 220, 230 eines Ausgangssignals eines Drehwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie er beispielsweise als Lenkwinkelsensor 170 zum Einsatz kommen kann. Die Kennlinien 220, 230 setzen hierbei einen Lenkwinkel φ zu einem Spannungswert V des Ausgangssignals in Relation. Wird hierbei der Lenkwinkel φ in einem Winkelbereich zwischen den Werten φ1 und φ2 verändert, kann der Lenkwinkelsensor 170 beispielsweise einen Spannungswert im Spannungsintervall V1 (z. B. V1 = 0.5 V) bis V2 (z. B. V2 = 4.5 V) ausgeben.
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Die beiden Kennlinien 220, 230 sind hierbei linear, sodass einem einer Geradeausfahrt (entlang der Längsrichtung 130 des Kraftfahrzeugs 110) entsprechender Lenkwinkel φ0 in der Mitte des durch die Werte φ1 und φ2 gegebenen Intervalls ebenfalls einem Mittelwert V0 (im Beispiel oben also V0 = 2.5 V) der Randwerte V1 und V2 des entsprechenden Spannungsintervalls entspricht. Die beiden Kennlinien 220, 230 unterscheiden sich hierbei lediglich hinsichtlich ihrer Steigungen. Bei der Kennlinie 220 steigt die Spannung V linear mit dem Lenkwinkel φ, während sie bei der Kennlinie 230 entsprechend fällt.
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Selbstverständlich können bei anderen Lenkwinkelsensoren andere Spannungswerte und/oder andere, beispielsweise nichtlineare Kennlinien zum Einsatz kommen, die beispielsweise im Bereich der Längsrichtung 130 eine abweichende Steigung im Vergleich zu größeren Lenkwinkeln aufweisen.
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3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Achsschenkelbolzens 240 und eines Radträgers 250 mit einem Achsschenkel 260, an dem ein lenkbares Rad 140 (nicht gezeigte in 3) drehbar befestigt werden kann. Der Achsschenkel 260 wird aus diesem Grund auch als Radstummel bezeichnet.
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Der Radträger 250 ist hierbei bezüglich des Achsschenkelbolzens 240 um eine durch diesen verlaufende Drehrichtung 270 drehbar angeordnet. Der Achsschenkelbolzen 240 kann gegebenenfalls auch ein Verkippen des Radträgers 250 in einer senkrecht zu der Drehachse 270 stehenden Richtung ermöglichen, weshalb dieser auch als Königszapfen (engl. King Pin) bezeichnet wird. Entsprechende Verkippungen des Radträgers 250 können beispielsweise beim Ein- oder Ausfedern des Rads oder bei einem Aufträten von Lenk-, Beschleunigungs- oder Verzögerungskräften. Der Achsschenkelbolzen 240 ist hierbei über ein Kegelrollenlager 272 und ein kugelförmiges Gleitlager 275 an dem Radträger 250 gelagert.
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Der Lenkwinkelsensor 200 ist hierbei zwischen dem Achsschenkelbolzen 240 und einer entsprechenden Aufnahme an dem Radträger 250 angeordnet. Über einen elektrischen Anschluss 280 kann der Lenkwinkelsensor 200 mit der elektronischen Steuereinheit 190 des in 1 gezeigten Lenksystems elektrisch zur Übermittlung des Ausgangssignals mit der Information über den Lenkwinkel gekoppelt werden.
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Wie bereits zuvor erläutert wurde, kann der Lenkwinkelsensor 200 als Drehwinkelsensor 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgeführt sein. In diesem Fall kann ein Gehäuse 310 des Drehwinkelsensors 300 mit dem Radträger 250 mechanisch verbunden sein. 3 deutet so die Komponenten des Drehwinkelsensors 300 nur teilweise an, während einige von ihnen der Übersichtlichkeit halber gar nicht dargestellt sind. So zeigt 3 schematisch den Drehwinkelsensor 300 lediglich mit einer Leiterplatine 340, auf der ein in 3 nicht dargestellter Sensor angeordnet ist, und einem Magneten 430, der an einem in 3 ebenfalls nicht dargestellten Magnethalterungsbauteil angebracht ist. Auch sind in 3 weitere Komponenten, etwa ein Federelement, aber auch andere optionale Komponenten nicht gezeigt.
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3 zeigt so eine mit einer Abdeckung integrierte Drehwinkelmessung zwischen dem Achsschenkelbolzen 240 und dem Achsschenkel 260 bzw. dem Radträger 250. Diese kann, wie nachfolgend noch erläutert werden wird, im Falle einer entsprechenden Auslegung des Drehwinkelsensors 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel sofort betriebsbereit mit dem Achsschenkelbolzen 240 gekoppelt werden, ohne diesen beispielsweise nachbearbeiten zu müssen.
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4 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Drehwinkelsensors 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Genauer gesagt handelt es sich bei dem Drehwinkelsensor 300 um den bereits in 3 gezeigten Lenkwinkelsensor 200. Der Drehwinkelsensor 300 weist hierbei einen Gehäuse 310 auf, welches mit dem Radträger 250 über ein Innengewinde 320 des Radträgers 250 und einem entsprechendes Außengewinde 330 des Gehäuses 310 verschraubt ist.
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In dem Gehäuse 310 ist eine Leiterplatine 340 drehfest mit diesem angeordnet. Auf der Leiterplatine 340 ist ein Sensor 350 angeordnet, der ausgebildet ist, um ein Magnetfeld bzw. eine magnetische Flussdichte elektrisch erfassbar zu machen. Zu diesem Zweck ist der Sensor ausgebildet, um ein entsprechendes Sensorsignal auszugeben. Der Sensor 350 kann so beispielsweise auf Basis eines Hall-Sensorelements oder auch auf Basis eines magnetoresistiven Sensorelements ausgeführt werden.
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Die Leiterplatine 340 kann optional eine Treiberschaltung, eine Verstärkerschaltung und/oder eine Auswertungsschaltung umfassen, mit deren Hilfe das von dem Sensor 350 bereitgestellte Sensorsignal gegebenenfalls verstärkt und entsprechend einer Kennlinie (z. B. Kennlinien 220, 230) aufbereitet werden kann. Die optionalen Schaltungskomponenten können dann über den nicht in 4 gezeigten Anschluss 260 als Ausgangssignal des Drehwinkelsensors 300 an die elektronische Steuereinheit 190 ausgeben werden.
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Wie bereits im Zusammenhang mit den 1 und 3 erläutert wurde, schwenkt der Radträger 250 bzw. das an ihm angebrachte lenkbare Rad 140 um den Achsschenkelbolzen 240 bei einer Änderung des Lenkwinkels des betreffenden Rads. Dieser stellt somit das Referenzbauteil 360 dar, bezüglich dessen der Drehwinkelsensor 300 einen Drehwinkel erfassbar macht. die bereits in 3 gezeigte Drehachse 270 entspricht damit einer axialen Richtung 370, um die der Drehsensor 300 den Drehwinkel erfassen kann.
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Das Referenzbauteil 360 ist hierbei mit einem Verbindungsbauteil 370 mechanisch verbunden. Das Verbindungsbauteil 380 ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel in Form einer Mutter 390 ausgeführt, die über eine Verschraubung mit dem Achsschenkelbolzen 240 bzw. dem Referenzbauteil 360 mechanisch verbunden ist.
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An einer Außenseite weist die Mutter 390 eine regelmäßige polygonale Form auf, über die mithilfe eines entsprechenden Werkzeugschlüssels die Mutter 390 mit dem Achsschenkelbolzen 240 verschraubbar ist. Das Verbindungsbauteil 380 bzw. die Mutter 390 weist daher in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein regelmäßiges Sechseck an ihrer Außenseite auf.
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Der Drehwinkelsensor 300 umfasst ferner ein Magnethalterungsbauteil 400, das mit dem Verbindungsbauteil 380 bzw. der Mutter 390 der drehfest über eine formschlüssige Verbindung mechanisch gekoppelt ist. Das Magnethalterungsbauteil 400 ist hierbei jedoch axial, also entlang der axialen Richtung 370 verschiebbar.
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Hierzu weist das Magnethalterungsbauteil 400 eine Mehrzahl von sich parallel zu der axialen Richtung 370 erstreckenden Verbindungskanten auf Das in 4 gezeigte Magnethalterungsbauteil 400 ist hierbei nicht nur entlang der axialen Richtung 370 verschiebbar, sondern von einer Unterseite 410 des Referenzbauteils 370 her auf dieses bzw. über dieses aufschiebbar. Aus diesem Grund wird das Magnethalterungsbauteil 400 auch als „Abdeckungsbauteil” oder als „Abdeckung” bezeichnet. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, dass das Magnethalterungsbauteil 400 hohlzylinderförmig ohne überhängende Kanten ausgebildet ist.
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Anders ausgedrückt weist das Magnethalterungsbauteil 400 ausgehend von einer Befestigungsfläche 420 ein Profil auf, das sich entlang der axialen Richtung in einem montierten Zustand nicht oder nur leicht verjüngt. Die Befestigungsfläche 420 ist hierbei im Wesentlichen senkrecht zu der axialen Richtung 370 orientiert und schneidet diese.
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Auf der Befestigungsfläche 420, die dem Referenzbauteil 360 bzw. dem Achsschenkelbolzen 240 abgewandt ist, ist ein Magnet 430 an dem Magnethalterungsbauteil 400 angebracht. Der Magnet 430 kann hierbei beispielsweise mit Hilfe einer Verklebung stoffschlüssig, beispielsweise mit Hilfe einer Verklemmung oder einer Verpressung kraftschlüssig und/oder beispielsweise mit Hilfe einer Halterung und/oder einer Vertiefung formschlüssig verbunden werden.
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Der Magnet 430 erzeugt hierbei ein magnetisches Feld bzw. eine magnetische Flussdichte, die von dem Sensor 350 detektiert werden kann. Der Magnet 430 und der Sensor 350 sind hierbei derart angeordnet, dass im Falle einer Drehung des Referenzbauteils 360 bzw. des Achsschenkelbolzens 240 um die axiale Richtung 370 eine Änderung des magnetischen Flusses in dem Sensor bewirkt wird, die von diesem dann als das Sensorsignal bzw. durch die auf der Leiterplatine 340 ebenfalls optional integrierte Elektronik als Ausgangssignal ausgegeben wird. Hierdurch ist der Drehwinkelsensor 300 in der Lage, einen Drehwinkel des Referenzbauteils 360 bezüglich der axialen Richtung 370 zu detektieren.
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Zwischen dem Magnethalterungsbauteil 400 und dem Referenzbauteil 360 ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Federelement 440 in Form eines Federrings 450 integriert. Das Federelement 440 wird hierbei auf Druck beansprucht und erzeugt so eine in 4 abwärts gerichtete Kraft auf das Magnethalterungsbauteil 400.
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Das Federelement 440, das auch als „Belastungsfeder” bezeichnet wird, ist hierbei vorgesehen, um axiale Toleranzen auszugleichen und einen möglichst von diesen unabhängigen axialen Abstand 460 zwischen Magnet 430 und Sensor 350 zu erzeugen. Entsprechende Toleranzen können beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnung, aber ebenso aufgrund von montagebedingten oder fertigungsbedingten Toleranzen entstehen.
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Um eine Bewegung des Magnethalterungsbauteil 400 und des an diesem befestigten Magneten 430 entlang der axialen Richtung 410 zu begrenzen, umfasst der Drehwinkelsensor 300 ferner ein Lager 470, das zwischen den Magnethalterungsbauteil 400 und einer Gehäuseschulter 480 des Gehäuses 310 angeordnet ist. Bei dem Lager 400 handelt es sich um ein Axialgleitlager 490, das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass dieses im Wesentlichen Kräfte entlang der axialen Richtung, also axiale Kräfte aufnimmt und an das Gehäuse 310 weitergibt. Im Unterschied hierzu ist das Lager 470 nicht in der Lage, radiale Kräfte in nennenswertem Umfang aufzunehmen. Anders ausgedrückt ist das Lager 470 derart ausgebildet und angeordnet, dass dieses Radialkräfte im Wesentlichen nicht aufnehmen und weiterleiten kann.
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Dieser Implementierung liegt der Gedanke zu Grunde, dass das Referenzbauteil 360 bzw. der Achsschenkelbolzen 240 typischerweise keine zusätzliche radialer Führung benötigt. Auch kann das Lager 470 vergleichsweise klein ausgelegt werden, da es lediglich die Kräfte des Federelements 440 an das Gehäuse 310 abgeben muss. So können bei vielen Ausführungsbeispielen Lager 470 mit einer Tragzahl für axiale Belastungen von höchstens 2 kN, bei anderen Ausführungsbeispielen von höchstens 1.2 kN oder von höchstens 1 kN eingesetzt werden.
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Gegebenenfalls kann anstelle des Lagers 470 auch ein abweichendes Mittel zur Fixierung des axialen Abstands 460 eingesetzt werden. So kann beispielsweise anstelle eines Lagers 470 an dem Magnethalterungsbauteil 400 oder an der Gehäuseschulter 480 eine einzelne oder mehrere Gleitflächen vorgesehen werden, um die Drehbewegung des Referenzbauteils 360 hinsichtlich Reibung und/oder Verschleiß zu reduzieren.
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Im Vergleich zu einer konventionellen Lösung, wie sie im Zusammenhang mit 5 noch näher beschrieben werden wird, kann durch die Verwendung eines Drucksensor 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel gerade dadurch eine Platzersparnis erzielt werden, indem anstelle einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen einem entsprechenden Träger des Magneten und dem Achsschenkelbolzen nunmehr eine formschlüssige Verbindung zum Einsatz kommt. Aus diesem Grund entfällt die Notwendigkeit, die für die Haftreibung notwendige Normalkraft, die typischerweise auch wenigstens eine Komponente in axiale Richtung aufweist, aufzunehmen. Ebenso entfällt die Notwendigkeit, radiale Kräfte aufzunehmen, die gegebenenfalls durch Kraftkomponenten in radialer Richtung hervorgerufen werden können, die zur Aufrechterhaltung der notwendigen kraftschlüssigen Verbindung erforderlich sind.
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Durch das Federelement 440 und das Lager 470 ist es so bei dem in 4 gezeigten Drehwinkelsensor 300 möglich, den axialen Abstand 460 zwischen dem Sensor 350 und dem Magneten 430 auf einen vorbestimmten Wert festzulegen. Hierdurch können Änderungen der geometrischen Verhältnisse aufgrund der zuvor beschriebenen Toleranzen abgefangen werden, sodass auch unter solchen Bedingungen der axiale Abstand 460 zwischen dem Sensor 350 und dem Magneten 430 konstant bleibt.
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5 zeigt eine 4 vergleichbare Querschnittsdarstellung eines konventionellen Drehwinkelsensors 500. Auch der in 5 gezeigte Drehwinkelsensor 500 umfasst eine Mutter 510, die mit dem Achsschenkelbolzen 240 über entsprechende Gewinde der beiden Bauteile verschraubt ist.
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Der Achsschenkelbolzen 240 weist bei dem in 5 gezeigten konventionellen Drehwinkelsensor 500 eine kegelstumpfförmige Vertiefung 520 auf, in die ein kegelstumpfförmiger Schaft 530 eingefügt ist, dessen Winkel zu einer axialen Richtung 540 mit dem entsprechenden Winkel der Vertiefung 520 übereinstimmt. Der Schaft 530 weist eine ringförmig umlaufende Schulter 550 auf, an die ein Innenring eines Kugellagers 570 anliegt. Ein Außenring des Kugellagers 570 ist zwischen einer Aufnahme 590 und einem Federring 600 so angeordnet, dass der Federring 600 eine Kraft auf den Außenring des Kugellagers 570 und damit – über den Innenring und den kegelstumpfförmiger Schaft 530 – auf den Achsschenkelbolzen 240 ausgeübt.
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An einer Unterseite des kegelstumpfförmigen Schafts 530 ist ein Magnet 610 angebracht, der wiederum einer Leiterplatine 620 mit einem Sensor 630 gegenüberliegend. Auch hier ist wiederum der Sensor 630 in der Lage, eine Änderung eines magnetischen Feldes oder einer magnetischen Flussdichte zu detektieren und ein entsprechendes Sensorsignal ausgegeben.
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Der in 5 gezeigte konventionelle Drehwinkelsensor 500 unterscheidet sich nicht nur von dem in 4 gezeigten Drehwinkelsensor 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Magnethalterungsbauteil 400 mit dem Referenzbauteil 360 dort über eine formschlüssige Verbindung gekoppelt ist, sondern vielmehr ebenso durch die Anordnung des Federrings 600 und des Federelements 440. So ist bei dem konventionellen Drehwinkelsensor 300 aus 5 der Federring 600 zwischen dem Magneten 610 und dem Sensor 630 angeordnet. Hierdurch kann es dazu kommen, dass ein Abstand zwischen dem Magneten 610 und dem Sensor 630 sich während des Betriebs und/oder zwischen einzelnen Drehwinkelsensoren 500 unterscheidet. Als Folge kann es dazu kommen, dass die Messgenauigkeit der Sensoren zeitlichen und/oder betriebsbedingten Änderungen unterworfen sein kann. Ebenso kann es dazu kommen, dass Drehwinkelsensoren 500, die bei unterschiedlichen Rädern eines Fahrzeugs zum Einsatz kommen, unterschiedliche genau arbeiten bzw. unterschiedliche Toleranzen aufweisen, die auf die unterschiedlichen Abstände zwischen Magnet 610 und Sensor 630 zurückzuführen sind.
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Im Unterschied hierzu ist das Federelement 440 bei dem Drehwinkelsensor 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel gerade nicht zwischen Magnet 430 und Sensor 350 angeordnet, sodass der axiale Abstand 460 nicht durch das Federelement 440 beeinflusst wird. Das Federelement 440 ist vielmehr dazu da, das Magnethalterungsbauteil 400 auf das Lager 470 zu drücken und so den axialen Abstand 460 auf seinem vorbestimmten Wert zu fixieren.
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Aufgrund der Anordnung des Filterelements 440 oberhalb des Magnethalterungsbauteils 400 kann dieses auch bei einer beispielsweise blind durchgeführten Montage oder einer Montage an einer schwer zugänglichen oder beengten Steller leichter montiert werden. So kann das Federelement 440 in diesem Fall in das Magnethalterungsbauteil 400 eingesetzt werden, während dieses dann entsprechend auf das Verbindungsbauteil 370 (die Mutter 380) entlang der axialen Richtung 410 aufgeschoben wird.
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Ein Drehwinkelsensor 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie er z. B. in 4 gezeigt ist, ermöglicht die kompaktere Bauweise nicht zuletzt dadurch, dass die Verbindung von Magnethalterungsbauteil 400 und Referenzbauteil 360 über einen Formschluss erfolgt. Durch den Wegfall der kraftschlüssigen Verbindung kann so insbesondere der Kegelstumpfförmige Schaft 530 entfallen, der konventionell ein beachtliches metallisches Volumenbauteil darstellt, das mit einem entsprechenden Gewicht einhergeht. Eine Verkleinerung scheidet aufgrund der für den Kraftschluss notwendigen Kräfte aus.
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Durch den Wechsel auf eine formschlüssige Verbindung des Magnethalterungsbauteils 400 mit dem Referenzbauteil 360 können die herrschenden Kräfte deutlich reduziert werden. Hierdurch ist es nicht nur möglich, das auf deutlich höhere Tragzahlen ausgelegte Kugellager 570 gegen ein kleineres Lager 470, wie oben beschrieben wurde, auszutauschen. Es ist vielmehr ebenfalls möglich, das Magnethalterungsbauteil 400 sehr gewichtsreduziert zu fertigen. So kann dieses beispielsweise aus einem (metallischen) Blech oder aus einem Kunststoff gefertigt werden, wodurch die beschriebene Gewichts- und/oder Volumeneinsparung mit realisiert werden kann. Auch kann die aufwändige Nachbearbeitung des Achsschenkelbolzens 240 und die Schaffung der Vertiefung 520 entfallen, was die Implementierung eines Drehwinkelsensors 300 gemäß einem Ausführungsbeispiels signifikant erleichtert.
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6a bis 6c zeigen schematisch stark vereinfachte Aufsichten auf das Referenzbauteil 360 und das Magnethalterungsbauteil 400 bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen eines Drehwinkelsensors 300. Wie bereits zuvor beschrieben wurde, kann auf das Referenzbauteil 360 (z. B. Achsschenkelbolzen 240) zur Schaffung der formschlüssigen Verbindung ein Verbindungsbauteil 380 aufgebracht werden. Weist das Referenzbauteil 360 ein entsprechendes Gewinde auf, kann es sich bei dem Verbindungsbauteil 380 beispielsweise um eine Mutter 390 handeln. Diese weist zur einfachen Befestigung sehr häufig an ihrem Außenrand einen polygonalen, meist sechseckigen Querschnitt auf, um eine einfache Montage mittels eines Werkzeugschlüssels zu ermöglichen.
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In einem solchen Fall kann das Magnethalterungsbauteil 400 eine Mehrzahl von sich parallel zu der axialen Richtung 370 erstreckenden Verbindungskanten aufweisen, um die formschlüssige Verbindung zu schaffen. Die Mehrzahl der Verbindungskanten schneidet hierbei eine Schnittebene, die in den weiter unten beschriebenen 6a bis 6c gezeigt ist, senkrecht zu der axialen Richtung 370 in einer Mehrzahl von Schnittpunkten, die Eckpunkte eines regelmäßigen Polygons bilden.
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Weist so beispielsweise das Verbindungsbauteil 380 ein regelmäßiges Sechseck als Querschnitt auf, kann das Magnethalterungsbauteil 400 ebenfalls sechs in Form eines regelmäßigen Sechsecks angeordnete Verbindungskanten aufweisen. Hierdurch kann das Magnethalterungsbauteil 400 in sechs Orientierungen, im allgemeinen Fall unter einer Anzahl von Orientierungen, die der Anzahl von Verbindungskanten entspricht, auf das Referenzbauteil 360 aufgeschoben werden. Hierdurch kann eine Vorjustierung des Magneten 430 erfolgen.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Mehrzahl von Verbindungskanten auch ein ganzzahliges Vielfaches der entsprechenden Gegenverbindungskanten oder -verbindungsflächen umfassen. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Vorjustierung weitere zu verfeinern, da das Magnethalterungsbauteil 400 in einer größeren Anzahl von Orientierungen auf das Referenzbauteil 370 aufgebracht werden kann. So kann die Mehrzahl von Verbindungskanten eine gerade Anzahl von Verbindungskanten umfassen, wobei nur jede zweite Verbindungskante der Mehrzahl von Verbindungskanten mit einer entsprechenden Gegenverbindungskante oder einer entsprechenden Gegenverbindungsfläche in einem montierten Zustand in Kontakt steht. Hierdurch kann gegebenenfalls ein guter Kompromiss zwischen Vorjustierungsmöglichkeiten einerseits und Stabilität der formschlüssigen Verbindung andererseits erzielt werden, da mit Erhöhung der Zahl der Verbindungskanten gegebenenfalls auch eine Reduzierung der Stabilität der Verbindung einhergehen könnte.
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Um dies näher zu illustrieren, ist in 6a und in 6b jeweils ein Referenzbauteil 360 (oder alternativ ein entsprechendes Verbindungsbauteil 380) gezeigt, welches ein viereckigen (quadratischen) Querschnitt aufweist. Bei der in 6a gezeigten Situation weist das Magnethalterungsbauteil 400 einen regelmäßigen achteckigen Querschnitt auf, sodass das Magnethalterungsbauteil 400 in insgesamt 8 Orientierungen auf das Referenzbauteil 360 aufgeschoben werden kann.
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Im Unterschied hierzu weist bei der in 6b gezeigten Situation das Magnethalterungsbauteil 400 eine regelmäßige, zwölfeckige Querschnittsform auf, sodass nur jede dritte Verbindungskante des Magnethalterungsbauteils 400 in Kontakt mit einer Gegenverbindungskante des Referenzbauteils 360 steht.
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Der Vergleich der 6a und 6b zeigt jedoch, dass mit steigender Zahl der Verbindungsecken des Magnethalterungsbauteils 400 sich dessen Querschnittsform weiter der Kreisform nähert, sodass tendenziell mit steigender Kantenzahl die Stabilität abzunehmen droht.
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6c zeigt schließlich die Situation mit einem sechseckigen Referenzbauteil 360 und einem zwölfeckigen Magnethalterungsbauteil 400. Selbstverständlich können jedoch auch andere formschlüssige Verbindungen, beispielsweise auf Basis von Führungsstegen oder Führungsbolzen und Führungsschlitzen, eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele eines Drehsensors 300 können eine sofort betriebsbereite Lösung für einen Lenkwinkelsensor 200 darstellen, der auch als Königszapfen-Sensor (King Pin Sensor) oder „Königszapfen-Encoder” (King Pin Encoder) bezeichnet wird. Konventionelle Lösungen für eine Dreh- und/oder Winkelbestimmung oder -messung erfordern Änderungen an existierenden Komponenten, insbesondere an dem Achsschenkelbolzen 240. Ausführungsbeispiele basieren auf der Überlegung, dass das Magnethalterungsbauteil 400 an dem Referenzbauteil 360 befestigt wird, indem die gleiche oder eine ähnliche Form hierfür verwendet wird.
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Ein konstanter axialer Abstand 460 oder ein konstanter Luftspalt zwischen Sensor 350 und Magnet 430 – unabhängig von Schnittstellentoleranzen des Achsschenkelbolzens 240 und des Radträgers 250 führt so zu einer höheren Messgenauigkeit durch eine bessere bzw. kleinere Toleranz. Hierzu wird ein vorbelastetes Federelement zwischen Magnethalterungsbauteil 400 und Achsschenkelbolzen 240 eingesetzt.
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Bei konventionellen Drehwinkelsensoren muss hingegen die Schnittstelle des Achsschenkelbolzens 240 zu dem Magnethalter modifiziert werden, sodass keine sofort betriebsbereite Lösung vorhanden ist. Außerdem ist bei vielen Lösungen der Abstand zwischen Magnet und Sensor abhängig von den Toleranzen des Achsschenkelbolzens 240 und des Radträgers 250.
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Im Rahmen von Ausführungsbeispielen kann so eine innere Abdeckung (Magnethalterungsbauteil 400) auf die Mutter 390 des Achsschenkelbolzens 240 angepasst werden, die beispielsweise einen sechseckigen oder zwölfeckigen Querschnitt aufweist. Durch den Einsatz des (vorbelasteten) Federelements 440 wird der vertikale Abstand 460 fixiert, sodass der Abstand unabhängig von Toleranzen wird.
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Hierdurch können gegebenenfalls Anpassungen des Achsschenkelbolzens 240 und seiner Komponenten gegebenenfalls entfallen. Eine vollständig sofort einsatzbereite Lösung kann so erzielbar sein.
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Der Drehwinkelsensor 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel kann durch den Einsatz von Blechen oder Kunststoffbauteilen gegenüber massiven Metallteilen deutlich leichter ausgeführt werden. Ebenso kann die Höhe eines Drehwinkelsensors 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel reduziert werden, sodass ein solcher Drehwinkelsensor 300 auch in den bei jetzigen Anwendungsfällen zur Verfügung stehenden Bauraum einsetzbar ist. Der konventionelle Magnethalter ist im Unterschied hierzu ein in axialer Richtung langes und schweres Metallteil.
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Durch die bessere Kontrolle des Luftspalts zwischen Sensor bzw. Encoder und Magnet kann – wie erwähnt – die Genauigkeit deutlich gesteigert werden. Dies erlaubt die Verwendung günstigerer elektronischer Komponenten durch den Einsatz einer elektronischen Toleranzkompensation. Alternativ kann auch eine größere Winkelmessgenauigkeit im Sinne einer Messgenauigkeit und/oder einer Wiederholbarkeit erzielbar sein. Eine Anpassung des Achsschenkelbolzens 240 kann also unter anderem durch den Einsatz eines Ausführungsbeispiels eines Drehsensors 300 entfallen.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung von Ausführungsbeispielen in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und – soweit sich nicht aus der Beschreibung etwas anderes ergibt – beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lenkungssystem
- 110
- Kraftfahrzeug
- 120
- nicht lenkbares Rad
- 130
- Längsrichtung
- 140
- lenkbares Rad
- 150
- Kurvenmittelpunkt
- 160
- Lenkrad
- 170
- Lenkradwinkelsensor
- 180
- Vorderradverstellung
- 190
- elektronischen Steuereinheit
- 200
- Lenkwinkelsensor
- 210
- Aktuator
- 220
- Kennlinie
- 230
- Kennlinie
- 240
- Achsschenkelbolzen
- 250
- Radträger
- 260
- Achsschenkel
- 270
- Drehachse
- 272
- Kegelrollenlager
- 275
- Gleitlager
- 280
- elektrischen Anschluss
- 300
- Drehwinkelsensor
- 310
- Gehäuse
- 320
- Innengewinde
- 330
- Außengewinde
- 340
- Leiterplatine
- 350
- Sensor
- 360
- Referenzbauteil
- 370
- axiale Richtung
- 380
- Verbindungsbauteil
- 390
- Mutter
- 400
- Magnethalterungsbauteil
- 410
- Unterseite
- 420
- Befestigungsfläche
- 430
- Magnet
- 440
- Federelement
- 450
- Federrings
- 460
- axialer Abstand
- 470
- Lager
- 480
- Gehäuseschulter
- 490
- Axialgleitlager
- 500
- Drehwinkelsensor
- 510
- Mutter
- 520
- kegelstumpfförmige Vertiefung
- 530
- kegelstumpfförmiger Schaft
- 540
- axialen Richtung
- 550
- Schulter
- 570
- Kugellager
- 590
- Aufnahme
- 600
- Federring
- 610
- Magnet
- 620
- Leiterplatine
- 630
- Sensor
