DE102013107504A1

DE102013107504A1 - Drehmomentsensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102013107504A1
Application number: DE102013107504.5A
Authority: DE
Inventors: Micha Maier
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Eine Drehmomentsensoreinrichtung weist eine erste Sensoreinheit mit zwei Messzellen und eine zweite Sensoreinheit mit zwei Messzellen auf sowie eine Auswerteeinheit, der die Messwerte sowohl der ersten als auch der zweiten Sensoreinheit zuführbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentsensoreinrichtung, insbesondere zur Ermittlung des Lenkmoments in Lenksystemen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bekannt sind Drehmomentsensoreinrichtungen, die eine Sensoreinheit zur Ermittlung des Drehmoments in einer Welle und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Messwerte aufweisen. Die Sensoreinheit ist aus Gründen einer erhöhten Sicherheit redundant mit zwei Messzellen ausgeführt, die jeweils Momenten-Messwerte aufnehmen, wobei die Messwerte der Messzellen gegenseitig plausibilisiert werden. Hierbei werden die Messwerte abgeglichen, wobei im Fall einer unzulässig hohen Abweichung zwischen den Messwerten beider Messzellen ein Fehlersignal erzeugt wird. Die Messwerte werden daraufhin üblicherweise nicht weiter verarbeitet. Da in Lenksystemen auf der Grundlage der Messwerte die Lenkunterstützung ermittelt wird, wird bei fehlerhaften Messwerten kein unterstützenden Moment mehr in das Lenksystem eingespeist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit hoher Zuverlässigkeit und über eine lange Betriebsdauer das Drehmoment in einer Welle zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoreinrichtung dient zur Ermittlung des Drehmoments in einer Welle, beispielsweise zur Ermittlung des Lenkmoments in der Lenkwelle eines Lenksystems. Die Drehmomentsensoreinrichtung umfasst eine erste Sensoreinheit und eine zweite Sensoreinheit, wobei jede Sensoreinheit zwei Messzellen zur Drehmomentermittlung in der Welle aufweist. Des Weiteren ist der Drehmomentsensoreinrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Messwerte sämtlicher Messzellen zugeordnet. Die Auswerteeinheit kann sowohl die Messwerte sämtlicher Messzellen der ersten Sensoreinheit als auch sämtlicher Messzellen der zweiten Sensoreinheit auswerten.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass durch die Integration von zwei Sensoreinheiten mit jeweils zwei Messzellen in eine gemeinsame Drehmomentsensoreinrichtung eine redundante Auslegung erreicht wird, die eine zusätzliche Ausfallsicherheit bietet. Insbesondere bei Lenksystemen in Fahrzeugen, in denen die Drehmomentsensoreinrichtung zur Ermittlung des Lenkmoments in der Lenkwelle herangezogen wird, erfolgt die erfindungsgemäße Ermittlung des Lenkmoments mit hoher Zuverlässigkeit, wobei auch für den Fall auswertbare Momenten-Messwerte vorliegen, dass eine Messzelle oder sogar zwei Messzellen ausfallen. Es ist somit nicht erforderlich, die Lenkunterstützung abzuschalten, sobald eine Messzelle oder zwei Messzellen ausfallen; vielmehr kann die Lenkunterstützung auch bei einem derartigen Ausfall weiterhin erfolgen. Die Auswertung und Weiterverfolgung der Messwerte in der Auswerteeinheit wird jedoch nur auf der Grundlage der nicht-fehlerbehafteten Messwerte der noch intakten Messzellen durchgeführt. Indem die Messwerte sämtlicher Messzellen einer gemeinsamen Auswerteeinheit zugeführt werden, kann in der Auswertelogik der Auswerteeinheit eine entsprechende Plausibilisierung, Überprüfung und Zuordnung zu einem Ausgang der Auswerteeinheit der entsprechenden, intakten Messzellen vorgenommen werden.
Da die zweite Sensoreinheit gemeinsam mit der ersten Sensoreinheit in die Drehmomentsensoreinrichtung integriert ist, ist der erforderliche Bauraum nicht oder nur minimal vergrößert. Dies erlaubt den Einbau der Drehmomentsensoreinrichtung beispielsweise in Lenksystemen in der üblichen Weise ohne oder nur mit geringen konstruktiven Anpassungen.
Die Auswerteeinheit ist entweder in die Drehmomentsensoreinrichtung integriert oder als ein separat ausgeführtes Regel- bzw. Steuergerät im Lenksystem ausgebildet.
Das Verfahren zur Drehmomentermittlung mittels der Drehmomentsensoreinrichtung, welche mindestens zwei Sensoreinheiten mit mindestens zwei Messzellen aufweist, sieht vor, dass im Falle eines Fehlers der Messwerte einer Messzelle einer ersten Sensoreinheit die Messwerte mindestens einer Messzelle der weiteren, zweiten Sensoreinheit verwendet werden. Sofern nur eine Messzelle in der ersten Sensoreinheit defekt ist, können die Messwerte der zweiten Messzelle der ersten Sensoreinheit ggf. weiterverwendet werden, beispielsweise zur Plausibilisierung der Messwerte aus den Messzellen der weiteren Sensoreinheit. Möglich ist es aber auch, in diesem Fall die erste Sensoreinheit vollständig außer Betracht zu lassen und nur die Messzellen der weiteren, zweiten Sensoreinheit zu berücksichtigen. In jedem Fall ist es zweckmäßig, dass immer die Messwerte von mindestens zwei Messzellen berücksichtigt werden, also entweder die beiden intakten Messzellen einer gemeinsamen Sensoreinheit oder die verbliebene intakte Messzelle einer ersten Sensoreinheit und eine oder zwei intakte Messzellen der zweiten Sensoreinheit. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass eine Weiterverarbeitung der Messdaten nur erfolgt, wenn mindestens zwei Messzellen noch intakt sind, die sich entweder beide in einer Sensoreinheit oder in verschiedenen Sensoreinheiten befinden. Bei zwei intakten Messzellen können die entsprechenden Messwerte gegenseitig auf Plausibilität untersucht werden. Die Weiterverarbeitung der Messwerte erfolgt beispielsweise auf der Grundlage einer Mittelwertbildung.
Die Integration der Sensoreinheiten in die gemeinsame Drehmomentsensoreinrichtung erfolgt insbesondere dadurch, dass zwei Sensorchips auf einem gemeinsamen SMD-Bauteil integriert sind, wobei jeder Sensorchip zwei Messzellen aufweist. Die Messzellen zur Drehmomentermittlung weisen beispielsweise Hall-Sensoren auf.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug,
2 in vergrößerter Darstellung die Lenkwelle und das Lenkgestänge im Lenkgehäuse des Lenksystems, mit einer Drehmomentsensoreinrichtung zur Ermittlung des Lenkmoments an der Lenkwelle,
3 eine Prinzipdarstellung des Aufbaus der Drehmomentsensoreinrichtung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Lenksystem 1 dargestellt, das ein Lenkrad 2, eine Lenkwelle 3, ein Lenkgehäuse 4 mit darin aufgenommenem Getriebe und ein Lenkgestänge 5 umfasst, über das die Lenkbewegung des Fahrers auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs übertragen wird. Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, das drehfest auf der Lenkwelle 3 aufsitzt, den Lenkwinkel δ_L vor, der im Lenkgetriebe, welches im Lenkgehäuse 4 angeordnet ist, in eine Stellbewegung einer Zahnstange des Lenkgestänges 5 übertragen wird. Daraufhin stellt sich an den lenkbaren Rädern 6 der Radlenkwinkel δ_V ein.
Über einen elektrischen Servomotor 7 kann zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Hand- bzw. Lenkmomentes ein Servomoment in das Lenkgetriebe im Lenkgehäuse 4 eingespeist werden. Bei dem elektrischen Servomotor 7 handelt es sich beispielsweise um einen permanenterregten DC-Motor, wobei auch andere Motortypen in Betracht kommen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der elektrische Servomotor 7 achsparallel zum Lenkgestänge 5 angeordnet. Zu diesem Zweck ist der Servomotor 7 an das Lenkgehäuse 4 angeflanscht, wobei die Motorwellenlängsachse 8 des Servomotors 7 parallel zur Längsachse 9 des Lenkgehäuses und einer Zahnstange verläuft, welche Teil des Lenkgestänges 5 ist und von der Lenkwelle 3 translatorisch entlang der Längsachse 9 verstellt wird. Anstelle einer achsparallelen Anordnung kommen auch Ausführungen mit einer Column-Lenkung in Betracht.
Die Motorwelle des elektrischen Servomotors 7 treibt einen Zahnriemen 10 an, der mit einer Getriebeeinheit 11 gekoppelt ist, welche in einem Getriebegehäuse aufgenommen ist und die Unterstützungsbewegung des elektrischen Servomotors 7 über den Zahnriemen 10 auf die Zahnstange des Lenkgestänges 5 überträgt. Das Getriebegehäuse der Getriebeeinheit 11 ist mit dem Lenkgehäuse 4 verbunden. Der Servomotor 7 ist mit einem Regel- bzw. Steuergerät 12 versehen, über das die Motoransteuerung des Servomotors durchgeführt wird.
An der Lenkwelle 3 ist außerdem eine Drehmomentsensoreinrichtung 13 angeordnet, über die das Lenkmoment in der Lenkwelle 3 ermittelt werden kann. Die Drehmomentsensoreinrichtung 13 kann mit dem Regel- bzw. Steuergerät 12 kommunizieren, so dass in Abhängigkeit des gemessenen Lenkmoments die Lenkunterstützung über den elektrischen Servomotor 7 eingestellt werden kann.
In 3 ist die Drehmomentsensoreinrichtung 13 dargestellt, die einen Sensorblock 14 sowie eine Auswerteeinheit 15 umfasst. In der Auswerteeinheit 15 werden die aufgenommenen Messwerte aus dem Sensorblock 14 ausgewertet und ausgangsseitig zur Verfügung gestellt, von wo aus die Messwerte als Eingangssignale dem Regel- bzw. Steuergerät 12 zur Verfügung gestellt werden. Die Auswertung kann ggf. auch im Regel- bzw. Steuergerät 12 erfolgen, so dass der Block 15 nur zur Aufarbeitung und Verteilung der Messwerte aus dem Sensorblock an das Regel- bzw. Steuergerät 12 dient.
Der Sensorblock 14 umfasst eine erste Sensoreinheit 16, die zwei Messzellen 17 und 18 zur Drehmomentermittlung aufweist, sowie eine zweite Sensoreinheit 19, die ebenfalls zwei Messzellen 20 und 21 zur Drehmomentermittlung enthält. Die Messzellen 17, 18 sowie 20, 21 sind insbesondere als Hall-Sensoren ausgeführt. Die Messzellen jeder Sensoreinheit 16, 19 werden der Auswerteeinheit 15 zugeführt, in der eine Auswertung der aufgenommenen Messwerte erfolgt. Durch diese redundante Auslegung der Drehmomentsensoreinrichtung 13 kann auch beim Ausfall einer Messzelle oder sogar von zwei Messzellen die Lenkkraftunterstützung auf der Basis der verbliebenen, intakten Messzellen gewährleistet werden.
Die Auswertelogik erfolgt beispielsweise derart, dass beim Ausfall einer ersten Messzelle 17 oder 18 der ersten Sensoreinheit 16 ausschließlich auf die Messwerte der zweiten Sensoreinheit 19 mit den darin angeordneten Messzellen 20 und 21 in der Auswerteeinheit 15 zurückgegriffen wird, auch wenn die verbliebene Messzelle in der ersten Sensoreinheit noch intakt ist. Aus Sicherheitsgründen kann es jedoch zweckmäßig sein, die Messwerte der verbliebenen, intakten Messzelle 18 der ersten Sensoreinheit 16 nicht weiter zu berücksichtigen und stattdessen ausschließlich auf die Messwerte der intakten Messzellen 20 und 21 der zweiten Sensoreinheit 19 zurückzugreifen.
Möglich ist es aber auch, gemäß einer alternativen Ausführung, die Auswertelogik so auszuführen, dass als Bedingung für das Fortführen der Lenkkraftunterstützung lediglich zwei Messzellen intakt sein müssen und Daten liefern, ungeachtet dessen, ob die intakten Messzellen beide in der gleichen Sensoreinheit oder in verschiedenen Sensoreinheiten angeordnet sind. Indem Messdaten von zwei Messzellen vorliegen, ist eine Plausibilisierung und damit eine ausreichende Sicherheit gegenüber Fehlern gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Lenkgehäuse
5: Lenkgestänge
6: Vorderrad
7: elektrischer Servomotor
8: Motorwellenlängsachse
9: Längsachse
10: Zahnriemen
11: Getriebeeinheit
12: Regel- bzw. Steuergerät
13: Drehmomentsensoreinrichtung
14: Sensorblock
15: Auswerteeinheit
16: erste Sensoreinheit
17: Messzelle
18: Messzelle
19: zweite Sensoreinheit
20: Messzelle
21: Messzelle

Claims

Drehmomentsensoreinrichtung zur Ermittlung des Drehmoments in einer Welle, insbesondere zur Ermittlung des Lenkmoments in der Lenkwelle (3) eines Lenksystems (1), mit einer ersten Sensoreinheit (16), die zwei Messzellen (17, 18) zur Drehmomentermittlung aufweist, und mit einer Auswerteeinheit (15) zur Auswertung der Messwerte der Messzellen (17, 18), dadurch gekennzeichnet, dass in die Drehmomentsensoreinrichtung (13) eine zweite Sensoreinheit (19) mit zwei Messzellen (20, 21) zur Drehmomentermittlung integriert ist, wobei der Auswerteeinheit (15) die Messwerte sowohl der ersten als auch der zweiten Sensoreinheit (16, 19) zuführbar sind.
Lenksystem mit einer Drehmomentsensoreinrichtung nach Anspruch 1.
Lenksystem mit einer Drehmomentsensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15) ein separat ausgeführtes Regel- bzw. Steuergerät (12) im Lenksystem ist.
Verfahren zur Drehmomentermittlung in einem Lenksystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem im Falle eines Fehlers der Messwerte einer Messzelle (17, 18) einer ersten Sensoreinheit (16) die Messwerte mindestens einer Messzelle (20, 21) der weiteren Sensoreinheit (19) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem im Falle eines Fehlers der Messwerte einer Messzelle (17, 18) einer ersten Sensoreinheit (16) ausschließlich die Messwerte der weiteren Sensoreinheit (19) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der Messzellen (17, 18, 20, 21) jeder Sensoreinheit (16, 19) gegenseitig plausibilisiert werden, wobei im Falle eines Fehlers der Messwerte einer Messzelle (17, 18) einer ersten Sensoreinheit (16) auf die Messwerte mindestens einer Messzelle (20, 21) der weiteren Sensoreinheit (19) umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Fehlers der Messwerte einer Messzelle (20, 21) der weiteren Sensoreinheit (19) die Messwerte der intakten Messzellen (17, 18) der ersten und der zweiten Sensoreinheit (16, 19) verwendet werden.