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Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen eines Drehmoments und ein Fahrzeug mit dem Sensor.
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Aus der
EP 1 442 958 A2 ist ein Lenksystem bekannt, in dem ein Radeinschlag basierend auf einem Lenkwinkel und einem Lenkmoment eingestellt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Lenksystem zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Erfassen eines auf ein Messobjekt aufgebrachten Drehmoments um eine Drehachse ein mit dem Messobjekt drehbarer Rotationskörper, durch dessen Rotationsachse die Drehachse legbar ist, ein konzentrisch zum Rotationskörper angeordnetes erstes und zweites Encoderrad, die axial über ein elastisch verdrehbares Element miteinander verbunden sind und eine Auswerteschaltung zur Ausgabe eines von einer relativen Winkellage beider Encoderrädern zueinander abhängigen Ausgangssignals, wobei das elastisch verdrehbare Element eine strukturierte Oberfläche aufweist.
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Dem angegebenen Sensor liegt die Überlegung zugrunde, dass das elastisch verdrehbare Element zwischen den beiden Encoderrädern notwendig ist, um basierend auf seiner Elastizitätskonstante und der relativen Verstellung der beiden Encoderräder das zu messende Drehmoment in einer dem Fachmann bekannten Weise zu bestimmen. Das elastisch verdrehbare Element wird daher zur Kraft- oder Drehmomentenmessung herangezogen.
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Im Rahmen des angegebenen Sensors wird jedoch erkannt, dass das elastisch verdrehbare Element sonst keinerlei andere Funktionen erfüllt. Ist in das elastisch verdrehbare Element jedoch wie im angegebenen Sensor eine Oberflächenstruktur eingearbeitet, dann könnte diese Oberflächenstruktur verwendet werden, um mit dem elastisch verdrehbaren Element Lagemessungen durchzuführen, um beispielsweise die Lage des Messobjektes zu bestimmen. Auf diese Weise lässt sich das elastisch verdrehbare Element vielseitiger nutzen.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Sensors ist die strukturierte Oberfläche wenigstens in Umfangrichtung strukturiert. Der Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass wenigstens eines der Encoderräder zur Erfassung der Winkelstellung des Messobjektes verwendet werden könnte. Die strukturierte Oberfläche in Umfangsrichtung könnte dann herangezogen werden, um die Winkelstellung des Messobjektes mit einem vom Encoderrad verschiedenen Messprinzip zu erfassen, wodurch die Ausfallsicherheit des Sensors spürbar gesteigert wird.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist die in Umfangsrichtung strukturierte Oberfläche des elastisch verdrehbaren Elements Teil eines Gewindes, das konzentrisch zur Rotationsachse um das elastisch verdrehbare Element gelegt ist
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der angegebene Sensors daher ein in das Gewinde eingreifendes Geberelement, so dass das Geberelement eine von einer Winkelstellung des Rotationskörpers um seine Rotationsachse abhängige axiale Stellung aufweist, wobei die Auswerteschaltung des angegebenen Sensors eingerichtet ist, ein Messsignal in Abhängigkeit der axialen Stellung des Geberelements auszugeben.
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Der Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass der zu messende Wertebereich eines Winkelsensors ein Ring ist, der nur innerhalb einer Umdrehung der zu messenden Winkelstellung des Messobjektes einen eindeutigen Winkelwert ausgibt. Soll der Sensor jedoch mehrere Umdrehungen und damit Winkelwerte mit einem Gradmaß von größer als 360° messen, so müsste bei der Winkelmessung gleichzeitig berücksichtigt werden, wie viele Umdrehungen das Messobjekt bereits zurückgelegt hat.
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Dies könnte beispielsweise durch eine Festlegung eines Referenzwinkelwertes beispielsweise mit einem Gradmaß von 360° erfolgen, der jedes Mal, wenn er durch den auftritt gezählt wird. Auf diese Weise könnte die Zahl der zurückgelegten Umdrehungen eindeutig bestimmt und damit Winkelwerte von größer als 360° bestimmt werden. Im Rahmen des angegebenen Sensors wird jedoch erkannt, dass es hierzu notwendig wäre, den zuvor genannten Zählwert zu speichern, was insbesondere im Rahmen von Anwendungen ausfallanfällig ist, in denen hohe elektromagnetische Felder auftreten und die gespeicherten Zählwerte durch diese elektromagnetischen Felder gelöscht werden könnten.
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Hier setzt die Weiterbildung des Sensors mit dem Gewinde an. Das in das Gewinde eingreifende Geberelement wird durch die Drehung des Gewindes in axialer Richtung bewegt. Dabei wird das Geberelement selbst dann noch in axialer Richtung bewegt, wenn sich der Rotationskörper mit dem Gewinde bereits einmal um 360° um seine eigene Rotationsachse gedreht hat, so dass mit dem in das Gewinde eingreifenden Geberelement auch Winkel gemessen werden können, die über mehr als eine Umdrehung hinaus gehen, ohne dass die Anzahl der Rotationen des Rotationskörpers um seine Rotationsachse gezählt werden müssen. Die maximale Anzahl an zählbaren Rotationen hängt dabei verständlicher Weise von der Anzahl der um den Rotationskörper gelegten Windungen ab.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, dass es Grundidee der angegebenen Weiterbildung ist, eine Winkelbewegung eines Messobjektes über ein Gewinde in eine axiale Bewegung eines Geberelementes umzuwandeln, und die axiale Bewegung wie mit einer Schiebelehre zu erfassen. Jeder axialer Stellung des Geberelementes kann dann eindeutig eine Winkelstellung zugeordnet werden, selbst wenn die Winkelstellung größer als 360° ist, so dass auf das Zählen von Umdrehungen des Messobjektes zur Erfassung von über 360° hinausgehenden Winkeln verzichtet werden kann. Mit dem angegebenen Sensor lassen sich daher auf engstem Bauraum ausfallsicher ein Winkel und ein Drehmoment gemeinsam erfassen.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Sensors ist die Auswerteschaltung daher eingerichtet, ein die Winkelstellung des Rotationskörpers und damit des Messobjektes anzeigendes Winkelsignal auszugeben, das von der axialen Stellung und einer absoluten Winkellage eines der Encoderräder abhängig ist.
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In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors weist das für die Ausgabe des Winkelsignals verwendete Encoderrad eine Polteilung auf, die von einer Steigung des Gewindes abhängig ist. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, das Encoderrad wie bei der oben erwähnten Schiebelehre als Nonius zu verwenden, um die Auflösung der mit dem angegebenen Sensor erfassten Winkelstellung des Messobjektes weiter zu steigern. Im Rahmen der Weiterbildung wird dabei erkannt, dass die Winkelstellung des Messobjektes über das oben genannte, vom Gewinde axial bewegten Geberelement wie bei der Schiebelehre nur mit einer begrenzten Auflösung erfasst werden kann. Analog zur Schiebelehre könnten die axialen Stellungen des Messelements in bestimmten Abständen skaliert und der entsprechenden Winkelstellung des Messobjektes zugeordnet werden. Zwischen zwei dieser so definierten Skalenpunkte wäre die Winkellage wie bei der Schiebelehre unbestimmt und könnte so über das als Nonius fungierende Encoderrad gemessen werden.
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In einer noch anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist der Messaufnehmer ein magnetoresistiver Messaufnehmer, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit der axialen Stellung des Geberelements ändert, das ein Magnet umfasst. In einer dem Fachmann bekannten Weise kann die Widerstandsänderung des magnetoresistiven Messaufnehmers genutzt werden, ein berührungslos mit dem Geberelement ein Messsignal zu erzeugen, das linear abhängig von der axialen Bewegung des Geberelementes ist.
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Dieses Messsignal kann mit besonders einfachen Mitteln rechentechnisch ausgewertet werden.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst der angegebene Sensor einen weiteren Messaufnehmer, zum Ausgeben eines weiteren Messsignals, das von der Winkelstellung des Encoderrades abhängig ist, so dass die beiden zuvor genannten Messprinzipien auch durch zwei getrennte Messsysteme unabhängig voneinander realisiert sind, was die Redundanz und damit die Ausfallsicherheit des Sensors weiter steigert.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst der angegebene Sensor je einen Messaufnehmer für das erste und zweite Encoderrad, die entsprechend zum Ausgeben eines die Winkellage ihres zugeordneten Encoderrades umfassenden Winkelsignals vorgesehen sind, wobei die Auswerteschaltung zur Ausgabe des Messsignals, eingerichtet ist, die beiden Winkelsignale gegenüberzustellen.
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In einer alternativen Weiterbildung ist der angegebene Sensor eingerichtet, in einem Fahrzeug als Drehmoment das von einem Fahrer über ein Lenkrades als Messobjekt aufgebrachte Lenkmoment auszugeben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug wenigstens ein Rad, eine Lenkung zum Einschlagen des Rades basierend auf einem Sollwert für den Radeinschlag, ein Lenkrad zum Vorgeben des Sollwertes für den Radeinschlages und einen angegebenen Sensor zum Erfassen des Sollwertes aus dem Lenkrad und zum Ausgeben des Sollwertes an die Lenkung.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 ein Lenksystem für ein Fahrzeug,
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2 einen Lenkwinkelsensor für das Lenksystem aus 1,
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3 eine schematische Darstellung einer Auswerteschaltung des Lenkwinkelsensors aus 2, und
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4 eine Gegenüberstellung verschiedener Signalwerte und der axialen Stellung eines Geberelement des Lenkwinkelsensors aus 2 zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die ein Lenksystem 2 für ein nicht weiter dargestelltes Fahrzeug zeigt.
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Das Lenksystem 2 umfasst ein Lenkrad 4, das auf eine Welle 6 aufgesetzt ist, die wiederum um eine Rotationsachse 8 drehbar angeordnet ist. Das Lenkrad 4 ist somit eingerichtet, basierend auf einer Winkelstellung 10 um die Rotationsachse 8 einen Lenkwinkel zur Einstellung eines Lenkgetriebes 12 des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges vorzugeben. Dazu wird das Lenkrad 4 beispielsweise von einem Fahrer des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges gedreht.
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Die Winkelstellung 10 des Lenkrades 4 wird in der vorliegenden Ausführung von einer Antriebsvorrichtung 14 erfasst, die dann mittels eines nicht weiter gezeigten Motors in der Antriebsvorrichtung 14 eine Lenkwelle 16 antreibt, um das Lenkgetriebe 12 so zu betätigen, dass Räder 18 des nicht weiter dargestellten Fahrzeuges gemäß dem durch die Winkelstellung 10 repräsentierten Lenkwinkels in einer dem Fachmann bekannten Weise eingeschlagen werden.
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Um die Räder 18 über die Antriebsvorrichtung 14 basierend auf der Winkelstellung 10 des Lenkrades 4 einschlagen zu können, muss die Winkelstellung 10 erfasst werden. Dazu können beispielsweise die in 2 und 3 gezeigten Lenkwinkelsensoren 20 verwendet werden.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die einen Lenkwinkelsensor 20 für das Lenksystem 2 aus 1 zeigt.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, die einen alternativen Lenkwinkelsensor 20 für das Lenksystem 2 aus 1 zeigt.
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Der Lenkwinkelsensor 20 weist ein erstes Encoderrad 22, ein axial und konzentrisch mit dem ersten Encoderrad 22 verbundenes Gewinde in Form einer Schnecke 24 und ein zweites, axial und konzentrisch mit dem der Schnecke 24 verbundenes zweites Encoderrad 26 auf, das dem ersten Encoderrad 22 an der Schnecke 22 axial gegenüberliegt.
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Die Schnecke 24 ist in der vorliegenden Ausführung aus einem elastischen Material ausgebildet und kann durch Aufbringen zweier entgegengesetzter Drehmomente an den Encoderrädern 22, 26 elastisch verdreht werden. Die Welle 6 ist an der Stelle des Lenkwinkelsensors 20 axial unterbrochen und mit den Encoderrädern 22, 26 axial verbunden. Wird die Welle 4 daher mit dem Lenkrad 4 gedreht, wird der Lenkwinkelsensor 20 einerseits in die Winkelstellung 10 überführt. Gleichzeitig wird der Lenkwinkelsensor 20 beim Überführen in die Winkelstellung 10 mit einem Drehmoment 28 verdreht.
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Es ist nun Aufgabe, die Winkelstellung 10 und das Drehmoment 28 messtechnisch zu erfassen.
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Zur Erfassung der Winkelstellung weist die Schnecke 24 Windungen 30 auf, in die ein Plättchen 32 eines Geberelementes 34 ein greift, auf das von der Rotationsachse 8 der Welle 6 aus betrachtet radial ein Gebermagnet 36 aufgesetzt ist. Wird die Welle 6 in der in 1 gezeigten Weise durch Drehen des Lenkrads 4 in die Winkelstellung 10 überführt, wird das Geberelement 34 durch die sich mit der Welle 6 drehende Schnecke 24 axial zur Welle 6 bewegt und in eine von der Winkelstellung 10 abhängige axiale Stellung 38 gesetzt. Das Geberelement 34 kann dabei in einer nicht weiter dargestellten Weise axial zur Welle 6 geführt sein.
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Das heißt, dass wenn die axiale Stellung 38 des Geberelementes 34 bekannt ist, ist auch die Winkelstellung 10 der Welle 6 und damit des Lenkrads 4 bekannt.
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Um die axiale Stellung
38 zu erfassen, ist in der vorliegenden Ausführung eine Auswerteschaltung
40 mit einem ersten magnetoresistiver Messaufnehmer
42, wie beispielsweise ein Hallsensor, ein anisotroper magnetoresistiver Sensor oder ein gigamagnetoresitiver Sensor vorgesehen, wobei der erste magnetoresistive Messaufnehmer
42 in einer dem Fachmann bekannten Weise ein von der axialen Stellung
38 des Gebermagneten
36 des Geberelements
34 linear abhängiges und in
3 gezeigtes Absolutsignal
44 ausgibt. Dazu ist die Auswerteschaltung
40 mit dem ersten magnetoresistiver Messaufnehmer
42 hinsichtlich der Drehung der Welle
6 und der axialen Bewegung des Geberelementes
30 angeordnet. Details zur Erzeugung eines von der Position eines Gebermagneten linear abhängiges Signals mit einem magnetoresisitiven Messaufnehmer können beispielsweise der
DE 10 2006 030 746 A1 entnommen werden und werden daher der Kürze halber nachstehend nicht weiter erläutert.
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In der vorliegenden Ausführung wird das aus dem ersten magnetoresistiven Messaufnehmer 42 ausgegebene und linear von der axialen Position 38 des Geberelements 34 abhängige Absolutsignal 44 über einen zweiten magnetoresistiven Messaufnehmer 46 weiter präzisiert. Der zweite magnetoresistive Messaufnehmer 46 erfasst dazu ein magnetisches Feld aus dem oben erwähnten ersten Encoderrad 22.
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Am ersten Encoderrad
22 sind umfänglich Magnete
48 angeordnet, deren Pole sich in Umfangsrichtung des ersten Encoderrades
22 erstrecken. Auf diese Weise wird vom ersten Encoderrad
22 über die Magnete
48 ein sich radial erstreckendes Magnetfeld abgegeben, das in Umfangsrichtung des ersten Encoderrades
22 ortabhängig ist. Radial oberhalb der des ersten Encoderrades
22 ist der zweite magnetoresistive Messaufnehmer
46 angeordnet, der das sich radial erstreckende Magnetfeld aus dem ersten Encoderrad
22 erfasst und so ein in
3 gezeigte Winkelsignal
50 ausgibt, das die Winkellage des ersten Encoderrades
22 angibt. Die Erzeugung des Winkelsignals
50 erfolgt analog zum Absolutsignal
44 und kann bedarfsweise in der Druckschrift
DE 10 2006 030 746 A1 nachgeschlagen werden.
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Bevor auf die Messung des Drehmoments 28 eingegangen wird, soll anhand von 3 auf die Messung der Winkelstellung 10 des Lenkrades 4 näher eingegangen werden. Dazu wird auf 3 Bezug genommen, in der verschiedene Signalwerte 52 der axialen Stellung 32 des Geberelements 28 gegenübergestellt sind.
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Das Geberelement 34 selbst erzeugt in der oben erwähnte Weise das in der dick durchgezogenen Linie dargestellte Absolutsignal 44, das wie bereits erläutert, in linearer Weise von der axialen Stellung 38 des Geberelementes 34 abhängt.
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Bekanntermaßen ist ein Messsignal in der Regel einem Rauschen unterworfen, weshalb es nicht möglich ist, einen linearen Anstieg des Messsignals beliebig klein aufzulösen. Das gilt auch für das Absolutsignal 44. Es ist nicht möglich, beliebig kleine Änderungen in der axialen Stellung 38 des Geberelementes 34 durch beliebig kleine lineare Änderungen des Absolutsignals 44 anzeigen zu lassen. Das heißt, dass die Auflösung, mit der das Absolutsignal 44 die axiale Stellung 38 des Geberelementes 34 anzeigen kann, begrenzt ist.
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Um diese Auflösung dennoch zu steigern, ist das in einer dicken Doppelpunktlinie dargestellte Winkelsignal 50 vorgesehen, das einen periodischen Verlauf aufweist und sich daher in regelmäßigen Abständen wiederholt. Weist das Winkelsignal 50 eine Steigung auf, die größer ist, als die Steigung des Absolutsignals 44 kann die zuvor genannte Auflösung der axialen Stellung 38 des Geberelementes 34 erhöht werden. Dazu werden auf dem Absolutsignal 44 axiale Referenzstellungen 54 für das Geberelement 34 festgelegt, die mit dem Absolutsignal 44 eindeutig erfasst werden können. Axiale Stellungen 38 des Geberelementes 34 zwischen diesen Referenzstellungen 54 werden über das Winkelsignal 50 präzisiert.
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Ein entsprechendes, die axiale Stellung 38 des Geberelementes 34 anzeigendes Stellungssignal 56, das in 3 der Übersichtlichkeit halber durch eine dünne gepunktete Linie dargestellt ist, könnte beispielsweise aus einer Kombination des Absolutsignals 44 und des Winkelsignals 50 bestehen, wobei das Absolutsignal 44 ab den Referenzpositionen 54 durch das Winkelsignal 50 weitergeführt wird.
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Der Lenkwinkelsensor
20 soll in der vorliegenden Ausführung zusätzlich ausgebildet sein, das in
2 gezeigte Drehmoment
28 zu erfassen, mit dem die Welle
6 über das Lenkrad
4 zum Einstellen des Lenkwinkels
10 gedreht wird. Damit könnten mit einem einzigen Sensor der Lenkwinkel
10 und das Lenkmoment
44 in einem Fahrzeug erfasst und beispielsweise zum Einstellen des Radeinschlages wie in der
EP 1 442 958 A2 verwendet werden.
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Dazu weist der Lenkwinkelsensor
20 das zweite Encoderrad
26 auf. Am zweiten Encoderrad
26 sind wie am ersten Encoderrad
22 umfänglich Magnete
48 angeordnet, deren Pole sich in Umfangsrichtung des zweiten Encoderrades
26 erstrecken. Auf diese Weise wird auch vom zweiten Encoderrad
26 über die Magnete
48 ein sich radial erstreckendes Magnetfeld abgegeben, das in Umfangsrichtung des zweiten Encoderrades
26 ortabhängig ist. Radial oberhalb der des zweiten Encoderrades
26 ist ein dritter magnetoresistive Messaufnehmer
58 angeordnet, der das sich radial erstreckende Magnetfeld aus dem zweiten Encoderrad
26 erfasst und so ein zum dem in
4 gezeigtes weiteres Winkelsignal
60 ausgibt, das die Winkellage des zweiten Encoderrades
26 angibt. Die Erzeugung des weiteren Winkelsignals
60 erfolgt analog zum Winkelsignal
50 und zum Absolutsignal
44 und zum und kann bedarfsweise in der Druckschrift
DE 10 2006 030 746 A1 nachgeschlagen werden.
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Es wird auf 4 Bezug genommen, in der verschiedene Lagesignalwerte 62 der Encoderräder 22, 26 über die Zeit 64 dargestellt sind.
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Wird das Lenkrad 4 beispielsweise durch den Fahrer des Fahrzeuges gedreht, wird auch das erste Encoderrad 22 gedreht. Aufgrund seiner Trägheit und der elastisch ausgebildeten Schnecke 24 wird das zweite Encoderrad 26 gegenüber dem ersten Encoderrad 22 mit einer zeitlichen Verzögerung 66 gedreht, weshalb die beiden Encoderräder 22, 26 beim Einstellen der Winkelstellung 10 mit einer Winkeldifferenz 68 zueinander gedreht werden, die mit einem Differenzwinkelsignal 70 ausgegeben werden kann.
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Dieses Differenzwinkelsignal 70 ist über die Elastizitätskonstante der Schnecke unmittelbar abhängig vom gesuchten Drehmoment 28.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1442958 A2 [0002, 0048]
- DE 102006030746 A1 [0040, 0042, 0049]
