-
Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Lenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Die
EP 2 505 980 A2 offenbart eine gattungsgemäße Lenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit Lenkrad und Lenksäule, das einen Drehmomentsensor zur Erfassung eines Lenkmoments (d.h., des vom Fahrer über das Lenkrad auf die Lenksäule ausgeübten Drehmoments) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs (der ein Winkelbereich eines Torsionselements in der Lenksäule oder ein davon abgebildeter Drehmomentbereich sein kann) um einen drehmomentfreien Zustand der Lenksäule herum aufweist. Es wird auch offenbart, das Drehmoment mittels zweier unterschiedlicher Abbildungsfunktionen in unterschiedlichen Drehwinkelbereichen zu ermitteln, in denen unterschiedliche Zusammenhänge zwischen Drehwinkel und anliegendem Drehmoment bestehen, doch wird das Drehmoment in beiden Fällen anhand der Signale ein und desselben Sensors ermittelt.
-
Die
DE 100 60 287 A1 offenbar ebenfalls eine gattungsgemäße Lenkvorrichtung, die mehrere Drehwinkelsensoren enthält, die an den beiden Enden eines einzigen Torsionselements in der Lenksäule angeordnet sind. Die Drehwinkelsensoren enthalten mehrere Polräder mit unterschiedlichen Polpaarzahlen, um nach dem Nonius-Prinzip kleinste Winkeldifferenzen erfassen zu können.
-
Die
DE 10 2010 034 638 A1 offenbart eine Drehmomentmesswelle, deren Federweg mit zunehmendem Drehwinkel verkürzt wird, so dass sie eine degressive Drehwinkel/Drehmoment-Kennlinie besitzt. An einer derartigen Drehmomentmesswelle kann ein Drehwinkelsensor mit linearer Auflösung kleine Drehmomente genauer messen als große. Eine derartige Drehmomentmesswelle stellt sich als zwei hintereinander geschaltete Drehfedern mit unterschiedlicher Federsteifigkeit dar.
-
Ein Drehmomentsensor mit Torsionselement erzeugt ein elektrisches Signal, das den Torsionswinkel repräsentiert, woraus das zu diesem Winkel gehörende Lenkmoment ermittelt wird. Kostengünstige derartige Winkelsensoren haben gewöhnlich eine Winkelauflösung, die über den gesamten Messbereich konstant ist, d. h. eine lineare Auflösung.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lenkvorrichtung anzugeben, die mit möglichst wenig Aufwand eine präzise Servolenkung mit gutem Ansprechverhalten und Lenkgefühl bei kleinen Lenkmomenten ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Lenkvorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Statt einen oder mehrere Drehmomentsensoren mit im gesamten Erfassungsbereich verbesserter und/oder nichtlinearer Auflösung bzw. eine Drehmomentmesswelle mit degressiver Kennlinie zu verwenden, wie man es im Stand der Technik stets getan hat, um ein präzises Lenken mit gutem Ansprechverhalten und Lenkgefühl bei kleinen Lenkmomenten zu erzielen, werden bei der Erfindung einfach zwei konventionelle Drehmoment-Sensormodule mit linearen, aber ganz unterschiedlichen Auflösungen hintereinander angeordnet. Um größere Lenkmomente zu erfassen, genügt ein zweites Drehmoment-Sensormodul mit wesentlich gröberer linearer Auflösung als das erste Drehmoment-Sensormodul, welches wiederum nur einen sehr kleinen Winkelbereich mit hoher Auflösung zu erfassen braucht.
-
Eine derartige serielle Aneinanderreihung zweier Drehmomentsensoren in einer Lenksäule war bisher nicht bekannt. Auch hätte man erwarten müssen, dass so etwas mit unnötigem Mehraufwand verbunden ist. Doch hat es sich herausgestellt, dass eine derartige zweistufige Lenkmomenterfassung in der Praxis mit höherer Zuverlässigkeit und mit weniger Aufwand durchgeführt werden kann als bei Verwendung eines einzigen Drehmoment-Sensormoduls, das zumindest kleine Lenkmomente fein auflösen kann. Dies liegt daran, dass Lenksäulen-Drehmoment-Sensormodule mit linearer Auflösung und hoher Zuverlässigkeit in großen Stückzahlen hergestellt werden und mit praktisch jeder gewünschten Auflösung erhältlich sind, so dass die Erfindung leicht und kostengünstig mit handelsüblichen Drehmoment-Sensormodulen realisiert werden kann.
-
Ein signifikanter Zusatznutzen der Erfindung liegt darin, dass auf diese Weise Redundanz erzielt werden kann, indem man die erfassten Lenkmomente derart weiterverarbeitet, dass bei Ausfall eines der beiden Sensormodule noch eine Basisfunktionalität erhalten bleibt.
-
Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung sind Servolenkungen, insbesondere elektrische (d. h. nicht hydraulische) Servolenkungen, bei denen das Lenkmoment stets mittels Lenksäulen-Drehmomentsensoren erfasst wird. Je nach dem Betrag des gerade wirkenden Lenkmoments wird nur das Signal des entsprechenden Drehmomentsensors in der elektronischen Steuereinheit einer elektrischen Servolenkung verarbeitet, wobei die Steuereinheit den nötigen Wert der Lenkkraftunterstützung berechnet und einen Servomotor für Lenkkraftunterstützung entsprechend ansteuert.
-
Alternativ könnte man die erfassten Lenkmomente aber auch für andere Lenksysteme als Servolenkungen nutzen, etwa für Steer-by-Wire-Lenksysteme.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält jedes Drehmoment-Sensormodul ein eigenes, im Kraftfluss der Lenksäule liegendes Torsionselement sowie einen eigenen Drehwinkelsensor mit linearer Auflösung, wobei die beiden Torsionselemente im Kraftfluss der Lenksäule in Reihe geschaltet sind und eines der Torsionselemente steifer als das andere ist.
-
Alternativ könnten die Drehmoment-Sensormodule aber auch nach einem anderen Arbeitsprinzip als dem Prinzip der Winkelmessung funktionieren, wie z.B. Piezoelemente, mit denen sich ein Drehmoment nahezu torsionsfrei abtasten lässt. Eine für die Fahrdynamik wünschenswerte Drehelastizität der Lenksäule könnte in einem derartigen Fall durch Eigenelastizität der Lenksäule bzw. irgendeines Abschnitts der Lenksäule realisiert werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Drehmoment-Sensormodule zwei im Kraftfluss der Lenksäule unmittelbar hintereinander angeordnete, unabhängig voneinander arbeitende separate Baugruppen, die insbesondere jeweils einen eigenen Drehwinkelsensor und ein eigenes Torsionselement enthalten. Handelsübliche Lenksäulen-Drehmomentsensoren sind oft integrale Baugruppen aus Sensorik und Torsionselement, und in diesem Fall kann die Erfindung am leichtesten realisiert werden, indem man einfach zwei solche Baugruppen hintereinander im Kraftfluss der Lenksäule anordnet.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Drehmoment-Sensormodul dafür eingerichtet, das Lenkmoment wie üblich anhand einer elastischen Torsion in der Lenksäule, d.h., anhand einer Verdrehung eines bis zu einem gewissen Drehwinkel drehelastischen Teils der Lenksäule, zu erfassen und ein elektrisches Signal auszugeben, das den Torsionswinkel repräsentiert, d.h., den Winkel der elastischen Torsion in der Lenksäule. In diesem Fall sind die Auflösungen der Drehwinkelsensoren Winkelauflösungen, die vorgegebenen Bereiche sind symmetrische Winkelbereiche um den drehmomentfreien Zustand der Lenksäule herum, und der vorgegebene zweite Winkelbereich ist größer als der vorgegebene erste Winkelbereich und ihn umgibt oder enthält ihn.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Winkelbereiche um den drehmomentfreien Zustand der Lenksäule herum, innerhalb derer das erste bzw. das zweite Torsionselement verdrehbar ist, wie üblich jeweils durch Anschläge begrenzt, und die Torsionssteifigkeiten der Torsionselemente und die Winkelpositionen der Anschläge sind derart ausgelegt, dass bei größer werdendem Lenkmoment das zweite Torsionselement dann beginnt, sich zu verdrehen, wenn das erste Torsionselement aufhört, sich zu verdrehen, weil einer der dazugehörigen Anschläge erreicht wird.
-
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
-
1 eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeug-Lenksystems; und
-
2 einen Graphen des Lenkmoments in Abhängigkeit vom Torsionswinkel bei dem in 1 gezeigten Lenksystem.
-
Das in 1 gezeigte elektrische Servolenksystem eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Lenkzahnstange 1, ein Lenkrad 2 und eine Lenksäule 3. Die Lenksäule 3 verbindet das Lenkrad 2 mechanisch mit der Lenkzahnstange 1. Jedes der beiden Enden der Lenkzahnstange 1 ist über eine entsprechende Spurstange 4, 5 mechanisch mit einem nicht gezeigten Radträger verbunden, um die linken bzw. rechten Rad/Reifen-Baugruppen mittels des Lenkrads 2 zu lenken. Außerdem ist ein nicht gezeigter elektrischer Servomotor für Lenkkraftunterstützung mechanisch mit der Lenksäule 3 oder der Lenkzahnstange 1 gekoppelt.
-
In die Lenksäule 3 sind zwei Drehmoment-Sensormodule 6 und 7 integriert, und zwar im Kraftfluss der Lenksäule 3 hintereinandergeschaltet. Jedes Sensormodul 6, 7 erfasst ein in der Lenksäule 3 wirkendes Lenkmoment anhand des Winkels, um den sich ein dazugehöriges elastisch verdrehbares Torsionselement im Kraftfluss der Lenksäule 3 verdreht. Die Sensorik kann z. B. induktiv, kapazitiv oder optisch sein. In jedem Fall hat jedes Sensormodul 6, 7 eine begrenzte Winkelauflösung, und vorliegend ist die Winkelauflösung des ersten Sensormoduls 6 höher, d.h. feiner, als jene des zweiten Sensormoduls 7.
-
2 zeigt eine Transferfunktion zwischen dem Gesamt-Torsionswinkel a der Lenksäule und dem Betrag des Lenkmoments b in der Lenksäule 3. Die Abhängigkeit des Lenkmoments b vom Torsionswinkel a ist hier eine Parabelfunktion, wie für Lenksysteme häufig bevorzugt, könnte aber auch eine andere Funktion sein. Ein bestimmtes Lenkmoment b resultiert in einem entsprechenden Torsionswinkel a der Lenksäule 3.
-
Das erste Sensormodul 6 deckt einen engen Torsionswinkelbereich A1 ab, der um den drehmomentfreien Zustand der Lenksäule 3 herum symmetrisch ist und von –aA1 bis aA1 reicht. Das zweite Sensormodul 7 deckt einen weiten Torsionswinkelbereich B1 ab, der symmetrisch von –aB1 bis aB1 reicht. Dem engen Torsionswinkelbereich A1 entspricht ein enger Lenkmomentbereich A2, und dem weiten Torsionswinkelbereich B1 entspricht ein weiter Lenkmomentbereich B2.
-
Die hohe Winkelauflösung des ersten Sensormoduls 6 erlaubt eine präzise Erfassung kleiner Lenkmomentwerte. Dies ist wichtig, um einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit der elektrischen Servolenkung eine präzise Rückmeldung zu geben. Damit kann dem Fahrer ein gutes Lenkgefühl gegeben werden und können Handling- und Komfortmerkmale wie z. B. automatische Kompensation von Ziehen, Drift oder Haken der Lenkung optimiert werden.
-
Für das zweite Sensormodul 7 genügt eine niedrigere bzw. gröbere Winkelauflösung, weil die Anforderungen an die Genauigkeit des gemessenen Lenkmomentsignals für große Lenkmomentwerte geringer sind als für kleine Lenkmomentwerte.
-
Die mechanisch resistiven Torsionselemente der Sensormodule 6 und 7 sind derart gestaltet, dass beide Elemente eine linear zunehmende Federsteifigkeit bezüglich Verdrehung aufweisen. Wenn die Torsionssteifigkeit bzw. die Federrate bezüglich Verdrehung mit zunehmender Verdrehung linear größer wird, wird das dazugehörige Drehmoment mit dem Verdrehwinkel beispielsweise näherungsweise quadratisch größer, wie in 2 dargestellt.
-
Die mechanisch resistiven Torsionselemente der Sensormodule 6 und 7 könnte man aber auch derart gestalten, dass ihre Torsionssteifigkeit bzw. Federrate jeweils konstant ist. In diesem Fall würde das dazugehörige Drehmoment mit dem Verdrehwinkel beispielsweise näherungsweise linear größer.
-
Die Steifigkeit des Torsionselements des zweiten Sensormoduls 7 ist größer als bei dem ersten Sensormodul 6, was auch durch geeignete Vorspannung des Torsionselements des zweiten Sensormodul 7 erzielt werden kann, so dass es größere Lenkmomente braucht, um das Torsionselement des zweiten Sensormoduls 7 zu verdrehen.
-
Jedes der beiden Sensormodule 6, 7 besitzt zwei mechanische Endanschläge, einen für Rechtsdrehung und einen für Linksdrehung. Die Torsionssteifigkeiten und die Winkelpositionen der Anschläge der Sensormodule 6, 7 sind derart abgestimmt, dass für kleine Lenkmomente nur oder hauptsächlich das Torsionselement des ersten Sensormoduls 6 verdreht wird, aber nur bis zu dem Punkt, an dem der Gesamt-Torsionswinkel einen der Werte –aA1 und aA1 erreicht. An diesem Punkt wird einer der mechanischen Anschläge des ersten Sensormoduls 6 wirksam. Für Gesamt-Torsionswinkel zwischen –aA1 und aA1 wird nur das Lenkmomentsignal des ersten Sensormoduls 6 zu der elektronischen Steuereinheit der elektrischen Servolenkung rückgeführt.
-
Bei größeren Gesamt-Torsionswinkeln kann sich das Torsionselement des ersten Sensormoduls 6 wegen der Begrenzung durch einen der mechanischen Endanschläge nicht weiter verdrehen. Für Gesamt-Torsionswinkel zwischen –aA1 und –aB1 sowie zwischen aA1 und aB1 verdreht sich nur das Torsionselement des zweiten Sensormoduls 7 und wird nur das Lenkmomentsignal des zweiten Sensormoduls 7 zu der elektronischen Steuereinheit der elektrischen Servolenkung rückgeführt.
-
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
-
- EP 2505980 A2 [0002]
- DE 10060287 A1 [0003]
- DE 102010034638 A1 [0004]
