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Die Erfindung betrifft einen Aktuator für eine Hinterradlenkung eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Ein derartiger Aktuator, auch Stellmotor genannt, ist in der älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2014 206 934.3 offenbart. Der Stellmotor, welcher als so genannter Zentralsteller, d. h. beidseitig wirkender Aktuator ausgebildet ist, weist ein fahrzeugseitig befestigtes Gehäuse auf, in welchem ein beidseitig wirkender Spindelantrieb angeordnet ist, welcher eine längsbewegliche Spindel und eine über einen Zugmitteltrieb durch einen Elektromotor angetriebene Spindelmutter aufweist. Der Zugmitteltrieb ist vorzugsweise als Zahnriementrieb ausgebildet und weist ein festes Übersetzungsverhältnis auf. Der Zugmitteltrieb umfasst eine kleine, auf der Motorwelle angeordnete Antriebsscheibe und eine große, auf der Spindelmutter angeordnete Abtriebsscheibe.
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Ein Problem bei einer derartigen Hinterradlenkung im Kraftfahrzeug besteht darin, die exakte Stellposition der Spindel und den damit verbundenen Radeinschlagwinkel der Hinterräder zu bestimmen.
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Durch die
DE 600 11 684 T2 wurde eine elektrische Servolenkung für die Vorderräder eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei eine Lenkwelle über ein Lenkrad betätigt und durch einen Elektromotor unterstützt wird. Dabei ist der Elektromotor über ein Untersetzungsgetriebe mit der Lenkwelle, welche einen Radeinschlag der Vorderräder bewirkt, verbunden. Der Lenkwelle ist ein erster Sensor zur Messung des Lenkwinkels (Einschlag des Lenkrades), vorzugsweise ein Absolutdrehwinkelsensor, und dem Rotor des Elektromotors ist ein zweiter Sensor zur Messung des Rotorwinkels (der Winkelstellung des Rotors) zugeordnet. Die Ausgangssignale beider Sensoren werden einer Verarbeitungseinrichtung zugeführt, welche ein Signal für die Winkelstellung der Lenkwelle erzeugt. Der zweite Sensor ist als Rotorlagesensor eines bürstenlosen Elektromotors ausgebildet. Alternativ kann mindestens einer der Sensoren auch als Indexsensor ausgebildet sein, welcher pro Umdrehung einen Impuls liefert.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Aktuator der eingangs genannten Art eine verbesserte Sensorik zur Erfassung der Stellposition der Spindel vorzuschlagen.
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Die Lösung der Aufgabe zeichnet sich durch die Merkmale des Patentanspruches 1 aus. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß sind bei einem Aktuator der eingangs genannten Art zwei Drehwinkelsensoren vorgesehen, wobei der erste Drehwinkelsensor als Rotorlagesensor des Elektromotors ausgebildet und der zweite Drehwinkelsensor dem Abtriebsrad bzw. der Spindelmutter zugeordnet ist. Der Rotorlagesensor ist an dem als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor zwecks Kommutierung ohnehin vorhanden und wird hier zusätzlich für die Messung des Drehwinkels der Antriebsscheibe und die Berechnung der Spindelposition herangezogen. Der zweite Drehwinkelsensor dient der Kontrolle der Messung des Rotorlagesensors, d. h. zur Plausibilisierung der aktuellen Stellposition der Spindel. Durch die Verwendung von zwei Drehwinkelsensoren wird der Vorteil erreicht, dass – im Vergleich zum bekannten Linearsensor-Bauraum in axialer Richtung der Spindel gespart wird. Grundsätzlich ergeben sich zwei Verfahren zur Plausibilisierung, nämlich ein erstes Verfahren, bei welchem die Absolutwerte der beiden Sensoren miteinander verglichen werden; dies setzt Sensoren voraus, welche die absoluten Drehwinkel messen und miteinander vergleichen. Die zweite Methode besteht darin, Drehwinkelwertepaare miteinander zu vergleichen. Dabei kann eine fehlerhafte Messung des ersten Drehwinkelsensors durch den Messwert des zweiten Drehwinkelsensors erkannt werden, wenn das Wertepaar unstimmig ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Drehwinkelsensor als absoluter Drehwinkelsensor ausgebildet, d. h. er ist in der Lage, den absoluten Wert des Drehwinkels zu erfassen, d. h. nicht nur innerhalb einer Umdrehung bzw. über 360 Grad, sondern auch darüber hinaus. Der erste Drehwinkelsensor, der Rotorlagesensor, liefert ebenfalls ein absolutes Signal für den Drehwinkel und die Zahl der Umdrehungen. Der absolute Drehwinkelsensor auf der Spindelmutter liefert ebenfalls den absoluten Drehwinkel und die Anzahl der Umdrehungen der Spindelmutter. Somit können unabhängig voneinander mit beiden Signalen die aktuellen Stellpositionen der Spindel berechnet und miteinander verglichen werden. Bei einer Abweichung der berechneten Werte liegt eine fehlerhafte Stellposition vor.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der zweite absolute Drehwinkelsensor als Lenkwinkelsensor ausgebildet sein, welcher an sich bekannt und handelsüblich ist, da er in großen Stückzahlen für die Vorderradlenkung von Kraftfahrzeugen verwendet wird. Der Lenkwinkelsensor erfasst den Drehwinkel, der durch eine Lenkhandhabe (z. B. Lenkrad) vom Bediener aufgebracht wird und eine Größe für den Drehwinkel der Lenksäule darstellt. Der Lenkwinkelsensor erfasst also ebenfalls den absoluten Drehwinkel und die Zahl der Umdrehungen, auch im abgeschalteten Zustand.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Drehwinkelsensor als eine Sensoreinheit ausgebildet, welche mindestens eine Referenzmarkierung auf dem Umfang der Abtriebsscheibe oder der Spindelmutter, ferner einen die Referenzmarkierung erfassenden Sensor sowie eine Auswerteinheit zum Abgleich der Signale des ersten und des zweiten Drehwinkelsensors umfasst. Diese Ausführungsform stellt eine kostenmäßig sehr günstige und einfache Lösung dar, da die den Geber darstellenden Referenzmarkierung relativ einfach auf der Abtriebsscheibe bzw. der Spindelmutter angeordnet werden kann. Der als Nehmer fungierende ortsfeste Sensor kann als handelsüblicher Sensor, z. B. als Hallsensor, der die Zahl der Umdrehungen misst, ausgebildet sein. Die gemessene Anzahl der Umdrehungen der Abtriebsscheibe bzw. der Spindelmutter bildet mit dem vom Rotorlagesensor gelieferten Drehwinkelsignal ein Wertepaar, welches zur Plausibilisierung der Stellposition herangezogen wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor zur Erfassung der mindestens einen Referenzmarkierung als Inkrementalsensor oder als Drehzahlsensor ausgebildet, wobei für letzteren ein handelsüblicher Raddrehzahlsensor für Kraftfahrzeuge verwendet werden kann. Unter Inkrementalsensor wird ein Aufnahmesystem verstanden, welches aus einem Rotor mit Referenzmarkierungen auf dem Umfang, z. B. einem Zahnrad und einem Drehzahlsensor besteht, der die Referenzmarkierungen erfasst und zählt. Der Sensor ist bevorzugt als Hall-Stabsensor ausgebildet und direkt auf die Zähne des Zahnrades oder der Zahnriemenscheibe gerichtet.
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Die vorgenannten Sensoren, z. B. Raddrehzahlsensoren, Lenkwinkelsensoren, Inkrementalsensoren und Hall-Sensoren sind durch die Fachliteratur „Sensoren im Kraftfahrzeug", Konrad Reif (Hrsg.), 2. Auflage, 2012, Seiten 63, 70, 140, 141 an sich bekannt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebsverbindung als Zahnriementrieb oder als Zahnradtrieb, bevorzugt Rädergetriebe, ausgebildet, wobei sich das Übersetzungsverhältnis aus dem Quotienten der Zähnezahlen des antreibenden und des abtreibenden Zahnriemenrades ergibt. Die Zähnezahlen für das Antriebsrad (zan) und das Abtriebsrad (zab), auch Antriebs- und Abtriebsscheibe genannt, bilden Werte von Zähnezahlen, insbesondere Primzahlen, so dass sich gleiche Zähnezahlen erst nach einer relativ hohen Anzahl von Umdrehungen des Antriebs- oder des Abtriebsrades gegenüber stehen. Beispielsweise kann die große Zahnriemenscheibe 67 Zähne und die kleine Zahnriemenscheibe 29 Zähne aufweisen, so dass sich ein kleinstes gemeinsames Vielfaches von 67 × 29 = 1943 ergibt. Demnach würden sich dieselben Zähne erst nach 29 Umdrehungen der großen Scheibe bzw. nach 67 Umdrehungen der kleinen Scheibe wieder gegenüberstehen. Somit ergeben sich innerhalb des Stellbereiches der Spindel nur einzigartige Wertepaare, sogenannte Soll-Wertepaare, welche zur Plausibilisierung der Messung herangezogen werden können.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden der Auswerteeinheit einerseits der vom Rotorlagesensor gemessene Drehwinkel des Rotors respektive des Antriebsrades und andererseits die vom zweiten Drehzahlsensor gemessene Anzahl der Umdrehungen des Abtriebsrades zugeführt, woraus ein Wertepaar berechnet wird, welches zur Plausibilisierung herangezogen wird. Die Plausibilitätsprüfung erfolgt dabei in der Weise, dass das berechnete Wertepaar, das Ist-Wertepaar, mit dem einzigartigen Soll-Wertepaar abgeglichen wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
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1 einen Aktuator mit einem elektrisch angetriebenen Spindelantrieb und
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2 einen Zahnriementrieb des Aktuators mit Sensoren und Messwerten.
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1 zeigt einen als Dualsteller ausgebildeten Aktuator 1 mit einem durch einen Elektromotor 2 angetriebenen Spindelantrieb 3. Der Aktuator 1 weist ein Gehäuse 4 auf, welches einseitig über eine Gelenkbuchse 5 an einem nicht dargestellten Achsträger eines Kraftfahrzeuges befestigt ist und den Spindelantrieb 3 in sich aufnimmt. Der Spindelantrieb 3 umfasst eine längs bewegliche, gegen Verdrehen gesicherte Gewindespindel 6, auch kurz Spindel 6 genannt, mit einem als Trapezgewinde ausgebildeten Bewegungsgewinde sowie eine mit der Gewindespindel 6 in Eingriff stehende Spindelmutter 7, welche über Wälzlager 8, 9 gegenüber dem Gehäuse 4 abgestützt ist.
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Die Spindel 6 ist an ihrem der Gewindebuchse 5 abgewandten Ende mit einem Zapfen 10 verbunden, der über ein Gleitlager 11 gegenüber dem Gehäuse 4 gelagert ist und aus dem Gehäuse 4 herausragt. Der Zapfen 10 ist in dem Gleitlager verdrehsicher gelagert. Am herausragenden, äußeren Ende des Zapfens 10 ist eine Gelenkbuchse 12 befestigt, welche mit einem nicht dargestellten Spurgestänge zur Anlenkung an einem Radträger des Hinterrades des Kraftfahrzeuges verbunden werden kann.
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Der Spindelantrieb 3 wird über einen als Zahnriementrieb 13 ausgebildeten Zugmitteltrieb 13 vom Elektromotor 2 angetrieben. Alternativ kann der Zugmitteltrieb 13 auch als Zahnradtrieb ausgebildet sein. Der Zahnriementrieb 13 weist eine als kleine Zahnriemenscheibe 14, auch kurz Riemenscheibe 14 genannt, ausgebildete Antriebsscheibe 14 und eine als große Zahnriemenscheibe 15, auch kurz Riemenscheibe 15 genannt, ausgebildete Abtriebsscheibe 15 auf, welche drehfest auf der Spindelmutter 7 angeordnet ist. Der Elektromotor 2 ist als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet und weist – was hier nicht dargestellt ist – originär einen Rotorlagesensor auf, welcher für die Kommutierung benötigt wird.
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Für die Hinterradlenkung können zwei Dualsteller, die jeweils im radnahen Bereich angeordnet sind, eingesetzt werden. Ein einzelner Dualsteller wirkt also einseitig nur auf ein Rad. Bekannt sind auch sogenannte Zentralsteller, die mittig im Fahrzeug an der Karosserie fest angeordnet sind und beidseitig jeweils über Radträger auf beide Hinterräder wirken. Für eine sichere elektrisch gestützte Hinterradlenkung („steer-by-wire”) ist es wichtig, dass jeweils die exakte Stellposition, hier die IST-Stellung der Spindel, und damit der Radeinschlagswinkel der Hinterräder zuverlässig und fehlerfrei erkannt wird. Hierzu dient das im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Sensorkonzept, d. h. die Anordnung, Ausbildung und Funktion von zwei Drehwinkelsensoren für einen Dual- oder Zentralsteller.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Messung und Plausibilisierung der aktuellen Stellposition des in 1 dargestellten Aktuators 1. Hierzu ist der Zahnriementrieb 13 mit der kleinen Riemenscheibe 14 (Antriebsrad) und der großen Riemenscheibe 15 (Abtriebsrad), welche drehfest mit der Spindelmutter 7 (1) verbunden ist, schematisch dargestellt. Die Drehzahl der großen Riemenscheibe 15 entspricht somit der Spindelmutter 7. Aufgrund des Zahnriementriebes 13 ergibt sich eine formschlüssige Triebverbindung mit einem festen Übersetzungsverhältnis, welches durch die Zähnezahlen der kleinen Riemenscheibe 14 und der großen Riemenscheibe 15 bestimmt wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die kleine Riemenscheibe 14 eine Zähnezahl zan = 37 und die große Riemenscheibe 15 eine Zähnezahl zab = 89 auf. Die Zähnezahlen sind bewusst als Primzahlen gewählt und ergeben eine Übersetzung von 2,41 sowie ein kleinstes gemeinsames Vielfaches von 3293. Daraus ergibt sich, dass sich dieselben Zähne erst dann wieder gegenüberstehen, wenn sich die kleine Riemenscheibe 89-mal oder die große Riemenscheibe 37-mal gedreht hat. Abhängig von der Steigung des Trapezgewindes der Spindel 6 (1) lässt sich der Stellweg berechnen, nachdem sich dieselben Zähne wieder gegenüberstehen – dies liegt allerdings weit oberhalb des Stellbereiches des Aktuators 1.
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Wie oben erwähnt, ist dem kleinen Riemenrad 14 ein Rotorlagesensor des Elektromotors 2 (1) zugeordnet, welcher sowohl den Drehwinkel als auch die Anzahl der Umdrehungen misst, also als absoluter Drehwinkelsensor ausgebildet ist. Über den gemessenen absoluten Drehwinkel und das Übersetzungsverhältnis zwischen kleiner und großer Riemenscheibe 14, 15 sowie die Steigung des Trapezgewindes lässt sich der Stellweg der Spindel 6 (1) berechnen. Zur Plausibilisierung, auch Plausibilitätskontrolle oder Plausibilitätsprüfung genannt, ist eine Sensoreinheit 20 vorgesehen, welche eine Referenzmarkierung 21 auf der großen Riemenscheibe 15 (oder auch auf der hier nicht dargestellten Spindelmutter 7) sowie einen als Drehzahlsensor 22 ausgebildeten ortsfesten Sensor aufweist. Die Sensoreinheit 20 ist somit in der Lage, die Anzahl der Umdrehungen der großen Riemenscheibe 15 zu erfassen. Der vom Rotorlagesensor berechnete Stellweg kann durch das Signal der Sensoreinheit 20 plausibilisiert werden, indem ein Wertepaar aus beiden Messungen gebildet wird. Aufgrund der oben erwähnten Zähnezahlen von 37 und 89 ergeben sich für die Umdrehungen an der großen Riemenscheibe 15 und der Zähnezahl an der kleinen Riemenscheibe 14 folgende einzigartige Wertepaare: 1/15; 2/30; 3/8; 4/23 usw. – auch als Soll-Wertepaare bezeichnet. Die gemessenen Wertepaare, auch als Ist-Wertepaare bezeichnet, werden mit den Soll-Wertepaaren in einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) abgeglichen. Für den Fall, dass die Ist-Wertepaare nicht den Soll-Wertepaaren entsprechen, liegt ein Fehlerfall vor – es wird detektiert, dass der gemessene Wert nicht plausibel sein kann.
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2 zeigt ferner drei übereinander angeordnete Diagramme A, B, C. Das Diagramm A zeigt die gemessene Anzahl von Umdrehungen der großen Riemenscheibe 15 bzw. der Spindelmutter, gemessen durch die Sensoreinheit 20. Das Diagramm B zeigt den vom Rotorlagesensor gemessenen Drehwinkel der kleinen Riemenscheibe 14 und die Anzahl der Umdrehungen, dargestellt als Sägezahn. Das Diagramm C zeigt den berechneten Stellweg, aufgetragen über der Anzahl der Umdrehungen. Anhand der Punkte B1, B2 in Diagramm B erkennt man, dass die kleine Riemenscheibe 14 bei einer Umdrehung der großen Riemenscheibe 15 zwei Umdrehungen und einen Winkel von 146 Grad, welcher dem Zahn Nr. 15 entspricht, zurückgelegt hat; nach zwei Umdrehungen der großen Riemenscheibe 15 hat die kleine Riemenscheibe 14 vier Umdrehungen und einen Winkel von 292 Grad, was dem Zahn Nr. 30 entspricht, zurückgelegt. Aus dem Diagramm C entnimmt man, dass für die Punkte B1, B2 im Diagramm B die Stellwege von 2 mm in Punkt C1 und 4 mm im Punkt C2 zurückgelegt wurden. Wie bereits oben erwähnt, ergeben sich aus den Diagrammen A und B die einzigartigen oder Soll-Wertepaare 1/15, d. h. eine Umdrehung entsprechend Zahn Nr. 15 und 2/30, d. h. zwei Umdrehungen entsprechend Zahn Nr. 30.
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Mit anderen Worten: Der Sensor 22 gibt nach jeder vollen Umdrehung der großen Riemenscheibe 15 ein Signal aus (Diagramm A). Dieses Signal wird anschließend mit dem aktuellen Drehwinkel der kleinen Riemenscheibe 14 (Diagramm B) abgeglichen. Anhand des für jede Stellposition einzigartigen Wertepaares (Soll-Wertepaar) kann nach jeder vollen Umdrehung der Spindelmutter respektive der großen Riemenscheibe 15 die Stellposition plausibilisiert werden. Ein unplausibles Signal würde sich durch ein von den Soll-Wertepaaren abweichendes Ist-Wertepaar bemerkbar machen.
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Bei der Anordnung eines einzelnen Referenzwertes auf der großen Riemenscheibe 15, wie als Referenzmarkierung 21 dargestellt, kann eine falsche Stellposition im ungünstigen Fall erst nach einer Umdrehung an der großen Riemenscheibe 15 erkannt werden. Der maximal mögliche fehlerhafte Stellweg entspricht also der Steigung des Trapezgewindes der Spindel 6 (1). Dieser Fehler lässt sich reduzieren, indem weitere Referenzmarkierungen eingesetzt werden, welche sich von der ursprünglichen Referenzmarkierung unterscheiden müssen.
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Für die Sensoreinheit 20 zur Drehzahlmessung der großen Riemenscheibe 15 respektive der Spindelmutter können bevorzugt handelsübliche Raddrehzahlsensoren verwendet werden, wie sie beispielsweise in Antiblockiersystemen für Kraftfahrzeuge im Einsatz sind.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können anstelle von Raddrehzahlsensoren auch Inkrementaldrehzahlsensoren verwendet werden. Durch diese Sensoren werden die Drehwinkel und die Zahl der Umdrehungen aufsummiert, so dass sich die absolute Drehwinkelposition bestimmen lässt. In diesem Falle können die Absolutwerte der kleinen und der großen Riemenscheibe miteinander abgeglichen werden, wodurch eine einfache und sichere Plausibilitätskontrolle möglich ist.
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Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können absolute Drehwinkelsensoren für die Spindelmutter oder die große Riemenscheibe verwendet werden, beispielsweise handelsübliche Lenkwinkelsensoren, welche für die Vorderradlenkung von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten bezüglich Aufbau und Funktion der vorgenannten Sensoren sind der Fachliteratur „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Auflage, 2012, Bosch Fachinformation Automobil zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktuator (Dualsteller)
- 2
- Elektromotor
- 3
- Spindelantrieb
- 4
- Gehäuse
- 5
- Gelenkbuchse
- 6
- Spindel
- 7
- Spindelmutter
- 8
- Wälzlager
- 9
- Wälzlager
- 10
- Zapfen
- 11
- Gleitlager
- 12
- Gelenkbuchse
- 13
- Zahnriementrieb
- 14
- Antriebsscheibe (kleine Zahnriemenscheibe)
- 15
- Abtriebsscheibe (große Zahnriemenscheibe)
- 20
- Sensoreinheit
- 21
- Referenzmarkierung
- 22
- Sensor
- A
- Diagramm: Sensor für Spindelmutter
- B
- Diagramm: Rotorlagesensor
- B1, B2
- Wertepaare
- C
- Diagramm: Stellweg Spindel
- C1, C2
- Stellwege
- i
- Übersetzungsverhältnis
- zan
- Zähnezahl Antriebsscheibe
- zab
- Zähnezahl Abtriebsscheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Fachliteratur „Sensoren im Kraftfahrzeug”, Konrad Reif (Hrsg.), 2. Auflage, 2012, Seiten 63, 70, 140, 141 [0012]
- Fachliteratur „Sensoren im Kraftfahrzeug”, 2. Auflage, 2012, Bosch Fachinformation Automobil [0030]
