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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lenkgetriebevorrichtung, insbesondere einer Hinterachslenkung, für ein Fahrzeug und auf eine Hinterachslenkung sowie auf ein Fahrzeug nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Um einen Lenkwinkel einer Lenkung eines Fahrzeugs zu messen, kann ein Positionssensor an der Spurstange angeordnet werden. Ein separater Sensor ist in einem eigenen Montageschritt zu befestigen, auszurichten und elektrisch zu verbinden.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Lenkgetriebevorrichtung und ein Fahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz ist ein Lenkwinkelsensor integraler Bestandteil der Lenkgetriebevorrichtung. Elektronische Schaltkreise und Sensorelemente des Lenkwinkelsensors sind in eine Elektronikeinheit der Lenkgetriebevorrichtung integriert. Dadurch wird der Montageaufwand deutlich verringert und die gesamte Lenkgetriebevorrichtung ist kompakt.
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Es wird eine Lenkgetriebevorrichtung für ein Fahrzeug vorgestellt, wobei die Lenkgetriebevorrichtung ein Gehäuse aufweist, in dem ein Lenkgetriebe, ein Antrieb für das Lenkgetriebe, eine Elektronikeinheit zum Ansteuern des Antriebs und ein Lenkwinkelsensor angeordnet sind, wobei der Lenkwinkelsensor ein Geberelement und ein in die Elektronikeinheit integriertes Sensorelement umfasst.
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Unter einem Lenkgetriebe kann ein Getriebe verstanden werden, das eine Rotationsbewegung des Antriebs in eine Translationsbewegung einer Spurstange der Lenkgetriebevorrichtung wandelt. Der Antrieb kann beispielsweise ein Elektromotor sein. Eine Elektronikeinheit kann auf einer Leiterplatte angeordnet sein und Steuerungselektronik, Messelektronik und Leistungselektronik umfassen. Gemäß einer Ausführungsform ist das Geberelement ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen und das Sensorelement ist ausgebildet, um das Magnetfeld zu erfassen. Das Sensorelement kann beispielsweise zumindest einen Hallsensor umfassen. Das Geberelement kann beispielsweise zumindest einen Permanentmagneten umfassen.
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Das Geberelement kann in dem Gehäuse drehbar gelagert sein und mit einer Abgriffseinrichtung zum Umwandeln einer translatorischen Bewegung einer Spurstange des Lenkgetriebes in eine rotatorische Bewegung des Geberelements gekoppelt sein. Durch eine Drehbewegung des Geberelements kann ein großer Messbereich abgedeckt werden.
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Die Abgriffseinrichtung kann ein Stirnrad und eine in das Stirnrad eingreifende Schnecke aufweisen. Die Schnecke kann mit einer Hülse gekoppelt sein, die auf der als Lenkspindel ausgebildeten Spurstange angeordnet und in dem Gehäuse drehbar gelagert ist. Das Stirnrad kann mit einer Welle beziehungsweise Rotationsachse des Geberelements gekoppelt sein. Ein Schneckengetriebe kann eine kleine Übersetzung aufweisen. Damit kann ein großer Messbereich innerhalb einer Umdrehung des Geberelements abgebildet werden. Damit kann der Lenkwinkelsensor ein Absolutsensor sein.
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Die Abgriffseinrichtung kann ein mit der Spurstange gekoppeltes Stirnrad aufweisen. Das Stirnrad kann mit der Welle beziehungsweise Rotationsachse des Geberelements gekoppelt sein. Die Abgriffseinrichtung kann so unmittelbar die Position der Spurstange abgreifen.
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Zwischen dem Stirnrad und dem Gehäuse kann ein Vorspannelement zum Vorspannen des Stirnrads mit einem Drehmoment angeordnet sein. Das Vorspannelement kann eine Vorspannkraft auf das Stirnrad ausüben. Damit werden immer die gleichen Zahnflanken angedrückt. Ein mögliches Zahnflankenspiel beeinflusst damit das Messergebnis des Lenkwinkelsensors nicht.
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Das Sensorelement kann auf einer Leiterplatte der Elektronikeinheit angeordnet sein. Dabei kann die Leiterplatte mit dem Sensorelement bestückt worden sein. Beispielsweise kann das Sensorelement, beispielsweise in Form eines die Funktionalität des Sensorelements realisierenden Bausteins, direkt auf die Leiterplatte aufgelötet sein. Auf diese Weise ist keine separate Montage des Sensorelements erforderlich.
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Weiterhin wird ein Fahrzeug mit einer Lenkgetriebevorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt. Dabei kann die Lenkgetriebevorrichtung Teil einer aktiven Hinterachslenkung des Fahrzeugs sein. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann eine solche aktive Hinterachslenkung ausfallsicher und kostengünstig realisiert werden.
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1 eine Explosionsdarstellung einer Lenkgetriebevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung einer Lenkgetriebevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Teilschnittdarstellung einer Lenkgetriebevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine räumliche Darstellung eines Lenkgetriebes einer Lenkgetriebevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Lenkgetriebevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Lenkgetriebevorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Lenkgetriebevorrichtung 100 weist ein mehrteiliges Gehäuse 102 auf, in das ein Lenkgetriebe, ein Antrieb in Form eines Elektromotors 104, eine Elektronikeinheit 106 zum Ansteuern des Elektromotors 104 und ein Lenkwinkelsensor 108 integriert sind. Der Lenkwinkelsensor 108 weist ein fest an der Elektronikeinheit 106 verbautes Sensorelement 110, auch als Sensorik 110 bezeichnet, und ein drehbar gelagertes Geberelement 112 auf.
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Ein Gehäuseunterteil 114 des Gehäuses 102 ist als Metallgussbauteil ausgeführt. Ein Gehäuseoberteil 116 und ein Gehäusemittelteil 118 sind in einem Kunststoffmaterial ausgeführt. Das Gehäusemittelteil 118 kann auch als Modulgehäuse bezeichnet werden. Alternativ können das Gehäuseoberteil und ggfs. auch das -mittelteil als ein wärmeableitendes Metallgussbauteil ausgeführt sein. Dabei ist das Gehäuseoberteil insbesondere mit Kühlrippen versehen, um eine verbesserte Kühlleistung aufzuweisen. Eine Wärmeableitung durch die im Gehäuse verbaute Elektronik ist damit effektiv möglich.
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Der Elektromotor 104, das Lenkgetriebe und eine mit dem Geberelement 112 gekoppelte Abgriffseinrichtung 120 sind in dem Gehäuseunterteil 114 angeordnet. Die Elektronikeinheit 106 ist zwischen dem Gehäuseoberteil 116 und dem Gehäusemittelteil 118 angeordnet.
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Das Lenkgetriebe wirkt auf eine Spurstange 122. Die Spurstange 122 weist an beiden Enden Gabelköpfe zur Anbindung an linke und rechte Radführungselemente wie z. B. Fahrschemel oder Radträger auf. Die Spurstange 122 ist in verbautem Zustand mit Spurhebeln an Räderträgern eines Fahrzeugs gekoppelt, um eine Translationsbewegung der Spurstange in eine Lenkbewegung der Räder zu wandeln.
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Durch die Integration der Sensorik 110 als Bestandteil der Elektronikeinheit 106, die als eine ECU (electronic control unit) ausgeführt sein kann, ist kein zusätzliches elektrisches und mechanisches Gehäuse, auch Packaging genannt, für die Sensorik 110 erforderlich. Zudem sind kein separater Aufbau und keine separate Verbindungstechnik für eine separate Sensorik 110 erforderlich. Des Weiteren wird die Verfügbarkeit erhöht, da durch die Integration der Sensorik 110 kein Kabelabriss entstehen kann. Die vereinfachte Montage und Fertigung im Aggregateverbau als Bestandteil des Moduls der Elektronikeinheit 106 ermöglicht mit der Sensorintegration auf der Leiterplatte der Elektronikeinheit 106 eine Minimierung von Prüf- und Qualifizierungsaufwänden und Sicherheitsanforderungen.
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2 zeigt eine Darstellung einer Lenkgetriebevorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Lenkgetriebevorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 1. Hier ist das Gehäuse 102 in zusammengebautem Zustand dargestellt. Das Gehäuseoberteil 116 ist mit dem Gehäuseunterteil 114 verschraubt. Damit sind die innenliegenden Komponenten der Lenkgetriebevorrichtung 100 vor Umwelteinflüssen geschützt. Die Lenkgetriebevorrichtung 100 weist kompakte Maße auf und kann damit platzsparend in einem Fahrzeug verbaut werden.
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Das Gehäuse 120 weist eine geometrische Ausbuchtung für den Lenkwinkelsensor an der äußeren Gehäusestruktur 114 auf.
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Der hier vorgestellte Weg-/Winkelsensor weist einen Winkel/Wegmessbereich größer als 160° auf. Elektrische Zuleitungen und externe Kabelverlegung sind durch die Integration in das Gehäuse 102 überflüssig. Dadurch erhöht sich die Verfügbarkeit/Safety und Fertigungs-, Montage-, und Prüfschritte können eingespart werden. Es ergibt sich eine hohe Standardisierung für die Sensorkomponenten.
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3 zeigt eine Teilschnittdarstellung einer Lenkgetriebevorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Lenkgetriebevorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der Darstellung in den 1 und 2. Hier ist die Lenkgetriebevorrichtung 100 im Bereich des Lenkwinkelsensors 108 geschnitten dargestellt. Dabei folgt der Schnittverlauf einer Rotationsachse 300 des Geberelements 112. Das Geberelement 112 ist mit einer im Gehäusemittelteil drehbar gelagerten Welle 302 gekoppelt. Die Welle 302 durchdringt das Gehäusemittelteil. Das Geberelement 112 ist damit also zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Gehäusemittelteil angeordnet. An einem dem Geberelement 112 gegenüberliegenden Ende der Welle 302 ist ein Stirnrad 304 mit der Welle 300 gekoppelt. Das Stirnrad 304 ist in dem Gehäuseunterteil auf Höhe der Spurstange angeordnet. Das Stirnrad 304 ist Teil der Abgriffseinrichtung 120.
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Zwischen dem Stirnrad 304 und dem Gehäusemittelteil ist eine Feder 306 angeordnet. Die Feder 306 ist als Spiralfeder ausgeführt und wirkt als Biegefeder. Die Feder 306 spannt das Stirnrad 304 mit einem Drehmoment gegen ein Gegenstück des Stirnrads 306 vor. Dadurch wird ein Flankenwechsel an Zähnen des Stirnrads bei Bewegungsrichtungswechseln verhindert.
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Das Sensorelement 110 ist direkt auf eine Leiterplatte 308 der Elektronikeinheit 106 montiert. Hier ist das Sensorelement 110 direkt auf die Leiterplatte 308 gelötet. Das Geberelement 112 ist hier ein Dauermagnet. Das Sensorelement 110 ist ausgebildet, um die Magnetfeldlage des Geberelements zu erfassen. Das Geberelement 112 kann auch ein Bedämpfungsblech sein.
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Mit anderen Worten zeigt 3 eine Weg/Winkelsensorik 108 für eine als Lenkgetriebevorrichtung 100 ausgeführten Stellantrieb oder Lenkaktuator, insbesondere für Hinterachslenkungen. Dabei ist eine Absolutmessung möglich.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das als Sensorzelle ausgeführte Sensorelement 110 einen 360°-Wegmessbereich auf. Je nach Übersetzung sind dabei bis zu +/–40 mm Spindelweg aus Hinterachsen-Nulllage (Hinterräder in Geradeausfahrstellung) als Wegmessstrecke möglich. Dabei erfolgt über das Stirnrad 304 eine Messumformung der translatorischen Bewegung in eine rotatorische Bewegung. Es erfolgt eine absolute Wegmessung über den gesamten linearen Verfahrensweg.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel basiert das Sensorelement 110 auf einem berührungslosen Singleturn-Winkelsensorprinzip. Bei einem Singleturn-Drehgeber wird jeder Winkelposition ein codierter Positionswert zugeordnet. Dabei kann das Winkelsensorprinzip auf der Ausführungstechnologie magneto-resistive (MR), also magnetresitiv, oder giant magneto-resistive (GMR), also riesenmagnetresistiv, oder tunneling magneto-resistive (TMR), also tunnelmagnetresistiv, basieren, wobei das Winkelsensorprinzip auf der Leiterplatte 308 der Elektronikeinheit 106 mit einer orthogonalen Einkopplung des Geberelements 112 über eine Welle 302 in das Modulgehäuse der Elektronikeinheit 106 gegenüber dem Sensor-IC des Sensorelements 110 umgesetzt ist. Die Welle 302 weist zusätzlich die Eigenschaft auf, über eine Federvorspannung das an der vom Geberelement 112 gegenüberliegenden Seite befindliche Abgriffselement 304 (Zahnrad) mit einer dimensionierbaren Schenkelfeder 306 vorzuspannen, sodass zwischen dem Zahnrad 304 und der anliegenden Schnecke der Spindelhülse oder Spindel eine spielfreie Situation unter allen Betriebsbedingungen und translatorischen Wegpositionen hergestellt werden kann.
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Der Lenkwinkelsensor kann mit alternativen Messtechnologien ausgeführt sein. Beispielsweise können das Sensorelement 110 und das Geberelement 112 als Induktivsensorik oder Hallsensorik ausgeführt sein. Durch unterschiedliche Schnecken/Zahnradpaarungen können eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Spindel und dem Zahnrad 304 sowie Änderungen des Messwegs, der Auflösung und der Genauigkeit erreicht werden. Der Schnecken/Zahnradabgriff kann an anderen räumlichen Positionen angeordnet sein. Ebenso kann ein Multiturn Sensor, anstelle des hier gezeigten Singleturn-Sensors verwendet werden. Durch einen Multiturn-Drehgeber wird jeder Winkelposition und jeder vollen Umdrehung ein codierter Positionswert zugeordnet.
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4 zeigt eine räumliche Darstellung eines Lenkgetriebes 400 einer Lenkgetriebevorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Lenkgetriebe 400 entspricht im Wesentlichen dem in den 1 bis 3 verbautem Lenkgetriebe. Hier ist von dem Gehäuse lediglich das Gehäusemittelteil 118 dargestellt. Ebenso ist der Elektromotor nicht dargestellt. Das Lenkgetriebe 400 weist ein zweistufiges Stirnradgetriebe 402 und ein Spindelgetriebe 404 auf. Das Stirnradgetriebe 402 überträgt eine Drehbewegung des Elektromotors auf eine Spindelbuchse 406 beziehungsweise Spindelhülse, die in eine Gewindespindel 408 beziehungsweise Bewegungsschraube eingreift. Die Gewindespindel 408 ist Bestandteil der Spurstange 122. Die Spindelbuchse 406 ist gegen axiale Bewegungen im Gehäuse abgestützt. Daher wird bei einer Drehbewegung der Spindelbuchse 406 die Gewindespindel 408 axial bewegt. Die Spurstange 122 ist beiderseits der Gewindespindel 408 als Vierkant ausgebildet und in Gleitlagern mit Verdrehsicherung abgestützt, um eine Rotation der Gewindespindel 408 zu verhindern.
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Die Spindelbuchse 406 weist auf einer Außenseite ein Außengewinde 410 beziehungsweise einen Schneckenabgriff als Teil der Abgriffseinrichtung 120 auf. Das Stirnrad 304 greift in das Außengewinde 410 ein und überträgt die Drehbewegung der Spindelbuchse 406 mit einem durch eine Steigung des Außengewindes 410 und einen Durchmesser des Stirnrads 304 festgelegtem Übersetzungsverhältnis auf das Geberelement 112.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel greift das Stirnrad 304 direkt in die Gewindespindel 408 ein. Dabei wirkt die Gewindespindel 408 als Zahnstange eines Zahnstangengetriebes. Hier wird das Übersetzungsverhältnis nur durch den Durchmesser des Stirnrads 304 bestimmt.
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Der Positionssensor stellt in der Hinterachslenkung 100 die Spindelposition fest. Die Spindelposition ist gleichbedeutend mit dem Lenkwinkel. Es kann eine „true power on”-Wegmessung der Bewegungsschraube 408 beziehungsweise Spindel für unterschiedliche Längenausführungen mit nur einem Sensorkonzept (z. B. Multiturn) erfolgen.
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Eine variable Messweg- oder Auflösungsübersetzung ist mittels Zahnradabgriffvarianten oder Schneckenradabgriffvarianten an Spindelhülse 406 oder Spindel 408 möglich.
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5 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeugs 500 mit einer Lenkgetriebevorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie einer herkömmlichen Vorderachslenkung 200. Die Vorwärtsfahrtrichtung F ist über den Pfeil angegeben. Die Lenkgetriebevorrichtung 100 entspricht im Wesentlichen der in den 1 bis 4 dargestellten Lenkgetriebevorrichtung. Die Lenkgetriebevorrichtung 100 ist an einer Hinterachse des Fahrzeugs 500 verbaut. Die Spurstange 122 ist beidseitig mit Spurhebeln 502 gekoppelt. Eine axiale Verschiebung der Spurstange 122 führt zu einer Lenkbewegung der Hinterräder des Fahrzeugs 500. Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine aktive Hinterachslenkung umgesetzt. Die Vorderachslenkung weist ebenfalls eine Spurstange 222 sowie Spurhebel 202 auf. Die Vorderachslenkung kann alternativ auch mit der Lenkvorrichtung 100 ausgestattet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lenkgetriebevorrichtung
- 102
- Gehäuse
- 104
- Elektromotor
- 106
- Elektronikeinheit
- 108
- Lenkwinkelsensor
- 110
- Sensorelement
- 112
- Geberelement
- 114
- Gehäuseunterteil
- 116
- Gehäuseoberteil
- 118
- Gehäusemittelteil
- 120
- Abgriffseinrichtung
- 122
- Spurstange
- 300
- Rotationsachse
- 302
- Welle
- 304
- Stirnrad
- 306
- Feder
- 308
- Leiterplatte
- 400
- Lenkgetriebe
- 402
- Stirnradgetriebe
- 404
- Spindelgetriebe
- 406
- Spindelbuchse
- 408
- Gewindespindel
- 410
- Außengewinde
- 500
- Fahrzeug
- 502
- Spurhebel
