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Die Erfindung betrifft einen Handkraftaktuator mit einem Winkelsensorsystem für ein Steer-by-Wire-Lenksystem.
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Steer-by-wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen manuelle Lenkbefehle des Fahrers, wie konventionelle mechanische Lenkungen, durch Drehung eines Lenkrades einer Eingabeeinheit entgegen. Dadurch wird die Drehung einer Lenkwelle bewirkt, die jedoch nicht mechanisch über das Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden ist, sondern mit Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren zusammenwirkt, die den eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenksteller abgeben, der mittels eines elektrischen Stellantriebs einen entsprechenden Lenkeinschlag der Räder einstellt.
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Bei Steer-by-wire-Lenksystemen erhält der Fahrer von den gelenkten Rädern keine unmittelbare physische Rückmeldung über den Lenkstrang, welche bei konventionellen mechanisch gekoppelten Lenkungen als Reaktions- bzw. Rückstellmoment in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem aktuellen Lenkwinkel und weiterer Betriebszustände zum Lenkrad zurückgemeldet werden. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden.
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Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist es im Stand der Technik bekannt, aus einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen mit einem Handkraftaktuator ein Rückkopplungs-Signal zu bilden. Der Handkraftaktuator umfasst einen als Handmoment- oder Lenkradsteller dienenden Stellantrieb. Somit wird abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment beziehungsweise Lenkmoment über die Lenkwelle in das Lenkrad einkoppelt. Derartige, auch „Force-Feedback“-Systeme genannte Systeme, geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.
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Aus der
DE 10 2008 036 730 A1 ist ein Steer-by-wire-Lenksystem bekannt, mit einer Eingabeeinheit, die eine von einem Elektromotor angetriebenen Handkraftaktuator aufweist. Der Elektromotor kann von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden, die in Abhängigkeit von Messwerten, welche die jeweilige Fahrsituation charakterisieren, den Motorstrom einstellt. Die Motorwelle ist direkt mit der Lenkwelle gekuppelt, somit ist das Motordrehmoment identisch mit dem in die Lenkwelle eingekoppelten Handmoment. Dabei ist die Motoreinheit bezüglich der Längsachse axial an die Manteleinheit angeflanscht und die Motorwelle über eine Kupplung mit der in der Manteleinheit gelagerten Lenkwelle verbunden.
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Die Offenlegung
DE 10 2018 000 621 A1 beschreibt einen Handkraftaktuator für ein Steer-by-Wire-Lenksystem, wobei der Handkraftaktuator über einen Elektromotor und eine Sensoreinheit verfügt, um über den Elektromotor einen realistischen Lenkwiderstand zu simulieren. Die Offenlegungsschrift offenbart ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Fahrzeuges, umfassend ein Lenkrad mit einer Lenksäule, deren Bewegung elektronisch an einen Lenkaktuator zur Einstellung einer Fahrtrichtung des Fahrzeuges übertragbar ist, wobei ein Lenkradaktuator in der Lenksäule angeordnet ist, welcher von einem Steuergerät zur Simulation eines Kraft-Feedbacks am Lenkrad angesteuert wird. Das Steuergerät ist direkt in oder an der Lenksäule befestigt. Bei dem vorbekannten Lenksystem ist im Handkraftaktuator an einer mit dem Lenkrad verbundenen Lenkspindel ein Winkelsensorsystem eingebaut, damit der Lenkradwinkel erfasst werden kann, zum Beispiel für die Regelung der Hilfskraftlenkung. Ein derart ausgebildeter Handkraftaktuator benötigt viel Bauraum. Insbesondere wird bei einem bürstenlosen Elektromotor ein Rotorlagegeber für die Kommutierung benötigt. Üblicherweise werden hierfür Inkrementalgeber verwendet, welche maximal 360 Grad auflösen können und anschließend wieder bei 0 Grad beginnen. Dies führt jedoch bei einem Stromausfall oder bei einem Überschreiten von 360 Grad zu einer ungenauen Drehwinkelmessung. Demnach umfasst ein vorbekannter Handkraftaktuator gemäß der vorgenannten Offenlegungsschrift, welcher das Lenkgefühl bei einem Steer-by-Wire-System nachbildet, über einen Inkrementalgeber als Winkelsensorsystem zur Kommutierung, der die Drehwinkeländerung an einer Lenkspindel vornimmt.
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Die Aufgabe der aktuellen Entwicklung besteht darin, einen Handkraftaktuator für ein Steer-by-Wire-Lenksystem zu entwickeln, der eine kompakte Bauweise aufweist und eine kostengünstige sowie zuverlässige Drehwinkeldetektion einer Motorwelle eines Elektromotors für einen realistischen Lenkwiderstand ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Handkraftaktuator mit einem Winkelsensorsystem für ein Steer-by-Wire-Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Winkelsensorsystem für einen Handkraftaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Die Erfindung betrifft somit einen Handkraftaktuator mit einer Längsachse für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend
eine äußere Gehäuseanordnung, insbesondere zur schwenkbaren Lagerung an dem Fahrzeug über eine Anbindungsanordnung,
einen Elektromotor mit mindestens einer sich entlang der Längsachse erstreckenden Motorwelle, wobei der Elektromotor entlang der Längsachse an einem Ende der Gehäuseanordnung drehfest an der Gehäuseanordnung angeordnet ist,
eine erste Lenkspindel, wobei die erste Lenkspindel um die Längsachse drehbar in der Gehäuseanordnung gelagert ist, und wobei die erste Lenkspindel zur Drehungsübertragung zumindest mittelbar mit der mindestens einen Motorwelle verbunden ist,
ein erstes Lager zur drehbaren Lagerung der ersten Lenkspindel in der Gehäuseanordnung,
ein Winkelsensorsystem zur Detektion einer Motorwellendrehung,
wobei das Winkelsensorsystem derart am Elektromotor angeordnet ist, dass die Motorwellendrehung unmittelbar an der mindestens einen Motorwelle detektiert wird.
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Dass die erste Lenkspindel zur Drehungsübertragung zumindest mittelbar mit der mindestens einen Motorwelle verbunden ist bedeutet, dass zwischen der ersten Lenkspindel und der Motorwelle ein Drehmomentübertragungsmittel angeordnet sein kann, beispielsweise ein Getriebe. Allerdings ist gemäß der vorgenannten Formulierung auch möglich, dass die erste Lenkspindel unmittelbar mit der mindestens einen Motorwelle verbunden ist.
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Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß insbesondere durch ein vorteilhaft angeordnetes Winkelsensorsystem gelöst. Es hat sich herausgestellt, dass der Bauraum im Motorwellenbereich direkt am Elektromotor für eine kompakte Montage des Winkelsensorsystems sehr geeignet ist. So kann das Winkelsensorsystem beispielsweise an einer Stirnseite des Elektromotors angeordnet werden und erspart den Einsatz zusätzlicher Winkelsensorsystemmontagemöglichkeiten. Obgleich die Montage an einer Lenkspindel mehr Bauraum bietet, hat sich herausgestellt, dass auch ein Winkelsensorsystem im Motorwellenbereich eine präzise Drehwinkelerfassung ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die erste Lenkspindel ausgebildet ist zur Kopplung mit einer zweiten Lenkspindel, wobei der Handkraftaktuator weiterhin aufweist
eine zweite Lenkspindel zur Kopplung mit einem Lenkrad,
wobei die zweite Lenkspindel zur ersten Lenkspindel entlang der Längsachse axial verschieblich ist,
wobei die zweite Lenkspindel und die erste Lenkspindel zur Drehmomentübertragung mit einer Verbindungskonfiguration miteinander verbunden sind,
eine Führungshülse zur Führung der zweiten Lenkspindel,
ein zweites Lager zur drehbaren Lagerung der zweiten Lenkspindel in der Führungshülse,
wobei die zweite Lenkspindel entlang der Längsachse axial unverschieblich und mit mindestens dem zweiten Lager drehbar gelagert innerhalb der Führungshülse angeordnet ist,
wobei die Führungshülse entlang der Längsachse axial verschieblich innerhalb der Gehäuseanordnung angeordnet ist. Die bevorzugte Ausführungsform ermöglicht eine komfortable Lenksystemeinstellung und einen realistischen Lenkwiderstand.
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Anders formuliert ist gemäß der vorgenannten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Handkraftaktuator vorgesehen mit einer Längsachse für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend
eine äußere Gehäuseanordnung, insbesondere zur schwenkbaren Lagerung an dem Fahrzeug über eine Anbindungsanordnung,
einen Elektromotor mit mindestens einer sich entlang der Längsachse erstreckenden Motorwelle, wobei der Elektromotor entlang der Längsachse an einem Ende der Gehäuseanordnung drehfest an der Gehäuseanordnung angeordnet ist,
eine erste Lenkspindel zur Kopplung mit einer zweiten Lenkspindel, wobei die erste Lenkspindel um die Längsachse drehbar in der Gehäuseanordnung gelagert ist, und wobei die erste Lenkspindel zur Drehungsübertragung zumindest mittelbar mit der mindestens einen Motorwelle verbunden ist,
ein erstes Lager zur drehbaren Lagerung der ersten Lenkspindel in der Gehäuseanordnung,
eine zweite Lenkspindel zur Kopplung mit einem Lenkrad,
wobei die zweite Lenkspindel zur ersten Lenkspindel entlang der Längsachse axial verschieblich ist,
wobei die zweite Lenkspindel und die erste Lenkspindel zur Drehmomentübertragung mit einer Verbindungskonfiguration miteinander verbunden sind,
eine Führungshülse zur Führung der zweiten Lenkspindel,
ein zweites Lager zur drehbaren Lagerung der zweiten Lenkspindel in der Führungshülse,
wobei die zweite Lenkspindel entlang der Längsachse axial unverschieblich und mit mindestens dem zweiten Lager drehbar gelagert innerhalb der Führungshülse angeordnet ist,
wobei die Führungshülse entlang der Längsachse axial verschieblich innerhalb der Gehäuseanordnung angeordnet ist,
ein Winkelsensorsystem zur Detektion einer Motorwellendrehung,
wobei das Winkelsensorsystem derart am Elektromotor angeordnet ist, dass die Motorwellendrehung unmittelbar an der mindestens einen Motorwelle detektiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die mindestens eine Motorwelle durch eine von der Gehäuseanordnung entfernten Stirnseite des Elektromotors erstreckt und einen Überstand aufweist, und dass das Winkelsensorsystem die Motorwellendrehung des Überstands detektiert. Somit kann der Überstand vorteilhaft genutzt werden, um das Winkelsensorsystem mit möglichst wenig zusätzlichem Bauraumbedarf zu montieren und gleichzeitig und zuverlässige Drehwinkelerfassung sicherzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Winkelsensorsystem ein Absolutwertgeber ist.
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Positionierungsaufgaben benötigen präzise Positionswerte zur Überwachung oder Steuerung von Bewegungsaktionen. Bei vielen Anwendungen erfolgt die Positionsabtastung mit Drehgebern, die auch Wellengeber oder einfach Geber genannt werden. Diese Sensoren wandeln eine mechanische Winkelposition einer mechanische Welle oder einer Achse in ein elektronisches Signal um, das von einem Steuersystem weiterverarbeitet werden kann.
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Absolutwertgeber ermöglichen verwechslungssichere Positionswerte sobald sie eingeschaltet werden, oder auch sofort nach einem Stromausfall.
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Absolutwertgeber können beispielhaft nach einem magnetischen beziehungsweise optischen Messprinzip funktionieren, wobei ihre Schnittstellen insbesondere per Ethernet, per Feldbus, parallel, seriell sowie analog ausgeführt sein. Weiterhin können die Absolutwertgeber als Multiturn- oder Singleturn-Drehgeber ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Winkelsensorsystem ein Multiturn-Drehgeber ist.
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Durch einen Multiturn-Drehgeber wird jeder Winkelposition und jeder vollen Umdrehung ein codierter Positionswert zugeordnet. Damit kann im Rahmen eines Lenkvorgangs durch das den Multiturn-Drehgeber detektiert werden, ob beziehungsweise wie oft eine vollständige 360 Grad Drehung stattgefunden hat.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Winkelsensorsystem mindestens eine Detektionseinheit und eine zu detektierende Zieleinheit aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit an der Stirnseite des Elektromotors und die Zieleinheit an der rotierbaren, mindestens einen Motorwelle angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zieleinheit eine Kodierung aufweist.
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Somit ist insbesondere allen Positionen der Motorwelle ist ein fester Code zugeordnet. Auch Bewegungen, die erfolgen, wenn das System stromlos ist, werden sofort in genaue Positionswerte umgewandelt, wenn der Geber wieder mit Strom versorgt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Handkraftaktuator zwischen der mindestens einen Motorwelle und der ersten Lenkspindel ein Getriebe aufweist, wobei das Getriebe über eine Drehfestverbindung mit der ersten Lenkspindel verbunden ist. Dies kann eine noch kompaktere Bauweise des Handkraftaktuators ermöglichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Elektromotor mindestens zwei Motorwellen aufweist, die insbesondere koaxial und bevorzugt drehfest zueinander angeordnet sind. Somit kann beispielsweise Motorwellenmaterial eingespart werden, sofern vorgesehen ist, dass sich die Motorwellen durch die sich senkrecht zur Längsachse gegenüberliegenden Stirnwände des Elektromotors erstrecken.
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Die Erfindung betrifft auch einen Winkelsensorsystem für einen Handkraftaktuator mit mindestens einem der vorhergehenden Merkmale, gekennzeichnet durch die Merkmale des Winkelsensorsystems nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
- 1: eine schematische Schnittansicht eines Handkraftaktuators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Handkraftaktuators 10 mit einer Längsachse L für ein Fahrzeug.
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Der bevorzugt ausgebildeter Handkraftaktuator 10 umfasst somit eine äußere Gehäuseanordnung 12 zur schwenkbaren Lagerung an dem Fahrzeug über eine Anbindungsanordnung 14,
einen Elektromotor 16 mit mindestens einer sich entlang der Längsachse L erstreckenden Motorwelle 17, 17a, wobei der Elektromotor 16 entlang der Längsachse L an einem Ende der Gehäuseanordnung 12 drehfest an der Gehäuseanordnung 12 angeordnet ist,
eine erste Lenkspindel 18 zur Kopplung mit einer zweiten Lenkspindel 20, wobei die erste Lenkspindel 18 um die Längsachse L drehbar in der Gehäuseanordnung 12 gelagert ist,
ein erstes Lager 22 zur drehbaren Lagerung der ersten Lenkspindel 18 in der Gehäuseanordnung 12,
eine zweite Lenkspindel 20 zur Kopplung mit einem Lenkrad,
wobei die zweite Lenkspindel 20 zur ersten Lenkspindel 18 entlang der Längsachse L axial verschieblich ist,
wobei die zweite Lenkspindel 20 und die erste Lenkspindel 18 zur Drehmomentübertragung mit einer Verbindungskonfiguration 24 miteinander verbunden sind,
eine Führungshülse 26 zur Führung der zweiten Lenkspindel 16,
ein zweites Lager 28 zur drehbaren Lagerung der zweiten Lenkspindel 20 in der Führungshülse 26,
wobei die zweite Lenkspindel 20 entlang der Längsachse L axial unverschieblich und mit mindestens dem zweiten Lager 28 drehbar gelagert innerhalb der Führungshülse 26 angeordnet ist,
wobei die Führungshülse 26 entlang der Längsachse L axial verschieblich innerhalb der Gehäuseanordnung 12 angeordnet ist,
ein Winkelsensorsystem 30 zur Detektion einer Motorwellendrehung,
wobei das Winkelsensorsystem 30 derart am Elektromotor 16 angeordnet ist, dass die Motorwellendrehung unmittelbar an der mindestens einen Motorwelle 17, 17a detektiert wird.
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Bevorzugt ist somit ein in den Elektromotor 16 integriertes Winkelsensorsystem 30, das als Absolutwertgeber ausgebildet ist. Der Absolutwertgeber kann zur Kommutierung des Elektromotors 16 verwendet werden und für die Regelung beziehungsweise Drehwinkelerfassung einer Lenkradposition des Handkraftaktuators.
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Das Lenkrad ist zur Drehungsübertragung zumindest mittelbar über ein Gestänge, beziehungsweise über die erste und/oder zweite Lenkspindel 18, 20, und/oder über ein Getriebe 38 mit dem Elektromotor 16 beziehungsweise dessen Motorwelle 17, 17a verbunden. Somit kann ein Zusammenhang zwischen der Elektromotorumdrehung und der Drehung des Lenkrades hergestellt werden. Insbesondere ist das Winkelsensorsystem 30 ein Multiturn-Drehgeber. Somit können gegenüber einem einfachen Rotorlagegeber über 360° einer Lenkraddrehung detektiert werden.
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Der aus Ausführungsbeispiel in der 1 dargestellte Handkraftaktuator 10 verfügt über eine Gehäuseanordnung 12, die über eine Anbindungsanordnung 14 schwenkbar am Fahrzeug gelagert ist. An einem Ende der Gehäuseanordnung 12 ist der Elektromotor 16 des Handkraftaktuators 10 drehfest angebunden. Der Handkraftaktuator 10 ist direkt oder mittelbar über ein optionales Getriebe 38 mit der ersten Lenkspindel 18 drehfest verbunden. Das Getriebe 38 ist über eine Drehfestverbindung 40 mit der ersten Lenkspindel 18 verbunden. Die erste Lenkspindel 18 ist in der Gehäuseanordnung 12 über mindestens ein erstes Lager 22 um die Längsachse L drehbar, allerdings entlang der Längsachse L axial unverschieblich gelagert.
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Weiterhin ist die erste Lenkspindel 18 über Formelemente, insbesondere über ein Zahnprofil, zumindest am vom Elektromotor 16 entfernten Ende mit der zweiten Lenkspindel 20 über korrespondierende Formelemente verbunden.
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Die zweite Lenkspindel 20 ist ein zweites Lager 28 und ein drittes Lager 42 in der Führungshülse 26 um die Längsachse L drehbar und entlang der Längsachse L axial unverschieblich gelagert. Die Führungshülse 26 ist über eine Gleitführung 44 in der Gehäuseanordnung 12 entlang der Längsachse L verschieblich angeordnet und über eine Verdrehsicherung gegen Verdrehen in der Gehäuseanordnung 12 gesichert.
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Über einen Stellmotor 46 mit Spindeltrieb 48 kann die Führungshülse 26 entlang der Längsachse L verstellt werden.
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Der Elektromotor 16 umfasst das mit der Motorwelle 17, 17a des Elektromotors 16 verbundene Winkelsensorsystem 30. Das Winkelsensorsystem 30 erfasst die rotative Lage der Motorwelle 17, 17a und somit auch die Lage der zweiten Lenkspindel 20 beziehungsweise des Lenkrads.
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Das Winkelsensorsystem 30 ist besonders bevorzugt als Absolutwertgeber ausgeführt. Weiterhin bevorzugt ist das als Absolutwertgeber ausgebildete Winkelsensorsystem 30 zudem als Multiturn-Drehgeber ausgeführt, wodurch nicht nur die Position in einer Umdrehung detektierbar ist, sondern der Drehwinkel zusätzlich einer bestimmten Umdrehung zugeordnet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Handkraftaktuator
- 12
- Gehäuseanordnung
- 14
- Anbindungsanordnung
- 16
- Elektromotor
- 17
- Motorwelle
- 17a
- Überstand der Motorwelle
- 18
- Erste Lenkspindel
- 20
- Zweite Lenkspindel
- 22
- Erstes Lager
- 24
- Verbindungskonfiguration
- 26
- Führungshülse
- 28
- Zweites Lager
- 30
- Winkelsensorsystem
- 32
- Stirnseite des Elektromotors
- 34
- Detektionseinheit
- 36
- Zieleinheit
- 38
- Getriebe
- 40
- Drehfestverbindung
- 42
- Drittes Lager
- 44
- Gleitführung
- 46
- Stellmotor
- 48
- Spindeltrieb
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008036730 A1 [0005]
- DE 102018000621 A1 [0006]
