DE102019109886A1 - Manual force actuator with a sensor system for torque detection - Google Patents

Manual force actuator with a sensor system for torque detection Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Handkraftaktuator (10) mit einer Längsachse (L) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend eine äußere Gehäuseanordnung (12), einen Elektromotor (14), wobei der Elektromotor (14) entlang der Längsachse (L) an einem Ende der Gehäuseanordnung (12) drehfest an der Gehäuseanordnung (12) angeordnet ist, mindestens eine Lenkspindel (16) zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads (18), wobei die Lenkspindel (16) um die Längsachse (L) drehbar in der Gehäuseanordnung (12) gelagert ist, und wobei die Lenkspindel (16) zur Übertragung eines Drehmoments (D) zumindest mittelbar mit dem Elektromotor (14) verbunden ist, mindestens ein Lager (20) zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel (16) in der Gehäuseanordnung (12), wobei der Handkraftaktuator (10) ein Sensorsystem (22) zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel (16) aufweist.

Figure DE102019109886A1_0000
The invention relates to a manual force actuator (10) with a longitudinal axis (L) for a steer-by-wire steering system of a vehicle, having an outer housing arrangement (12), an electric motor (14), the electric motor (14) along the longitudinal axis ( L) at one end of the housing arrangement (12) is arranged non-rotatably on the housing arrangement (12), at least one steering spindle (16) for absorbing a steering torque of a steering wheel (18), the steering spindle (16) being rotatable about the longitudinal axis (L) in the housing arrangement (12) is mounted, and wherein the steering spindle (16) for transmitting a torque (D) is at least indirectly connected to the electric motor (14), at least one bearing (20) for rotatably supporting the steering spindle (16) in the housing arrangement (12), wherein the manual force actuator (10) has a sensor system (22) for torque detection on the steering spindle (16) designed as a sensor carrier.
Figure DE102019109886A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Handkraftaktuators mit einer Längsachse für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1.The invention relates to a manual force actuator with a longitudinal axis for a steer-by-wire steering system of a vehicle according to claim 1.

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 Lenkspindel 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.Steer-by-wire steering systems for motor vehicles receive manual steering commands from the driver, like conventional mechanical steering systems, by turning a steering wheel of an input unit. This causes the rotation of a steering spindle which, however, is not mechanically connected to the wheels to be steered via the steering gear, but rather interacts with angle of rotation or torque sensors that detect the steering command and output a determined electrical control signal to a steering actuator that is an electric actuator sets a corresponding steering angle of the wheels.

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.With steer-by-wire steering systems, the driver does not receive any direct physical feedback from the steered wheels via the steering line, which in conventional mechanically coupled steering systems is a reaction or restoring torque depending on the condition of the road surface, the vehicle speed, the current steering angle and other operating conditions reported back to the steering wheel. The lack of haptic feedback makes it difficult for the driver to safely grasp current driving situations and to carry out appropriate steering maneuvers, which impairs vehicle steerability and thus driving safety.

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 durch ein entsprechend von einem Elektromotor generiertes Drehmoment zu bilden. Hierzu umfasst der Handkraftaktuator einen als Handmoment- oder Lenkradsteller dienenden Stellantrieb. In order to generate a realistic driving experience, it is known in the prior art to record parameters such as vehicle speed, steering angle, steering reaction torque and the like from an actual current driving situation or to calculate them in a simulation, and from these with a manual force actuator through a feedback signal to form corresponding torque generated by an electric motor. For this purpose, the manual force actuator comprises an actuating drive serving as a manual torque or steering wheel actuator.

Somit wird abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment beziehungsweise Drehmoment über die Lenkspindel in das Lenkrad eingekoppelt. 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.Thus, depending on the feedback signal, a restoring torque or torque corresponding to the real reaction torque is coupled into the steering wheel via the steering spindle. Such systems, also known as “force feedback” systems, give the driver the impression of a real driving situation as with conventional steering, which facilitates an intuitive reaction.

Allgemein bekannt sind Steer-by-wire-Lenksysteme, beispielsweise jeweils mit einer Eingabeeinheit, die eine von einem Elektromotor angetriebenen Handkraftaktuator mit einer Gehäuseanordnung 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 Lenkspindel gekuppelt, somit ist das Motordrehmoment identisch mit dem in die Lenkspindel 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 Lenkspindel verbunden.Steer-by-wire steering systems are generally known, for example each with an input unit which has a manual force actuator driven by an electric motor with a housing arrangement. The electric motor can be controlled by an electronic control unit that adjusts the motor current as a function of measured values that characterize the respective driving situation. The motor shaft is coupled directly to the steering spindle, so the motor torque is identical to the manual torque coupled into the steering spindle. The motor unit is flanged axially to the casing unit with respect to the longitudinal axis and the motor shaft is connected to the steering spindle mounted in the casing unit via a coupling.

Ein wesentlicher Parameter zur Steuerung des Handkraftaktuators ist neben fahrsituativen Parametern auch ein Lenkmoment, welches durch ein Lenkrad oder einen Fahrer erzeugt wird. Die Intensität des Lenkmoments wird im Lenkungsstrang detektiert und an eine Steuerelektronik und den Elektromotor zur Beaufschlagung der Lenkspindel mit einem Lenkwiderstand übertragen. Um einen möglichst realistischen Lenkwiderstand durch ein Drehmoment zu erzeugen ist es erforderlich, das Lenkmoment sowie das vom Elektromotor gegenwirkende Drehmoment möglichst genau zu detektieren, um dem Fahrer ein ausgewogenes Lenkgefühl zu vermitteln.An essential parameter for controlling the manual force actuator is, in addition to parameters related to the driving situation, a steering torque that is generated by a steering wheel or a driver. The intensity of the steering torque is detected in the steering train and transmitted to control electronics and the electric motor for applying a steering resistance to the steering spindle. In order to generate the most realistic possible steering resistance by means of a torque, it is necessary to detect the steering torque and the torque counteracting by the electric motor as precisely as possible in order to give the driver a balanced steering feel.

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 Drehmomentdetektion einer Lenkspindel für einen realistischen Lenkwiderstand ermöglicht.The task of the current development is to develop a manual force actuator for a steer-by-wire steering system that has a compact design and enables inexpensive and reliable torque detection of a steering spindle for a realistic steering resistance.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Handkraftaktuator mit einer Längsachse für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Sensorsystem 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. Die Erfindung betrifft somit einen Handkraftaktuator mit einer Längsachse für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend
eine äußere Gehäuseanordnung,
einen Elektromotor, wobei der Elektromotor entlang der Längsachse an einem Ende der Gehäuseanordnung drehfest an der Gehäuseanordnung angeordnet ist, mindestens eine Lenkspindel zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads, wobei die Lenkspindel um die Längsachse drehbar in der Gehäuseanordnung gelagert ist, und wobei die Lenkspindel zur Übertragung eines Drehmoments zumindest mittelbar mit dem Elektromotor verbunden ist,
mindestens ein Lager zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel in der Gehäuseanordnung,
wobei der Handkraftaktuator ein Sensorsystem zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel aufweist.
The object is achieved according to the invention by a manual force actuator with a longitudinal axis for a steer-by-wire steering system of a vehicle with the features of claim 1 and a sensor system for a manual force actuator with the features of claim 10. Preferred embodiments of the invention are set out in the dependent claims and the following description, each of which can represent an aspect of the invention individually or in combination. The invention thus relates to a manual force actuator with a longitudinal axis for a steer-by-wire steering system of a vehicle
an outer housing assembly,
an electric motor, wherein the electric motor is arranged non-rotatably on the housing arrangement along the longitudinal axis at one end of the housing arrangement, at least one steering spindle for receiving a steering torque of a steering wheel, wherein the steering spindle is rotatably mounted about the longitudinal axis in the housing arrangement, and the steering spindle for transmission a torque is at least indirectly connected to the electric motor,
at least one bearing for the rotatable mounting of the steering spindle in the housing arrangement,
wherein the manual force actuator has a sensor system for torque detection on the steering spindle designed as a sensor carrier.

Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß insbesondere durch ein vorteilhaft angeordnetes Sensorsystem gelöst. Es hat sich herausgestellt, dass ein an der Lenkspindel angeordnetes Sensorsystem möglichst genaue Detektionswerte ermöglicht. Dies liegt unter anderem daran, dass durch die unmittelbare Anordnung des Sensorsystems an der Lenkspindel der Einfluss von weiteren Störgrößen weitestgehend vermieden wird. Um das Detektionsergebnis zu optimieren kann vorgesehen sein, dass unterschiedliche Detektionsmethoden miteinander kombiniert werden. Abhängig von der Detektionsmethode kann allerdings auch bereits eine einzige für ein zuverlässiges Detektionsergebnis ausreichend sein. Insbesondere wird durch die Nutzung des Raums um die wesentlich vorhandene Lenkspindel der benötigte Bauraum optimiert.The object is thus achieved according to the invention in particular by an advantageously arranged sensor system. It has been found that a sensor system arranged on the steering spindle enables detection values that are as accurate as possible. One of the reasons for this is that the direct arrangement of the sensor system on the steering spindle largely avoids the influence of further disturbance variables. In order to optimize the detection result, it can be provided that different detection methods are combined with one another. Depending on the detection method, a single one can be sufficient for a reliable detection result. In particular, the space required is optimized by using the space around the steering spindle, which is essentially present.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem Mittel zur Drehmomentdetektion mittels optischer Detektion aufweist. Eine optische Detektion hat den Vorteil, dass sie eine berührungslose und somit verschleißarme Detektion ermöglicht. Die einzelnen Komponenten des Sensorsystems müssen somit nicht nach einer bestimmten Nutzungsdauer verschleißbedingt durch neue Komponenten ersetzt werden.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the sensor system has means for torque detection by means of optical detection. Optical detection has the advantage that it enables contactless and therefore low-wear detection. The individual components of the sensor system therefore do not have to be replaced by new components after a certain period of use due to wear.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Mittel zur optischen Detektion eine an der Lenkspindel angeordnete Kodierung, einen optischen Sensor zur Detektion der Kodierung und eine Recheneinheit umfassen. Das Drehmoment kann detektiert werden durch eine, insbesondere elastische, Verformung der Lenkspindel, die infolge der um die Längsachse beaufschlagten Torsion erfolgt. Die Recheneinheit kann durch die detektierte Verdrehung beziehungsweise Verformung das Drehmoment entsprechend herleiten.
According to a preferred embodiment of the invention it is provided that
the means for optical detection comprise a coding arranged on the steering spindle, an optical sensor for detecting the coding and a computing unit. The torque can be detected by a, in particular elastic, deformation of the steering spindle, which takes place as a result of the torsion applied about the longitudinal axis. The computing unit can derive the torque accordingly from the detected rotation or deformation.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Kodierung eine ein- oder mehrspurige Kodierung ist, wobei sich die Kodierung insbesondere umfangsgemäß zur Längsspindel erstreckt. Eine insbesondere mehrspurige Kodierung ermöglicht möglichst genaue und somit zuverlässige Messergebnisse.
According to a preferred embodiment of the invention it is provided that
the coding is a single-track or multi-track coding, the coding extending in particular around the circumference of the longitudinal spindle. A particularly multi-track coding enables the most accurate and therefore reliable measurement results possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorsystem zur Detektion des Lenkmoments mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei Dehnungsmesstreifen aufweist, der beziehungsweise die auf einer Außenfläche der Linkspindel angeordnet ist beziehungsweise sind. Ein Drehmoment an der Lenkspindel führt zu einer Verformung derselben und somit auch an der Messbrücke mit dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen. Somit erfolgt eine Spannungsändern in der Messbrücke, sodass das Drehmoment darauf basierend detektiert werden kann. Dehnungsmessstreifen haben den Vorteil, dass sie robust und genau sind. Die Montage erfolgt mit einem überschaubaren Aufwand und die Komponenten sind leicht erhältlich.
According to a preferred embodiment of the invention it is provided that claims, characterized in that
the sensor system for detecting the steering torque has at least one, preferably at least two strain gauges, which is or are arranged on an outer surface of the left-hand spindle. A torque on the steering spindle leads to a deformation of the same and thus also of the measuring bridge with the at least one strain gauge. The voltage in the measuring bridge thus changes so that the torque can be detected based on it. Strain gauges have the advantage of being robust and accurate. The assembly is done with a manageable effort and the components are easily available.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Sensorsystem Mittel zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion aufweist. Eine magnetostriktiven Drehmomentdetektion hat den Vorteil, dass sie eine berührungslose und somit verschleißarme Detektion ermöglicht. Die einzelnen Komponenten des Sensorsystems müssen somit nicht nach einer bestimmten Nutzungsdauer verschleißbedingt durch neue Komponenten ersetzt werden. Diese Lösung basiert somit auf dem Gedanken, das Prinzip der inversen Magnetostriktion zur Drehmomenterfassung zu verwenden, und zwar derart, dass die Lenkspindel als Sensorträger konzipiert und als Primärsensor fungiert.
According to a preferred embodiment of the invention it is provided that
the sensor system has means for magnetostrictive torque detection. Magnetostrictive torque detection has the advantage that it enables contactless and therefore low-wear detection. The individual components of the sensor system therefore do not have to be replaced by new components after a certain period of use due to wear. This solution is based on the idea of using the principle of inverse magnetostriction for torque detection in such a way that the steering spindle is designed as a sensor carrier and functions as a primary sensor.

Unter Magnetostriktion versteht man bekanntlich die elastische Verformung der Molekularstruktur ferromagnetischer Materialien. Die mikromechanische Verformung findet bei einer Änderung der Magnetisierung statt. Daher ändert sich die Länge eines Körpers ändert unter Einfluss eines äußeren Magnetfeldes.As is well known, magnetostriction is the elastic deformation of the molecular structure of ferromagnetic materials. The micromechanical deformation takes place when the magnetization changes. Therefore, the length of a body changes under the influence of an external magnetic field.

Die Verwendung von Mitteln zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion als Sensorsystem hat den Vorteil, dass diese robust und langlebig sind. Dabei weisen sie einen einfachen Aufbau auf und sind berührungslos und somit wartungsfrei.The use of means for magnetostrictive torque detection as a sensor system has the advantage that they are robust and durable. They have a simple structure and are non-contact and therefore maintenance-free.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Handkraftaktuator einen die Lenkspindel umfangsgemäß umschließenden Ringkörper mit mindestens einer Magnetspur und einen Hohlzylinderkörper mit mindestens einem Magnetsensor derart aufweist, dass der Ringkörper und der Hohlzylinderkörper derart koaxial zueinander ausgebildet sind, dass im Falle einer Torsion der Lenkspindel um die Längsachse der mindestens eine Magnetsensor das auf die Längsachse wirkende Drehmoment über die mindestens eine Magnetspur detektiert. Es hat sich herausgestellt, dass diese Anordnung eine kompakte Bauweise und gleichzeitig eine zuverlässige Detektion des Drehmoments ermöglicht.
According to a preferred embodiment of the invention it is provided that
the manual power actuator has an annular body that surrounds the steering spindle circumferentially with at least one magnetic track and a hollow cylinder body with at least one magnetic sensor in such a way that the annular body and the hollow cylinder body are designed coaxially to one another that in the event of a torsion of the steering spindle about the longitudinal axis of the at least one magnetic sensor the torque acting on the longitudinal axis is detected via the at least one magnetic track. It has been found that this arrangement enables a compact design and, at the same time, reliable detection of the torque.

Der Ringkörper kann beispielsweise eine Vielzahl von derart aufeinander angeordneten Mangetkörpern aufweisen, dass der Ringkörper keine wesentliches Magnetfeld emittiert. In diesem beispielhaften Fall gilt der Ringkörper als geschlossener Ringkörper.The ring body can, for example, have a plurality of magnetic bodies arranged one on top of the other in such a way that the ring body has none emits substantial magnetic field. In this exemplary case, the ring body is considered a closed ring body.

Der Hohlzylinderkörper kann ein Mantel sein, der sich über eine wesentliche Länge der Lenkspindel entlang der Längsachse erstreckt. Somit kann der Hohlzylinderkörper als Schutzmantel und als Haltevorrichtung für die mindestens eine Magnetspur dienen.The hollow cylinder body can be a jacket which extends over a substantial length of the steering spindle along the longitudinal axis. The hollow cylinder body can thus serve as a protective jacket and as a holding device for the at least one magnetic track.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Ringkörper zwei Magnetspuren mit zwei gegenläufigen Magnetfeldern aufweist, und dass der Hohlzylinderkörper zwei Magnetsensoren aufweist, wobei die beiden Magnetspuren und die beiden Magnetsensoren derart entlang der Längsachse aufeinander folgend angeordnet sind, dass jeweils ein Magnetsensor zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion einer Magnetspur zugeordnet ist. Zur Drehmomentdetektion wird somit der Effekt der inversen Magnetostriktion genutzt. Der Effekt basiert auf zwei auf die Lenkspindel aufgebrachten und gegenläufig kodierten Magnetspuren als Primärsensoren, deren Magnetfeldänderungen von Sekundärsensoren berührungslos abgegriffen wird. Die gegenläufige Kodierung der Magnetspuren ermöglicht eine genaue Messung auch unter Einfluss externer Magnetfelder. Die zwei Magnetfelder sind gegenläufig kodiert, um einen Versatzwert durch das Erdmagnetfeld zu detektieren. Wenn somit die erste Magnetspur im nichtbelasteten Zustand der Lenkspindel einen positiven Wert durch den zugewiesenen Magnetsensor ergibt und die zweite Magnetspur im nichtbelasteten Zustand der Lenkspindel einen negativen Wert durch den zugewiesenen Magnetsensor ergibt, wobei der Betrag dieser Werte derselbe ist, so entspricht dieser Betrag dem Versatzwert des Erdmagnetfelds, der nunmehr auskalibriert werden kann.
According to a preferred embodiment of the invention it is provided that
the ring body has two magnetic tracks with two opposing magnetic fields, and that the hollow cylinder body has two magnetic sensors, the two magnetic tracks and the two magnetic sensors being arranged one after the other along the longitudinal axis in such a way that a magnetic sensor for magnetostrictive torque detection is assigned to a magnetic track. The effect of inverse magnetostriction is thus used for torque detection. The effect is based on two oppositely coded magnetic tracks applied to the steering spindle as primary sensors, whose magnetic field changes are tapped without contact by secondary sensors. The opposing coding of the magnetic tracks enables precise measurement even under the influence of external magnetic fields. The two magnetic fields are coded in opposite directions in order to detect an offset value due to the earth's magnetic field. Thus, if the first magnetic track in the unloaded state of the steering spindle gives a positive value by the assigned magnetic sensor and the second magnetic track in the unloaded state of the steering spindle gives a negative value by the assigned magnetic sensor, the amount of these values being the same, this amount corresponds to the offset value of the earth's magnetic field, which can now be calibrated out.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Ringkörper direkt oder indirekt untrennbar mit der Lenkspindel verbunden ist. Damit ist eine magnetische Kodierung integraler Bestandteil der Lenkspindel, sodass die Lenkspindel die Funktion eines Primärsensors aufweist. Eine vorhandene Komponente, nämlich die Lenkspindel, wird ohne wesentlichen Materialaufwand und ohne Zusatzelemente zum Primärsensor. Dies spart Kosten und Bauraum.
According to a preferred embodiment of the invention it is provided that
the ring body is directly or indirectly inseparably connected to the steering spindle. Magnetic coding is therefore an integral part of the steering spindle, so that the steering spindle functions as a primary sensor. An existing component, namely the steering spindle, becomes a primary sensor without significant material expenditure and without additional elements. This saves costs and installation space.

Die Erfindung betrifft auch einen Sensorsystem für einen Handkraftaktuator mit mindestens einem der vorhergehenden Merkmale, gekennzeichnet durch die Merkmale des Sensorsystems nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.The invention also relates to a sensor system for a manual force actuator with at least one of the preceding features, characterized by the features of the sensor system according to at least one of the preceding claims.

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 beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung,
  • 2: eine schematische Seitenansicht einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach 1 mit Mitteln zur optischen Drehmomentdetektion als erste Ausführungsform eines Sensorsystems,
  • 3: zwei schematische Seitenansichten einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach 1 mit einem Dehnungsmessstreifen zur Drehmomentdetektion, jeweils im entspannten und im belasteten Zustand, als zweite Ausführungsform eines Sensorsystems,
  • 4: eine schematische Seitenansicht einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach 1 mit Mitteln zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion, als dritte Ausführungsform eines Sensorsystems, und
  • 5: zwei schematische Frontansichten auf eine Stirnseite einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach 1 und 4 mit den Mitteln zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion, jeweils im entspannten und im belasteten Zustand.
In the following, the invention is explained by way of example with reference to the attached drawings using a preferred exemplary embodiment, the features shown below being able to represent an aspect of the invention both individually and in combination. It shows:
  • 1 : a schematic sectional view of a manual force actuator according to an exemplary embodiment of the invention,
  • 2 : a schematic side view of a steering spindle of the manual power actuator according to 1 with means for optical torque detection as the first embodiment of a sensor system,
  • 3 : two schematic side views of a steering spindle of the manual force actuator according to 1 with a strain gauge for torque detection, in each case in the relaxed and in the loaded state, as a second embodiment of a sensor system,
  • 4th : a schematic side view of a steering spindle of the manual power actuator according to 1 with means for magnetostrictive torque detection, as a third embodiment of a sensor system, and
  • 5 : two schematic front views of one end face of a steering spindle of the manual force actuator 1 and 4th with the means for magnetostrictive torque detection, in each case in the relaxed and in the loaded state.

Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Handkraftaktuators 10 mit einer Längsachse L für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend eine äußere Gehäuseanordnung 12,
einen Elektromotor 14, wobei der Elektromotor 14 entlang der Längsachse L an einem Ende der Gehäuseanordnung 12 drehfest an der Gehäuseanordnung 12 angeordnet ist,
mindestens eine Lenkspindel 16 zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads 18, wobei die Lenkspindel 16 um die Längsachse L drehbar in der Gehäuseanordnung 12 gelagert ist, und wobei die Lenkspindel 16 zur Übertragung eines Drehmoments D zumindest mittelbar mit dem Elektromotor 14 verbunden ist,
mindestens ein Lager 20 zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel 16 in der Gehäuseanordnung 12,
wobei der Handkraftaktuator 10 ein Sensorsystem 22 zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel 16 aufweist.
The 1 shows a preferred embodiment of a manual force actuator 10 with a longitudinal axis L. for a steer-by-wire steering system of a vehicle, comprising an outer housing arrangement 12 ,
an electric motor 14th , the electric motor 14th along the longitudinal axis L. at one end of the housing assembly 12 non-rotatably on the housing assembly 12 is arranged
at least one steering spindle 16 for receiving a steering torque of a steering wheel 18th , with the steering shaft 16 around the longitudinal axis L. rotatable in the housing assembly 12 is mounted, and wherein the steering shaft 16 for transmitting a torque D. at least indirectly with the electric motor 14th connected is,
at least one warehouse 20th for the rotatable mounting of the steering spindle 16 in the housing arrangement 12 ,
being the hand force actuator 10 a sensor system 22nd for torque detection on the steering spindle designed as a sensor carrier 16 having.

Ein umfassenderer, beispielhafter Aufbau des Handkraftaktuators 10 weist für eine Lenkung mittels Direktantrieb gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung somit auf:

  • die beispielsweise modular aufgebaute Gehäuseanordnung 12, umfassend insbesondere folgende Komponenten
  • den Elektromotor 14 zum aktiven Stellen eines definierten Lenkwiderstands, beispielsweise von etwa zehn Newtonmeter,
  • die mindestens eine Lenkspindel 16 zur Drehmomentaufnahme des Lenkrads 18,
  • das Lager 20 zur Lagerung der Lenkspindel 16,
  • das Sensorsystem 22, das an der Lenkspindel 16 angeordnet ist,
  • ein Winkelsensor 24 zur Rotorlangenermittlung für eine Regelung des Handkraftaktuators 10,
  • eine Sperre 26 für Systemausfall und Zusatzfunktionen, die ein aktives Stellmoment als der Lenkwiderstand erfordern,
  • ein Reibelement 28 zur Erzeugung einer Grundreibung im System, zur Vermeidung einer synthetischen Haptik.
A more comprehensive, exemplary structure of the manual force actuator 10 thus has for a steering by means of direct drive according to a preferred embodiment of the invention:
  • the modular housing arrangement, for example 12 , comprising in particular the following components
  • the electric motor 14th for actively setting a defined steering resistance, for example about ten newton meters,
  • the at least one steering shaft 16 to absorb the torque of the steering wheel 18th ,
  • the warehouse 20th for mounting the steering spindle 16 ,
  • the sensor system 22nd that on the steering shaft 16 is arranged
  • an angle sensor 24 for determining the rotor length for regulating the manual force actuator 10 ,
  • a lock 26th for system failure and additional functions that require an active control torque as the steering resistance,
  • a friction element 28 to generate a basic friction in the system, to avoid synthetic haptics.

Die dargestellte Gehäuseanordnung 12 umfasst wie in 1 exemplarisch dargestellt zwei Gehäusemodule. Ausreichend kann allerdings auch ein einziger Gehäusekörper sein.The housing arrangement shown 12 includes as in 1 two housing modules shown as an example. However, a single housing body can also be sufficient.

2 zeigt eine erste Ausführungsform des Sensorsystems 22, wobei das Sensorsystem 22 Mittel zur Drehmomentdetektion mittels optischer Detektion aufweist. 2 shows a first embodiment of the sensor system 22nd , the sensor system 22nd Has means for torque detection by means of optical detection.

Nach 2 ist beispielhaft vorgesehen, dass die Mittel zur optischen Drehmomentdetektion eine an der Lenkspindel 16 angeordnete Kodierung 30, einen optischen Sensor 32 zur Detektion der Kodierung 30 und eine Recheneinheit 34 umfassen.To 2 it is provided, for example, that the means for optical torque detection are one on the steering spindle 16 arranged coding 30th , an optical sensor 32 for detection of the coding 30th and a computing unit 34 include.

Nach 2 ist weiterhin beispielhaft vorgesehen, dass die Kodierung 30 eine zweispurige Kodierung ist, wobei sich die Kodierung 30 insbesondere umfangsgemäß zur Längsspindel 16 erstreckt.To 2 it is also provided that the coding 30th is a two-lane coding, the coding being 30th especially circumferentially to the longitudinal spindle 16 extends.

3, aufgeteilt in 3a und 3b, zeigt eine zweite Ausführungsform des Sensorsystems 22, wobei das Sensorsystem 22 zur Detektion des Lenkmoments mindestens einen Dehnungsmesstreifen aufweist, der auf einer Außenfläche der Linkspindel 16 angeordnet ist. 3 , divided in 3a and 3b , shows a second embodiment of the sensor system 22nd , the sensor system 22nd has at least one strain gauge for detecting the steering torque, which is located on an outer surface of the left-hand spindle 16 is arranged.

3a zeigt den Dehnungsmessstreifen mit einer Dehnung im Ruhezustand S1. 3b zeigt den Dehnungsmessstreifen mit einer Dehnung im Belastungszustand S2, also wenn die Lenkspindel 16 mit einem belastenden Drehmoment D beaufschlagt wird. 3a shows the strain gauge with a stretch at rest S1 . 3b shows the strain gauge with a strain in the loaded state S2 , so if the steering shaft 16 with a stressful torque D. is applied.

4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Sensorsystems 22, wobei das Sensorsystem 22 Mittel zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion aufweist. 4th shows a third embodiment of the sensor system 22nd , the sensor system 22nd Has means for magnetostrictive torque detection.

Nach 4 ist beispielhaft vorgesehen, dass der Handkraftaktuator 10 einen die Lenkspindel 16 umfangsgemäß umschließenden Ringkörper 40 mit mindestens einer Magnetspur 36a, 36b und einen Hohlzylinderkörper 42 mit mindestens einem Magnetsensor 38a, 38b derart aufweist, dass der Ringkörper 40 und der Hohlzylinderkörper 42 derart koaxial zueinander ausgebildet sind, dass im Falle einer Torsion der Lenkspindel 16 um die Längsachse L der mindestens eine Magnetsensor 38a, 38b das auf die Längsachse L wirkende Drehmoment D über die mindestens eine Magnetspur 36a, 36b detektiert.To 4th is provided, for example, that the manual force actuator 10 one the steering shaft 16 circumferentially enclosing ring body 40 with at least one magnetic track 36a , 36b and a hollow cylindrical body 42 with at least one magnetic sensor 38a , 38b has such that the ring body 40 and the hollow cylinder body 42 are formed coaxially to one another in such a way that in the event of torsion of the steering spindle 16 around the longitudinal axis L. the at least one magnetic sensor 38a , 38b that on the longitudinal axis L. acting torque D. via the at least one magnetic track 36a , 36b detected.

Nach 4 ist weiterhin beispielhaft vorgesehen, dass der Ringkörper 40 zwei Magnetspuren 36a, 36b mit zwei gegenläufigen Magnetfeldern aufweist, und dass der Hohlzylinderkörper 42 zwei Magnetsensoren 38a, 38b aufweist,
wobei die beiden Magnetspuren 36a, 36b und die beiden Magnetsensoren 38a, 38b derart entlang der Längsachse L aufeinander folgend angeordnet sind, dass jeweils ein Magnetsensor 38a, 38b zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion einer Magnetspur 36a, 36b zugeordnet ist. 4 offenbart die Magnetspuren 36a, 36b des Ringkörpers 40 aus schematischen Gründen mit klaren Konturen, um die zwei gegenläufigen Magnetfelder zu verdeutlichen. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der Ringkörper mit den beiden Magnetspuren 36a, 36b einstückig ausgebildet ist.
To 4th it is also provided by way of example that the ring body 40 two magnetic tracks 36a , 36b with two opposing magnetic fields, and that the hollow cylindrical body 42 two magnetic sensors 38a , 38b having,
where the two magnetic tracks 36a , 36b and the two magnetic sensors 38a , 38b such along the longitudinal axis L. are arranged one after the other that each have a magnetic sensor 38a , 38b for magnetostrictive torque detection of a magnetic track 36a , 36b assigned. 4th reveals the magnetic tracks 36a , 36b of the ring body 40 for schematic reasons with clear contours to illustrate the two opposing magnetic fields. In particular, it is provided that the ring body with the two magnetic tracks 36a , 36b is formed in one piece.

Nach 4 ist weiterhin beispielhaft vorgesehen, dass der Ringkörper 40 indirekt untrennbar mit der Lenkspindel 16 verbunden ist. Beispielhafte Verbindungsmöglichkeiten sind Aufschrumpfen oder Schweißen, wobei die genaue Auswahl nicht weiter relevant ist.To 4th it is also provided by way of example that the ring body 40 indirectly inseparable from the steering shaft 16 connected is. Examples of connection options are shrink-fitting or welding, although the exact selection is not relevant.

5a zeigt eine Frontansicht auf eine Stirnseite der Lenkspindel 16 im Ruhezustand. Umfangsgemäß um die Lenkspindel 16 ist eine Magnetspur 36a als Bestandteil des Ringkörpers 40 angeordnet. Diese Magnetspur 36a umfasst beispielhaft eine Vielzahl von Elementarmagneten. Dies erzeugen einen geschlossenen Magnetring. Dies bedeutet, dass kein Magnetfeld vom Magnetsensor 38a detektiert werden kann. 5a shows a front view of an end face of the steering shaft 16 at rest. Circumferentially around the steering shaft 16 is a magnetic track 36a as part of the ring body 40 arranged. This magnetic track 36a includes, for example, a large number of elementary magnets. This creates a closed magnetic ring. This means that there is no magnetic field from the magnetic sensor 38a can be detected.

Das vom Magnetsensor 38a detektierbare Magnetfeld wird jedoch detektierbar, wie in 5b dargestellt, wenn die Lenkspindel 16 mit einem belastenden Drehmoment D beaufschlagt wird. Dies entspricht einem Belastungszustand der Lenkspindel 16. Exemplarisch führt die Drehmomentbeaufschlagung zu einer Verformung der Lenkspindel 16, aus der die veränderte Position der Elementarmagneten und somit eine Magnetfeldänderung resultiert. Diese Magnetfeldänderung wird durch den Magnetsensor 38a detektiert. Anschließend kann das Drehmoment bestimmt werden.That from the magnetic sensor 38a detectable magnetic field becomes detectable, however, as in 5b shown when the steering shaft 16 with a stressful torque D. is applied. This corresponds to a load condition on the steering shaft 16 . As an example, the application of torque leads to a deformation of the steering spindle 16 , from which the changed position of the elementary magnets and thus a change in the magnetic field results. This magnetic field change is caused by the magnetic sensor 38a detected. The torque can then be determined.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
HandkraftaktuatorManual force actuator
1212
GehäuseanordnungHousing arrangement
1414th
ElektromotorElectric motor
1616
LenkspindelSteering shaft
1818th
LenkradsSteering wheel
2020th
Lagerwarehouse
2222nd
SensorsystemSensor system
2424
WinkelsensorAngle sensor
2626th
SperreLock
2828
ReibelementFriction element
3030th
KodierungCoding
3232
Optischer SensorOptical sensor
3434
RecheneinheitArithmetic unit
36a36a
MagnetspurMagnetic track
36b36b
MagnetspurMagnetic track
38a38a
MagnetsensorMagnetic sensor
38b38b
MagnetsensorMagnetic sensor
4040
RingkörperRing body
4242
Hohlzylinderkörper Hollow cylinder body
LL.
LängsachseLongitudinal axis
DD.
DrehmomentTorque
S1S1
Dehnung im RuhezustandStretching at rest
S2S2
Dehnung im BelastungszustandElongation under load

Claims (10)

Handkraftaktuator (10) mit einer Längsachse (L) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend - eine äußere Gehäuseanordnung (12), - einen Elektromotor (14), wobei der Elektromotor (14) entlang der Längsachse (L) an einem Ende der Gehäuseanordnung (12) drehfest an der Gehäuseanordnung (12) angeordnet ist, - mindestens eine Lenkspindel (16) zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads (18), wobei die Lenkspindel (16) um die Längsachse (L) drehbar in der Gehäuseanordnung (12) gelagert ist, und wobei die Lenkspindel (16) zur Übertragung eines Drehmoments (D) zumindest mittelbar mit dem Elektromotor (14) verbunden ist, - mindestens ein Lager (20) zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel (16) in der Gehäuseanordnung (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Handkraftaktuator (10) ein Sensorsystem (22) zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel (16) aufweist.Manual force actuator (10) with a longitudinal axis (L) for a steer-by-wire steering system of a vehicle, comprising - an outer housing arrangement (12), - an electric motor (14), the electric motor (14) along the longitudinal axis (L) at one end of the housing arrangement (12) is arranged non-rotatably on the housing arrangement (12), - at least one steering spindle (16) for absorbing a steering torque of a steering wheel (18), the steering spindle (16) being rotatable about the longitudinal axis (L) in the Housing arrangement (12) is mounted, and wherein the steering spindle (16) for transmitting a torque (D) is at least indirectly connected to the electric motor (14), - at least one bearing (20) for rotatably supporting the steering spindle (16) in the housing arrangement (12), characterized in that the manual force actuator (10) has a sensor system (22) for torque detection on the steering spindle (16) designed as a sensor carrier. Handkraftaktuator (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (22) Mittel zur Drehmomentdetektion mittels optischer Detektion aufweist.Manual force actuator (10) Claim 1 , characterized in that the sensor system (22) has means for torque detection by means of optical detection. Handkraftaktuator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur optischen Drehmomentdetektion eine an der Lenkspindel (16) angeordnete Kodierung (30), einen optischen Sensor (32) zur Detektion der Kodierung (30) und eine Recheneinheit (34) umfassen.Manual force actuator (10) Claim 1 or 2 , characterized in that the means for optical torque detection comprise a coding (30) arranged on the steering spindle (16), an optical sensor (32) for detecting the coding (30) and a computing unit (34). Handkraftaktuator (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung (30) eine ein- oder mehrspurige Kodierung ist, wobei sich die Kodierung insbesondere umfangsgemäß zur Längsspindel (16) erstreckt.Manual force actuator (10) Claim 2 or 3 , characterized in that the coding (30) is a single-track or multi-track coding, the coding extending in particular around the circumference of the longitudinal spindle (16). Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (22) zur Detektion des Lenkmoments mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei Dehnungsmesstreifen aufweist, der beziehungsweise die auf einer Außenfläche der Linkspindel (16) angeordnet ist beziehungsweise sind.Manual force actuator (10) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor system (22) for detecting the steering torque has at least one, preferably at least two, strain gauges which is or are arranged on an outer surface of the left-hand spindle (16). Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (22) Mittel zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion aufweist.Manual force actuator (10) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the sensor system (22) has means for magnetostrictive torque detection. Handkraftaktuator (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Handkraftaktuator (10) einen die Lenkspindel (16) umfangsgemäß umschließenden Ringkörper (40) mit mindestens einer Magnetspur (36a, 36b) und einen Hohlzylinderkörper (42) mit mindestens einem Magnetsensor (38a, 38b) derart aufweist, dass der Ringkörper (40) und der Hohlzylinderkörper (42) derart koaxial zueinander ausgebildet sind, dass im Falle einer Torsion der Lenkspindel (16) um die Längsachse (L) der mindestens eine Magnetsensor (38a, 38b) das auf die Längsachse (L) wirkende Drehmoment (D) über die mindestens eine Magnetspur (36a, 36b) detektiert.Manual force actuator (10) according to the preceding claim, characterized in that the manual force actuator (10) has an annular body (40) which surrounds the steering spindle (16) and has at least one magnetic track (36a, 36b) and a hollow cylinder body (42) with at least one magnetic sensor ( 38a, 38b) in such a way that the ring body (40) and the hollow cylinder body (42) are formed coaxially to one another in such a way that in the event of a torsion of the steering spindle (16) about the longitudinal axis (L) the at least one magnetic sensor (38a, 38b) the torque (D) acting on the longitudinal axis (L) is detected via the at least one magnetic track (36a, 36b). Handkraftaktuator (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (40) zwei Magnetspuren (36a, 36b) mit zwei gegenläufigen Magnetfeldern aufweist, und dass der Hohlzylinderkörper (42) zwei Magnetsensoren (38a, 38b) aufweist, wobei die beiden Magnetspuren (36a, 36b) und die beiden Magnetsensoren (38a, 38b) derart entlang der Längsachse (L) aufeinander folgend angeordnet sind, dass jeweils ein Magnetsensor (38a, 38b) zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion einer Magnetspur (36a, 36b) zugeordnet ist.Manual force actuator (10) according to the preceding claim, characterized in that the ring body (40) has two magnetic tracks (36a, 36b) with two opposing magnetic fields, and that the hollow cylinder body (42) has two magnetic sensors (38a, 38b), the two magnetic tracks (36a, 36b) and the two magnetic sensors (38a, 38b) being arranged one after the other along the longitudinal axis (L) in such a way that one magnetic sensor (38a , 38b) for magnetostrictive torque detection is assigned to a magnetic track (36a, 36b). Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet 7 oder 8, dass der Ringkörper (40) direkt oder indirekt untrennbar mit der Lenkspindel (16) verbunden ist.Handkraftaktuator (10), characterized 7 or 8, that the ring body (40) is directly or indirectly connected inseparably to the steering spindle (16) to at least one of the claims. Sensorsystem (22) zur Drehmomentdetektion an einer als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel (16) für einen Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Merkmale des Sensorsystems (22) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.Sensor system (22) for torque detection on a steering spindle (16) designed as a sensor carrier for a manual force actuator (10) according to at least one of the preceding claims, characterized by the features of the sensor system (22) according to at least one of the preceding claims.
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