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Die Erfindung betrifft eine Feedback-Aktuator-Baugruppe für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen Lenkradaktuator mit einer derartigen Feedback-Aktuator-Baugruppe, ein Steer-by-wire-Lenksystem mit einem derartigen Lenkradaktuator und ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Steer-by-wire-Lenksystem.
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Unter einem Steer-by-wire-Lenksystem wird dabei ein System verstanden, bei dem ein Lenkbefehl von einem Sensor über ein Steuergerät ausschließlich elektrisch zu einem Stellmotor, der den Lenkbefehl umsetzt, weitergeleitet wird. Es besteht bei einem derartigen Steer-by-wire-Lenksystem keine mechanische Verbindung zwischen einem Lenkrad und gelenkten Rädern des Kraftfahrzeugs. Das Steer-by-wire-Lenksystem weist in der Regel zwei Aktuatoren auf. Der Lenkradaktuator übernimmt dabei die Aufgaben, den Lenkbefehl - ausgedrückt durch den Lenkradwinkel - mit einem Sensor zu messen und weiterhin über einen Stellmotor dem Fahrer eine zur Fahrsituation passende Drehmomentinformation zu geben. Der Achsaktuator nimmt den Lenkbefehl vom Lenkradaktuator auf und fährt über einen weiteren Stellmotor in die gewünschte Position.
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Im Normalbetrieb berechnet das Steuergerät des Lenkradaktuators, basierend auf diversen Eingangssignalen, ein zu stellendes Lenkradmoment, welches über den Stellmotor des Lenkradaktuators erzeugt wird. Dieses Lenkradmoment beinhaltet insbesondere eine Rückmeldung zum Fahrer über die jeweilige Fahrsituation und eine Dämpfung, um ungewollte und zu schnelle Lenkbewegungen zu verhindern und somit jederzeit eine sichere Fahrzeugkontrolle zu gewährleisten.
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Jedoch kann eine Unterbrechung einer kräfteübertragenden Verbindung, z.B. ein gerissener Riemen, dazu führen, dass keine Rückmeldung mehr für den Fahrer vorliegt. So kann dann das Lenkrad frei rotieren, was die Kontrollierbarkeit des Kraftfahrzeugs für einen Fahrer deutlich einschränkt. Zusätzlich ist die Komfortfunktion des Abstützens am Lenkrad zum Ein- und Ausstieg im Fahrzeug im Fehlerfall des Riemens nur noch sehr eingeschränkt verfügbar. Auch bei nicht angesteuertem Motor oder im Fall des Verlustes der Stromversorgung, wird das freie Drehen des Lenkrades eingeschränkt.
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Aus der
US 7 726 208 B2 ist eine Leerlaufstromdämpfung für eine Lenkung bekannt, während aus der
US 7 594 563 B2 ein Drehdämpfer bekannt ist. Ferner ist aus der
US 5 044 956 A ein Verfahren zur Simulation einer an einem Lenkrad angreifenden Kraft bekannt. Schließlich ist aus der
US 2003 / 0 230 448 A1 bekannt, im Fehlerfall den Stellmotor elektrisch partiell kurzzuschließen.
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Aus der
DE 10 2018 200 590 A1 ist ein Steer-by-wire-Lenksystem mit einer dem Steer-by-wire-Lenksystem zugeordneten Wirbelstrombremse bekannt.
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Aus der
DE 103 29 292 A1 ist eine Feedback-Aktuator-Baugruppe für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs bekannt, mit einem Stellmotor, einem Riemen und einer Riemenscheibe, wobei der Stellmotor über den Riemen kräfteübertragend mit der Riemenscheibe verbunden ist, wobei die Riemenscheibe kräfteübertragend mit einer Achse des Lenksystems verbindbar ist, die kräfteübertragend mit einem Lenkrad des Steer-by-wire-Lenksystems verbunden ist.
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Es besteht also insbesondere Bedarf daran, eine Feedback-Aktuator-Baugruppe für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit reduziertem Bauraumbedarf bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Feedback-Aktuator-Baugruppe für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Stellmotor, einem Riemen und einer Riemenscheibe, wobei der Stellmotor über den Riemen kräfteübertragend mit der Riemenscheibe verbunden ist, wobei die Riemenscheibe kräfteübertragend mit einer Achse des Lenksystems verbindbar ist, die kräfteübertragend mit einem Lenkrad des Steer-by-wire-Lenksystems verbunden ist, wobei in der Riemenscheibe eine magnetfelderzeugende Komponente oder eine Bremsscheibe einer Wirbelstrombremse integriert ist, wobei eine Mehrzahl von Permanentmagneten entlang eines Umfanges eines Magnetträgers der magnetfelderzeugenden Komponente angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Permanentmagneten entlang des Umfanges des Magnetträgers mit abwechselnder Polarität angeordnet sind, wobei ein Magnetfeldstärkesensor vorgesehen ist zum Erfassen von Magnetfeldern von der Mehrzahl von Permanentmagneten, wobei der Magnetfeldstärkesensor als ein weiterer Lenkwinkel-Sensor zum Erfassen einer Winkellage der Wirbelstrombremse durch Erfassen von Magnetfeldern der Permanentmagnete ausgebildet ist, und wobei ein erster Lenkwinkel-Sensor zur rfassung der Winkellage der Achse ausgebildet ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Dabei wird unter einer Wirbelstrombremse eine berührungslose und daher verschleißfreie Bremse verstanden, die durch Magnetfeldinduzierten elektrischen Wirbelstrom zur Erzeugung einer Bremskraft nutzt. Die Wirbelstrombremse zeigt die besten Wirkungsgrade bei Verwendung von Materialien für dir Metallscheibe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Kupfer und Aluminium. Die Bremswirkung der Wirbelstrombremse ist unter anderem Drehgeschwindigkeitsabhängig, es handelt sich also um eine Dämpfung. Bei geringen Drehgeschwindigkeiten ist das Bremsmoment geringer und höheren Drehgeschwindigkeiten entsprechend höher. So kann besonders einfach und zuverlässig ein sonst frei rotierendes Lenkrad abgebremst werden, was die Sicherheit bzw. die Kontrollierbarkeit im Fehlerfall des Lenkradaktuators und den Komfort beim Ein- und Aussteigen steigert.
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Das Lenkrad kann mit der Wirbelstrombremse direkt - ohne Zwischenschaltung von Riemen oder Getrieben - kräfteübertragend verbunden sein. So wird die Anzahl von Komponenten, die in Betrieb ausfallen könnten, minimiert, was die Sicherheit nochmals steigert. Alternativ kann ein Getriebe zwischen der Wirbelstrombremse und einer Achse kräfteübertragend vorgesehen sein, wobei das Lenkrad kräfteübertragend mit der Achse verbunden ist. So kann die Effizienz der Wirbelstrombremse durch z.B. eine Drehzahlheraufsetzung erhöht werden.
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Dadurch, dass in der Riemenscheibe eine magnetfelderzeugende Komponente oder eine Bremsscheibe einer Wirbelstrombremse integriert ist weist die Riemenscheibe einer Doppelfunktion auf. Sie ist somit zum einen Teil eines Lenkradaktuator, und zum anderen Teil der Wirbelstrombremse. Dies erlaubt eine besonders kompakte Ausführung der Feedback-Aktuator-Baugruppe, sodass diese besonders wenig Bauraum in Anspruch nimmt.
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Dadurch, dass eine Mehrzahl von Permanentmagneten entlang eines Umfanges eines Magnetträgers der magnetfelderzeugenden Komponente angeordnet, weist der Magnetträger eine im Wesentlichen scheiben- oder ringförmige Grundform auf und weist eine der Anzahl der Mehrzahl der Permanentmagnete entsprechende Anzahl von Aufnahmen für je einen der Permanentmagnete auf. So kann ein besonders einfacher Aufbau realisiert werden.
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Es können zumindest zwei Metallscheiben, in welchen der Wirbelstrom induziert wird, jeweils vor und hinter dem Magnetträger angeordnet sein, oder es sind mehrere Metallscheiben und mehrere Magnetträger in Reihe hintereinander vorgesehen. Dabei sind die zumindest zwei Bremsscheiben mit dem Magnetträger oder die Mehrzahl an Bremsscheiben und die Mehrzahl an Magnetträger in Erstreckungsrichtung der Achse hintereinander angeordnet. So kann die Effizienz nochmals gesteigert werden.
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Dadurch, dass die Mehrzahl von Permanentmagneten entlang des Umfanges des Magnetträgers mit abwechselnder Polarität angeordnet ist wechselt die Polarität von einem Magneten zum nächst benachbarten Magneten entlang der Umfangsrichtung. So kann die Packungsdichte der Permanentmagnete erhöht werden. Ferner kann durch Erfassen des Polaritätswechsels eine Drehpositionserfassung erleichtert werden bzw. genauer erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die magnetfelderzeugende Komponente mit der Achse kräfteübertragend verbunden und die Metallscheibe ist an ein Gehäuse der Feedback-Aktuator-Baugruppe angeformt. Somit dreht sich die magnetfelderzeugende Komponente mit der Achse mit, während die Metallscheibe orts- bzw. drehfest ist, also sich nicht dreht. Dadurch, dass sich die magnetfelderzeugende Komponente mit der Achse mit dreht, kann eine Drehpositionserfassung erleichtert werden. Da hier die magnetfelderzeugende Komponente zugleich als Drehimpulsgeber für einen Sensor dienen kann. Dadurch, dass Metallscheibe an dem Gehäuse der Feedback-Aktuator-Baugruppe angeformt ist werden eine Bremswirkung hervorrufende Wirbelströme in das Gehäuse induziert. Mit anderen Worten, das Gehäuse der Wirbelstrombremse übernimmt zusätzlich die Funktion einer Metallscheibe einer bekannten Wirbelstrombremse. So kann die Anzahl der Bauteile reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Magnetfelsstärkesensor, welche die umlaufend variablen Magnetfeldstärken und deren Richtung erfassen und diese zur Berechnung eines relativen Lenkwinkelsignals bereitstellen können, um z.B. die relative Position zu bestimmen. Somit steht eine weitere Quelle von Sensorsignalen indikativ für Lenkbewegungen des Lenkrads zur Verfügung, was die Redundanz erhöht. Auch kann durch kombinierte Auswertung von zwei relativen Lenkwinkelsensoren ein Absolutwinkel bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Metallscheibe und das Gehäuse einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet. So kann die Anzahl der Bauteile nochmals reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Metallscheibe mit der Achse kräfteübertragend verbunden und die magnetfelderzeugende Komponente ist an dem Gehäuse der Feedback-Aktuator-Baugruppe angeordnet.
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Somit dreht sich die Metallscheibe mit der Achse mit, während die magnetfelderzeugende Komponente orts- bzw. drehfest ist, also sich nicht dreht. Dadurch, dass sich die magnetfelderzeugende Komponente nicht mit der Achse mit dreht, müssen keine Fliehkräfte berücksichtigt werden, die andernfalls die Permanentmagnete aus ihren jeweiligen Aufnahmen herauslösen könnten. Hier kann so wie bereits ausgeführt keine Lenkwinkelposition ermittelt werden.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch einen Lenkradaktuator mit einer derartigen Feedback-Aktuator-Baugruppe, durch ein Steer-by-wire-Lenksystem mit einem derartigen Lenkatuator sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Steer-by-wire-Lenksystem.
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Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung Komponenten eines Steer-by-wire-Lenksystems eines Kraftfahrzeugs.
- 2 in schematischer Darstellung eine Wirbelstrombremse für das in 1 gezeigte Steer-by-wire-Lenksystem.
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Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen.
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Dargestellt sind Komponenten eines Kraftfahrzeugs 2, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein PKW ist. Das Kraftfahrzeug 2 weist eine Steer-by-wire-Lenkung 4 auf. Die Steer-by-wire-Lenkung 4 besteht aus einem dargestellten Achsaktuator 6 und einem Lenkradaktuator 8.
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Es wird nun zusätzlich auf 2 Bezug genommen.
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Der Lenkradaktuator 8 weist einen Lenkwinkel-Sensor 13a zur Erfassung einer Lenkbewegung eines Lenkrads 10 auf. Ein Steuergerät (nicht dargestellt) der Steer-by-wire-Lenkung 4 liest den erfassten Lenkbefehl ein und steuert einen Stellmotor 12 des Lenkradaktuators 8 an, um so den Fahrer mit einem geeigneten Lenkradmoment über den Fahrzustand des Kraftfahrzeugs 2 zu informieren und ungewollte Lenkbewegungen zu vermeiden. Weiterhin wird der Achsaktuator 6, der einen weiteren Stellmotor (nicht dargestellt) aufweist, mit elektrischer Energie aus einer Spannungsquelle in eine durch den Lenkbefehl definierte Stellung gebracht, um gelenkten Räder des Kraftfahrzeugs 2 in die gewünschte Position zu stellen.
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Ferner ist eine Wirbelstrombremse 14 dargestellt, die dem Steer-by-wire-Lenksystem 4 zugeordnet ist.
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Es wird nun zusätzlich auf 2 Bezug genommen.
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Dargestellt ist eine Feedback-Aktuator-Baugruppe 23 für das Steer-by-wire-Lenksystem 4 für das Kraftfahrzeug 2.
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Von den Komponenten der Feedback-Aktuator-Baugruppe 23 sind in 2 dargestellt der Stellmotor 12, ein Riemen 15 und eine Riemenscheibe 25, wobei der Stellmotor 12 über den Riemen 15 kräfteübertragend mit der Riemenscheibe 25 verbunden ist.
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Die Riemenscheibe 25 wiederum ist kräfteübertragend mit einer Achse 16 des Lenksystems 4 verbunden, die kräfteübertragend mit dem Lenkrad 10 des Steer-by-wire-Lenksystems 4 verbunden ist.
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In der Riemenscheibe 25 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer magnetfelderzeugenden Komponente 24 einer Wirbelstrombremse 14 integriert. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann auch eine Metallscheibe 22 der Wirbelstrombremse 14 in die Riemenscheibe 25 integriert sein.
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Von den weiteren Komponenten der Wirbelstrombremse 14 sind in 2 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 18 und ein Magnetträger 20 dargestellt.
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Der Magnetträger 20 ist mit der Achse 16 direkt verbunden, die mit dem Lenkrad 10 fest verbunden ist. Der Magnetträger 20 trägt die Mehrzahl von Permanentmagneten 18.
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Die Mehrzahl der Permanentmagnete 18 sind entlang einer Umfangsrichtung des im Wesentlichen scheibenförmigen Magnetträgers 20 angeordnet, und zwar derart, dass sich ausgehend von einem Permanentmagneten 18 zu dem unmittelbar benachbarten Permanentmagneten 18 sich deren Polarität ändert. Mit anderen Worten, die Permanentmagnete 18 sind entlang der Umfangsrichtung mit wechselnder Polarität angeordnet.
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In einem geringen, vorbestimmten Abstand in Erstreckungsrichtung der Achse 16 von dem Magnetträger 20 mit den Permanentmagneten 18 ist die Metallscheibe 22 angeordnet.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Metallscheibe 22 aus einem elektrisch gut leitenden Material gefertigt, wie einem elektrischen Leiter, z.B. Kupfer oder Aluminium. Ferner kann die Metallscheibe 22 an ein Gehäuse (nicht dargestellt) der Feedback-Aktuator-Baugruppe 23 angeformt sein. Dabei können die Metallscheibe 22 und das Gehäuse einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet sein.
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Im Normalbetrieb generiert der Stellmotor 12 über den Riementrieb 15 ein Drehmoment gegen die Drehrichtung einer Lenkbewegung. Anstelle des Riementriebs 15 kann auch eine andere Getriebebauform vorgesehen sein, z.B. ein Schnecken- oder Planeten-Getriebe. Diese Lenkbewegung über das Lenkrad 10 um die Achse 16 wird nun zusätzlich durch die Wirbelstrombremse 14 im Drehsinn des Stellmotors 12 abgebremst. Dies wird bewirkt durch seine Drehbewegung des Magnetträgers 20 mit den Permanentmagneten 18. Durch das sich zeitlich verändernde Magnetfeld, das von den Permanentmagneten 18 bereitgestellt wird, werden nun elektrische Wirbelströme in der Metallscheibe 22 induziert. Die elektrischen Wirbelströme wiederum rufen Magnetfelder hervor, die entgegengesetzt zu den Magnetfeldern der Permanentmagneten 18 sind. So wird berührungslos eine magnetische Bremskraft bereitgestellt, die das Lenkrad 10 bremst.
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Die gleiche Wirkrichtung des Drehmomentes von Wirbelstrombremse 14 und Stellmotor 12 erlauben eine Reduktion der Leistung und/oder der Getriebeübersetzung und damit des Bauraums des Stellmotors 12. Zugleich kann so der Bauraumbedarf für die Feedback-Aktuator-Baugruppe 23 reduziert werden.
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So kann besonders einfach und zuverlässig ein sonst frei rotierendes Lenkrad 10 abgebremst werden, was die Kontrollierbarkeit im Fehlerfall des Stellmotors 12 und des Riemens 15 und den Ein- und Ausstiegskomfort bei Nutzung des Lenkrades 10 insbesondere bei ausgeschaltetem System als Stützhilfe steigert.
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Ferner ist zusätzlich ein weiterer Magnetfeldstärkesensor 13b als ein weiterer Lenkwinkel-Sensor zum Erfassen von Magnetfeldern von Permanentmagneten 18 der Wirbelstrombremse 14 vorgesehen.
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Somit erfasst der weitere Magnetfeldstärkesensor 13b eine Winkellage der Wirbelstrombremse 14 durch Erfassen von Magnetfeldern der Permanentmagnete 18, die in dem Magnetträger 20 angeordnet sind, während der erste Lenkwinkel-Sensor 13a die Winkellage der Achse 16 erfasst.
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So wird eine Redundanz bei der Erfassung der Winkellage erreicht.
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Es kann vorgesehen werden, dass unter Verwendung eines Getriebes zwischen Stellmotor 12 und Lenkachse 16, eine Absolutwinkel-Information gegeben ist. Das Getriebe kann ein Übersetzungsverhältnis aufweisen, das einer reellen und positiven und nicht-ganzzahligen Zahl entspricht. Somit ist es möglich, den Rotor-Positionssensor des Stellmotors 12 und den Lenkwinkel-Sensor 13a und /oder den weiteren Magnetfelsstärkesensor 13b zu verwenden, um so durch kombinierte Auswertung dieser beiden Größen einen Absolutwert des Lenkwinkels bestimmen zu können. Dies erlaubt es, auf einen herkömmlichen, separaten Absolutwinkelwertgeber zu verzichten.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Lenkwinkel-Sensor 13a und der weitere Magnetfelsstärkesensor 13b jeweils als Inkrementalgeber bzw. Relativwertgeber ausgebildet sind und zwischen der Achse 16 und der Wirbelstrombremse 14 ein Getriebe angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Steer-by-wire-Lenkung
- 6
- Achsaktuator
- 8
- Lenkradaktuator
- 10
- Lenkrad
- 12
- Stellmotor mit Rotor-Positions-Sensor
- 13a
- Lenkwinkel-Sensor
- 13b
- Magnetfelsstärkesensor
- 14
- Wirbelstrombremse
- 15
- Riemen
- 16
- Achse
- 18
- Magnet
- 20
- Magnetträger
- 22
- Metallscheibe
- 23
- Feedback-Aktuator-Baugruppe
- 24
- magnetfelderzeugende Komponente
- 25
- Riemenscheibe
