DE102022110510A1 - Linear position sensor, rear axle steering and method for absolute position measurement - Google Patents
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Abstract
Ein für die Verwendung in einer Hinterachslenkung (1) eines Kraftfahrzeugs geeigneter Linearwegsensor (12) weist ein Sensorfeld (14) auf, welches mit einem relativ zu diesem verschiebbaren Target (13) zusammenwirkt und zwei zueinander parallele Sensorreihen (15, 16) umfasst, welche aus einer unterschiedlichen Anzahl an Sensoren (17, 18, 19, 20, 21) aufgebaut sind.A linear displacement sensor (12) suitable for use in a rear axle steering (1) of a motor vehicle has a sensor field (14) which interacts with a target (13) that can be moved relative to it and comprises two rows of sensors (15, 16) parallel to one another, which are made up of a different number of sensors (17, 18, 19, 20, 21).
Description
Die Erfindung betrifft einen Linearwegsensor sowie eine für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Hinterachslenkung mit einem Linearwegsensor. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur absoluten Wegmessung.The invention relates to a linear displacement sensor and a rear axle steering system with a linear displacement sensor intended for use in a motor vehicle. The invention further relates to a method for absolute distance measurement.
Aus der
Das Nonius-Prinzip findet auch in der
Eine in der
Weitere Bauformen von Linearwegsensoren sind zum Beispiel in den Dokumenten
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Verwendung bei linearer, insbesondere elektromechanischer, Aktorik geeignete Messtechnik gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen robustem, fertigungsfreundlichem Aufbau, praxisgerechter, insbesondere auf das Anwendungsgebiet Lenkungsbetätigung abgestimmter Auflösung und hoher Betriebssicherheit angestrebt wird.The invention is based on the object of further developing measurement technology suitable for use with linear, in particular electromechanical, actuators compared to the stated prior art, with a particularly favorable relationship between robust, production-friendly construction, practical resolution, particularly tailored to the application area of steering actuation, and high operational reliability is sought.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Linearwegsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Linearwegsensor ist insbesondere für die Verwendung bei einer Hinterachslenkung nach Anspruch 7 geeignet. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur absoluten Wegmessung gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit den Vorrichtungen, das heißt dem Linearwegsensor sowie der Hinterachslenkung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Messverfahren und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a linear path sensor with the features of claim 1. The linear path sensor is particularly suitable for use in rear axle steering according to claim 7. The object is also solved by a method for absolute distance measurement according to
Der Linearwegsensor umfasst ein Sensorfeld, welches mit einem relativ zu diesem verschiebbaren Target zusammenwirkt. Das Target befindet sich insbesondere an einer Lenkstange. Dem Sensorfeld sind zwei zueinander parallele, sich in Verschieberichtung des Targets erstreckende Sensorreihen zuzurechnen, welche aus einer unterschiedlichen Anzahl an Sensoren aufgebaut sind. Dies begünstig einen hohen Grad der Erreichung der Ziele Betriebssicherheit und Messgenauigkeit, wobei trotz eines insgesamt weiten Messbereichs kompakte Abmessungen des gesamten Linearwegsensors eingehalten werden können. Die Anzahl der Sensorreihen ist nicht auf zwei beschränkt. Beispielsweise können drei oder vier zueinander parallele Sensorreihen vorhanden sein.The linear path sensor comprises a sensor field which interacts with a target that can be moved relative to it. The target is located in particular on a handlebar. The sensor field includes two rows of sensors that are parallel to each other and extend in the direction of displacement of the target and are made up of a different number of sensors. This promotes a high degree of achievement of the goals of operational reliability and measurement accuracy, whereby compact dimensions of the entire linear position sensor can be maintained despite an overall wide measuring range. The number of sensor rows is not limited to two. For example, there can be three or four rows of sensors parallel to one another.
Was das Messprinzip des Linearwegsensors betrifft, kommt insbesondere eine Ausführung als Wirbelstromsensor in Betracht. Hierbei können die beiden Sensorreihen für den Betrieb mit unterschiedlichen Erregerfrequenzen vorgesehen sein.As far as the measuring principle of the linear displacement sensor is concerned, a version as an eddy current sensor is particularly suitable. The two rows of sensors can be intended for operation with different excitation frequencies.
Gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen ist jede der mindestens zwei Sensorreihen zur autarken Wegmessung ausgebildet ist, wobei im Großteil des Messbereichs, jedoch nicht zwangsläufig im gesamten Messbereich, eine Redundanz der Ortsbestimmung, das heißt Wegmessung, gegeben ist.According to various possible embodiments, each of the at least two sensor rows is designed for self-sufficient distance measurement, with redundancy of the location determination, i.e. distance measurement, being present in the majority of the measuring range, but not necessarily in the entire measuring range.
Beispielsweise umfasst eine der beiden Sensorreihen lediglich einen einzigen, den gesamten Messbereich abdeckenden Sensor, wogegen die andere Sensorreihe mehrere, den Messbereich lückenhaft abdeckende Sensoren umfasst. Der Messbereich kann sich über den gesamten Verschiebeweg oder lediglich über einen Teil des zum Beispiel durch Anschläge begrenzten Verschiebewegs erstrecken.For example, one of the two sensor rows only includes a single sensor that covers the entire measuring range, whereas the other sensor row includes several sensors that cover the measuring range in gaps. The measuring range can extend over the entire displacement path or only over a part of the displacement path, which is limited, for example, by stops.
In Fällen, in denen jede Sensorreihe aus einer Mehrzahl an einzelnen Sensoren aufgebaut ist, sind alle technischen Ziele, die mittels des Linearwegsensors zu erfüllen sind, auch dann erreichbar, wenn jede Sensorreihe den Messbereich lediglich lückenhaft abdeckt. Stoßstellen, an welchen Sensoren einer Reihe aneinandergesetzt sind, sind in diesem Fall von Sensorreihe zu Sensorreihe gegeneinander versetzt angeordnet. Die verschiedenen Sensorreihen schließen an ihren Enden nicht notwendigerweise bündig miteinander ab.In cases in which each sensor row is made up of a plurality of individual sensors, all technical goals that are to be achieved using the linear displacement sensor can be achieved even if each sensor row only covers the measuring range incompletely. Joint points where Senso ren in a row are placed together, in this case they are arranged offset from one another from sensor row to sensor row. The different rows of sensors do not necessarily end flush with one another at their ends.
Das Verfahren zur absoluten Wegmessung geht allgemein davon aus, dass ein verschiebbares, insbesondere mit einer Lenkstange einer Fahrzeuglenkung verbundenes, Target gleichzeitig mit zwei unterschiedlich aufgebauten, sich hinsichtlich ihrer Auflösung voneinander unterscheidenden Sensorreihen eines Sensorfeldes zusammenwirkt. In einer ersten Gruppe an Abschnitten des Messbereichs, typischerweise in mindestens zwei voneinander getrennten Abschnitten, werden von beiden Sensorreihen gelieferte, redundante Informationen verarbeitet. Dagegen werden in einer zweiten Gruppe an Abschnitten des Messbereichs, im Extremfall in einem einzigen Abschnitt, lediglich Informationen einer der beiden Sensorreihen ausgewertet.The method for absolute distance measurement generally assumes that a displaceable target, in particular connected to a handlebar of a vehicle steering system, simultaneously interacts with two differently constructed sensor rows of a sensor field that differ from one another in terms of their resolution. In a first group of sections of the measuring range, typically in at least two separate sections, redundant information supplied by both rows of sensors is processed. In contrast, in a second group of sections of the measuring range, in extreme cases in a single section, only information from one of the two rows of sensors is evaluated.
Gemäß einer möglichen Verfahrensvariante werden Daten derjenigen Sensorreihe, welche die geringere Auflösung der beiden Sensorreihen aufweist, über den gesamten Messbereich erfasst und ausgewertet, wogegen im Fall der zweiten, höher auflösenden Sensorreihe lediglich eine lückenhafte Ortsbestimmung vorgesehen ist.According to a possible method variant, data from the sensor row which has the lower resolution of the two sensor rows is recorded and evaluated over the entire measuring range, whereas in the case of the second, higher-resolution sensor row, only an incomplete location determination is provided.
Eine besonders gute Relation zwischen apparativem Aufwand und Auflösung ist erzielbar, indem Daten der beiden Sensorreihen nach dem Nonius-Prinzip ausgewertet werden.A particularly good relationship between equipment expenditure and resolution can be achieved by evaluating data from the two sensor rows according to the vernier principle.
Die einzelnen Sensoren, aus welchen das gesamte Sensorfeld aufgebaut ist, weisen beispielsweise eine Genauigkeit in der Größenordnung von plus/minus 1 % des Messbereichsendwertes auf. Optional sind an den Enden des Messbereichs zusätzliche Anschlagsensoren vorhanden. Die volle Funktionsfähigkeit des Linearwegsensors, welcher zur Absolutwertbestimmung ausgebildet ist und damit eine über einen inkrementellen Sensor hinausgehende Funktionalität hat, ist bereits ohne solche zusätzlichen Sensoren gegeben.The individual sensors from which the entire sensor field is constructed have, for example, an accuracy of the order of plus/minus 1% of the measuring range end value. Additional stop sensors are optionally available at the ends of the measuring range. The full functionality of the linear displacement sensor, which is designed to determine the absolute value and therefore has a functionality that goes beyond an incremental sensor, is already given without such additional sensors.
Der gesamte Linearwegsensor kann beispielsweise in ein Gehäuse eines Aktuators einer Hinterachslenkung eingebaut oder an einen solchen Aktuator, welcher insbesondere elektromechanisch betätigt ist, angebaut sein. Details eines Aktuators einer Hinterachslenkung sind beispielsweise in der
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 in schematisierter Darstellung eine Hinterachslenkung mit elektromechanischem Aktuator und Linearwegsensor, -
2 eine erste Variante eines für den Aktuator nach1 geeigneten Sensorfeldes, -
3 eine alternative Ausgestaltung eines für den Aktuator nach1 geeigneten Sensorfeldes.
-
1 a schematic representation of a rear axle steering with electromechanical actuator and linear position sensor, -
2 a first variant of one for the actuator1 suitable sensor field, -
3 an alternative design for the actuator1 suitable sensor field.
Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations refer to all exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are marked with the same reference numerals in all figures.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Hinterachslenkung umfasst einen elektromechanischen Aktuator 2, dessen Gehäuse mit 3 bezeichnet ist. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Hinterachslenkung 1 wird auf den zitierten Stand der Technik verwiesen.A rear axle steering system, marked overall with the reference number 1, includes an
Der Aktuator 2 dient der Verschiebung einer Schubstange 4, an deren Enden sich Anschlussstücke 5 befinden, die gelenkig mit weiteren Fahrwerkselementen gekoppelt sind und damit das Lenken der Hinterräder eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs ermöglichen. Die Schubstange 4 ist in Lagern 6 geführt. Die symbolisierte Darstellung nach
Die Schubstange 4 ist mit einer Gewindespindel eines Spindeltriebs, welcher allgemein als Rotativ-Linear-Getriebe 7 bezeichnet wird, fest verbunden. Ebenso kann die Gewindespindel einen integralen Bestandteil der Schubstange 4 darstellen. Bei dem Rotativ-Linear-Getriebe 7 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein Planetenwälzgetriebe. Alternativ kann das Rotativ-Linear-Getriebe 7 beispielsweise als Kugelgewindetrieb ausgeführt sein.The
Das rotierbare Antriebselement des Spindeltriebs 7 stellt zugleich das Abtriebselement eines mit 8 bezeichneten Umschlingungsgetriebes, im vorliegenden Fall eines Riementriebs, dar. Das Zugmittel des Umschlingungsgetriebes 8 ist in
Als zugehöriges Antriebselement des Umschlingungsgetriebes 8, das heißt Rotativ-Rotativ-Getriebes, ist eine Riemenscheibe 9 vorgesehen. Die Riemenscheibe 9 ist fest verbunden mit einer Welle 11 eines Elektromotors 10. Alternativ kommt auch ein direkter elektrischer Antrieb des rotierenden Antriebselementes des Rotativ-Linear-Getriebes 7 in Betracht.A
Zur Detektion der absoluten Position der Schubstange 4 ist ein Linearwegsensor 12 vorgesehen, welcher allgemein auch als Sensoranordnung bezeichnet wird. Dem Linearwegsensor 12 ist ein Target 13 zuzurechnen, welches fest mit der Schubstange 4 verbunden oder unmittelbar durch die Schubstange 4 gebildet ist. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Target 13 um einen aus der Schubstange 4 herausragenden Vorsprung. Alternativ könnte das Target 13 als in der Schubstange 4 befindliche Aussparung, etwa in Form einer Nut, vorliegen. In jedem Fall hat die Position des Targets 13 Einfluss auf einen magnetischen Kreis, was mittels eines Sensorfeldes 14, das sich ortsfest im Aktuator 2 befindet, detektierbar ist.To detect the absolute position of the
Das Sensorfeld 14 umfasst sowohl in der Variante nach
In der Variante nach
Wie in den
Die gesamte Sensoranordnung 12 arbeitet nach dem Wirbelstromprinzip. Durch die Unterteilung des gesamten Messbereichs, welcher mit dem Verschiebebereich der Schubstange 4 übereinstimmt, in kleinere Teilmessbereiche - zumindest bei einer der beiden Sensorreihen 15, 16 - wird insgesamt eine hohe Messgenauigkeit erzielt. Zugleich ist im größten Teil des Messbereichs, wie in den
Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die im Vergleich zum abzudeckenden Messbereich kleinen Sensoren 19, 20, 21 eine hohe Auflösung unter Verwendung von Standardkomponenten, die für Stellmechanismen mit kürzeren Stellwegen konzipiert sind, zulassen. Die Sensoren 19, 20, 21 der ersten Sensorreihe 15 einerseits und der mindestens eine Sensor 17, 18 der zweiten Sensorreihe 16 andererseits werden mit unterschiedlichen Erregerfrequenzen betrieben. Optional wird zusätzlich eine Winkelsensorik des Elektromotors 10 und/oder des Rotativ-Linear-Getriebes 7 zur Bestimmung der Position der Schubstange 4, das heißt des Abtriebselementes des Aktuators 2 verwendet.A particular advantage is that the
Der Linearwegsensor 12 ist für automobiltechnische Anwendungen derart auslegbar, dass im Vergleich zu nicht beanspruchten Lösungen die ASIL (automotive safety integrity level) Integrität des Messpfades verbessert wird.The
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- HinterachslenkungRear axle steering
- 22
- Aktuatoractuator
- 33
- GehäuseHousing
- 44
- Schubstangepush rod
- 55
- AnschlussstückConnector
- 66
- Lagercamp
- 77
- Rotativ-Linear-GetriebeRotary-linear gearbox
- 88th
- UmschlingungsgetriebeBelt gear
- 99
- Riemenscheibepulley
- 1010
- ElektromotorElectric motor
- 1111
- WelleWave
- 1212
- Sensoranordnung, LinearwegsensorSensor arrangement, linear position sensor
- 1313
- TargetTarget
- 1414
- SensorfeldSensor field
- 1515
- erste Sensorreihefirst row of sensors
- 1616
- zweite Sensorreihesecond row of sensors
- 1717
- Sensor der ersten SensorreiheSensor of the first sensor row
- 1818
- Sensor der ersten SensorreiheSensor of the first sensor row
- 1919
- Sensor der zweiten SensorreiheSensor of the second sensor row
- 2020
- Sensor der zweiten SensorreiheSensor of the second sensor row
- 2121
- Sensor der zweiten SensorreiheSensor of the second sensor row
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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