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Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator für ein Steer-By-Wire-System mit einem Bauteil, insbesondere einer Achse oder einer Welle, das entlang einer linearen Trajektorie bewegbar ist, und eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Position des Bauteils aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen der Position eines Bauteils eines Linearaktuators für ein Steer-By-Wire-System, wobei das Bauteil, insbesondere eine Achse oder eine Welle, entlang einer linearen Trajektorie bewegt wird, und wobei mit einer Messvorrichtung die Position des Bauteils gemessen wird.
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Derartige Steer-By-Wire-Systeme sind aus den Druckschriften
DE 10 2008 032 046 A1 oder
DE 10 2019 127 825 A1 bekannt.
DE 10 2019 127 825 A1 umfasst ein Steer-By-Wire-System, welches über Sensorik geregelt wird. Die Sensorik an Linearaktuatoren solcher Steer-By-Wire-Systeme umfasst üblicherweise einen Rotorpositionssensor, über welchen die Stellung eines Rotors eines als Teil des Linearaktuators vorgesehenen Elektromotors bestimmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein Linearpositionssensor die Stellung des linear bewegten Bauteils bestimmen. Als nachteilig hat sich bei diesen beiden Sensoren herausgestellt, dass eine gewisse Datenmenge dauerhaft gespeichert werden muss, um den Betrieb der Sensoren zu ermöglichen. Da der Rotor des Elektromotors mehrere Umdrehungen absolviert, um das gesamte Lenkwinkelspektrum zu bedienen, ist es im Hinblick auf den Rotorpositionssensor erforderlich, die Anzahl der absolvierten Umdrehungen abzuspeichern, um eine korrekte Erfassung der Rotorstellung des Elektromotors zu ermöglichen. Die derzeit verwendeten Linearpositionssensoren weisen ein stark nicht-lineares Verhalten auf, so dass eine, beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung erhaltene, Look-Up-Tabelle gespeichert werden muss, um das Ausgangssignal des Linearpositionssensors zu linearisieren. Folglich erfordern beide Arten von Sensoren erhebliche Mengen an nichtflüchtigem Speicher.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine kompakte Ausgestaltung eines Linearaktuators für ein Steer-By-Wire-System mit geringem Speicherbedarf zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Linearaktuator für ein Steer-By-Wire-System mit einem Bauteil, insbesondere einer Achse oder einer Welle, das entlang einer linearen Trajektorie bewegbar ist, und mit einer Messvorrichtung zur Bestimmung einer Position des Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung einen piezoelektrischen Sensor zur Bestimmung der Position des Bauteils umfasst.
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Der erfindungsgemäße Linearaktuator umfasst eine Messvorrichtung, die über den piezoelektrischen Effekt die Position des linear bewegbaren Bauteils misst. Das Bauteil bewegt sich entlang einer linearen Trajektorie, wobei die Positionsveränderung des Bauteils am piezoelektrischen Sensor ein messbares Spannungspotenzial erzeugt. Der piezoelektrische Sensor weist ein lineares Verhalten auf, so dass auf speicherplatzintensive Maßnahmen zu Linearisierung des von der Messvorrichtung gemessenen Signals weitestgehend verzichtet werden kann. Des Weiteren weisen piezoelektrische Sensoren einen geringeren Energieverbrauch, eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und keine Wärmeentwicklung auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der piezoelektrische Sensor mehrere Lagen aufweist, insbesondere zwei oder drei Lagen. Die Lagen bestehen bevorzugt aus einer Piezokeramik, wobei dieses Material unter Einwirkung einer Verformung durch eine äußere mechanische Kraft eine Ladungstrennung aufzeigt. Die Lagen können in beliebiger Form verbaut werden, wobei bevorzugt eine rechteckige Form ausgewählt wird. Alternativ wären eine ovale Form oder ein trapezförmiger Körper möglich. Es kann unterschieden werden zwischen aktiven und passiven Lagen, wobei diese Ausgestaltungsform aktive Lagen meint. Aktive Lagen können eine Verformung in eine Spannung umwandeln. Passive Schichten stellen Schichten dar, welche bei Verformung keine Spannung abgeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der piezoelektrische Sensor ein Biegesensor ist. Der Biegesensor kann derart gelagert sein, dass eine Bewegung des Bauteils zu einer Biegung des piezoelektrischen Sensors führt. Der Biegesensor kann hierbei verschiedene Kombinationen an Bewegung zulassen. Eine bevorzugte Ausgestaltungsform stellt einen Biegesensor dar, welcher eine Biegung in nur eine Richtung zulässt. Dies kann einerseits durch eine gezielte Lagerung der Enden des Biegesensors oder durch die Einbringung einer passiven Lage geschehen. Eine weitere alternative Ausgestaltungsform beschreibt einen Biegesensor, welcher eine Biegung in beide Richtungen zulässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der piezoelektrische Sensor durch das Bauteil auslenkbar ist. Die Auslenkung des Bauteils kann eine mechanische Kraft am piezoelektrischen Sensor erzeugen. Die mechanische Kraft biegt den piezoelektrischen Sensor in eine Richtung, wobei die Auslenkung und die damit einhergehende Ladungstrennung ein Spannungspotenzial in einer der Lagen bewirken kann.
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Dieses Spannungspotenzial kann an Elektroden, die mit den piezokeramischen Lagen verbunden sein können, abgenommen werden. Die Bewegung des Bauteils ist gleichbedeutend mit dem Lenkwinkel der Achse, bzw. der Positionierung des Elektromotors. Zur genauen Bestimmung der Position des Bauteils ist nur ein Sensor notwendig, wobei dies einerseits eine Kostenersparnis und andererseits ein vermindertes Risiko für einen Ausfall darstellen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil über einen Untersetzungsmechanismus mit dem piezoelektrischen Sensor gekoppelt ist. Der Untersetzungsmechanismus erlaubt die Wandlung einer im Vergleich zur Bauteildicke des piezoelektrischen Sensors großen Auslenkung in eine kleinere Auslenkung. Diese kleinere Auslenkung kann die zerstörungsfreie und exakte Messung der Auslenkung mittels des piezoelektrischen Sensors ermöglichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Untersetzungsmechanismus ein hydraulischer Untersetzungsmechanismus ist. Die Wandlung der Energie wird bevorzugt hydraulisch getätigt, jedoch besteht alternativ die Möglichkeit der mechanischen Untersetzung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Untersetzungsmechanismus ein hydraulisches mikromechanisches oder mikroelektromechanisches System (MEMS) umfasst. Mikromechanische bzw. mikroelektromechanische Systeme in Kombination mit piezoelektrischen Sensoren sind besonders vorteilhaft, da diese Systeme kompakt ausgeführt werden können. Bevorzugt bildet der hydraulische mikromechanische Untersetzungsmechanismus in Kombination mit dem piezoelektrischen Sensor ein hydraulisches mikroelektromechanisches System. Bevorzugt umfasst das mikromechanische System einen Volumenkörper, auf welchen durch die Bewegung des Bauteils eine Kraft wirken kann. Dieser Volumenkörper kann mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt sein, beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit, die innerhalb einer Silikonschicht angeordnet ist. Der Volumenkörper kann eine erste und eine zweite Fläche aufweisen, wobei diese Flächen gegenüberliegend angeordnet sind. Über die erste Fläche kann die, durch das Bauteil bewirkte mechanische Kraft aufgenommen werden und über die zweite Fläche kann eine untersetzte Kraft an den piezoelektrischen Sensor weitergeleitet werden. Bevorzugt nimmt der Querschnitt des Volumenkörpers von der ersten Fläche hin zur zweiten Fläche zu, wodurch eine Untersetzung der Kraft über die Hydraulik bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der piezoelektrische Sensor zwischen zwei Verbindungsstangen angeordnet ist, die derart mit dem Bauteil verbunden sind, dass diese zusammen mit dem Bauteil entlang einer linearen Trajektorie bewegbar sind. Die Verbindungsstangen können die Auslenkung des Bauteils an den neben der Lenkachse angeordneten piezoelektrischen Sensor weiterleiten. Der Sensor kann hierbei zwischen den beiden Verbindungsstangen angeordnet sein, sodass die Auslenkung des Bauteils in beide Richtungen quantitativ gemessen werden kann. Das Auslenken führt dazu, dass die durch eine erste Verbindungsstange auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübte Kraft sinkt während die durch eine zweite Verbindungsstange auf den piezoelektrischen Sensor ausgeübte Kraft steigt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Messen der Position eines Bauteils eines Linearaktuators für ein Steer-By-Wire-System, wobei das Bauteil, insbesondere eine Achse oder eine Welle, entlang einer linearen Trajektorie bewegt wird, und wobei mit einer Messvorrichtung, die einen piezoelektrischen Sensor aufweist, die Position des Bauteils gemessen wird.
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Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Linearaktuator beschrieben worden sind. Auch die im Zusammenhang mit dem Linearaktuator erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können bei dem Verfahren allein oder in Kombination Anwendung finden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorangegangenen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Steuereinheit anhand der gemessenen Position des Bauteils einen Motor des Linearaktuators ansteuert. Das Verfahren kann einen geschlossenen Regelkreis umfassen, wobei die gemessenen Daten an eine Auswerteinheit überführt werden und mit einem Sollwert der Lenkachsenposition verglichen werden. Die Steuereinheit kann einen Lenkmotor des Linearaktuators entsprechend dem Vergleich der Daten ansteuern, um das Fahrzeug zu steuern. In einer alternativen Ausgestaltungsform ist ein Regler in den geschlossenen Regelkreis integriert, wobei dieser besonders bevorzugt ein PID-Regler ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linearaktuators in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linearaktuators in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Regelkreises, der bei einem Linearaktuator gemäß 1 oder 2 Verwendung finden kann;
- 4 ein Simulationsmodell der Messvorrichtung;
- 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung, die bei einem Linearaktuator gemäß 1 oder 2 Verwendung finden kann; und
- 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung, die bei einem Linearaktuator gemäß 1 oder 2 Verwendung finden kann.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Linearaktuators 1 dargestellt, der erfindungsgemäß ausgebildet ist. Der Linearaktuator 1 ist zur Verwendung als Teil einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs geeignet und kann ein Rad des Kraftfahrzeugs auslenken. Der Linearaktuator 1 umfasst einen Antrieb 3, der beispielsweise als Elektromotor ausgestaltet sein kann. Der Antrieb 3 ist über ein Getriebe 4 mit einem linear bewegbaren Bauteil 2 gekoppelt, das nach Art einer Achse ausgebildet ist. Das Getriebe 4 ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung des Antriebs 3 in eine lineare Bewegung des Bauteils 2 umzusetzen. Das Bauteil 2 ist entlang einer Trajektorie T bewegbar, die linear ist und sich innerhalb eines Gehäuses 5 des Linearaktuators 1 erstreckt. An eine dem Getriebe 4 gegenüberliegenden Seite des Bauteils 2 ist das Bauteil 2 mit einem Radanbindungselement 7 verbunden, an welche ein Radträger angebunden werden kann, welcher das zu lenkende Rad des Kraftfahrzeugs trägt. Das Radanbindungselement 7 ist bei dem Ausführungsbeispiel als Öse ausgestaltet. Das Gehäuse 5 des Linearaktuators 1 weist ferner eine Befestigungseinrichtung 6 auf, über welcher der Linearaktuator 1 an einem Fahrwerkelement oder einem Karosserieteil eines Kraftfahrzeugs befestigt werden kann.
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Ein weiterer Bestandteil des Linearaktuators 1 ist eine Messvorrichtung 10 mittels derer die Position des Bauteils 2 entlang seiner Trajektorie T bestimmt werden kann. Die Messvorrichtung 10 ermöglicht eine kompakte Ausgestaltung des Linearaktuators 1 und soll näher im Zusammenhang mit 4, 5 und 6 beschrieben werden.
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Die Darstellung in 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linearaktuators 1, bei dem solche Elemente, die eine identische Funktion wie bei dem Linearaktuator 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausüben auch mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem Linearaktuator 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein bewegbares Bauteil 2 vorgesehen, welches an zwei Enden jeweils mit einem Radträgeranbindungselement 7, 8 verbunden ist. Daher können mit dem Linearaktuator 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zwei Räder einer gemeinsamen Achse ausgelenkt werden. Auch der Linearaktuator 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst eine Messvorrichtung 10 zur Bestimmung der Position des Bauteils 2. Geeignete Messvorrichtungen 10 werden im Zusammenhang mit 4,5 und 6 erläutert.
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In der 3 wird ein Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Regelkreises dargestellt, wobei dieser bei einem erfindungsgemäßen Linearaktuator 1 Verwendung finden könnte. Der geschlossene Regelkreis beschreibt eine Möglichkeit die Differenz zwischen einem vorgegebenen Sollwert der Achsenposition 31 und dem gemessenen Istwert der Achsenposition 32 zu minimieren. In einem nicht autonom fahrenden Fahrzeug kann ein Fahrer den Sollwert 31 vorgeben. In einem autonomen Fahrzeug kann bedingt durch eine Fahrautomatik ein Sollwert 31 definiert werden. Dieser Wert 31 kann mit dem Istwert 32 verglichen werden, wobei die Differenz an einen Regler 30 übermittelt wird. Dieser Regler 30 wiederum steuert den Linearaktuator 1 an.
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Ein Simulationsmodell der Messvorrichtung 10 ist in 4 gezeigt. Die Messvorrichtung 10 weist einen piezoelektrischen Sensor 20 zur Bestimmung der Position des Bauteils 2 auf, der aus mehreren Lagen besteht. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Lagen vorgesehen. Abweichend davon können zwei oder mehr als drei Lagen vorgesehen sein. Die Lagen des piezoelektrischen Sensors 20 sind mit Elektroden verbunden, sodass das Spannungssignal des Sensors 20 in Form einer Ausgangsspannung 21 abgenommen werden kann. Das lineare Verhalten des piezoelektrischen Sensors 20, also das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung 21 und der Auslenkung des Bauteils 12, stellt einen erheblichen Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik dar. Die Bewegung des Bauteils 12 kann hierbei über einen Untersetzungsmechanismus 14 reduziert werden. Somit kann die Bewegung des Bauteils 12 über den Untersetzungsmechanismus 14 den piezoelektrischen Sensor 20 auslenken bzw. auf diesen einwirken. Der piezoelektrische Sensor 20 ist bevorzugt als Biegesensor ausgeführt. Die Bewegung des Bauteils 12 kann zu einer Biegung des Sensors führen, wobei diese Bewegung eine Ladungstrennung in den Lagen des piezoelektrischen Sensors erzeugen kann. Diese Ladungstrennung kann in Form der Ausgangsspannung gemessen werden.
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5 bildet ein erstes Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 10 ab. Die Trajektorie T des Bauteils 2 kann in diesem Ausführungsbeispiel über zwei Verbindungsstangen 11 an den piezoelektrischen Sensor 20 weitergeleitet werden. Die Messvorrichtung 10 kann neben dem Bauteil 2 angeordnet sein. Der piezoelektrischen Sensor 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den beiden Verbindungsstangen 11 und parallel zum Bauteil 2 angeordnet. Beispielsweise kann der piezoelektrische Sensor am Gehäuse 5 des Linearaktuators 1 angebracht sein, wobei die Verbindungsstangen 11 die Relativbewegung des Bauteils 2 auf die Messvorrichtung 10 übertragen können.
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Zuletzt wird in 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung 10 dargestellt. Zwischen den Verbindungsstangen 11 und dem piezoelektrischen Sensor 20 ist in dieser Ausführungsform ein Untersetzungsmechanismus 14 angeordnet. Der Untersetzungsmechanismus 14 ist besonders bevorzugt als hydraulischer Untersetzungsmechanismus, beispielsweise als hydraulischer mikromechanischer Untersetzungsmechanismus ausgeführt. Hierbei kann die Auslenkung des Bauteils 2 über einen Volumenkörper mit Hydraulikflüssigkeit an den piezoelektrischen Sensor 20 weitergeleitet werden. Diese Kombination stellt eine besonders kompakte Ausführungsform dar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearaktuator
- 2
- Bauteil
- 3
- Antrieb
- 4
- Getriebe
- 5
- Gehäuse
- 6
- Befestigungselement
- 7
- Radträgeranbindungselement
- 8
- Radträgeranbindungselement
- 10
- Messvorrichtung
- 11
- Verbindungsstange
- 12
- Bewegung Bauteil
- 14
- Untersetzungsmechanismus
- 20
- piezoelektrischer Sensor
- 21
- Ausgangssignal
- 30
- Regler
- 31
- Sollwert Achsenposition
- 32
- Istwert Achsenposition
- T
- Trajektorie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008032046 A1 [0002]
- DE 102019127825 A1 [0002]
