DE102023201564A1

DE102023201564A1 - Lenksäulenanordnung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102023201564A1
Application number: DE102023201564.1A
Authority: DE
Inventors: Russell Wilson-Jones; Timothy Buttery; Philip Browne; Samuel Morris; Pablo Rojo
Original assignee: ZF Automotive UK Ltd
Current assignee: ZF Automotive UK Ltd
Priority date: 2022-04-13
Filing date: 2023-02-22
Publication date: 2023-10-19
Also published as: CN116902053A; GB202205509D0; CN116902054A; GB202210630D0; GB2620542A; GB2617632A; US20230331281A1; US20230331290A1; DE102023202658A1

Abstract

Eine Lenksäulenanordnung (10) für ein Fahrzeug umfasst: eine längliche Lenksäule (14), die zur Drehung um ihre Längsachse (16) befestigt und zur Befestigung eines Lenkrads (18) an einem Ende konfiguriert ist; ein erstes Zahnrad (24), das an einer von der Lenkradbefestigungsstelle beabstandeten Stelle mit der Lenksäule verbunden und zur Drehung mit der Lenksäule konfiguriert ist; einen ersten und einen zweiten Motor (28, 30), die jeweils eine Ausgangswelle (32, 34) aufweisen; eine erste und eine zweite Schnecke (46, 48), die mit der Ausgangswelle des ersten bzw. des zweiten Motors direkt verbunden und drehbar sind und mit dem ersten Zahnrad (24) in Eingriff stehen; Steuermittel (66, 68), die zum Betrieb des ersten und des zweiten Motors (28, 30) konfiguriert sind; und Motorpositionssensormittel zur Erfassung der Drehposition der Motorausgangswellen (32, 34), wobei jedes Sensormittel ein Zielglied (50, 52), das an einer jeweiligen Motorausgangswelle (32, 34) auf der dem Motor gegenüberliegenden Seite der Schnecke (46, 48) fest befestigt ist, und einen Sensor (58, 60) zum Detektieren des Zielgliedes umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lenksäulenanordnungen für Fahrzeuge und insbesondere auf solche Anordnungen zur Verwendung mit einem Steer-by-Wire-Handradaktuator.
Bei Steer-by-Wire-Anordnungen ist ein Handrad (Lenkrad) mit einem Ende einer drehbar befestigten Welle verbunden, deren Winkelverschiebung zur Erzeugung eines Signals gemessen wird, das zur Steuerung der Ausrichtung der lenkbaren Räder des Fahrzeugs verwendet wird. Die Anordnung ist üblicherweise auch mit einem mit der Welle verbundenen Elektromotor zur Bereitstellung einer gesteuerten Höhe von Drehmoment in die zum von dem Fahrer angelegten Drehmoment entgegengesetzte Richtung zur Bereitstellung einer Straßengefühlwahrnehmung für den Fahrer versehen.
Bei derartigen Anordnungen treibt ein Elektromotor in der Regel unter der Steuerung eines ECU (elektronischen Steuergeräts) eine Schnecke an, die mit einem Schneckenrad in Eingriff steht, das sich mit der Welle, mit der das Lenkrad verbunden ist, dreht. Es ist wünschenswert, Maßnahmen zum Vorspannen der Schnecke in den Eingriff mit dem Schneckenrad zur Reduzierung von Getriebeklappern, was bei Umkehr des Drehmoments und der Richtung des Motors auftreten kann, zu ergreifen.
Steer-by-Wire-Lenksysteme können bei Fahrzeugen, bei denen die Fahrzeuglenkung stets unter der Kontrolle eines Fahrers ist, und auch bei autonomen Fahrzeugen verwendet werden. Autonome Fahrzeuge sind zur primären Verwendung in einem autonomen Modus, bei dem die Steuerung des Fahrzeugs ohne manuelle Eingriffe durchgeführt wird, gedacht. Es ist jedoch wünschenswert, dass autonome Fahrzeuge bei Bedarf oder Wunsch manuell gesteuert werden können, und aus diesem Grund müssen Fahrzeugsteuerungen, wie z. B. ein Lenkrad vorgesehen sein. Solche Lenkräder haben wünschenswerterweise einen „Steer-by-Wire“-Betrieb, um das Erfordernis einer Verbindung und Trennung von mechanischen Lenkmechanismen aufzuheben.
Die GB 2579374A offenbart eine Lenksäulenanordnung für ein Fahrzeug mit einer drehbar befestigten länglichen Lenksäule, mit deren einem Ende ein Lenkrad verbunden ist. Ein Zahnrad ist mit der Lenksäule verbunden und dreht sich mit dieser und steht mit zwei Schnecken in Eingriff, deren Drehung von einem jeweiligen Motor gesteuert wird. Die Motoren können in einem ersten Modus, in dem sie Drehmoment in entgegengesetzten Richtungen an die Lenksäule anlegen, und in einem zweiten Modus, in dem sie Drehmoment in derselben Richtung an die Lenksäule anlegen, betrieben werden.
Bei Ausführungen des Stands der Technik wird ein Motorpositionssensor (MPS) zur Bestimmung der Drehposition der Motorwellen verwendet. Der MPS umfasst im Allgemeinen ein sogenanntes Zielobjekt (in der Regel einen Magneten), das an einer Motorwelle befestigt und damit drehbar ist, und einen Detektor zum Erfassen der Position des Zielobjekts und somit der Position des Motors.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lenksäulenanordnung für ein Fahrzeug:

eine längliche Lenksäule, die zur Drehung um ihre Längsachse befestigt und zur Befestigung eines Lenkrads an einem Ende konfiguriert ist;
ein erstes Zahnrad, das an einer von der Lenkradbefestigungsstelle beabstandeten Stelle mit der Lenksäule verbunden und zur Drehung mit der Lenksäule konfiguriert ist;
einen ersten und einen zweiten Motor, die jeweils eine Ausgangswelle aufweisen;
eine erste und eine zweite Schnecke, die mit der Ausgangswelle des ersten bzw. des zweiten Motors direkt verbunden und drehbar sind und mit dem ersten Zahnrad in Eingriff stehen;
Steuermittel, die zum Betrieb des ersten und des zweiten Motors konfiguriert sind; und
Motorpositionssensormittel zur Erfassung der Drehposition der Motorausgangswellen, wobei jedes Sensormittel ein Zielglied, das an einer jeweiligen Motorausgangswelle auf der dem Motor gegenüberliegenden Seite der Schnecke fest befestigt ist, und einen Sensor zum Detektieren des Zielgliedes umfasst.

Durch das Positionieren der Motorpositionssensormittel von ihren jeweiligen Motoren entfernt, d. h. auf der dem zugehörigen Motor gegenüberliegenden Seite der Schnecke, wird das Packaging der Lenkanordnung verbessert, d. h. der zur Verfügung stehende Platz effektiver und/oder effizienter genutzt. Das Auftreten und/oder die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen von den Wicklungen der Motoren werden auch reduziert.
Das erste Zahnrad kann an dem dem Lenkrad gegenüberliegenden Ende der Lenksäule mit der Lenksäule verbunden sein.
Jedes Zielglied kann an einem Ende einer jeweiligen Motorausgangswelle befestigt sein.
Jeder Motor kann an einem Ende einer jeweiligen Motorausgangswelle befestigt sein.
Die Lenksäulenanordnung kann ferner ein Lager für die Ausgangswelle jedes Motors umfassen, das zwischen der jeweiligen Schnecke und dem Zielglied positioniert ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jedes Zielglied ein magnetisches Glied.
Jedes Zielglied kann einen VR(Variable Reluctance)-Resolver umfassen.
Die Sensoren zum Detektieren der Zielglieder sind vorzugsweise an oder neben den Enden der Motorausgangswellen an der den Motoren gegenüberliegenden Seite der Schnecken positioniert.
Die Sensoren zum Detektieren der Zielglieder können an einer Leiterplatte befestigt sein.
Die Drehachsen der Ausgangswellen des ersten und des zweiten Motors können im Wesentlichen parallel sein.
Die Schnecken können auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse des ersten Zahnrads, beispielsweise an diametral gegenüberliegenden Seiten der Drehachse des ersten Zahnrads, positioniert sein.
Die erste und die zweite Schnecke können Teil der Ausgangswelle des ersten bzw. des zweiten Motors sein.
Die Drehachsen der Ausgangswellen des ersten und des zweiten Motors können im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Lenksäule ausgerichtet sein.
Der erste und der zweite Motor können unter der ersten bzw. der zweiten Schnecke positioniert sein.
Die vorliegende Erfindung umfasst des Weiteren ein Fahrzeug, das eine Lenksäulenanordnung gemäß der Erfindung umfasst.
Nun wird lediglich beispielhaft eine spezifische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht, zum Teil weggeschnitten, einer Ausführungsform der Lenksäulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 einen vertikalen Querschnitt durch die Lenksäulenanordnung von 1 mit Blickrichtung der Pfeile II-II von 1.

Eine Steer-by-Wire-Lenksäulenanordnung 10 umfasst eine gerade längliche Steer-by-Wire-Lenksäule 14 (von der lediglich das untere Ende dargestellt wird), die um ihre Längsachse 16 drehbar befestigt ist. Ein Lenkrad 18, das in 1 schematisch dargestellt wird und mit dem die Lenksäule 14 von einem Fahrer gedreht werden kann, ist an dem oberen Ende der Lenksäule 14 gesichert. In den Zeichnungen wird die Lenksäule 14 als eine einzige Welle gezeigt, jedoch ist sie in der Praxis wahrscheinlich aus einer Reihe von Komponenten gebildet. Beispielsweise kann die Lenksäule aus einigen teleskopischen Teilen gebildet sein und kann einen Drehmomentsensor (z. B. eine Torsionsstabanordnung) zwischen dem Lenkradende und dem gegenüberliegenden Ende aufweisen.
Das gegenüberliegende untere Ende der Lenksäule 14 ist in einem Gehäuse 20 aufgenommen, in dem es durch ein Lager, das allgemein bei 22 dargestellt wird, drehbar befestigt ist. Wie am besten in 2 zu sehen ist, ist ein Geradstirnrad (Zahnritzel) 24 fest an dem unteren Ende der Lenksäule 14 in Längsrichtung von dem Lager 22 nach innen hin befestigt und wird dabei auf eine Drehung mit der Lenksäule 14 und dem Lenkrad 18 beschränkt.
Das Gehäuse 20 umschließt auch zwei identische Elektromotoren 28, 30, die jeweils eine jeweilige identische Motorausgangswelle 32, 34 aufweisen, die direkt von dem jeweiligen Motor 28, 30 angetrieben wird.
Die Ausgangswellen 32, 34 erstrecken sich mit ihren Längsachsen 36, 38 parallel zueinander und sind bezüglich des Gehäuses 20 durch ein unteres und ein oberes Lager 40, 42 drehbar befestigt. Im Gebrauch ist die Lenksäulenanordnung 10 so installiert, dass die Längs-/Drehachsen 36, 38 der der Ausgangswellen 32, 34 vertikal zur Drehachse 16 der Lenksäule 14 ausgerichtet sind.
Jede Motorausgangswelle 32, 34 ist an einer Stelle, die etwa in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Enden der jeweiligen Welle liegt, als eine Schnecke 46, 48 ausgebildet. Die Schnecken 46, 48 sind identisch, und kämmen mit dem Geradstirnrad (Zahnritzel) 24 an diametral gegenüberliegenden Positionen auf gegenüberliegenden Seiten des Zahnrads.
Ein Zielmagnet 50, 52 des ringförmigen Motorpositionssensors (MPS) ist fest an dem Ende jeder Motorausgangswelle 32, 34 von dem Motor 28, 30 entfernt, d. h. auf der dem Motor gegenüberliegenden Seite der Schnecke, durch Befestigungsmanschetten 54, 56, die fest an dem Ende jeder Motorausgangswelle 32, 34 befestigt sind, gesichert. Die MPS-Zielmagneten 50, 52 drehen sich somit mit ihren jeweiligen Motorausgangswellen 32, 34, und ihre Drehung (und somit die Drehung der Wellen 32, 34) wird von einem jeweiligen MPS-Sensor 58, 60, der an einer Unterfläche einer in dem Gehäuse befestigten MPS-Sensor-Leiterplatte 62 befestigt ist, detektiert. Die MPS-Zielmagneten 50, 52 und die MPS-Sensoren 58, 60 sind bekannt, und in Abhängigkeit von den Umständen können verschiedene Arten von Magneten und Sensoren verwendet werden.
Die MPS-Sensoren 58, 60 sind mit einer Überwachungs- und Steuerschaltung auf der MPS-Sensor-Leiterplatte 62 verbunden, die zum Messen der Drehung der Motorausgangswellen 32, 34 konfiguriert ist. Signale von den MPS-Sensoren 58, 60 werden über einen ersten Verbinder 64 an eine erste PCB 66 eines elektronischen Steuergeräts (ECU) geleitet. Das ECU umfasst eine erste und eine zweite Leiterplatte (PCBs) 66, 68 und steuert den Betrieb der zwei Motoren 28, 30 dahingehend, ein Soll-Drehmoment von jedem Motor 32, 34 an die Lenksäule 14 und somit an das Lenkrad 18 auf bekannte Art und Weise anzulegen, wie beschrieben wird.
Die Rückseite des Gehäuses 20 ist auch mit elektrischen Verbindern 70, 72, 74 versehen, die dazu konfiguriert sind, mit komplementären Verbindern an einem Fahrzeug, in das die Lenkanordnung eingebaut werden soll, zusammenzupassen.
Im Gebrauch ist die Lenkanordnung 10 in einem Fahrzeug installiert, und in der Regel ist die Lenksäule 14 zur Horizontalen um etwa 20° bis 25° geneigt. Eine Drehung des Lenkrads 18 durch einen Fahrer führt zu einer Drehung der Lenksäule 14, die auf bekannte Art und Weise gemessen und zur Steuerung der Ausrichtung der lenkbaren Räder des Fahrzeugs durch ein elektronisches Steuergerät Steer-by-Wire-artig, d. h. ohne eine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den lenkbaren Rädern, verwendet wird. Eine Drehung der Schnecken 46, 48 durch ihre jeweiligen Motoren 28, 30 wird dahingehend von dem durch die PCBs 66, 68 gebildeten ECU gesteuert, ein Rückmeldungsdrehmoment an die Lenksäule 14 und das Lenkrad 18 anzulegen, um für eine Straßengefühlwahrnehmung für den Fahrer zu sorgen. Durch Verwendung von zwei Schnecken 46, 48 kann das Drehmoment, das an jede angelegt wird, dahingehend gesteuert werden, Totgang und Getriebeklappern zu reduzieren.
Eine Drehung der Motorausgangswellen 32, 34 und somit der Schnecken 46, 48 führt zu einer Drehung der Magneten 50, 52 der ringförmigen MPS, die auf der den jeweiligen Motoren 28, 30 gegenüberliegenden Seite der Schnecken 46, 48 an den Motorausgangswellen 32, 34 befestigt sind. Die Drehung der MPS-Magneten 50, 52 wird durch die jeweiligen Bewegungspositionssensoren 58, 60 auf der MPS-Sensor-Leiterplatte 62 detektiert und von dem durch die PCBs 66, 68 gebildeten ECU dazu verwendet, die Motoren 28, 30 dahingehend zu steuern, eine entsprechende Höhe von Drehmoment an die Schnecken 46, 48 anzulegen.
Durch das Positionieren der MPS-Magneten 50, 52 (und dadurch der MPS-Sensoren 58, 60) von ihren jeweiligen Motoren 28, 30 entfernt, d. h. an dem gegenüberliegenden Ende der jeweiligen Motorausgangswelle 32, 34, wird das Packaging der Lenkanordnung 10 verbessert, d. h. der zur Verfügung stehende Platz effektiver und/oder effizienter genutzt, und das Auftreten und/oder die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen von den Wicklungen der Motoren 28, 30 werden reduziert.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorstehenden Ausführungsform beschränkt.
Beispielsweise können die magnetischen Zielglieder 50, 52 und ihre zugehörigen Sensoren 58, 60 durch andere Mittel zum Detektieren von Winkelstellungen der Ausgangswellen des ersten und des zweiten Motors ersetzt werden. Beispielsweise können die Detektionsmittel optoelektronische Erfassungsmittel, einen VR-Resolver (wobei das Zielglied in diesem Fall der Resolverrotor wäre) oder irgendwelche anderen Mittel zum Detektieren der Winkelstellungen der Motorausgangswellen umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2579374 A [0005]

Claims

Lenksäulenanordnung für ein Fahrzeug, die Folgendes umfasst: eine längliche Lenksäule, die zur Drehung um ihre Längsachse befestigt und zur Befestigung eines Lenkrads an einem Ende konfiguriert ist; ein erstes Zahnrad, das an einer von der Lenkradbefestigungsstelle beabstandeten Stelle mit der Lenksäule verbunden und zur Drehung mit der Lenksäule konfiguriert ist; einen ersten und einen zweiten Motor, die jeweils eine Ausgangswelle aufweisen; eine erste und eine zweite Schnecke, die mit der Ausgangswelle des ersten bzw. des zweiten Motors direkt verbunden und drehbar sind und mit dem ersten Zahnrad in Eingriff stehen; Steuermittel, die zum Betrieb des ersten und des zweiten Motors konfiguriert sind; und Motorpositionssensormittel zur Erfassung der Drehposition der Motorausgangswellen, wobei jedes Sensormittel ein Zielglied, das an einer jeweiligen Motorausgangswelle auf der dem Motor gegenüberliegenden Seite der Schnecke fest befestigt ist, und einen Sensor zum Detektieren des Zielgliedes umfasst.
Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1, wobei das erste Zahnrad an dem dem Lenkrad gegenüberliegenden Ende der Lenksäule mit der Lenksäule verbunden ist.
Lenksäulenanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei jedes Zielglied an einem Ende einer jeweiligen Motorausgangswelle befestigt ist.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Motor an einem Ende einer jeweiligen Motorausgangswelle befestigt ist.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Lager für die Ausgangswelle jedes Motors umfasst, das zwischen der jeweiligen Schnecke und dem Zielglied positioniert ist.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Zielglied ein magnetisches Glied umfasst.
Lenksäulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jedes Zielglied einen VR(Variable Reluctance)-Resolver umfasst.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoren zum Detektieren der Zielglieder an oder neben den Enden der Motorausgangswellen an der den Motoren gegenüberliegenden Seite der Schnecken positioniert sind.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoren zum Detektieren der Zielglieder an einer Leiterplatte befestigt sind.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehachsen der Ausgangswellen des ersten und des zweiten Motors im Wesentlichen parallel sind.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schnecken auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse des ersten Zahnrads positioniert sind.
Lenksäulenanordnung nach Anspruch 11, wobei die Schnecken an diametral gegenüberliegenden Seiten der Drehachse des ersten Zahnrads positioniert sind.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Schnecke Teil der Ausgangswelle des ersten bzw. des zweiten Motors sind.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehachsen der Ausgangswellen des ersten und des zweiten Motors im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Lenksäule ausgerichtet sind.
Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Motor unter der ersten bzw. der zweiten Schnecke positioniert sind.
Fahrzeug, das eine Lenksäulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.