DE10253898A1

DE10253898A1 - Verfahren zur Ermittlung der Winkelbeschleunigung einer Welle und Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle

Info

Publication number: DE10253898A1
Application number: DE2002153898
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr.-Ing. Fehlings; Alexander Dipl.-Ing. Wiertz
Original assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Current assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: DE10253898B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Winkelbeschleunigung einer Welle, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbeschleunigung über die Auslenkungg eines Trägheitselements relativ zu einem Bezugselement ermittelt wird, wobei das Bezugselement drehfest an der Welle angebracht ist und das Trägheitselement mit einem federnden Element an der Welle angebunden ist; und einen Senor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle, mit einer Welle (1), einem Bezugselement, das drehfest an der Welle angebracht ist, einem Trägheitselement, das relativ zur Welle verdrehbar ist, und einer Feder (5), die das Trägheitselement in eine Mittelstellung beaufschlagt, wobei das Bezugselement und das Trägheitselement jeweils mehrere Einschnitte aufweisen, so dass sich bei einer Drehung des Trägheitselements relativ zum Bezugselement die Überdeckung zwischen Bezugselement und Trägheitselement ändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Winkelbeschleunigung einer Welle, insbesondere für ein Fahrzeug-Lenksystem.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle, insbesondere einer Lenkwelle eines Fahrzeuglenksystems.
Lenksysteme von Fahrzeugen sind in der Regel mit Steuersystemen zur bedarfsabhängigen Regelung der Lenkunterstützungskomponenten ausgestattet. Der Bedarf wird anhand der Lenkwinkelgeschwindigkeit ermittelt. Die Lenkwinkelgeschwindigkeit ergibt sich durch Ableitung der Lenkeingangsgröße nach der Zeit. Über einen Sensor wird der Lenkwinkel ermittelt und daraus durch Differentiation die Lenkwinkelgeschwindigkeit errechnet.
Aus der Patentschrift DE 42 32 256 ist ein solches Lenksystem bekannt, bei dem aus einem über einen Lenkwinkelsensor ermittelte Lenkwinkel über einen Laplace-Operator die Lenkwinkelgeschwindigkeit errechnet wird. Die Lenkwinkelgeschwindigkeit wird in diesem Fall für die Steuerung der auf das Lenkrad wirkenden Lenkreaktionskraft benötigt.
Die DE 38 40 101 zeigt ein Verfahren zur Steuerung eines Radeinschlagwinkels eines Fahrzeugs, bei dem eine Lenkeingangsgröße nach der Zeit differenziert wird, und ein Lenksystem, das eine Steuereinheit zur Ausführung eines Steuervorgangs auf der Grundlage einer Ableitung der Lenkeingangsgröße nach der Zeit enthält.
Bei Lenkvorgängen in Fahrzeugen treten insbesondere in Extremsituationen hochdynamische Vorgänge auf, auf die das Lenksystem schnellstmöglich reagieren muss. Das Ansprechverhalten der Regelstrecken in den Lenksystemen ist jedoch mit einer gewissen Trägheit des Regelsystems verbunden. Die zu differenzierenden Messsignale müssen für ihre Messbarkeit eine bestimmte Signalstärke erreichen, wodurch sich ebenfalls Verzögerungen ergeben können. Darüber hinaus muss eine Störanfälligkeit des Vorgangs der Differentiation von Messsignalen kompensiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Winkelbeschleunigung einer Welle insbesondere im Lenksystem eines Fahrzeugs zu schaffen, das die Trägheit des Regelsystems zumindest teilweise kompensiert, wodurch ein beschleunigtes Ansprechverhalten erreicht wird, und das eine geringe Störanfälligkeit aufweist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle von konstruktiv einfachem Aufbau insbesondere für ein Lenksystem eines Fahrzeugs zu schaffen, wobei sich aus der gemessenen Winkelbeschleunigung durch Integration die Lenkwinkelgeschwindigkeit ermitteln lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Winkelbeschleunigung über die Auslenkung eines Trägheitselements relativ zu einem Bezugselement ermittelt wird, wobei das Bezugselement drehfest an der Welle angebracht ist und das Trägheitselement mit einem federnden Element an der Welle angebunden ist. Bei einer Drehung des Trägheitselements relativ zum Bezugselement ändert sich, bedingt durch die Ausformung der Elemente, die Überdeckung zwischen Bezugselement und Trägheitselement, wobei der Grad dieser Änderung ein Maß für die wirkende Winkelbeschleunigung darstellt.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren und den erfindungsgemäßen Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile.
Bei der vorgeschlagenen Änderung des Messprinzips zu einer Messung der Lenkwinkelbeschleunigung lässt sich das Ansprechverhalten der Regelstrecke verbessern, da messbare Beschleunigungssignale bei einem hochdynamischen Vorgang deutlich früher vorliegen als ein Signal der Geschwindigkeit oder des Winkels. Dadurch wird eine gewisse Vorhaltung ermöglicht und die Trägheit der Regelstrecke zumindest teilweise kompensiert. In der Messtechnik wird eine Integration von Messsignalen allgemein als einfacher und mit geringerer Störanfälligkeit behaftet angesehen als eine Differentiation von Messsignalen.
Der erfindungsgemäße Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle ermittelt die wirkende Beschleunigung über die relative Auslenkung eines Trägheitselements, das mit einem federnden Element an einer Welle, z.B. der Lenkwelle eines Lenkrades, angebunden ist, zu einem drehfest an der Welle angebrachten Bezugselement.
Der erfindungsgemäße Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle weist in einer ersten Ausführungsform einen elektrischen Schwingkreis auf, der von zwei von einander beabstandeten Platten gebildet wird, die jeweils in einer zur Welle senkrechten Ebene an dieser drehfest angebracht und über eine Spule miteinander verbunden sind. Ein zwischen den beiden als Kondensatoren wirkenden Platten angeordnetes und über ein federndes Element auslenkbar an die Welle angebundenes Trägheitselement enthält ein Dielektrikum. Die Kondensatorplatten und das Dielektrikum sind jeweils segmentiert. Im Ruhezustand der Welle befindet sich das Dielektrikum zur Hälfte zwischen den Plattensegmenten und zur Hälfte in den Zwischenräumen der Plattensegmente.
Bei einer auf die Welle wirkenden Winkelbeschleunigung verdreht sich das Dielektrikum relativ zu den Platten, wodurch sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises ändert. Der elektrische Schwingkreis wird induktiv von einer in einem die Welle umgebenden Gehäuse angeordneten Spule derart angeregt, dass eine solche Änderung der Resonanzfrequenz erfasst werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle wird das über ein federndes Element auslenkbar an der Welle angeordnete Trägheitselement durch eine in axialer Richtung geschlitzte Hülse gebildet, die konzentrisch um eine zweite in axialer Richtung geschlitzte Hülse herum angeordnet ist, welche an die Welle angefügt ist. In einem die Welle umgebenden Gehäuse ist wenigstens eine Lichtquelle angeordnet, von der ein Lichtstrahl in radialer Richtung tangential zur Welle verläuft. Am gegenüberliegenden Ende der Lichtquelle ist ein lichtabhängiger Widerstand angeordnet. Im Ruhezustand der Welle wird durch die Anordnung von innerer und äußerer Hülse die Hälfte der Gesamtlichtmenge abgeschattet. Bei einer auf die Welle wirkenden Winkelbeschleunigung verdreht sich die äußere Hülse relativ zur inneren Hülse, wodurch in Abhängigkeit von der Drehrichtung eine vermehrte oder verringerte Abschattung auftritt. Durch eine ausreichende Anzahl von Lichtstrecken wird sichergestellt, dass die Summe der auf den lichtabhängigen Widerstand auftreffenden Lichtmenge nicht durch Abschattungen der geschlitzten Hülsen in den einzelnen Lichtstrecken beeinflusst wird und somit bei konstanter Beschleunigung auch ein konstantes Signal anliegt. Aus der Änderung der gemessenen Lichtmenge ergibt sich das Messsignal der Winkelbeschleunigung.
Die hier beschriebenen Sensorprinzipien können auch zur Messung von Drehmomenten, wie z.B. dem Moment eines Elektromotors in einem Lenksystem, eingesetzt werden. Dies bedingt eine andere Auslegung der federnden Verbindung, über die dann das Motormoment übertragen werden muss.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform näher beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
1 in einer Draufsicht einen erfindungsgemäßen Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle, der einen elektrischen Schwingkreis aufweist;
2 in einer geschnittenen Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Sensors gemäß 1;
3 in einer geschnittenen Draufsicht einen erfindungsgemäßen Sensor gemäß 1.
In den 1 bis 3 ist ein erfindungsgemäßer Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle gezeigt, mit zwei segmentierten Platten 2, die über eine Spule 4 zu einem elektrischen Schwingkreis verbunden sind. Die Platten 2 wirken als Kondensatorplatten und sind ebenso wie die Spule 4 an eine Welle 1, wie z.B. die Lenkwelle eines Fahrzeuglenkrades, angefügt. Zwischen der oberen und der unteren Platte 2 ist ein Dielektrikum 3 über eine Feder 5 auslenkbar an die Welle 1 angebunden. Das Dielektrikum 3 ist ebenfalls segmentiert. Wie in 3 gezeigt, ist das Dielektrikum 3 im Ruhezustand der Welle 1, wenn keine Winkelbeschleunigung auf sie wirkt, jeweils zur Hälfte zwischen den Plattensegmenten 2 und deren Zwischenräumen angeordnet. Wirkt nun eine Winkelbeschleunigung auf die Welle 1, so verdreht sich das Dielektrikum 3 relativ zu den Platten 2, wodurch eine größere oder kleinere Fläche der Plattensegmente 2 vom Dielektrikum 3 überdeckt wird. Die Verdrehung ist abhängig von der Drehrichtung der Welle 1 und der wirkenden Winkelbeschleunigung. Eine Verdrehung des Dielektrikums 3 verändert die Kapazität des durch die Platten 2 gebildeten Kondensators und bewirkt eine Veränderung der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises. Wird der elektrische Schwingkreis induktiv von einer Spule, die in einem die Welle 1 umgebenden Gehäuse angeordnet ist, in geeigneter Weise angeregt, so lässt sich eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises als Messsignal der Winkelbeschleunigung erfassen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Winkelbeschleunigung einer Welle, insbesondere für ein Fahrzeug-Lenksystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbeschleunigung über die Auslenkung eines Trägheitselements relativ zu einem Bezugselement ermittelt wird, wobei das Bezugselement drehfest an der Welle angebracht ist und das Trägheitselement mit einem federnden Element an der Welle angebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei einer Drehung des Trägheitselements relativ zum Bezugselement die Überdeckung zwischen Bezugselement und Trägheitselement ändert, wobei der Grad dieser Änderung ein Maß für die wirkende Winkelbeschleunigung darstellt.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle, insbesondere einer Lenkwelle eines Fahrzeug-Lenksystems, mit einer Welle (1), einem Bezugselement, das drehfest an der Welle (1) angebracht ist, einem Trägheitselement, das relativ zur Welle (1) verdrehbar ist, und einer Feder (5), die das Trägheitselement in eine Mittelstellung beaufschlagt, wobei das Bezugselement und das Trägheitselement jeweils mehrere Einschnitte aufweisen, so dass sich bei einer Drehung des Trägheitselements relativ zum Bezugselement die Überdeckung zwischen Bezugselement und Trägheitselement ändert.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Welle (1) angebrachte Bezugselement zwei von einander beabstandete Platten (2) umfasst, die mit einer Spule (4) zu einem elektrischen Schwingkreis verbunden sind.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägheitselement zwischen den Platten (2) angeordnet ist und ein Dielektrikum (3) enthält.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Platten (2) als auch das Dielektrikum (3) jeweils segmentiert sind.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (3) im Ruhezustand der Welle (1) zur Hälfte zwischen den Plattensegmenten und zur Hälfte in den Zwischenräumen der Plattensegmente angeordnet ist.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Dielektrikum (3) bei einer auf die Welle (1) wikenden Winkelbeschleunigung relativ zu den Platten (2) verdreht, wodurch sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises ändert.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis induktiv von einer in einem die Welle umgebenden Gehäuse angeordneten Spule derart angeregt wird, dass eine Änderung der Resonanzfrequenz erfasst werden kann.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägheitselement durch eine in axialer Richtung geschlitzte Hülse gebildet wird, die konzentrisch um eine zweite in axialer Richtung geschlitzte Hülse herum angeordnet ist, welche drehfest an der Welle angebracht ist.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem die Welle umgebenden Gehäuse wenigstens eine Lichtquelle angeordnet ist, von der aus ein Lichtstrahl in radialer Richtung tangential zur Welle verläuft.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am gegenüberliegenden Ende der Lichtquelle ein lichtabhängiger Widerstand angeordnet ist.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand der Welle durch die Anordnung von innerer und äußerer Hülse die Hälfte der Gesamtlichtmenge abgeschattet wird.
Sensor zur Messung der Winkelbeschleunigung einer Welle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die äußere Hülse bei einer auf die Welle wirkenden Winkelbeschleunigung relativ zur inneren Hülse verdreht, wodurch in Abhängigkeit von der Drehrichtung eine vermehrte oder verringerte Abschattung auftritt.