DE19747638C1

DE19747638C1 - Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19747638C1
Application number: DE19747638A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Brenner; Martin Dipl Ing Budaker; Willi Dipl Ing Nagel; Uwe Loreit
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: US6250420B1; JP2001521163A; WO1999021747A1; CN1084688C; EP1024990A1; DE59810563D1; BR9813304A; KR20010031418A; CN1277584A; ES2213926T3; EP1024990B1; KR100602750B1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Hilfskraftlenkung enthält eine Ein gangswelle, die mit einem Lenkhandrad in Wirkverbindung steht und die zur Übertragung eines für das Lenken von zu lenkenden Rädern erforderlichen Drehmomentes dient. Ein Ausgangsglied steht mit den zu lenkenden Rädern in Wirkver bindung. Ein Servomotor, durch den eine Hilfskraft auf die Eingangswelle oder das Ausgangsglied ausgeübt werden kann, ist an der Hilfskraftlenkung angeordnet. Die Eingangswelle und das Ausgangsglied sind über ein drehelastisches Glied derart miteinander verbunden, daß zwischen der Eingangs welle und dem Ausgangsglied eine begrenzte Verdrehbewegung möglich ist. Zum kontaktfreien Erfassen der Richtung und der Stärke eines auf die Eingangswelle wirkenden Lenk drehmomentes dient eine berührungsfreie Erfassungseinheit. Die Erfassungseinheit umfaßt je einen mit der Eingangswelle und dem Ausgangsglied verbundenen Impulsgeber und einen Sensor. Die Impulsgeber sind als Magnetringe ausgebildet, die an ihren Umfangsflächen mit magnetischen Nord- und Süd polen in abwechselnder Reihenfolge versehen sind. Die bei den Magnetringe werden mit gleichen Anzahlen von Polpaaren ausgestattet und jedem Magnetring wird ein gehäusefester Sensor zugeordnet, durch den sowohl die relative Lage der Magnetringe und damit die relative Lage der Eingangswelle und des Ausgangsgliedes zueinander als auch die Drehge schwindigkeit der Eingangswelle erfaßt werden. An der Ein gangswelle ist ein zweiter Magnetring mit einem zugehörigen zweiten Sensor angeordnet, der zur Erfassung des Lenkwin kels dient. Die beiden Magnetringe, die an der Eingangswel le angeordnet sind, weisen unterschiedliche Anzahlen von Polpaaren auf.

Eine derartige Hilfskraftlenkung ist beispielsweise bekannt aus der DE 38 21 083 A1. Bei dieser Hilfskraftlen kung sind zwei Trommeln aus nichtmagnetischem Material mit einer Eingangswelle bzw. mit einem Ausgangsglied verbunden. Die Trommeln sind auf ihrem Umfang derart mit magnetisier baren Medien versehen, daß sie abwechselnd magnetische Nord- und Südpole bilden. Durch Messen der Differenz der Drehwinkel der beiden Trommeln wird unter Verwendung von magnetoresistiven Elementen das Drehmoment erfaßt.

Über die Erfassung des Drehmomentes kann man die Ser vounterstützung einer Elektrolenkung regeln. Regelt man die Servounterstützung bei einer Elektrolenkung rein drehmo mentabhängig, so wird dies im Fahrbetrieb als ungewohnt empfunden, da dann andere Reibungsverhältnisse bestehen als bei einer hydraulisch unterstützten Hilfskraftlenkung. Die "Rückmeldung" der Lenkgeschwindigkeit auf das Lenkmoment fehlt. Um diesen Nachteil auszugleichen, ist eine Erfassung der Lenkgeschwindigkeit notwendig. Für die Erfassung der Lenkgeschwindigkeit wird bei bekannten Elektrolenkungen, beispielsweise in der DE 37 11 854 C2, ein zusätzlicher Sensor vorgesehen. Dieser Sensor weist beispielsweise einen Gleichstrom-Tachogenerator auf, der einen Gleichstrom mit einer an die Lenkgeschwindigkeit angepaßten Spannung er zeugt. Ein derartiger Lenkgeschwindigkeitssensor bedeutet einen relativ großen Aufwand für die Erfassung der Lenkge schwindigkeit. Außerdem kann der absolute Lenkwinkel bei auftretenden Fehlern verlorengehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelung einer gattungsgemäßen, elektrisch unterstützten Hilfskraft lenkung zu verbessern. Insbesondere soll es möglich sein, zusätzlich den absoluten Lenkwinkel mit einfachen Mitteln zu erfassen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekenn zeichnete Hilfskraftlenkung gelöst. Die Lösung erfolgt da durch, daß bei einer gattungsgemäßen Hilfskraftlenkung ein dritter Magnetring mit einem zugehörigen dritten Sensor an der Eingangswelle zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels angeordnet wird und der dritte Magnetring mit der Eingangs welle über ein Untersetzungsgetriebe verbunden ist. Dadurch wird verhindert, daß bei auftretenden Fehlern, beispiels weise bei einem Stromausfall, der absolute Lenkwinkel ver lorengeht.

Mit der Erfassung des Lenkwinkels kann der Rücklauf der Lenkung aktiv beeinflußt werden. Außerdem ist dadurch eine Mittendämpfung zum Unterdrücken von Überschwingern beim Rücklauf möglich. Außerdem wird der Geradeauslauf des Kraftfahrzeugs verbessert.

Weitere Vorteile sind eine genaue Zentrierung auf die Geradeausfahrtstellung der Lenkung und die Möglichkeit ei ner Kennliniengestaltung in Abhängigkeit vom Lenkeinschlag. Dies bedeutet, daß in Geradeausfahrtstellung eine andere Kennlinie als im Parkierbereich vorliegt. Außerdem kann das Lenkwinkelsignal für weitere Fahrzeugsteuergeräte, wie bei spielsweise ein aktives Fahrwerk oder eine Wankstabilisie rung, herangezogen werden.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung sind in den Unteransprüchen angegeben. Das Unter setzungsgetriebe ist beispielsweise nach der Art eines "Harmonic Drive"-Getriebes ausgeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungs gemäße Hilfskraftlenkung am Beispiel einer Zahnstangenlenkung;

Fig. 2 den Querschnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1.

Die Erfindung wird am Beispiel einer Hilfskraftlenkung mit einem Zahnstangengetriebe erläutert. Mit gleicher Wir kung kann die Erfindung jedoch auch auf andere Hilfskraft lenkungen, beispielsweise solche mit Kugelmuttergetrieben oder mit einer von dem Lenkgetriebe geteilten Lenksäule, angewendet werden.

In einem Lenkgehäuse, kurz als Gehäuse 1 bezeichnet, ist ein mit einer Ritzelwelle 2 verbundenes Ritzel 3 dreh bar gelagert. Das Ritzel 3 stellt ein Ausgangsglied dar, das mit nicht dargestellten, zu lenkenden Rädern in Wirk verbindung steht. Anstelle des Ritzels 3 steht bei einer Kugelmutterlenkung eine Gewindespindel. Die Ritzelwelle 2 ist über einen Drehstab 4 mit einer Eingangswelle 5 des Lenkgetriebes verbunden. Anstelle des Drehstabs 4 kann ein anderes drehelastisches Glied verwendet werden.

Das Ritzel 3 steht über ein Zahnrad- oder Schneckenge triebe 6 in trieblicher Verbindung mit einem Elektromo tor 7. Auf der Ritzelwelle 2 ist ein Schneckenrad 8 des Schneckengetriebes 6 befestigt. Das Ritzel 2 steht außerdem über eine Zahnstange 10 mit den zu lenkenden Rädern in trieblicher Verbindung.

An einem Teil des Gehäuses 1, in dem Ausführungsbei spiel nach Fig. 1 in dem oberen, der Eingangswelle 4 be nachbarten Teil, ist ein Sensorgehäuse 11 befestigt.

Auf der Ritzelwelle 2 ist ein Impulsgeber in der Form eines Magnetringes 12 angeordnet. Der Magnetring 12 wirkt zusammen mit einem Sensor 13, der in dem Sensorgehäuse 11 gehalten ist. Auf der Eingangswelle 5 ist ein erster Im pulsgeber in der Form eines Magnetrings 14 benachbart zu dem Magnetring 12 befestigt. Ein zugehöriger Sensor 15 ist in dem Sensorgehäuse 11 gehalten. Die beiden Magnetringe 12 und 14 sind an ihren Umfangsflächen in abwechselnder Rei henfolge mit magnetischen Nord- und Südpolen versehen. Bei de Magnetringe 12 und 14 weisen die gleiche Anzahl von Pol paaren auf.

Die Signale der beiden Sensoren 13 und 15 werden in einer Elektronik-Einheit 16 erfaßt und verarbeitet. Dabei wird über die relative Lage der beiden Magnetringe 12 und 14 zueinander das Drehmoment erfaßt. Ein über das Lenk handrad auf die Eingangswelle 5 eingeleitetes Drehmoment wird über den Drehstab 4 auf die Ritzelwelle 2 übertragen. Dabei kommt es, abhängig vom Drehmoment und von der Feder kennlinie des Drehstabes 4, zu einer relativen Verdrehung der Eingangswelle 5 zu der Ritzelwelle 2 und somit zu einer Verdrehung des Magnetringes 14 gegenüber dem Magnetring 12. Der Verdrehwinkel der Magnetringe 12 und 14 zueinander ist also bei gegebenem Drehstab 4 abhängig von dem Betätigungs moment an dem Lenkhandrad. Das gemessene Drehmoment dient als Meßgröße für die Servounterstützung und wird von der Elektronikeinheit 16 an den Elektromotor 7 weitergeleitet.

Neben dem Lenkdrehmoment kann die Drehgeschwindigkeit der Eingangswelle 5 durch die beiden Magnetringe 12 und 14 und die beiden Sensoren 13 und 15 erfaßt werden. Durch Mes sung der abgetasteten Pole der Magnetringe und deren Ablei tung über die Zeit kann die Drehgeschwindigkeit errechnet werden. Werden zusätzlich die horizontalen und vertikalen Zeigerkomponenten des Magnetfeldes ausgewertet, so läßt sich nach Art eines Inkrementalgebers zusätzlich die Dreh richtung bestimmen.

Wenn man benachbart zu dem ersten Magnetring 14 auf der Eingangswelle 5 einen zweiten Magnetring 17 anbringt und in dem Sensorgehäuse 11 einen zugehörigen Sensor 18, so kann man mit diesen beiden Magnetringen 14 und 17 und den beiden Sensoren 15 und 18 den Lenkwinkel bestimmen. Dies wird dadurch möglich, daß die beiden Magnetringe 14 und 17 voneinander abweichende Anzahlen von Polpaaren aufweisen. Dadurch kann über die jeweilige Stellung der Pole der bei den Magnetringe 14 und 17 zueinander auf den jeweiligen Lenkwinkel geschlossen werden. Die Lenkwinkelbestimmung mit dieser Methode ist auf einen Bereich von 180° beschränkt. Deshalb muß nach einmaliger Bestimmung der Geradeausfahrt stellung der jeweils zurückgelegte Lenkwinkel durch die Elektronik-Einheit 16 erfaßt und gespeichert werden, um auf den tatsächlichen Lenkwinkel schließen zu können.

Bei dieser Anordnung können Störungen, z. B. ein Stromausfall, zu Fehlern führen. Um solche Fehler auszu schalten, wird auf der Eingangswelle 5 ein dritter Magnet ring 20 mit einem zugehörigen Sensor 21 angeordnet. Der Sensor 21 ist wie die anderen Sensoren in dem Sensorgehäu se 11 gehalten. Der Magnetring 20 dagegen ist mit der Ein gangswelle 5 über ein Untersetzungsgetriebe 22 verbunden. Bei dem Untersetzungsgetriebe 22 handelt es sich um ein Innenverzahnungsgetriebe nach Art eines "Harmonic Drive"- Getriebes. Das Untersetzungsgetriebe 22 enthält ein außen verzahntes Zahnrad 23 und ein innenverzahntes Hohlrad 24. Das Hohlrad 24 ist in dem Sensorgehäuse 11 drehfest und konzentrisch zu der Achse der Eingangswelle 5 gelagert. Das Zahnrad 23 ist auf einer Buchse 25 um den Betrag einer Ex zentrizität "e" exzentrisch zu der Achse der Eingangswel le 5 gelagert. Die Exzentrizität "e" entspricht dem Achsab stand der Verzahnung. Dieses Untersetzungsgetriebe 22 er möglicht eine absolute Lenkwinkelerfassung über den gesam ten Bereich der Lenkhandradumdrehungen.

Der Magnetring 20, der mit dem Zahnrad 23 fest verbun den ist, ist mit zwei Polpaaren versehen. In Kombination mit dem Sensor 21 kann die absolute Winkellage über 90° erfaßt werden. Geht man von einer Lenkung mit insgesamt vier Lenkhandradumdrehungen aus, so bedeutet dies, daß in Verbindung mit dem Untersetzungsgetriebe 22, wie bereits erwähnt, die absolute Lenkwinkellage über den gesamten Len kungsbereich erfaßt werden kann.

Die Magnetringe 12, 14 und 20 und die Sensoren 13, 15 und 21 bilden zusammen mit der Elektronik-Einheit 16 eine Erfassungseinheit zum kontaktfreien Erfassen der Richtung und der Größe eines an der Eingangswelle 5 auftretenden Lenkmomentes, der Lenkgeschwindigkeit und des Lenkwinkels. Gemessen wird hierbei die Änderung eines Magnetfeldes, die durch eine Bewegung der Magnetringe 12, 14 und 20 hervor gerufen wird.

In einer anderen möglichen Ausführungsform, bei der der Elektromotor 7 nicht auf das Ritzel 3, sondern auf die Zahnstange 10 oder auf die Eingangswelle 5, bzw. eine mit der Eingangswelle 5 verbundene Lenksäule wirkt, kann die Erfassungseinheit an einer anderen Stelle der Hilfskraft lenkung angeordnet werden.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Ritzelwelle

3

Ritzel

4

Drehstab

5

Eingangswelle

6

Schneckengetriebe

7

Elektromotor

8

Schneckenrad

9

-

10

Zahnstange

11

Sensorgehäuse

12

Magnetring

13

Sensor

14

Magnetring

15

Sensor

16

Elektronik-Einheit

17

Magnetring

18

Sensor

19

-

20

Magnetring

21

Sensor

22

Untersetzungsgetriebe

23

Zahnrad

24

Hohlrad

25

Buchse

Claims

1. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung für Kraftfahrzeuge,

1. mit einer Eingangswelle (5), die mit einem Lenkhandrad in Wirkverbindung steht, zur Übertragung eines für das Lenken von zu lenkenden Rädern erforderlichen Lenk drehmomentes,
2. mit einem Ausgangsglied, das mit den zu lenkenden Rä dern in Wirkverbindung steht,
3. mit einem Servomotor, durch den eine Hilfskraft auf die Eingangswelle (5) oder das Ausgangsglied aus geübt werden kann, wobei die Eingangswelle (5) und das Ausgangsglied über ein drehelastisches Glied derart miteinander verbunden sind, daß zwischen der Eingangs welle (5) und dem Ausgangsglied eine begrenzte Ver drehbewegung möglich ist,
4. mit einer Erfassungseinheit zum kontaktfreien Erfassen der Richtung und der Stärke eines auf die Eingangswel le (5) wirkenden Lenkdrehmomentes,
5. wobei die Erfassungseinheit je einen mit der Ein gangswelle (5) und dem Ausgangsglied verbundenen Im pulsgeber und einen Sensor umfaßt,
6. wobei die Impulsgeber als Magnetringe (12, 14) ausge bildet sind, die an ihren Umfangsflächen mit magneti schen Nord- und Südpolen in abwechselnder Reihenfolge versehen sind, und mit folgenden weiteren Merkmalen:
7. jeder Magnetring (12, 14) weist eine gleiche Anzahl von Polpaaren auf,
8. jedem Magnetring (12, 14) ist ein gehäusefester Sen sor (13, 15) zugeordnet, durch den sowohl die relative Lage der Magnetringe (12, 14) und damit die relative Lage der Eingangswelle (5) und des Ausgangsgliedes zu einander als auch die Drehgeschwindigkeit der Ein gangswelle (5) erfaßt werden,
9. an der Eingangswelle (5) ist ein zweiter Magnet ring (17) mit einem zugehörigen zweiten Sensor (18) angeordnet zur Erfassung des Lenkwinkels,
10. der zweite Magnetring (17) und der erste an der Ein gangswelle (5) angeordnete Magnetring (14) weisen un terschiedliche Anzahlen von Polpaaren auf,

dadurch gekennzeichnet, daß an der Ein gangswelle (5) ein dritter Magnetring (20) mit einem zuge hörigen dritten Sensor (21) angeordnet ist zur Erfassung des absoluten Lenkwinkels und daß der dritte Magnet ring (20) mit der Eingangswelle (5) über ein Untersetzungs getriebe (22) verbunden ist.

2. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersetzungsgetriebe (22) nach der Art eines "Harmonic Drive"-Getriebes ausgeführt ist.

3. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach ei nem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der dritte Magnetring (20) mit zwei Polpaaren versehen ist.

4. Elektrisch unterstützte Hilfskraftlenkung nach ei nem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Servomotor ein Elektromotor (7) ist.