DE19914383A1

DE19914383A1 - Steering system for motor vehicles has steering wheel actuator with steering angle sensors, with one sensor supplying absolute value

Info

Publication number: DE19914383A1
Application number: DE1999114383
Authority: DE
Inventors: Jochen Schneider
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-10-05

Abstract

The system has a servo unit and is connected to a steering wheel actuator. It has at least two steering angle sensors (2,4) and a torque detector (8) for the motor (6). One of the sensors (4) is formed as a hollow shaft sensor and determines the absolute value. The torque detector is positioned co-axially between the motor and a part (1) to hold the steering wheel. The part may be held in a bearing, which forms one of the sensors (2). The torque detector is a torsion bar with expansion measuring strip.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkanlage nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a steering system according to the The preamble of claim 1 defined in more detail.

Bei diesen Lenkanlagen führt eine Fremdkrafteinrich tung immer dann eine Lenkbewegung der Fahrzeugräder aus, wenn eine Veränderung des Lenkwinkels an einem Lenkradak tuator, hervorgerufen durch einen Lenkeinschlag an einem Lenkrad, gegeben ist. Um dem Fahrer ein realistisches Lenk gefühl am Lenkrad zu vermitteln, ist es notwendig, am Lenk radaktuator über einen Antriebsmotor eine Gegenkraft zu erzeugen. Damit auch bei schnellen Änderungen der Lenkbewe gung die Gegenkraft dieser Lenkbewegung folgen kann, ist es notwendig, den Lenkradaktuator hochdynamisch auszuführen. Da keine mechanische Verbindung zwischen der Fremdkraftein richtung für die Lenkbewegung der Fahrzeugräder und dem Lenkradaktuator besteht, ist es notwendig, den Lenkradak tuator als Teil der Lenkanlage, als redundantes System auf zubauen. Da für die Abmessungen des Lenkradaktuators nur der Bauraum einer derzeitigen mechanischen Lenkung zur Ver fügung steht, ist der Lenkradaktuator kompakt auszuführen.In these steering systems, an external power unit leads always a steering movement of the vehicle wheels, when a change in the steering angle on a steering wheel tuator, caused by a steering lock on one Steering wheel, is given. To give the driver realistic steering To convey feeling on the steering wheel, it is necessary on the steering wheel actuator to a counterforce via a drive motor produce. So even with quick changes in the steering movement The counterforce can follow this steering movement, it is necessary to make the steering wheel actuator highly dynamic. Because there is no mechanical connection between the external force direction for the steering movement of the vehicle wheels and the Steering wheel actuator exists, it is necessary to remove the steering wheel tuator as part of the steering system, as a redundant system to build. As for the dimensions of the steering wheel actuator only the space of a current mechanical steering for ver the steering wheel actuator has to be compact.

Die EP 0 339 612 B1 offenbart einen Lenkradaktuator, bei welchem die Gegenkraft zur Erzeugung eines realisti schen Lenkgefühls über einen Antriebsmotor erzeugt wird, welcher über Stirnradgetriebe mit dem Lenkrad verbunden ist. Durch die Verwendung eines Stirnradgetriebes benötigt dieser Aktuator einen hohen Raumbedarf. Da der Antriebsmo tor über mehrere Stirnradgetriebe mit dem Lenkrad verbunden ist, ist es nicht möglich, bei schnellen Lenkbewegungen ein ausreichendes Gegendrehmoment zu erzeugen, welches den me chanischen Lenkanlagen entspricht, da durch die erhöhte Massenträgheit dieses Systems keine ausreichende Dynamik vorhanden ist. Zur Messung des Lenkwinkels wird nur ein inkrementaler Sensor verwendet. Durch die Verwendung nur eines Sensors ist bei Ausfall dieses Sensors kein redundan tes System vorhanden. In dem ein inkrementaler Sensor ver wendet wird, kann nach abgeschalteter Spannungsversorgung die Position des Lenkrads nicht mehr bestimmt werden, da diese Art von Sensor nur Lenkwinkeländerungen aufzeichnen kann.EP 0 339 612 B1 discloses a steering wheel actuator, where the counterforce to create a realistic steering feeling is generated by a drive motor, which is connected to the steering wheel via spur gear is. Required by using a spur gear this actuator takes up a lot of space. Since the drive motor Tor connected to the steering wheel via several spur gear is, it is not possible to use fast steering movements to generate sufficient counter torque, which the me Chanel steering systems corresponds, because of the increased Mass inertia of this system is not dynamic enough is available. Only one is used to measure the steering angle incremental sensor used. By using only of a sensor is not redundant if this sensor fails system in place. In which an incremental sensor ver can be used after the power supply is switched off the position of the steering wheel can no longer be determined because this type of sensor only record steering angle changes can.

Die DE 42 07 719 A1 offenbart eine Lenkanlage, bei welcher über einen Antriebsmotor, welcher auf ein Stirnrad getriebe wirkt ein Gegendrehmoment erzeugt wird, um ein realistisches Lenkgefühl zu vermitteln. Bei der Steuerung des Antriebsmotors welcher ein Gegendrehmoment erzeugt wird das tatsächliche Drehmoment, das dieser Antriebsmotor ab gibt, nicht gemessen, wodurch kein Soll-Ist-Wert-Vergleich möglich ist und somit das aufgebrachte Gegendrehmoment nicht geregelt werden kann. In dem als Untersetzungsge triebe zwischen Antriebsmotor und Lenkspindel ein Stirnrad getriebe verwendet wird, kann der Antriebsmotor den schnel len Lenkbewegungen nicht folgen, und zeichnet sich somit durch eine ungenügende Dynamik aus. Auch wird durch diese Anordnung keine ausreichend kompakte Antriebseinheit ge schaffen.DE 42 07 719 A1 discloses a steering system, at which via a drive motor, which on a spur gear a counter torque acts to produce a gear to convey realistic steering feeling. With the control of the drive motor which generates a counter torque the actual torque that this drive motor starts from there, not measured, which means no target / actual value comparison is possible and thus the applied counter torque cannot be regulated. In the as reduction gear drives a spur gear between the drive motor and the steering spindle gear is used, the drive motor can speed up len steering movements do not follow, and thus stands out insufficient dynamics. Also through this Arrangement is not a sufficiently compact drive unit ge create.

Die EP 0 447 626 B1 offenbart eine kybernetische Len kung, welche zur zeitweiligen Nachrüstung rechnergesteuer ter Fahrzeuge vorgesehen ist. Der Aktuator beinhaltet zwei Elektromotoren sowie Sensoren zur Drehwinkelerfassung des Lenkrades. Ein Erfassungsgerät für das Drehmoment des Lenk rades ist nicht vorhanden, so daß ein geregeltes Gegen drehmoment nicht aufgebracht werden kann. Indem der Aktua tor zwei Elektromotoren enthält, benötigt er sehr viel Bau raum. Auch ist der Einbau nur in schon vorhandene Lenksäu len möglich, welche somit nicht ersetzt werden können.EP 0 447 626 B1 discloses a cybernetic len kung, which for temporary retrofitting computer-controlled ter vehicles is provided. The actuator contains two Electric motors and sensors for detecting the angle of rotation of the Steering wheel. A steering torque detector Rades is not available, so that a regulated counter torque can not be applied. By the Aktua tor contains two electric motors, it requires a lot of construction room. Also, the installation is only in existing steering column len possible, which can not be replaced.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkanlage zu schaffen, welche sich dadurch auszeich net, daß der Aktuator einen geringen radialen Bauraum benö tigt, auf das Lenkrad ein geregeltes Drehmoment aufgebracht werden kann, welches auch schnellen Lenkbewegungen folgt und somit hochdynamisch ist und die Lenkradlagerung bein halten soll und eine hohe Betriebssicherheit aufweist.The present invention is based on the object to create a steering system, which is characterized by it net that the actuator need a small radial space controlled torque applied to the steering wheel can be, which also follows fast steering movements and is therefore highly dynamic and includes the steering wheel bearing should hold and has a high level of operational reliability.

Die Aufgabe wird mit einer, auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisenden, gattungsgemäßen Lenkanlage gelöst.The task comes with one, including the distinctive Features of the main claim, generic Steering system released.

Erfindungsgemäß wird der Aktuator der Lenkanlage so ausgeführt, daß der Lenkwinkel des Lenkrades von mindestens zwei oder mehr Sensoren aufgenommen werden kann. Von diesen zwei Sensoren gibt mindestens ein Sensor ein Absolutsignal aus, um nach unterbrochener Spannungsversorgung die absolu te Stellung des Lenkrades bestimmen zu können. Der Lenkein schlag kann auch von einem anderen Bedienelement erzeugt werden, welches nicht den Aufbau eines Lenkrades aufweist. Durch die Verwendung von zwei und mehr Sensoren erhält das System eine hohe Betriebssicherheit, da es eine mehrfach Redundanz aufweist. Die zwei Sensoren sind koaxial angeord net, wobei mindestens ein Sensor gleichzeitig die Aufgabe der Lagerung der Aufnahme des Lenkrades erfüllt. Alle Sen soren weisen einen mittigen Durchbruch auf, welcher eben falls koaxial angeordnet ist, um in diesem Durchbruch das Drehmomenterfassungsgerät installieren zu können. Durch die Verwendung eines Drehmomenterfassungsgerätes ist es mög lich, die Gegenkraft, welche ein Antriebsmotor auf das Lenkrad aufbringen kann, geregelt aufzubringen. Das Drehmo menterfassungsgerät kann das Drehmoment über einen Meßvor gang der elastischen Verformung von Bauteilen oder einer Spannungs- und/oder Stromaufnahme eines Antriebsmotors be stimmen. Der Antriebsmotor ist koaxial zu den Sensoren und dem Drehmomenterfassungsgerät so wie der Aufnahme des Lenk rades angeordnet, wodurch eine sehr kompakte Bauform ent steht, welche sich zusätzlich dadurch auszeichnet, daß kei ne Stirnraduntersetzungsgetriebe mit hohen Massenträgheits momenten bewegt werden müssen und sich somit auf die Dyna mik des Systems auswirkt. Der Antriebsmotor ist vorzugswei se als bürstenloser Gleichstrommotor mit Permanentmagnet läufer und einer ein- oder mehrsträngigen Ständerwicklung ausgeführt, welche sich weiter positiv durch ein geringes Trägheitsmoment und Sinusbestromung der Wicklung auf das dynamische Verhalten des Systems auswirkt. Durch den koa xialen Aufbau der Sensoren des Drehmomenterfassungsgerätes und des Antriebsmotors, welcher sich vorzugsweise durch seine längliche Bauform auszeichnet, kann der Aktuator in den vorhandenen Bauraum, welcher normaler Weise durch eine Längssäule vorgegeben ist, eingebaut werden. Indem die Lenkradlagerung gleichzeitig die Funktion der Drehwinkeler fassung erfüllt, kann eine sehr kompakte Bauform mit wenig Bauteilen realisiert werden. Durch die Verwendung von meh reren Sensoren und der Verwendung eines Drehmomenterfas sungsgerätes wird ein regelbares System geschaffen, welches sich durch Mehrfachredundanz sowie einer geregelten Drehmo mentabgabe auszeichnet. Die Signale der Sensoren und des Drehmomenterfassungsgerätes werden an eine elektronische Steuerung übermittelt, welche dann den Antriebsmotor des Aktuators ansteuert und gleichzeitig eine Fremdkraftein richtung ansteuert, welche die Lenkbewegung der Fahrzeugrä der übernimmt.According to the invention, the actuator of the steering system is so executed that the steering angle of the steering wheel of at least two or more sensors can be added. Of these two sensors gives at least one sensor an absolute signal off to the absolute after an interrupted power supply to be able to determine the position of the steering wheel. The driver impact can also be generated by another control element be, which does not have the structure of a steering wheel. This is achieved by using two or more sensors System high operational reliability because it is a multiple Has redundancy. The two sensors are arranged coaxially net, with at least one sensor doing the job at the same time the storage of the steering wheel holder fulfilled. All sen sensors have a central opening, which is flat if arranged coaxially in this breakthrough To be able to install torque detection device. Through the It is possible to use a torque detection device Lich, the counterforce that a drive motor has on the Can apply steering wheel, apply regulated. The torque ment acquisition device can measure the torque via a elastic deformation of components or a Voltage and / or current consumption of a drive motor be voices. The drive motor is coaxial with the sensors and the torque detection device as well as the mounting of the steering wheel arranged, which ent ent a very compact design stands, which is additionally characterized in that kei ne spur gear reduction gear with high inertia moments must be moved and thus affect the Dyna system impact. The drive motor is preferably two se as a brushless DC motor with permanent magnet rotor and a single or multi-strand stator winding executed, which continues to be positive by a small Moment of inertia and sinus current on the winding dynamic behavior of the system affects. Through the koa axial design of the sensors of the torque detection device and the drive motor, which preferably by characterized by its elongated design, the actuator in the available installation space, which is normally Longitudinal column is specified to be installed. By the Steering wheel bearing also the function of the angle bracket version, can be a very compact design with little Components can be realized. By using meh sensors and the use of a torque fiber a controllable system is created, which through multiple redundancy and a regulated torque ment levy. The signals from the sensors and the Torque detection device are connected to an electronic Control transmitted, which then the drive motor of the Actuator controls and at the same time an external force direction controls which the steering movement of the vehicle he takes over.

Fig. 1 zeigt einen Lenkradaktuator, bei welchem der Antriebsmotor direkt mit der Lenkradhalterung verbunden ist. Fig. 1 shows a steering wheel actuator, in which the drive motor is connected directly to the steering wheel holder.

Fig. 2 zeigt einen Lenkradaktuator, bei welchem der Antriebsmotor über eine Planetenstufe mit der Lenkradhalte rung verbunden ist. Fig. 2 shows a steering wheel actuator, in which the drive motor is connected via a planetary stage with the steering wheel holder.

Fig. 1

Ein Teil 1, welches zur Aufnahme eines nicht darge stellten Lenkrades verwendet wird, ist in zwei Lagern 2 in einem Gehäuse 3 gelagert. Die Lager 2 sind als Drehwinkel sensoren ausgeführt. Koaxial der Lagerung 2 nachgeschaltet ist ein Drehwinkelsensor 4 angeordnet, welcher mit dem Teil 1 in Verbindung steht und in dem Gehäuse 3 drehfest gehalten wird. Das Gehäuse 3 weist einen Flansch 5 auf, an welchem ein Antriebsmotor 6 befestigt ist. Der Antriebsmo tor 6 ist vorzugsweise als bürstenloser Gleichstrommotor mit Permanentmagnetläufer und einer ein- oder mehrsträngi gen Ständerwicklung ausgeführt. Die Abtriebswelle 7 des Antriebsmotors 6 ist drehfest mit einem Drehmomenterfas sungsgerät 8 verbunden, welches einerseits das zwischen Antriebsmotor 6 und dem Teil 1 anliegende Drehmoment ermit telt und andererseits das Drehmoment des Antriebsmotors 6 auf das Teil 1 und somit auf das Lenkrad überträgt. Somit erhält das Lenkrad ein geregeltes Gegendrehmoment vom An triebsmotor 6, wodurch der Fahrer ein realistisches Lenkge fühl erhält. Vorzugsweise besteht das Drehmomenterfassungs gerät 8 aus einem Torsionsstab mit aufgeklebten Dehnmeß streifen. Dadurch ist das Drehmomenterfassungsgerät einfach einzubauen und befindet sich in axialer Richtung im Bereich der Sensoren wodurch eine sehr kompakte Bauweise erreicht wird. Das Gehäuse 3 kann über Befestigungselemente an der Karosserie des Fahrzeugs befestigt werden.A part 1 , which is used to hold a steering wheel, not shown, is mounted in two bearings 2 in a housing 3 . The bearings 2 are designed as rotation angle sensors. A rotation angle sensor 4 , which is connected to part 1 and is held in the housing 3 in a rotationally fixed manner, is arranged downstream of the bearing 2 . The housing 3 has a flange 5 to which a drive motor 6 is attached. The Antriebsmo tor 6 is preferably designed as a brushless DC motor with a permanent magnet rotor and a single or Mehrsträngi gene stator winding. The output shaft 7 of the drive motor 6 is non-rotatably connected to a torque device 8 which on the one hand detects the torque present between the drive motor 6 and part 1 and on the other hand transmits the torque of the drive motor 6 to part 1 and thus to the steering wheel. Thus, the steering wheel receives a controlled counter torque from the drive motor 6 , which gives the driver a realistic steering feel. Preferably, the torque detection device 8 consists of a torsion bar with glued strain gauges. As a result, the torque detection device is easy to install and is located in the axial direction in the area of the sensors, resulting in a very compact design. The housing 3 can be fastened to the body of the vehicle using fastening elements.

Fig. 2

Ein Teil 1 welches zur Aufnahme des Lenkrades dient ist in den Lagern 2, welche gleichzeitig die Sensoren zur Erfassung des Lenkwinkels beinhalten gelagert. Koaxial zu den Lagern 2 ist ein Drehwinkelsensor 4 angeordnet, welcher mit dem Teil 1 in Verbindung steht. Ist und sich in dem Gehäuse 3 abstützt. Durch die Öffnung in dem Sensor 4 und den Lagern 2, ist koaxial ein Drehmomenterfassungsgerät 8 zwischen dem Teil 1 und einer Planetenstufe 9 welche von einem Antriebsmotor 6 angetrieben wird, eingebaut. Die Ab triebswelle 7 des Antriebsmotors 6 treibt ein inneres Zen tralrad 10 der Planetenstufe 9 an, bei welcher das Hohl rad 11 drehfest mit dem Antriebsmotor 6 verbunden ist und der Planetenträger 12 den Abtrieb bildet und mit dem Drehmomenterfassungsgerät 8 in Verbindung steht. Durch die Verwendung einer Planetenstufe kann der Antriebsmotor 6 kompakter ausgeführt werden.A part 1 which serves to hold the steering wheel is stored in the bearings 2 , which at the same time contain the sensors for detecting the steering angle. A rotation angle sensor 4 , which is connected to part 1, is arranged coaxially to the bearings 2 . Is and is supported in the housing 3 . Through the opening in the sensor 4 and the bearings 2 , a torque detection device 8 is coaxially installed between the part 1 and a planetary stage 9 which is driven by a drive motor 6 . From the drive shaft 7 of the drive motor 6 drives an inner Zen tralrad 10 of the planetary stage 9 , in which the hollow wheel 11 is rotatably connected to the drive motor 6 and the planet carrier 12 forms the output and is connected to the torque detection device 8 . By using a planetary stage, the drive motor 6 can be made more compact.

Das Drehmomenterfassungsgerät 8 kann aus einem Torsionsstab mit Dehnmesstreifen bestehen.The torque detection device 8 can consist of a torsion bar with strain gauges.

Da das Drehmomenterfassungsgerät 8 nicht den Sensoren 2 und 4 vor- oder nachgeschaltet angeordnet ist, sondern sich im axialen Bereich der Sensoren 2 und 4 befindet, wird ein kompakter Lenkradaktuator geschaffen. Since the torque detection device 8 is not arranged upstream or downstream of the sensors 2 and 4 , but is located in the axial area of the sensors 2 and 4 , a compact steering wheel actuator is created.

Reference numerals

11

Teil
part

22nd

Lager
camp

33rd

Gehäuse
casing

44th

Sensor
sensor

55

Flansch
flange

66

Motor
engine

77

Abtriebswelle
Output shaft

88th

Drehmomenterfassungsgerät
Torque detection device

99

Planetenstufe
Planetary stage

1010th

inneres Zentralrad
inner central wheel

1111

Hohlrad
Ring gear

1212th

Planetenträger
Planet carrier

Claims

1. Steering system in which an external force device generates a steering movement of the vehicle wheels and is connected via a control unit to a steering wheel actuator, in which a steering angle is determined on the control element via sensors ( 2 , 4 ) and a torque is generated via a drive motor ( 6 ) Which counteracts the steering force on the steering wheel actuator and the torque of the drive motor ( 6 ) is determined via a torque detection device ( 8 ), characterized in that at least two sensors ( 2 , 4 ) determine the steering angle, at least one sensor ( 4 ) of which Absolute value he averages and the torque detection device ( 8 ) is arranged coaxially between the drive motor ( 6 ) and a part ( 1 ) for receiving a steering wheel.

2. Steering system according to claim 1, characterized in that a drive motor ( 6 ) a torque measuring device ( 8 ) and sensors ( 2 , 4 ) for the determination of a steering angle are arranged coaxially.

3. Steering system according to claim 1, characterized in that at least one bearing ( 2 ) which stores a part ( 1 ) for receiving a steering wheel as a sensor ( 2 ) is designed for the steering angle.

4. Steering system according to claim 1, characterized in that a sensor ( 4 ), which determines the abso lutwert of the steering angle, is guided as a hollow shaft sensor.

5. Steering system according to claim 1, characterized in that a torque detection device ( 8 ) is arranged in the axial direction in the region of the sensors ( 2 , 4 ) for determining the angle of rotation.

6. Steering system according to claim 1, characterized in that a drive motor ( 6 ) is a brushless DC motor with a permanent magnet rotor with single or multi-strand stator windings.

7. Steering system according to claim 1, characterized in that a torque detection Ge advises ( 8 ) transmits the torque of a drive motor to a part ( 1 ) for receiving a steering wheel.

8. Steering system according to claim 1, characterized in that a torque detection Ge advises ( 8 ) is designed as a torsion bar with strain gauges.