DE19952217A1

DE19952217A1 - Elektrisches Lenkkraftunterstützungssystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19952217A1
Application number: DE1999152217
Authority: DE
Inventors: Klaus Hirschfeld; Frank Blaesing; Uwe Borgmann
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-03

Abstract

Ein elektrisches Lenkkraftunterstützungssystem für Kraftfahrzeuge mit einer Drehmomenterfassungseinrichtung zum Erfassen des von einem Fahrer bei einer Lenkbewegung des Lenkrades ausgeübten Drehmomentes ist dadurch bestimmt, daß die Drehmomenterfassungseinrichtung zumindest einen im Lenkrad angeordneten, an einer Auswerteeinheit angeschlossenen Meßwertaufnehmer 26, 27 umfaßt, der zum Erfassen des aufgebrachten Drehmoments an einer Stelle angeordnet ist, an der eine durch das aufgebrachte Drehmoment mit dem Meßwertaufnehmer 26, 27 meßbare Zustandsänderung eintritt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Lenkkraftunterstützungssy stem für Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung ein elektri sches Lenkkraftunterstützungssystem für Kraftfahrzeuge mit einer Drehmomenterfassungseinrichtung zum Erfassen des von einem Fahrer bei einer Lenkbewegung des Lenkrades ausgeübten Drehmomentes.

Zur Bereitstellung der für eine elektrische Lenkkraftunterstützung benö tigten Kenndaten - u. a. des durch einen Fahrer auf das Lenkrad ausge übten Drehmoments - ist bei vorbekannten Lenkkraftunterstützungssy stemen die Lenkspindel zweigeteilt aufgebaut, wobei beide Lenkspindel teile durch ein Torsionsmodul miteinander verbunden sind. Dem einen Lenkspindelabschnitt ist eine absolut messende Winkeldetektionseinheit und dem anderen Lenkspindelabschnitt ist eine den durch das Torsions modul bedingten Winkelversatz aufnehmende relativ messende Winkel detektionseinheit zugeordnet. Beide Winkeldetektionseinheiten sind zur Auswertung der erfaßten Daten an eine Prozessoreinheit angeschlossen. Das von einem Fahrzeuglenker über das Lenkrad auf den oberen Lenk spindelabschnitt ausgeübte Drehmoment ist direkt durch die relativ mes sende Winkeldetektionseinheit gegeben. In Abhängigkeit von dem ausge übten Drehmoment und der Winkelstellung erfolgt dann eine Lenkkraftun terstützung.

Diese vorbekannte Einrichtung vermag zwar die gewünschten und benö tigten Kenndaten zu liefern, jedoch ist eine Teilung der Lenkspindel in die beiden benötigten Abschnitte nicht unproblematisch auch bezüglich ihrer Lagerung und im Hinblick auf Sicherheitsaspekte. Überdies ist der für die se Kenndatenerfassung benötigte Hardwareeinsatz beträchtlich.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes gattungsgemäßes Lenkkraftunterstützungssystem dergestalt weiterzubilden, daß die benö tigte Drehmomenterfassung auch ohne eine geteilte Lenkspindel möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drehmo menterfassungseinrichtung zumindest einen im Lenkrad angeordneten, an eine Auswerteeinheit angeschlossenen Meßwertaufnehmer umfaßt, der zum Erfassen des aufgebrachten Drehmoments an einer Stelle angeord net ist, an der eine durch das aufgebrachte Drehmoment mit dem Meß wertaufnehmer meßbare Zustandsänderung eintritt.

Bei dem erfindungsgemäßen System zur elektrischen Lenkkraftunterstüt zung ist vorgesehen, daß die Drehmomenterfassung unmittelbar durch einen Meßwertaufnehmer, der beispielsweise druck- oder dehnungsemp findlich ist, erfolgt. Der Meßwertaufnehmer ist im Lenkrad vorgesehen und an einer solchen Stelle positioniert, an der eine durch das aufgebrachte Drehmoment meßbare Zustandsänderung eintritt. Als Zustandsänderung im Sinne dieser Erfindung wird eine meßbare Größe definiert, die sich beispielsweise durch eine Verformung ergibt. Die Vorteile des Anordnens des Meßwertaufnehmers innerhalb des Lenkrades machen den Einsatz eines Torsionsmoduls innerhalb einer geteilten Lenkspindel überflüssig. Überdies kann eine Datenübertragung von dem zumindest einen Meß wertaufnehmer an eine Auswerteeinheit oder von dieser in das kraftfahr zeugseitige Bordnetz über das ohnehin an der Schnittstelle zwischen dem Lenkrad und dem Mantelrohrmodul befindlichen Übertragungssystem, beispielsweise eine Wickelfederkassette, erfolgen. Das direkte Erfassen des von einem Fahrer auf das Lenkrad aufgebrachten Drehmomentes im Sinne einer gewünschten Lenkbewegung kann je nach Ausgestaltung des Meßwertaufnehmers an unterschiedlichen Stellen erfolgen. Allen Stellen, an denen ein solcher Meßwertaufnehmer positioniert werden kann, ist gemein, daß an diesen eine in Abhängigkeit von dem aufgebrachten Drehmoment einhergehende Relativbewegung zwischen zwei Elementen erfolgt. Als Meßwertaufnehmer können beispielsweise Piezo-Kristalle für den Fall, daß druckempfindliche Meßwertaufnehmer eingesetzt sind, oder Dehnungsmeßstreifen eingesetzt sein, für den Fall, daß als Meßwertauf nehmer ein dehnungsempfindlicher vorgesehen ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest ein Meßwertaufnehmer vorgesehen ist, um als Kupplungsglied zwischen dem Lenkrad und der Lenkspindel eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Teilen herzustellen. Ein auf das Lenkrad und somit auf die Nabe des Lenkrades ausgeübtes Drehmoment wird sodann über den druck empfindlichen Meßwertaufnehmer auf die Lenkspindel übertragen, wobei in diesem Falle der Meßwertaufnehmer selbst dasjenige Element ist, bei dem eine drehmomentabhängige Relativbewegung zwischen seinen bei den Enden erfolgt. Zweckmäßigerweise werden bei einer solchen Ausge staltung zwei diametral gegenüberliegende Meßwertaufnehmer einge setzt. Eine zusätzliche Vielverzahnung zwischen dem Lenkrad und der Spindel, die jedoch ein gewisses Spiel aufweist, können die Sicherheit dieses Systems unterstützen. Bei einer solchen Ausgestaltung der Drehmomenterfassungseinrichtung wirken die Meßwertaufnehmer quasi als Torsionsglied. Ist eine höhere Empfindlichkeit bei der Erfassung des auf das Lenkrad aufgebrachten Drehmomentes gewünscht, kann - wie in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen - dem Lenkrad ein radial aus dem Bereich der Nabe des Lenkrades nach außen erstreckender Meßarm zugeordnet sein. Im Bereich des freien Endes des Meßarmes ist der zumindest eine Meßwertaufnehmer angeordnet, um Relativbewegun gen zwischen dem Korpus des Lenkrades und dem Meßarm zu erfassen. Diese Anordnung ist durch die über den Meßarm bewirkte Hebellänge in Bezug auf die bei einem aufgebrachten Drehmoment resultierenden Rela tivbewegungen vergrößert.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist als Meßwertaufnehmer ein Dehnungsmeßstreifen vorgesehen, der an einem solchen Element des Lenkrades angebracht ist, welches sich bei einem aufgebrachten Drehmoment formlich verändert. Beispielsweise kann ein solcher Deh nungsmeßstreifen an einer Speiche des Lenkrades angeordnet sein. Da bei ist es zweckmäßig, derartige Dehnungsmeßstreifen an mehreren Lenkradspeichen anzuordnen, um durch Informationsredundanz eine Er höhung der Meßgenauigkeit herbeiführen zu können.

Auch mit einem dehnungsempfindlichen Meßwertaufnehmer kann eine drehfeste Verbindung zwischen dem Lenkrad und der Lenkspindel - wie oben mit dem druckempfindlichen Meßwertaufnehmer dargelegt - verwirk licht sein. In diesem Fall dient zur Kopplung ein Metallteil, auf dem ein sol cher Dehnungsmeßstreifen aufgebracht ist.

Mit solchen Dehnungsmeßstreifen läßt sich die bei einer Biegung des an grenzenden Elementes sich einstellende Dehnung eines Oberflächenab schnitts erfassen.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Be standteil der übrigen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschrei bung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen

Fig. 1 eine schematisierte Draufsicht auf ein Lenkrad mit Meß wertaufnehmern zum Beaufschlagen eines elektrischen Lenkkraftunterstützungssystems,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Lenkrad der Fig. 1,

Fig. 3 eine schematisierte Draufsicht auf ein weiteres Lenkrad mit Meßwertaufnehmern zum Beaufschlagen eines elektrischen Lenkkraftunterstützungssystems,

Fig. 4 einen schematisierten Querschnitt durch ein Lenkrad mit Meßwertaufnehmern zum Beaufschlagen eines elektrischen Lenkkraftunterstützungssystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und

Fig. 5 eine schematisierte Darstellung einer Lenkrad-Lenkspindel- Verbindung unter Einsatz von Meßwertaufnehmern zum Be aufschlagen eines elektrischen Lenkkraftunterstützungssy stems.

Ein Lenkrad 1 besteht aus einem äußeren Lenkradkranz 2, der über Spei chen 3-6 mit dem Lenkradkorpus 7 verbunden ist. Der Lenkradkorpus 7 umfaßt eine Nabe 8, mit der das Lenkrad 1 mit einer nicht dargestellten Lenkspindel verbunden wird. In dem Lenkradkorpus 7 befindet sich eine Auswerteeinheit 9, an die eingangsseitig vier Dehnungsmeßstreifen 10-13 angeschlossen sind. Die Dehnungsmeßstreifen 10-13 sind jeweils an der Außenseite einer Speiche 3-6 angeordnet. Die Dehnungsmeßstrei fen 10-13 erfassen Dehnungen an den Speichen 3-6, die sich einstel len, wenn ein Fahrer eines Kraftfahrzeuges über den Lenkradkranz 2 zum Lenken des Kraftfahrzeuges ein Drehmoment auf das Lenkrad 1 ausübt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Dehnungsmeßstrei fen 10-13 vorgesehen, damit Rotationsbewegungen des Lenkrades 1 von anderen Lenkradbewegungen, beispielsweise einem Anheben oder Absenken des Lenkrades unterschieden werden können. Diametral ge genüberliegende Dehnungsmeßstreifen 10, 13 bzw. 11, 12 liefern bei ei ner beabsichtigten Lenkraddrehbewegung jeweils gleiche Ausgangs signale.

Die Auswerteeinheit 9 ist in nicht dargestellter Art und Weise über eine Wickelfederkassette mit den weiteren Bestandteilen des Lenkkraftunter stützungssystems verbunden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Lenkrad 14, in dessen Lenkradkorpus 15 ein etwa U-förmig ausgebildeter Einschnitt 16 eingebracht ist. Der Einschnitt 16 isoliert einen von der Nabe 17 des Lenkrades 14 radial sich nach au ßen erstreckenden Meßarm 18. Die lichte Weite des Einschnittes 16 ist so bemessen, daß der Meßarm 18 bei einem auf den Lenkradkranz 19 des Lenkrades 14 aufgebrachten Drehmoment innerhalb des Einschnittes 16 relativ zu dem umgebenden Lenkradkorpus 15 bewegbar ist. Bei einem aufgebrachten Drehmoment bewegt sich der Lenkradkorpus 15 relativ zu dem Meßarm 18, zumindest im Bereich des freien Endes des Meßarmes 18. In diesem Bereich sind zwei druckempfindliche Meßwertaufnehmer 20, 21 angeordnet, bei denen es sich in dem dargestellten Ausführungs beispiel jeweils um Piezo-Kristalle handelt. Die Relativbewegung in einer Lenkrichtung (links) zwischen dem Lenkradkorpus 15 und dem Meßarm 18 ist in Fig. 3 mit Pfeilen gekennzeichnet.

Die Anordnung eines solchen Meßarmes, an dessen äußerem Ende die Meßaufnehmer 20, 21 angeordnet sind, dient zur Erhöhung der Empfind lichkeit des Systems, wobei der Meßarm 18 zugleich als Hebelarm dient.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung dieses in Fig. 3 beschriebenen Systems mit einem Meßarm 18', der Teil eines in den Lenkradkorpus 23 eingesetzten Einsatzes 22 ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel er folgt eine Drehmomenterfassung mit Hilfe von zwei Piezo-Kristallen 24, von denen in Fig. 4 lediglich einer in der dargestellten Ansicht erkennbar ist.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Drehmomenterfassungsein richtung für ein elektrisches Lenkkraftunterstützungssystem, bei dem eine Drehmomenterfassung an der Schnittstelle Lenkrad-Lenkspindel erfolgt. Im Bereich der Nabe 25 eines nicht näher dargestellten Lenkrades sind zwei diametral gegenüberliegende Meßwertaufnehmer 26, 27 angeordnet. Die Meßwertaufnehmer 26, 27 sind fest in der Nabe 25 verankert. Die Na be 25 ist auf das obere freie Ende einer Lenkspindel 28 aufgesteckt. In die Lenkspindel 28 sind zur Aufnahme der Meßwertaufnehmer 26, 27 zwei entsprechend diametral gegenüberliegende Nuten 29, 30 eingebracht, so daß die drehfeste Verbindung zwischen dem Lenkrad und der Lenkspin del 28 durch die Meßwertaufnehmer 26, 27 erfolgt. Als Meßwertaufneh mer können beispielsweise Piezo-Kristalle dienen.

Die Lenkspindel 28 weist an ihrem freien Ende eine Vielverzahnung 31 auf, die in eine entsprechend komplementär ausgebildete Vielverzahnung 32 der Nabe 25 eingreift. Die beiden in Fig. 5 ineinandergreifenden Viel verzahnungen 31, 32 sind jedoch nicht formschlüssig, sondern belassen einen Bewegungsspalt 33. Die beiden Vielverzahnungen 31, 32 dienen lediglich zur Erhöhung oder Lenksicherheit der drehfesten Kopplung zwi schen der Nabe 25 und der Lenkspindel 28, für den Fall, daß einer der beiden Meßwertaufnehmer oder auch beide Meßwertaufnehmer 26 bzw. 27 zerstört worden sind oder ihre drehfeste Kopplung zwischen den Lenk rad und der Lenkspindel 28 nicht mehr bereitstellen können. Durch das dann formschlüssige Ineinandergreifen der beiden Vielverzahnungen 31, 32 bleibt das Kraftfahrzeug ohne weiteres lenkfähig.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1

Lenkrad

2

Lenkradkranz

3

Speiche

4

Speiche

5

Speiche

6

Speiche

7

Lenkradkorpus

8

Nabe

9

Auswerteeinheit

10

Dehnungsmeßstreifen

11

Dehnungsmeßstreifen

12

Dehnungsmeßstreifen

13

Dehnungsmeßstreifen

14

Lenkrad

15

Lenkradkorpus

16

Einschnitt

17

Nabe

18

,

18

' Meßarm

19

Lenkradkranz

20

Meßwertaufnehmer

21

Meßwertaufnehmer

22

Einsatz

23

Lenkradkorpus

24

Piezo-Kristall

25

Nabe

26

Meßwertaufnehmer

27

Meßwertaufnehmer

28

Lenkspindel

29

Nut

30

Nut

31

Vielverzahnung

32

Vielverzahnung

33

Bewegungsspalt

Claims

1. Elektrisches Lenkkraftunterstützungssystem für Kraftfahrzeuge mit einer Drehmomenterfassungseinrichtung zum Erfassen des von ei nem Fahrer bei einer Lenkbewegung des Lenkrades ausgeübten Drehmomentes, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmoment erfassungseinrichtung zumindest einen im Lenkrad (1, 14) ange ordneten, an eine Auswerteeinheit (9) angeschlossenen Meß wertaufnehmer (10-13; 20, 21; 26, 27) umfaßt, der zum Erfassen des aufgebrachten Drehmoments an einer Stelle angeordnet ist, an der eine durch das aufgebrachte Drehmoment mit dem Meß wertaufnehmer (10-13; 20, 21; 26, 27) meßbare Zustandsände rung eintritt.

2. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (20, 21; 26, 27) druck empfindlich ist.

3. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (26, 27) ein Kupp lungsglied ist, angeordnet zum Erstellen einer drehfesten Verbin dung zwischen dem Lenkrad und der Lenkspindel (28).

4. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Lenkrad (14) ein sich aus dem Bereich der Nabe (17) des Lenkrades (14) radial erstreckender Meßarm (18, 18') zugeordnet ist, an dem im Bereich seines freien Endes der zumindest eine Meßwertaufnehmer (20, 21; 26, 27) angeordnet ist.

5. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Meßarm (18) Teil eines im Lenkrad befind lichen Einsatzes (22) ist.

6. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Meßarm (18) durch einen U-förmigen, in den Lenkradkorpus (15) eingebrachten Einschnitt (16) gebildet ist.

7. Lenkkraftunterstützungssystem nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertaufnehmer ein Piezo- Kristall (20, 21; 26, 27) eingesetzt ist.

8. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (10-13) dehnungs empfindlich ist.

9. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der zumindest eine Meßwertaufnehmer (10-13) an einem sich bei einem auf das Lenkrad (1) ausgeübten Drehmoment förmlich verändernden Element (3-6) des Lenkrades (1) angeordnet ist.

10. Lenkkraftunterstützungssystem nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß als Element eine Lenkradspeiche (3-6) vorge sehen ist.

11. Lenkkraftunterstützungssystem nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwertaufnehmer ein Deh nungsmeßstreifen (10-13) eingesetzt ist.