EP4665632A1 - Steer-by-wire-lenkung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Steer-by-wire-lenkung für ein kraftfahrzeug

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Publication number
EP4665632A1
EP4665632A1 EP24705130.3A EP24705130A EP4665632A1 EP 4665632 A1 EP4665632 A1 EP 4665632A1 EP 24705130 A EP24705130 A EP 24705130A EP 4665632 A1 EP4665632 A1 EP 4665632A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
gear
transmission
steering
steer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24705130.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christopher Kreis
Wassili Leibel
Thomas Knopp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP4665632A1 publication Critical patent/EP4665632A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0225—Determination of steering angle by measuring on a steering gear element, e.g. on a rack bar
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0245—Means or methods for determination of the central position of the steering system, e.g. straight ahead position
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0421—Electric motor acting on or near steering gear
    • B62D5/0424—Electric motor acting on or near steering gear the axes of motor and final driven element of steering gear, e.g. rack, being parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0442—Conversion of rotational into longitudinal movement
    • B62D5/0445—Screw drives

Definitions

  • the invention relates to a steer-by-wire steering system for a motor vehicle, comprising a handlebar, an electric motor, a transmission for translating a rotary movement of the electric motor into a translational movement of the handlebar, and at least two sensor devices for determining the position of the handlebar, wherein a first of the sensor devices is arranged and designed to interact with an output-side transmission element of the transmission.
  • a steering handle such as a steering wheel
  • a steering gear or wheel actuator which is present in conventional steering systems
  • an actuator is coupled to the steering handle, which simulates steering feedback on the steering handle, i.e. creates it artificially, and thus sets a steering feel that the driver can feel.
  • Such an actuator which includes an electric motor, is therefore also referred to below as a haptic actuator.
  • the term force feedback actuator is also commonly used.
  • the present invention aims to provide solutions for Determining the position of the handlebar. A variety of solutions are already known for this.
  • a steer-by-wire steering system is known from DE 102018213 112 A1, in which a rotor position sensor for detecting the angle of rotation of the electric motor and a multi-turn sensor for counting the number of revolutions of the rotor of the electric motor or of a rotatable element of the transmission are provided to determine the position of a handlebar, which are arranged on a common circuit board. While the rotor position sensor provides a signal for the angle of rotation of the rotor of the electric motor in a range from 0 to 360°, the multi-turn sensor only provides information about the total number of revolutions or, if applicable, the number of revolution increments of the rotor. Using both pieces of information together, the position of the handlebar can then be determined, taking into account the gear ratio of the transmission.
  • the multi-turn sensor can be designed as a Wiegand sensor, which provides a signal even when it is not supplied with power.
  • Also known from DE 102005 058224 A1 is a device and a method for determining a steering angle, in which the angle of rotation of a drive shaft of the electric motor is detected in order to determine the position of the handlebar.
  • the transmission has a gear stage with an integer reduction ratio, with a transmission input element of the gear stage rotating at the speed of a rotor of the electric motor.
  • a first sensor device is arranged on the electric motor and configured to detect the angular position of the rotor of the electric motor, with a function for counting the revolutions of the rotor also being provided.
  • a second sensor device is arranged on an output-side transmission element of said transmission stage, which works according to a sensor principle that is able to generate a signal from a relative movement without additional energy.
  • the second sensor device has index marks as measuring sensors in a number corresponding to the reduction ratio, which are arranged equally spaced from one another in the circumferential direction on the output-side transmission element, as well as at least one stationary measuring sensor for detecting the passing of an index mark.
  • FIG. 102022 200 091.0 Another possibility for determining the position of a handlebar in a steer-by-wire steering system is described in the subsequently published patent application No. 102022 200 091.0.
  • This includes a first sensing unit with a first rotating sensor transmitter and a second sensing unit with a second rotating sensor transmitter, the sensor transmitters being designed in such a way that the position of the handlebar can be clearly determined by detecting and evaluating the position of the first rotating sensor transmitter and the position of the second rotating sensor transmitter.
  • At least one of the sensor transmitters is arranged in a rotationally fixed manner on a drive shaft of an electric motor.
  • the second sensor transmitter can be arranged on a sensor shaft that runs axially parallel to the motor shaft.
  • the first sensor transmitter and the second sensor transmitter can be part of a transmission.
  • a steer-by-wire steering system for a motor vehicle of the type mentioned above is known from DE 102019201 101 A1.
  • a method for determining an absolute value of a steering control variable is described.
  • DE 10 2019201 101 A1 states that multi-turn encoders are problematic because these sensor systems contain a gear in order to be able to measure a sensor range beyond 360°. Such systems are complex in design, therefore vulnerable and require additional installation space. The costs of such sensor systems are also significantly higher than single-turn encoders.
  • a first sensor device on the motor shaft and a further sensor device on an output-side transmission element, namely a toothed belt wheel, are therefore provided for determining the position of the steering rod.
  • the absolute value of a control variable is determined by evaluating the signals from both sensor devices, taking into account the gear ratio between the electric motor and the steering rod.
  • the individual sensor devices are each designed as relative value sensors.
  • the invention is based on the object of showing alternatives for determining the position of a handlebar on a steer-by-wire steering system for a motor vehicle.
  • the steering system according to the invention is characterized in particular in that a first of the sensor devices is arranged and designed to interact with an output-side transmission element of the transmission, a second of the sensor devices is arranged and designed to interact with a sensor shaft, wherein the output-side transmission element and the sensor shaft are drivingly coupled to a transmission input element on a drive shaft of the electric motor and have different transmission ratios with respect to this transmission input element.
  • the solution according to the invention enables the use of cost-effective sensors to provide a signal that represents the absolute position of the handlebar.
  • This signal can be used in various ways to control the steering. For example, it is possible to use this signal as a reference signal for the position of the handlebar.
  • the gear ratios can be selected such that the speed of the sensor shaft is greater than the speed of the output-side gear element.
  • the sensor shaft thus receives more precise position information in relation to the output-side gear element and thus ultimately also in relation to the steering rod.
  • a control device can be provided and configured in such a way and the first and second sensor devices can be coordinated in such a way that the position of the handlebar can be determined from the signals of the first and second sensor devices using the vernier principle.
  • the sensor devices can thus provide a reference signal in combination, which represents an absolute value of the position of the handlebar, i.e. each handlebar position is assigned a unique value.
  • a rotor position signal can also be taken into account.
  • a rotor position sensor can be provided for detecting the rotor position of the electric motor, the control device being configured in such a way that a signal from this rotor position sensor is used to determine the position of the handlebar and/or to use it for plausibility purposes.
  • the transmission has a toothed belt stage with an input-side belt pulley, an output-side belt pulley and a toothed belt that couples the input-side belt pulley and the output-side belt pulley in a driving manner.
  • the first of the sensor devices interacts with the output-side belt pulley or with a ball screw nut coupled to it, while the sensor shaft is coupled to the toothed belt in a driving manner. In this way, an additional sensor shaft can be driven without great effort.
  • the first sensor device can have a first measuring sensor and a first measuring transducer and the second sensor device can have a second measuring sensor and a second measuring transducer, wherein the first measuring sensor of the first sensor device is arranged on the output-side pulley or on the ball screw nut coupled to it, the second measuring sensor of the second sensor device is arranged on the sensor shaft, and wherein the first and second measuring transducers are arranged stationary on a steering housing.
  • the two measuring transducers can be connected to a control device, which in turn can preferably be arranged on a housing accommodating the aforementioned components. This allows the components required for an absolute measurement of the position of the handlebar to be implemented on a wheel actuator or steering gear with little effort.
  • the sensor shaft can engage with the outside of the toothed belt, which allows a particularly compact path of the toothed belt at the toothed belt stage. This also increases the angle of enclosure at the toothed belt wheels of the toothed belt stage, which reduces the likelihood of the belt jumping.
  • the sensor shaft can be clamped against the toothed belt. This is advantageous on the one hand to ensure reliable tooth engagement.
  • the sensor shaft can be used to create a defined
  • Adjusting and maintaining the toothed belt force is desirable in series production in order to ensure that the steering feels consistent across the vehicles in a series.
  • the desired toothed belt tension can be set during assembly and then maintained by fixing the position of the sensor shaft.
  • the spring device ensures that a desired toothed belt tension is maintained.
  • the sensor shaft can be connected to the toothed belt via an additional gear instead of being directly coupled.
  • the additional gear is therefore provided in addition to the gear for translating a rotary movement of the electric motor into a translational movement of the handlebar. This allows a more flexible design of the gear ratio and, if necessary, a more compact housing of the same.
  • faults in the gear such as a jumping of the toothed belt, can be verified more easily, since the probability of a fault occurring in both the actual transmission gear and the additional gear at the same time is relatively low.
  • the transmission can have a gear stage with an input-side gear and an output-side gear, the input-side gear and the output-side gear engaging with each other, the first of the sensor devices being connected to the output-side gear or to a coupled ball screw nut, and wherein the sensor shaft is in engagement with the output-side gear or the input-side gear or is drive-coupled with one of these via an additional gear.
  • a gear stage with an input-side gear and an output-side gear
  • the input-side gear and the output-side gear engaging with each other
  • the first of the sensor devices being connected to the output-side gear or to a coupled ball screw nut
  • the sensor shaft is in engagement with the output-side gear or the input-side gear or is drive-coupled with one of these via an additional gear.
  • Such a variant can sometimes be designed to be more compact than a toothed belt drive.
  • the additional gear can be a toothed belt stage, a spur gear stage, a bevel gear stage or a worm gear stage, via which the sensor shaft is driven. Since the sensor shaft does not have to transmit high forces when an additional gear is used, such an additional gear can be designed to be relatively delicate and thus compact and cost-effective.
  • the at least two sensor devices are combined to form a separately mountable unit, which has an additional gear in such a way as to provide an absolute angle signal for the total stroke of the handlebar using the vernier principle, from which the position of the handlebar can be determined using the gear ratios to the handlebar.
  • Figure 1 is a schematic representation of a steer-by-wire steering system for a motor vehicle according to an embodiment of the invention
  • FIG 2 is a schematic representation of the steering gear or wheel actuator of the steering shown in Figure 1,
  • Figure 3 shows a detailed view of a first embodiment
  • Figure 4 shows an overview of possible arrangement schemes for a drive shaft of an electric motor, an output-side gear element and a sensor shaft as well as their drive connection,
  • Figure 5 is a schematic representation of another variant with additional gear, and in
  • Figure 6 is a schematic representation of another design variant with a modified additional gearbox.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a possible example of a steer-by-wire steering system 1 for a motor vehicle, in particular for a passenger car or light commercial vehicle.
  • the steer-by-wire steering 1 is divided into a steering column module 10 for inputting a driver-side steering command and a steering gear module (also wheel actuator) 20, which are mechanically decoupled from each other.
  • the steering column module 10 of the steer-by-wire steering system 1 initially comprises a steering handle 11 for input of the steering command by a driver of the motor vehicle.
  • the steering handle 11 is, for example, a steering wheel as shown, but can also be another input device such as a joystick or the like.
  • the steering command is a steering wheel angle.
  • the steering wheel angular speed and/or steering wheel angular acceleration can optionally be taken into account in the steering command.
  • the steering column module 10 of the steer-by-wire steering 1 includes a haptic actuator (also known as a force feedback actuator) 12, which is mechanically coupled to the steering handle 11.
  • the haptic actuator 12 is used to simulate a steering reaction for the driver on the steering handle 11. This manifests itself in a resistance when steering and, if necessary, an active return of the steering handle 11 to a neutral position corresponding to straight-ahead driving on a level surface.
  • the haptic actuator 12 comprises a motor 13 which is mechanically coupled to the steering handle 11 by means of a shaft 14.
  • the steering column module 10 is provided with a A control unit 3a (not shown in detail in Fig. 1) is provided for controlling the motor 13 of the haptic actuator 12.
  • the steering gear module 20 of the steer-by-wire steering system 1 forms a wheel actuator for setting a steering angle on steerable vehicle wheels 2 of the motor vehicle and, as explained in more detail below, has an electric motor 21 which drives a steering rod 22 coupled to the vehicle wheels 2.
  • a further control unit 3b can be provided on the steering gear module 20.
  • the steer-by-wire steering system 1 comprises a control device 3 which is configured in such a way that, depending on a steering command from the driver, the steering gear module 20 can be controlled to effect a steering actuation of the
  • connection can be made electrically via cable or wirelessly.
  • the control device 3 of the steer-by-wire steering 1 can be concentrated in a central control unit or, as shown, distributed over various control units 3a and 3b on the haptic actuator 12 and on the steering gear module 20 or arranged in another way.
  • the steering gear module 20 of the steer-by-wire steering system 1 is shown in more detail in Fig. 2.
  • this also includes a gear 23 for translating a rotary movement of the electric motor 21 into a translational movement of the steering rod 22.
  • the transmission 23 can, for example, have a toothed belt stage, as shown by way of example in Fig. 2.
  • a transmission input member 23.1 can be provided on a drive shaft 21.1 of the electric motor 21, while an output-side transmission member 23.2 is in engagement with the steering rod 22, for example via a ball screw drive 24.
  • Said transmission members 23.1 and 23.2 are coupled to one another in terms of drive via a toothed belt 23.3.
  • the Gearboxes 23 are possible, which allow a translation of the rotary movement of the electric motor 21 into a translational movement of the handlebar 22.
  • the steer-by-wire steering system 1 has at least two, preferably exactly two sensor devices 25.1 and 25.2 for determining the position of the steering rod 22.
  • a first of the sensor devices 25.1 is arranged and designed to interact with the output-side transmission element 23.1 of the transmission 23.
  • a second of the sensor devices 25.2 is arranged and designed to interact with an additional sensor shaft 26.
  • This sensor shaft 26 can run parallel to the drive shaft 21.1 of the electric motor 21 and/or parallel to the handlebar 22, as shown in Fig. 2. Depending on the coupling, however, an arrangement transverse or skewed to the drive shaft 21.1 and/or the handlebar 22 is also possible.
  • the output-side transmission element 23.2 and the sensor shaft 26 are coupled in terms of drive to the transmission input element 23.1 on the drive shaft 21.1 of the electric motor 21 and have different transmission ratios with respect to this transmission input element 23.1.
  • the two signals from the first sensor device 25.1 and the second sensor device 25.2 can thus be combined to generate clear information about the absolute position of the handlebar 22. This can be done, for example, in the control unit 3b of the steering gear module 20, to which the signals of the first sensor device 25.1 and the second sensor device 25.2 are fed.
  • control device 3 for example in the control unit 3b, can be configured in such a way and the first and second sensor devices 25.1 and 25.2 can be coordinated in terms of their transmission ratios in such a way as to determine the position of the handlebar 22 from the signals of the first and second sensor devices 25.1 and 25.2 using the nonius principle (also known as the Vernier principle). This is preferably done in such a way that the information generated from this remains unambiguous over the entire steering stroke of the handlebar 22.
  • simple and inexpensive single-turn sensors can be used for the first and second sensor devices 25.1 and 25.2.
  • the first and second sensor devices 25.1 and 25.2 can in principle be designed with any measuring principle, e.g. inductive or magnetoresistive measuring principle. Measuring principles that have robust electromagnetic compatibility or can be designed to be robust are advantageous.
  • a rotor position sensor 27 can be provided for detecting the rotor position of the electric motor 21.
  • This rotor position sensor 27 can be arranged, for example, on the drive shaft 21.1 of the electric motor 21 or can also be implemented in the electric motor 21.
  • the control device 3, in particular the control unit 3b of the steering gear module 20, can accordingly be configured in such a way as to use the signal of the rotor position sensor 27 when determining the position of the handlebar 22 and/or to use it for plausibility purposes.
  • the signal of the rotor position sensor 27 it is also possible to use the signal of the rotor position sensor 27 as a reference signal for the position of the handlebar 22 and to use the absolute position of the handlebar 22 generated via the first and second sensor devices 25.1 and 25.2 for verification.
  • the information generated via the first and second sensor devices 25.1 and 25.2 with regard to the position of the handlebar is more precise and reliable than the information generated via the rotor position sensor 27, because the latter alone is not suitable for depicting possible disturbances in the area of the transmission 23.
  • Such a 3-fold vernier is more robust than a 2-fold vernier based on the first and second sensor devices 25.1, 25.2.
  • the signal transmission from the sensor devices 25.1 and 25.2 as well as from the rotor position sensor 27 to the control device 3 can be carried out via cable, in particular via a SENT (Single Edge Nibble Transmission) interface, analogue, a bus system, wirelessly or in any other way.
  • SENT Single Edge Nibble Transmission
  • Fig. 3 shows, by way of example, a detailed view of a possible implementation of the configuration explained above on a steer-by-wire steering system 1 of the type with an axially parallel arrangement of the electric motor 21 to the steering rod 22, including an additional sensor shaft 26.
  • the transmission 23 comprises a toothed belt stage with an input-side belt pulley as transmission input element 23.1, an output-side belt pulley as output-side transmission element 23.2 and a toothed belt 23.3 that drives the input-side belt pulley and the output-side belt pulley.
  • the first of the sensor devices 25.1 interacts with the output-side belt pulley or with a ball screw nut 24.1 of the ball screw drive 24 that is coupled to it, while the sensor shaft 26 is drives coupled to the toothed belt 23.3.
  • the sensor shaft 26 is in engagement with a toothed belt outer side of the toothed belt 23.3.
  • the toothed belt 23.3 can be provided with an inner and outer toothing for this purpose.
  • the sensor shaft 26 can optionally be provided with a corresponding toothing, for example by attaching a toothed belt wheel with suitable toothing to it.
  • the sensor shaft 26 can also engage with an inner side of the toothed belt 23.3, so that double toothing on the toothed belt 23.3 is not necessary.
  • the tooth engagement on the outside of the toothed belt is advantageous in that it increases the wrap angle on the toothed belt wheels of the transmission 23 tends to be increased, which in turn can counteract potential timing belt jumping.
  • the sensor shaft 26 is preferably clamped against the toothed belt 23.3.
  • the tensioning of the toothed belt 23.3 is carried out manually with subsequent fixing by suitable measures such as screwing, caulking and the like in the position in which the design toothed belt strand forces have been established during tensioning during assembly on the toothed belt 23.3.
  • the sensor shaft 26 can be supported against a steering housing by means of a spring device which presses the sensor shaft 26 against the toothed belt 23.3.
  • the sensor shaft 26 can be arranged, for example, on a spring-supported swing arm or a spring-supported carriage.
  • the first sensor device 25.1 has a first measuring sensor 25.1a and a first measuring sensor 25.1b and the second sensor device 25.2 has a second measuring sensor 25.2a and a second measuring sensor 25.2b.
  • the first measuring sensor 25.1a of the first sensor device 25.1 is arranged on the output-side belt pulley or output-side gear member 23.2 or on the ball screw nut 24.1 coupled to it.
  • the second measuring sensor 25.2a of the second sensor device 25.2 is arranged on the sensor shaft 26.
  • the first and second measuring sensors 25.1a and 25.1b are arranged stationary on a steering housing (not shown in detail) and are connected to the control device 3.
  • the sensor shaft 26 is in direct meshing engagement with the toothed belt 23.2 of the gear 23.
  • the additional gear 28 is provided in addition to the gear 23 for translating the rotary motion of the electric motor 21 into a translational motion of the steering rod 22. Since the additional gear 28 does not have to transmit large drive torques, it can be used for a The torque required to transmit the steering command must be dimensioned much more delicately.
  • the additional gear 28 can be or have a toothed belt stage as shown in Fig. 5, a spur gear stage as shown in Fig. 6, a bevel gear stage, a worm gear stage or another gear stage.
  • the additional gear 28 has a first gear element 28.1, for example in the form of a toothed belt wheel, which is coupled in a rotationally fixed manner to the output-side gear element 23.2 of the gear 23 or the ball screw nut 24.1.
  • the first gear element 28.1 of the additional gear 28 and the output-side gear element 23.2 of the gear 23 can be designed as a one-piece component.
  • the first gear element 28.1 of the additional gear 28 and the output-side gear element 23.2 of the gear 23 can have different diameters and/or tooth dimensions.
  • the first gear element 28.1 of the additional gear 28 and the output-side gear element 23.2 of the gear 23 can also be designed as a common belt wheel on which the toothed belts 23.3 and 28.3 of the gear 23 and the additional gear 28 run parallel to one another with the same diameter and identical toothing.
  • the first gear element 28.1 of the additional gear 28 can alternatively also be specially fastened to the output-side gear element 23.2 of the gear 23, in particular a belt pulley.
  • the additional transmission 28 has a second transmission element 28.2, for example in the form of a toothed belt wheel, which is arranged on the sensor shaft 26.
  • Both gear elements 28.1 and 28.2 are coupled to one another via a toothed belt 28.3.
  • This toothed belt 28.3 is provided in addition to the toothed belt 23.3 of the gear 23 and can be narrower than the toothed belt 23.3 of the gear 23.
  • the first sensor device 25.1 can interact with the first transmission element 28.1 of the additional transmission 28, while the second sensor device 25.2 interacts with the second transmission element 28.2.
  • the sensor devices 25.1 and 25.2 can be connected to the control device 3 via a sensor cable 29, in particular via a common sensor cable 29.
  • gear elements 28.1 and 28.2 of the additional gear 28 can have different numbers of teeth.
  • the two sensor devices 25.1 and 25.2 can be combined to form a separately mountable unit 30, which optionally also has the additional gear 28.
  • This unit 30 can be easily installed on the steering gear module 20. After installation, only the sensor cable 29 needs to be connected.
  • sensors 25.1b and 25.2b can be arranged on a common circuit board, so that corresponding cabling can be omitted.
  • an absolute angle signal can be provided for the entire steering stroke of the handlebar 22 by means of the vernier principle, from which the position of the handlebar 22 can be clearly determined by means of the gear ratios to the handlebar 22 or correspondingly by means of the gear ratio of the additional gear 28.
  • this assembly 30 contains an evaluation device which combines the signals from the two sensor devices 25.1 and 25.2 and generates a signal representing the absolute position from these.
  • the latter can be transmitted via the sensor cable 29.
  • Fig. 6 shows a modification of Fig. 5, which differs only in a slightly different design of the additional gear 28.
  • Fig. 5 shows a toothed belt stage
  • Fig. 6 instead shows a spur gear stage, which can be designed to be particularly flat.
  • the above-mentioned The configurations explained can also be provided for the variant with spur gear stage.
  • the transmission ratios can generally be selected such that, as in Fig. 6, for example, the speed of the sensor shaft 26 is greater than the speed of the output-side transmission element 23.2.
  • the second sensor device 25.2 on the sensor shaft 26 it is thus possible, to put it simply, to determine in which rotation cycle the first transmission element 28.1 of the additional transmission 28 and thus the first sensor device 25.1 is located, whereby a clear position assignment is possible via the steering stroke of the handlebar 22.
  • the speed of the sensor shaft 26 can be greater than the speed of the drive shaft 21.1 of the electric motor 21.
  • both toothed belts 23.3 and 28.3 cannot skip in the same way. If a sudden jump or a similar change is detected between the signals of the rotor position sensor 27 of the electric motor 21 and the first and second sensor devices 25.1, 25.2, it must be assumed that at least one of the two toothed belts 23.3 and 28.3 has skipped. In this case, safety in accordance with ASIL-D/ISO26262 could no longer be fully guaranteed. However, since it is now possible to correctly determine the position of the steering rod 22 and/or to check the plausibility of the rotor position, measures can be initiated to control the situation in order to comply with the required safety.
  • Variant A in Fig. 4 essentially corresponds to the embodiments in Fig. 5 and 6 with additional gear.
  • the position of the electric motor 21 and sensor shaft 26 can also be varied around the handlebar 22.
  • Variants B and C show arrangement diagrams for embodiments in which the sensor shaft 26 is coupled to the drive via the gear 23.
  • the drive shaft 21.1 of the electric motor 21 and the sensor shaft 26 are located within the toothed belt 23.3 of the transmission 23, but on opposite sides of the handlebar 22 and the output-side transmission element 23.2 of the transmission 23.
  • the drive shaft 21.1 of the electric motor 21 and the sensor shaft 26 are again located within the toothed belt 23.3 of the transmission 23, but on the same side of the handlebar 22 and the output-side transmission element 23.2 of the transmission 23.
  • the transmission 23 was explained using a toothed belt stage 23. However, this can also be replaced or supplemented by other types of transmission.
  • a gear stage is mentioned here as a possible example.
  • the transmission 23 can have an input-side gear as the transmission input element 23.1 on the drive shaft 21.1 of the electric motor 21 and an output-side gear as the output-side transmission element 23.2, which are in mesh with one another.
  • the first of the sensor devices 25.1 can interact with the output-side gear or with a ball screw nut 24.1 coupled to it.
  • the sensor shaft 26 can engage directly with the output-side gear or with the input-side gear, depending on the selected arrangement scheme.

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Abstract

Eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) umfasst einen Elektromotor (21), eine Lenkstange (22), ein Getriebe (23) zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors (21) in eine Translationsbewegung der Lenkstange (22), und mindestens zwei Sensoreinrichtungen (25.1, 25.2) zur Bestimmung der Position der Lenkstange (22). Eine erste der Sensoreinrichtungen (25.1) ist angeordnet und ausgebildet, mit einem ausgangsseitigen Getriebeglied (23.2) des Getriebes (23) zusammenzuwirken. Eine zweite der Sensoreinrichtungen (25.2) ist angeordnet und ausgebildet, mit einer Sensorwelle (26) zusammenzuwirken. Das ausgangsseitige Getriebeglied (23.2) und die Sensorwelle (26) sind antriebsmäßig mit einem Getriebeeingangsglied (23.1) des Getriebes (23) an einer Antriebswelle (21.1) des Elektromotors (21) gekoppelt sind und weisen zu diesem Getriebeeingangsglied (23) untereinander unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse auf.

Description

Beschreibung
Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung bezieht sich auf eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Lenkstange, einen Elektromotor, ein Getriebe zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors in eine Translationsbewegung der Lenkstange, und mindestens zwei Sensoreinrichtungen zur Bestimmung der Position der Lenkstange, wobei eine erste der Sensoreinrichtungen angeordnet und ausgebildet ist, mit einem ausgangsseitigen Getriebeglied des Getriebes zusammenzuwirken.
In einer Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug entfällt die bei herkömmlichen Lenkungen vorhandene mechanische Kopplung zwischen einer Lenkungshandhabe, beispielsweise einem Lenkrad, und einem Lenkgetriebe oder Radaktuator. Erforderliche Befehle zwischen der Lenkungshandhabe und dem Radaktuator werden lediglich elektrisch oder gegebenenfalls auch kabellos übertragen.
Durch den Entfall der mechanischen Kopplung könnte sich die Lenkungshandhabe ohne weitere Maßnahmen praktisch rückwirkungsfrei bewegen. Dies wäre jedoch für einen mit einer herkömmlichen Lenkung mit mechanischer Kopplung vertrauten Fahrer stark gewöhnungsbedürftig. Zudem bedeutet der Entfall der mechanischen Kopplung, dass praktisch jedwede Rückmeldung von der Fahrbahn an der Lenkungshandhabe verloren geht. Aus diesem Grunde wird ein Aktuator mit der Lenkungshandhabe gekoppelt, welcher an der Lenkungshandhabe eine Lenkungsrückmeldung simuliert, d.h. künstlich erzeugt, und damit eine für den Fahrer spürbare Haptik der Lenkung einstellt. Ein solcher Aktuator, der einen Elektromotor umfasst, wird im Folgenden daher auch als Haptikaktuator bezeichnet. Gebräuchlich ist auch die Bezeichnung Force-Feedback-Aktuator.
Für den Betrieb einer solchen Steer-by-wire-Lenkung ist eine genaue und sichere Bestimmung der Position der Lenkstange von großer Bedeutung, da diese Information für die Zuordnung eines fahrerseitigen Lenkbefehls sowie für die simulierte Rückwirkung durch den Haptikaktuator benötigt wird. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Lösungen zur Bestimmung der Position der Lenkstange aufzuzeigen. Hierzu sind bereits vielfältige Lösungsansätze bekannt.
Aus DE 102018213 112 A1 ist eine Steer-by-wire-Lenkung bekannt, bei der zur Bestimmung der Position einer Lenkstange ein Rotorlagensensor zur Erfassung der Drehwinkellage des Elektromotors sowie ein Multiturnsensor zum Zählen der Anzahl der Umdrehungen des Rotors des Elektromotors oder eines drehbaren Elements des Getriebes vorgesehen sind, welche auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. Während der Rotorlagensensor ein Signal für die Drehwinkelstellung des Rotors des Elektromotors in einem Bereich von 0 bis 360° liefert, vermittelt der Multiturnsensor lediglich eine Information über die Gesamtzahl der erfolgten Umdrehungen oder gegebenenfalls auch von Umdrehungsinkrementen des Rotors. Mit beiden Informationen zusammen lässt sich dann unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes die Position der Lenkstange bestimmen. Der Multiturnsensor kann hierbei als Wiegand-Sensor ausgeführt sein, welcher ein Signal selbst dann liefert, wenn dieser nicht mit Strom versorgt wird.
Auch aus DE 102005 058224 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Lenkwinkels bekannt, bei welchem der Drehwinkel einer Antriebswelle des Elektromotors erfasst wird, um die Position der Lenkstange zu bestimmen.
Eine weitere Steer-by-wire-Lenkung ist in der nachveröffentlichten Patentanmeldung Nr. 10 2021 212 470.4 beschrieben. Bei dieser weist das Getriebe eine Getriebestufe mit einem ganzzahligen Untersetzungsverhältnis auf, wobei ein Getriebeeingangsglied der Getriebestufe mit der Drehzahl eines Rotors des Elektromotors dreht. Eine erste Sensoreinrichtung ist an dem Elektromotor angeordnet und dazu konfiguriert, die Drehwinkellage des Rotors des Elektromotors zu erfassen, wobei zusätzlich eine Funktion zur Zählung der Umdrehungen des Rotors vorgesehen ist. Eine zweite Sensoreinrichtung ist an einem Ausgangsseitiges Getriebeglied besagter Getriebestufe angeordnet, welche nach einem Sensorprinzip arbeitet, das ohne Zusatzenergie in der Lage ist, aus einer Relativbewegung ein Signal zu generieren. Die zweite Sensoreinrichtung weist als Messgeber Indexmarken in einer dem Untersetzungsverhältnis entsprechenden Anzahl auf, welche in Umfangsrichtung an dem ausgangsseitigen Getriebeglied gleichbeabstandet voneinander angeordnet sind, sowie mindestens einen stationär angeordneten Messaufnehmer zum Erfassen des Passierens einer Indexmarke. Durch die Verwendung von zwei separaten Sensoreinrichtungen, nämlich einer ersten Sensoreinrichtung an der Getriebeeingangsseite und einer zweiten Sensoreinrichtung am ausgangsseitigen Getriebeglied einer mit dem Rotor gekoppelten Getriebestufe lassen sich etwaige Fehlerquellen bei der Ermittlung der Position der Lenkstange ausschalten. Insbesondere ist es möglich, die Lage des ausgangsseitigen Getriebeglieds in Bezug auf den Rotor des Elektromotors zu verifizieren. Hierdurch können im Unterschied zu DE 10 2018213 112 A1 Fehleingriffe in der Getriebestufe, beispielsweise ein Zahnspringen bei einer Zahnradstufe oder ein Riemenspringen bei einem Zahnriementrieb, erkannt werden. Andernfalls könnte dies zu einem Fehler bei der Bestimmung der Position der Lenkstange führen, da sich durch einen solchen Fehler die Rotorlage des Elektromotors in Bezug auf eine Mittel- bzw. Geradausstellung der Lenkstange und damit der Lenkung verschieben würde. Mangels mechanischer Kopplung mit einem Lenkrad lässt sich dies bei einer Steer-by-wire-Lenkung nämlich nicht mit Hilfe eines Lenkwinkelsensors am Lenkrad korrigieren. Wird ein solcher Fehler erkannt, kann dies bei der Ansteuerung der Lenkung softwaretechnisch auskorrigiert werden. Hierdurch wird im Vergleich zu DE 10 2018213 112 A1 die Zuverlässigkeit der Ermittlung der Position der Lenkstange verbessert.
Ferner ist es hierdurch ohne großen Aufwand möglich, über die Kombination der beiden Sensoreinrichtungen in seltenen Szenarien auftretende Bewegungen der Lenkstange im ausgeschalteten Zustand der Lenkung zu erkennen und durch geeignete Maßnahmen bei der Ermittlung der Position der Lenkstange zu berücksichtigen.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Position einer Lenkstange in einer Steer-by- wire-Lenkung ist in der nachveröffentlichten Patentanmeldung Nr. 102022 200 091.0 beschrieben. An dieser sind eine erste Sensiereinheit mit einem ersten rotierenden Sensorgeber und eine zweite Sensiereinheit mit einem zweiten rotierenden Sensorgeber vorgesehen, wobei die Sensorgeber derart ausgelegt sind, dass durch Erfassen und Auswerten der Position des ersten rotierenden Sensorgebers und der Position des zweiten rotierenden Sensorgebers die Position der Lenkstange eindeutig bestimmbar ist. Dabei ist zumindest einer der Sensorgeber drehfest an einer Antriebswelle eines Elektromotors angeordnet. Der zweite Sensorgeber kann an einer achsparallel zur Motorwelle verlaufenden Sensorwelle angeordnet sein. Zudem können der erste Sensorgeber und der zweite Sensorgeber Teil eines Getriebes sein. Aus DE 102019201 101 A1 ist eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art bekannt. Insbesondere wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Absolutwerts einer Stellgröße der Lenkung beschreiben. In DE 10 2019201 101 A1 wird diesbezüglich ausgeführt, dass Multi-Turn-Encoder problematisch seien, da diese Sensorsysteme ein Getriebe beinhalteten, um einen Sensorbereich über 360° hinaus messen zu können. Solche Systeme seien aufwendig gestaltet, daher anfällig und benötigten zusätzlichen Bauraum. Die Kosten solcher Sensorsysteme seien im Vergleich zu Single-Turn-Encodern auch signifikant höher. In DE 10 2019201 101 A1 werden daher zur Bestimmung der Position der Lenkstange eine erste Sensoreinrichtung an der Motorwelle sowie eine weitere Sensoreinrichtung an einem ausgangsseitigen Getriebeglied, nämlich einem Zahnriemenrad, vorgesehen. Die Bestimmung des Absolutwertes einer Stellgröße erfolgt durch Auswerten der Signale beider Sensoreinrichtungen in Kenntnis einer Getriebeübersetzung zwischen Elektromotor und Lenkstange. Die einzelnen Sensoreinrichtungen sind dabei jeweils als Relativwertgeber ausgeführt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Alternativen zur Bestimmung der Position einer Lenkstange an einer Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch eine Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lenkung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine erste der Sensoreinrichtungen angeordnet und ausgebildet ist, mit einem ausgangsseitigen Getriebeglied des Getriebes zusammenzuwirken, eine zweite der Sensoreinrichtungen angeordnet und ausgebildet ist, mit einer Sensorwelle zusammenzuwirken, wobei das ausgangsseitige Getriebeglied und die Sensorwelle antriebsmäßig mit einem Getriebeeingangsglied an einer Antriebswelle des Elektromotors gekoppelt sind und zu diesem Getriebeeingangsglied untereinander unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweisen.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht den Einsatz kostengünstiger Sensoren zur Bereitstellung eines Signals, welches die Absolutposition der Lenkstange repräsentiert.
Dieses Signal kann in der Ansteuerung der Lenkung auf verschiedene Art und Weise verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, dieses Signal als Referenzsignal für die Position der Lenkstange zu verwenden.
Es ist auch möglich, dieses Signal im Verbund mit einem Rotorlagesignal des Elektromotors zur Bestimmung der Position der Lenkstange zu verwenden. Dabei kann jedes der beiden genannten Signale als Referenzsignal und das jeweils andere zum Abgleich der Position herangezogen werden. Hierdurch kann insbesondere das Getriebe auf etwaige Übertragungsfehler, beispielsweise ein Überspringen von Zähnen, hin überwacht werden. Zudem kann hierdurch die Signalgenauigkeit verbessert werden.
Im Vergleich zu dem eingangs genannten Stand der Technik ist zu beobachten, dass vorliegend weder die erste Sensoreinrichtung noch die zweite Sensoreinrichtung an der Antriebswelle des Elektromotors angeordnet sind und dementsprechend auch nicht die Drehstellung der Motorwelle repräsentieren. Aufgrund deren größerer Nähe zur Lenkstange bilden diese vielmehr die Absolutposition der Lenkstange genauer, zuverlässiger und störungsunempfindlicher ab.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
So können beispielsweise die Übersetzungsverhältnisse derart gewählt sein, dass die Drehzahl der Sensorwelle größer ist als die Drehzahl des ausgangsseitigen Getriebeglieds. An der Sensorwelle wird somit eine genauere Lageinformation erhalten in Bezug auf das ausgangsseitige Getriebeglied und somit letztlich auch in Bezug auf die Lenkstange erhalten.
Weiterhin können eine Steuereinrichtung vorgesehen und derart konfiguriert und die ersten und zweiten Sensoreinrichtungen derart abgestimmt sein, um aus den Signalen der ersten und zweiten Sensoreinrichtungen mit Hilfe des Noniusprinzips die Stellung der Lenkstange zu bestimmen. Hierdurch kann, beispielsweise mit einfachen und kostengünstigen Singleturnsensoren, der gesamte Lenkhub der Lenkstange eindeutig abgebildet werden, obgleich das ausgangsseitige Getriebeglied dazu mehrere Umdrehungen ausführen kann. Die Sensoreinrichtungen können somit im Verbund ein Referenzsignal bereitstellen, welches einen Absolutwert der Position der Lenkstange repräsentiert, das heißt, dass jeder Lenkstangenposition ein eindeutiger Wert zugeordnet ist. Wie oben bereits erwähnt, kann je nach Verwendung des aus den ersten und zweiten Sensoreinrichtungen gewonnenen Signals zusätzlich ein Rotorlagensignal berücksichtigt werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsart der Erfindung kann dazu ein Rotorlagensensor zur Erfassung der Rotorlage des Elektromotors vorgesehen sein, wobei die Steuereinrichtung derart konfiguriert ist, um ein Signal dieses Rotorlagensensors bei der Bestimmung der Position der Lenkstange hinzuziehen und/oder zu Plausibilisierungszwecken zu verwenden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsart der Erfindung weist das Getriebe eine Zahnriemenstufe mit einem eingangsseitigen Riemenrad, einem ausgangsseitigen Riemenrad sowie einem das eingangsseitigen Riemenrad und das ausgangsseitige Riemenrad antriebsmäßig koppelnden Zahnriemen auf. Dabei wirkt die erste der Sensoreinrichtungen mit dem ausgangsseitigen Riemenrad oder an einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter zusammen, während die Sensorwelle mit dem Zahnriemen antriebsmäßig gekoppelt ist. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Sensorwelle ohne großen Aufwand mit angetrieben werden.
Insbesondere können die erste Sensoreinrichtung einen ersten Messgeber und einen ersten Messaufnehmer und die zweite Sensoreinrichtung einen zweiten Messgeber und einen zweiten Messaufnehmer aufweisen, wobei der erste Messgeber der ersten Sensoreinrichtung an dem ausgangsseitigen Riemenrad oder an dem mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter angeordnet ist, der zweite Messgeber der zweiten Sensoreinrichtung an der Sensorwelle angeordnet ist, und wobei der erste und zweite Messaufnehmer an einem Lenkungsgehäuse stationär angeordnet sind. Vorzugsweise können hierbei die beiden Messaufnehmer mit einer Steuereinrichtung verbunden sein, welche wiederum bevorzugt an einem die vorgenannten Komponenten aufnehmenden Gehäuse angeordnet sein kann. Hierdurch lassen sich die für eine Absolutmessung der Position der Lenkstange benötigten Komponenten mit geringem Aufwand an einem Radaktuator oder Lenkgetriebe implementieren.
In einer Ausführungsvariante kann die Sensorwelle mit einer Zahnriemenaußenseite des Zahnriemens in Eingriff steht, wodurch sich ein besonders kompakter Verlauf des Zahnriemens an der Zahnriemenstufe verwirklichen lässt. Zudem erhöht sich hierdurch der Umschließungswinkel an den Zahnriemenrädern der Zahnriemenstufe, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Riemenspringens verringert wird. Es ist jedoch auch möglich, gemäß einer weiteren Ausführungsvariante, die Sensorwelle derart anzuordnen, dass diese mit einer Zahnriemeninnenseite des Zahnriemens in Eingriff steht.
Weiterhin kann die Sensorwelle gegen den Zahnriemen verspannt sein. Dies ist zum einen vorteilhaft, um einen zuverlässigen Verzahnungseingriff zu gewährleisten. Zum anderen kann die Sensorwelle dazu benutzt werden, an dem Zahnriemen eine definierte
Zahn riementrum kraft einzustellen und aufrecht zu erhalten. Eine möglichst gleichbleibende Zahn riementrum kraft ist in der Serienfertigung wünschenswert, um über die Kraftfahrzeuge einer Fahrzeugserie eine gleichbleibende Haptik der Lenkung zu gewährleisten.
Die gewünschte Zahnriemenspannung kann bei der Montage eingestellt und dann durch Fixierung der Lage der Sensorwelle aufrechterhalten werden. Es ist jedoch gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung auch möglich, die Sensoreinrichtung mittels einer Federeinrichtung gegen ein Lenkungsgehäuse oder ein mit diesem fest verbundenes Element, beispielsweise ein Motorlagerschild, abzustützen, welche die Sensorwelle gegen den Zahnriemen drängt. Die Federeinrichtung gewährleistet in diesem Fall die Aufrechterhaltung einer gewünschten Zahnriemenspannung.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung kann die Sensorwelle anstatt direkter Ankopplung an den Zahnriemen über ein Zusatzgetriebe antriebsmäßig angeschlossen sein. Das Zusatzgetriebe ist dementsprechend zusätzlich zu dem Getriebe zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors in eine Translationsbewegung der Lenkstange vorgesehen. Dies ermöglicht eine flexiblere Gestaltung der Getriebeübersetzung und gegebenenfalls eine kompaktere Unterbringung desselben. Überdies können hierdurch Störungen im Getriebe wie beispielsweise ein Springen des Zahnriemens leichter verifiziert werden, da eine Wahrscheinlichkeit, dass eine Störung sowohl im eigentlichen Übertragungsgetriebe als auch im Zusatzgetriebe gleichzeitig auftritt, verhältnismäßig gering ist.
Anstelle eines Zahnriementriebs kann zwischen dem Elektromotor und der Lenkstange auch eine andere Getriebeform zum Einsatz kommen. Insbesondere kann ohne Beschränkung hierauf das Getriebe eine Zahnradstufe mit einem eingangsseitigen Zahnrad und einem ausgangsseitigen Zahnrad aufweisen, wobei das eingangsseitige Zahnrad und das ausgangsseitige Zahnrad miteinander in Eingriff stehen, wobei die erste der Sensoreinrichtungen mit dem ausgangsseitigen Zahnrad oder an einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter zusammenwirkt, und wobei die Sensorwelle mit dem ausgangsseitigen Zahnrad oder dem eingangsseitigen Zahnrad in Eingriff steht oder mit einem von diesen über ein Zusatzgetriebe antriebsmäßig gekoppelt ist. Eine solche Variante kann mitunter kompakter ausgeführt werden als ein Zahnriementrieb.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung kann das Zusatzgetriebe eine Zahnriemenstufe, eine Stirnzahnradgetriebestufe, eine Kegelradgetriebestufe oder eine Schneckengetriebestufe sein, über welche die Sensorwelle angetrieben wird. Da im Fall der Verwendung eines Zusatzgetriebes die Sensorwelle keine hohen Kräfte übertragen muss, lässt sich ein solches Zusatzgetriebe verhältnismäßig filigran und damit kompakt und kostengünstig ausführen.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Sensoreinrichtungen zu einer separat montierbaren Baueinheit zusammengefasst sind, welche ein Zusatzgetriebe derart aufweist, um für den Gesamthub der Lenkstange mittels des Noniusprinzips ein Absolutwinkelsignal bereitzustellen, aus dem mittels der Übersetzungsverhältnisse zur Lenkstange die Position der Lenkstange bestimmbar ist. Hierdurch wird die Montage der Lenkung vereinfacht, da die für die Bestimmung der absoluten Position benötigten Sensoreinrichtungen, sowie gegebenenfalls auch einer entsprechenden Auswertungseinrichtung, besonders einfach gehandhabt werden können, insbesondere nicht jede einzelne Komponente eigens an der Lenkung montiert werden muss.
Nachfolgend werden Wege zur Ausführung der Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung des Lenkgetriebes oder Radaktuators der in Figur 1 dargestellten Lenkung,
Figur 3 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsvariante, Figur 4 eine Übersicht über mögliche Anordnungsschemata für eine Antriebswelle eines Elektromotors, eines Ausgangsseitiges Getriebeglieds und einer Sensorwelle sowie deren antriebsmäßige Verknüpfung,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante mit Zusatzgetriebe, und in
Figur 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante mit abgewandeltem Zusatzgetriebe.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines möglichen Beispiels einer Steer- by- Wire- Lenkung 1 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Personenkraftfahrzeug oder leichtes Nutzfahrzeug.
Die Steer-by-Wire-Lenkung 1 ist in ein Lenksäulenmodul 10 zur Eingabe eines fahrerseitigen Lenkbefehls und ein Lenkgetriebemodul (auch Radaktuator) 20 unterteilt, welche mechanisch voneinander entkoppelt sind.
Das Lenksäulenmodul 10 der Steer-by-wire-Lenkung 1 umfasst zunächst eine Lenkungshandhabe 11 zur Eingabe des Lenkbefehls durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs. Die Lenkungshandhabe 11 ist beispielsweise ein Lenkrad wie dargestellt, kann jedoch auch ein anderes Eingabemittel wie ein Joystick oder dergleichen sein. Im Fall eines Lenkrads ist der Lenkbefehl ein Lenkradwinkel. Zudem können im Lenkbefehl optional die Lenkradwinkelgeschwindigkeit und/oder Lenkradwinkelbeschleunigung berücksichtigt sein.
Ferner umfasst das Lenksäulenmodul 10 der Steer-by-wire-Lenkung 1 einen Haptikaktuator (auch Force- Feed back- Aktuator) 12, der mit der Lenkungshandhabe 11 mechanisch gekoppelt ist. Der Haptikaktuator 12 dient dazu, für den Fahrer an der Lenkungshandhabe 11 eine Lenkungsrückwirkung zu simulieren. Diese äußert sich in einem Widerstand beim Lenken sowie gegebenenfalls auch einer aktiven Rückstellung der Lenkungshandhabe 11 in eine Neutralstellung entsprechend Geradeausfahrt auf ebenem Untergrund.
Der Haptikaktuator 12 umfasst einen Motor 13, der mit der Lenkungshandhabe 11 mittels einer Welle 14 mechanisch gekoppelt ist. Zudem ist an dem Lenksäulenmodul 10 ein in Fig. 1 nicht näher dargestelltes Steuergerät 3a zur Steuerung des Motors 13 des Haptikaktuators 12 vorgesehen.
Das Lenkgetriebemodul 20 der Steer-by-wire-Lenkung 1 bildet einen Radaktuator zur Einstellung eines Lenkwinkels an lenkbaren Fahrzeugrädern 2 des Kraftfahrzeugs und weist dazu, wie weiter unten noch näher erläutert, einen Elektromotor 21 auf, welcher eine mit den Fahrzeugrädern 2 gekoppelte Lenkstange 22 antreibt. An dem Lenkgetriebemodul 20 kann ein weiteres Steuergerät 3b vorgesehen sein.
Kennzeichnend für eine Steer-by-wire-Lenkung 1 besteht vorliegend keine mechanische Kopplung vom Lenkgetriebemodul 20 zu der Lenkungshandhabe 11 und dem Haptikaktuator 12. Zur Verknüpfung des Lenkgetriebemoduls 20 mit der Lenkungshandhabe 11 und dem Haptikaktuator 12 umfasst die Steer-by-wire-Lenkung 1 eine Steuereinrichtung 3, die derart konfiguriert ist, um in Abhängigkeit eines fahrerseitigen Lenkbefehls das Lenkgetriebemodul 20 zur Bewirkung einer Lenkbetätigung der
Fahrzeugräder 2 zu veranlassen sowie den Haptikaktuator 12 zur Erzeugung einer Lenkungsrückwirkung an der Lenkungshandhabe 11 zu veranlassen.
Die Verknüpfung kann elektrisch kabelgebunden oder auch kabellos vorgenommen sein.
Die Steuerungseinrichtung 3 der Steer-by-wire-Lenkung 1 kann in einem zentralen Steuergerät konzentriert oder, wie dargestellt, auf verschiedene Steuergeräte 3a und 3b am Haptikaktuator 12 und am Lenkgetriebemodul 20 verteilt oder in anderer Weise angeordnet sein.
Das Lenkgetriebemodul 20 der Steer-by-wire-Lenkung 1 ist in Fig. 2 näher dargestellt. Dieses umfasst neben dem bereits erwähnten Elektromotor 21 und der Lenkstange 22 weiterhin ein Getriebe 23 zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors 21 in eine Translationsbewegung der Lenkstange 22.
Das Getriebe 23 kann beispielsweise eine Zahnriemenstufe aufweisen, wie dies in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist. Dabei kann ein Getriebeeingangsglied 23.1 an einer Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21 vorgesehen sein, während ein ausgangsseitiges Getriebeglied 23.2 beispielsweise über einen Kugelgewindetrieb 24 mit der Lenkstange 22 in Eingriff steht. Besagte Getriebeglieder 23.1 und 23.2 sind über einen Zahnriemen 23.3 miteinander antriebsmäßig gekoppelt. Jedoch sind auch andere Getriebeformen für das Getriebe 23 möglich, welche eine Übersetzung der Drehbewegung des Elektromotors 21 in eine Translationsbewegung der Lenkstange 22 gestatten.
Kommt es im Bereich der Drehmomentübertragung vom Elektromotor 21 zur Lenkstange 22 zu Störungen, beispielsweise beim Verzahnungseingriff am Getriebe 23, ist keine eindeutige Bestimmung der Lenkstangenposition über die Rotorlage des Elektromotors 21 möglich, da bei einer Steer-by-wire-Lenkung 1 eine Korrektur mittels eines Lenkradwinkels mangels mechanischer Kopplung ausscheidet. Gleiches gilt für Fälle, bei denen eine Bewegung der Lenkung im ausgeschalteten Zustand zum Verlust der Kenntnis über die korrekte Lenkstangenposition führt.
Nachfolgend werden Lösungen aufgezeigt, welche es gestatten, die Position der Lenkstange 22 gleichwohl mit einfachen Mitteln zuverlässig zu bestimmen und zu verifizieren.
Die Steer-by-wire-Lenkung 1 weist hierzu mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 zur Bestimmung der Position der Lenkstange 22 auf. Dabei ist eine erste der Sensoreinrichtungen 25.1 derart angeordnet und ausgebildet, um mit dem ausgangsseitigen Getriebeglied 23.1 des Getriebes 23 zusammenzuwirken. Eine zweite der Sensoreinrichtungen 25.2 ist derart angeordnet und ausgebildet, um mit einer zusätzlichen Sensorwelle 26 zusammenzuwirken.
Diese Sensorwelle 26 kann parallel zur Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21 und/oder parallel zur Lenkstange 22 verlaufen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Je nach Ankopplung ist jedoch auch eine Anordnung quer oder windschief zu der Antriebswelle 21.1 und/oder der Lenkstange 22 möglich.
Das ausgangsseitige Getriebeglied 23.2 und die Sensorwelle 26 sind antriebsmäßig mit dem Getriebeeingangsglied 23.1 an der Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21 gekoppelt und weisen zu diesem Getriebeeingangsglied 23.1 untereinander unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse auf.
Aus den beiden Signalen der ersten Sensoreinrichtung 25.1 und der zweiten Sensoreinrichtung 25.2 lässt sich in Kombination somit eine eindeutige Information über die Absolutposition der Lenkstange 22 generieren. Dies kann beispielsweise im Steuergerät 3b des Lenkgetriebemoduls 20 erfolgen, welchem die Signale der ersten Sensoreinrichtung 25.1 und der zweiten Sensoreinrichtung 25.2 zugeführt werden.
Insbesondere können die Steuereinrichtung 3, beispielsweise im Steuergerät 3b, derart konfiguriert und die ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 hinsichtlich ihrer Übersetzungsverhältnisse derart abgestimmt sein, um aus den Signalen der ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 mit Hilfe des Noniusprinzips (auch Vernier- Prinzip) die Stellung der Lenkstange 22 zu bestimmen. Vorzugsweise erfolgt dies derart, dass die hieraus generierte Information über den gesamten der Lenkhub der Lenkstange 22 eindeutig bleibt. Für die ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 können hierdurch insbesondere einfache und kostengünstige Singleturnsensoren zum Einsatz kommen.
Die ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 können prinzipiell mit beliebigen Messprinzipien, z. B. induktivem oder magnetoresistivem Messprinzip, ausgeführt sein. Vorteilhaft sind Messprinzipien, welche eine robuste elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen oder robust ausgelegt werden können.
Zusätzlich zu der ersten und zweiten Sensoreinrichtung 25.1 und 25.2 kann ein Rotorlagensensor 27 zur Erfassung der Rotorlage des Elektromotors 21 vorgesehen sein.
Dieser Rotorlagensensor 27 kann beispielsweise an der Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21 angeordnet oder aber auch in den Elektromotor 21 implementiert sein. Die Steuereinrichtung 3, insbesondere das Steuergerät 3b des Lenkgetriebemoduls 20, kann dementsprechend derart konfiguriert sein, um das Signal des Rotorlagensensors 27 bei der Bestimmung der Position der Lenkstange 22 hinzuziehen und/oder zu Plausibilisierungszwecken zu verwenden. Ebenso ist es umgekehrt möglich, das Signal des Rotorlagensensors 27 als Referenzsignal für die Position der Lenkstange 22 zu verwenden und die über die erste und zweite Sensoreinrichtung 25.1 und 25.2 generierte Absolutposition der Lenkstange 22 zur Verifikation zu verwenden. Dabei ist zu beachten, dass die über die erste und zweite Sensoreinrichtung 25.1 und 25.2 generierte Information in Bezug auf die Position der Lenkstange genauer und zuverlässiger ist, als die über den Rotorlagensensors 27 generierte Information, weil letztere allein nicht geeignet ist, etwaige Störungen im Bereich des Getriebes 23 abzubilden. Ferner ist es möglich, das oben in Bezug auf die ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 25.1 , 25.2 erläuterte Noniusprinzip auf den Rotorlagensensor 27 auszudehnen, um hierdurch einen 3-fach Nonius zu erzeugen. Ein solcher 3-fach Nonius ist robuster als ein 2-fach Nonius auf Basis der ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 25.1, 25.2.
Die Signalübertragung von den Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 sowie von dem Rotorlagensensors 27 zur Steuereinrichtung 3 kann per Kabel, insbesondere über eine SENT (Single Edge Nibble Transmission)-Schnittstelle, analog, ein Bussystem, kabellos oder in sonstiger Art und Weise erfolgen.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Detailansicht einer möglichen Umsetzung der vorstehend erläuterten Konfiguration an einer Steer-by-wire-Lenkung 1 vom Typ mit achsparalleler Anordnung des Elektromotors 21 zur Lenkstange 22 unter Einbeziehung einer zusätzlichen Sensorwelle 26.
Das Getriebe 23 gemäß Fig. 3 umfasst eine Zahnriemenstufe mit einem eingangsseitigen Riemenrad als Getriebeeingangsglied 23.1, einem ausgangsseitigen Riemenrad als ausgangsseitiges Getriebeglied 23.2 sowie einen das eingangsseitige Riemenrad und das ausgangsseitige Riemenrad antriebsmäßig koppelnden Zahnriemen 23.3. Die erste der Sensoreinrichtungen 25.1 wirkt dabei mit dem ausgangsseitigen Riemenrad oder an einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter 24.1 des Kugelgewindetriebs 24 zusammen, während die Sensorwelle 26 mit dem Zahnriemen 23.3 antriebsmäßig gekoppelt ist.
Vorliegend steht die Sensorwelle 26 mit einer Zahnriemenaußenseite des Zahnriemens 23.3 in Eingriff. Der Zahnriemen 23.3 kann dazu mit einer innen- und außenseitigen Verzahnung versehen sein. Zudem kann die Sensorwelle 26 gegebenenfalls mit einer entsprechenden Verzahnung versehen sein, beispielsweise indem an dieser ein Zahnriemenrad mit geeigneter Verzahnung angebracht ist.
In Abwandlung hiervon kann die Sensorwelle 26 auch mit einer Zahnriemeninnenseite des Zahnriemens 23.3 in Eingriff stehen, so dass eine Doppelverzahnung am Zahnriemen 23.3 nicht erforderlich ist.
Der Verzahnungseingriff an der Zahnriemenaußenseite ist jedoch dahingehend vorteilhaft, dass hierdurch der Umschlingungswinkel an den Zahnriemenrädern des Getriebes 23 tendenziell erhöht wird, wodurch wiederum einem potentiellen Zahnriemenspringen entgegengewirkt werden kann.
Die Sensorwelle 26 ist vorzugsweise gegen den Zahnriemen 23.3 verspannt.
Vorzugsweise erfolgt das Spannen des Zahnriemens 23.3 manuell mit anschließender Fixierung durch geeignete Maßnahmen wie Verschrauben, Verstemmen und dergleichen in jener Position, in der sich beim Spannen während der Montage an dem Zahnriemen 23.3 die auslegungsgemäßen Zahnriementrumkräfte eingestellt haben.
In Abwandlung hiervon ist es möglich, eine automatische Spannung des Zahnriemens 23.3 vorzusehen. Dazu kann die Sensorwelle 26 mittels einer Federeinrichtung gegen ein Lenkungsgehäuse abgestützt sein, welche die Sensorwelle 26 gegen den Zahnriemen 23.3 drängt. Die Sensorwelle 26 kann hierzu beispielsweise an einer federnd abgestützten Schwinge oder einem federnd abgestützten Schlitten angeordnet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weisen die erste Sensoreinrichtung 25.1 einen ersten Messgeber 25.1a und einen ersten Messaufnehmer 25.1b und die zweite Sensoreinrichtung 25.2 einen zweiten Messgeber 25.2a und einen zweiten Messaufnehmer 25.2b auf. Der erste Messgeber 25.1a der ersten Sensoreinrichtung 25.1 ist an dem ausgangsseitigen Riemenrad beziehungsweise ausgangsseitigen Getriebeglied 23.2 oder an der mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter 24.1 angeordnet. Der zweite Messgeber 25.2a der zweiten Sensoreinrichtung 25.2 ist an der Sensorwelle 26 angeordnet ist. Die ersten und zweiten Messaufnehmer 25.1a und 25.1b sind an einem nicht näher dargestellten Lenkungsgehäuse stationär angeordnet und mit der Steuereinrichtung 3 verbunden.
Bei den in den Fig. 2 und 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispielen steht die Sensorwelle 26 unmittelbar mit dem Zahnriemen 23.2 des Getriebes 23 in Verzahnungseingriff. In Abwandlung hiervon ist es jedoch auch möglich, die Sensorwelle 26 über ein Zusatzgetriebe 28 antriebsmäßig anzuschließen, wie dies in Fig. 5 beispielhaft dargestellt und nachfolgend näher erläutert ist.
Das Zusatzgetriebe 28 ist zusätzlich zu dem Getriebe 23 zur Übersetzung der Drehbewegung des Elektromotors 21 in eine Translationsbewegung der Lenkstange 22 vorgesehen. Da das Zusatzgetriebe 28 keine großen Antriebsmomente übertragen muss, kann dieses im Vergleich zu dem Getriebe 23, welches die für die Darstellung eines Lenkbefehls nötigen Drehmomente übertragen muss, deutlich filigraner dimensioniert werden.
Das Zusatzgetriebe 28 kann je nach Bauraumsituation eine Zahnriemenstufe wie in Fig. 5 dargestellt, eine Stirnzahnradgetriebestufe wie in Fig. 6 dargestellt, eine Kegelradgetriebestufe, eine Schneckengetriebestufe oder sonstige Getriebestufe sein oder aufweisen.
In Fig. 5 weist das Zusatzgetriebe 28 ein erstes Getriebeglied 28.1 , beispielhaft in Form eines Zahnriemenrads, auf, welches drehfest mit dem ausgangsseitigen Getriebeglied 23.2 des Getriebes 23 oder der Kugelgewindemutter 24.1 gekoppelt ist. In einer Ausführungsvariante können das erste Getriebeglied 28.1 des Zusatzgetriebes 28 und das ausgangsseitige Getriebeglied 23.2 des Getriebes 23 als einstückiges Bauteil ausgeführt sein.
Das erste Getriebeglied 28.1 des Zusatzgetriebes 28 und das ausgangsseitige Getriebeglied 23.2 des Getriebes 23 können unterschiedliche Durchmesser und/oder Zahnabmessungen aufweisen. Das erste Getriebeglied 28.1 des Zusatzgetriebes 28 und das ausgangsseitige Getriebeglied 23.2 des Getriebes 23 können jedoch auch als ein gemeinsames Riemenrad ausgebildet sein, auf welchem die Zahnriemen 23.3 und 28.3 des Getriebes 23 und des Zusatzgetriebes 28 auf gleichem Durchmesser und mit identischer Verzahnung parallel nebeneinander laufen.
Das erste Getriebeglied 28.1 des Zusatzgetriebes 28 kann alternativ auch an dem ausgangsseitigen Getriebeglied 23.2 des Getriebes 23, insbesondere einem Riemenrad, eigens befestigt sein.
Weiterhin weist in Fig. 5 das Zusatzgetriebe 28 ein zweites Getriebeglied 28.2, beispielhaft in Form eines Zahnriemenrads, auf, welches an der Sensorwelle 26 angeordnet ist.
Beide Getriebeglieder 28.1 und 28.2 sind über einen Zahnriemen 28.3 antriebsmäßig miteinander gekoppelt. Dieser Zahnriemen 28.3 ist zusätzlich zu dem Zahnriemen 23.3 des Getriebes 23 vorgesehen und kann schmaler als der Zahnriemen 23.3 des Getriebes 23 ausgebildet sein. Dabei kann die erste Sensoreinrichtung 25.1 mit dem ersten Getriebeglied 28.1 des Zusatzgetriebes 28 Zusammenwirken, während die zweite Sensoreinrichtung 25.2 mit dem zweiten Getriebeglied 28.2 zusammenwirkt. Die Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 können über ein Sensorkabel 29, insbesondere über ein gemeinsames Sensorkabel 29 mit der Steuereinrichtung 3 verbunden sein.
Insbesondere können die Getriebeglieder 28.1 und 28.2 des Zusatzgetriebes 28 untereinander unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen.
Optional können, wie in Fig. 5 durch eine unterbrochene Linie angedeutet, die zwei Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 zu einer separat montierbaren Baueinheit 30 zusammengefasst sein, welche weiter optional außerdem das Zusatzgetriebe 28 aufweist. Diese Baueinheit 30 lässt sich montagetechnisch einfach am Lenkgetriebemodul 20 verbauen. Nach dem Einbau muss lediglich noch das Sensorkabel 29 angeschlossen werden.
Beispielsweise können die Messaufnehmer 25.1b und 25.2b auf einer gemeinsamen Platine anordnet sein, so dass eine diesbezügliche Verkabelung entfallen kann.
Mittels einer solchen Baueinheit 30 kann für den gesamten Lenkhub der Lenkstange 22 mittels des Noniusprinzips ein Absolutwinkelsignal bereitgestellt werden, aus dem mittels der Übersetzungsverhältnisse zur Lenkstange 22 oder entsprechend mittels des Übersetzungsverhältnisses des Zusatzgetriebes 28 die Position der Lenkstange 22 eindeutig bestimmbar ist.
Optional enthält diese Baueinheit 30 eine Auswerteeinrichtung, welche eine Zusammenführung der Signale der zwei Sensoreinrichtungen 25.1 und 25.2 vornimmt und aus diesen ein die Absolutposition repräsentierendes Signal generiert. Letzteres kann über das Sensorkabel 29 übertragen werden. Es ist jedoch auch möglich, zunächst beide Sensorsignale an die Steuereinrichtung 3 zu übertragen und die Auswertung in dieser vorzunehmen.
Fig. 6 zeigt eine Anwandlung von Fig. 5, welche sich lediglich durch eine etwas andere Ausgestaltung des Zusatzgetriebes 28 unterscheidet. Ist in Fig. 5 eine Zahnriemenstufe gezeigt, so ist in Fig. 6 stattdessen eine Stirnradgetriebestufe vorgesehen, welche besonders flachbauend ausgeführt werden kann. Im Übrigen können die oben bereits erläuterten Ausgestaltungen auch bei der Variante mit Stirnradgetriebestufe vorgesehen werden.
Optional können, generell, die Übersetzungsverhältnisse derart gewählt sein, dass, wie beispielsweise in Fig. 6, die Drehzahl der Sensorwelle 26 größer ist als die Drehzahl des ausgangsseitigen Getriebeglieds 23.2. Mit der zweiten Sensoreinrichtung 25.2 an der Sensorwelle 26 kann damit, vereinfacht gesprochen, festgestellt werden, in welchem Umdrehungszyklus sich das erste Getriebeglied 28.1 des Zusatzgetriebes 28 und damit die erste Sensoreinrichtung 25.1 befindet, womit über den Lenkhub der Lenkstange 22 eine eindeutige Positionszuordnung möglich ist.
Weiterhin kann die Drehzahl der Sensorwelle 26 größer sein als die Drehzahl der Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21.
Bei diesen Varianten wird davon ausgegangen, dass kein Überspringen beider Zahnriemen 23.3 und 28.3 in gleicher Art erfolgen kann. Wird also ein plötzlicher Sprung oder eine ähnliche Änderung zwischen den Signalen des Rotorlagensensors 27 des Elektromotors 21 und den ersten und zweiten Sensoreinrichtungen 25.1, 25.2 erkannt, muss von einem Riemenüberspringen mindestens eines der beiden Zahnriemen 23.3 und 28.3 ausgegangen werden. In diesem Fall könnte eine Sicherheit gemäß ASIL-D/ISO26262 nicht mehr uneingeschränkt gewährleistet werden. Aufgrund der nunmehr jedoch möglichen korrekten Bestimmung der Position der Lenkstange 22 und/oder Plausibilisierung der Rotorlage können jedoch Maßnahmen zur Beherrschung des Zustandes eingeleitet werden, um die geforderte Sicherheit einzuhalten.
Bei den Varianten ohne Zusatzgetriebe 28 kann davon ausgegangen werden, dass ein Überspringen des Zahnriemens 23.3 auf der Sensorwelle 26 und am ausgangsseitigen Getriebeglied 23.2 nicht in gleicher Weise stattfindet, so dass auch hier eine Abweichung im Umdrehungsverhältnis erkannt werden kann.
Diese Annahme kann getroffen werden, da der Sensorriemen 28.3 keine oder nur vergleichsweise minimale Belastungen aufweist, die in deutlich anderer Größenordnung als die Lasten auf dem Zahnriemen 23.3 am Elektromotor 21 liegen, über den die vollständige Übertragung des Drehmoments realisiert wird. Von den vorstehend bereits erläuterten Anordnungsschemata für die Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21, des ausgangsseitigen Getriebeglieds 23.2 des Getriebes 23 und die Sensorwelle 26 sowie deren antriebsmäßiger Verknüpfung kann abgewichen werden. Mögliche Abwandlungen sind in Fig. 4 veranschaulicht.
Variante A in Fig.4 entspricht im Wesentlichen den Ausführungsbeispielen in Fig. 5 und 6 mit Zusatzgetriebe. Die Lage von Elektromotor 21 und Sensorwelle 26 kann zusätzlich um die Lenkstange 22 variiert werden.
Variante B und C zeigen Anordnungsschemata für Ausführungsbeispiele, bei denen die Sensorwelle 26 über das Getriebe 23 antriebsmäßig angekoppelt ist.
In Variante B liegen die Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21 und die Sensorwelle 26 innerhalb des Zahnriemens 23.3 des Getriebes 23, jedoch auf gegenüberliegenden Seiten der Lenkstange 22 und des ausgangsseitigen Getriebeglieds 23.2 des Getriebes 23.
In Variante C liegen die Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21 und die Sensorwelle 26 wiederum innerhalb des Zahnriemens 23.3 des Getriebes 23, jedoch auf der gleichen Seite der Lenkstange 22 und des ausgangsseitigen Getriebeglieds 23.2 des Getriebes 23.
Vorliegend wurde das Getriebe 23 anhand einer Zahnriemenstufe 23 erläutert. Jedoch kann diese auch durch andere Getriebetypen ersetzt oder ergänzt werden. Als ein mögliches Beispiel sei hier eine Zahnradstufe genannt. In einem solchen Fall kann das Getriebe 23 als Getriebeeingangsglied 23.1 an der Antriebswelle 21.1 des Elektromotors 21 ein eingangsseitiges Zahnrad und als ausgangsseitiges Getriebeglied 23.2 ein ausgangsseitiges Zahnrad aufweisen, welche miteinander in Eingriff stehen. Die erste der Sensoreinrichtungen 25.1 kann dabei mit dem ausgangsseitigen Zahnrad oder an einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter 24.1 Zusammenwirken. Die Sensorwelle 26 kann je nach gewähltem Anordnungsschema unmittelbar mit dem ausgangsseitigen Zahnrad oder mit dem eingangsseitigen Zahnrad in Eingriff stehen. Zudem ist es möglich, wiederum ein Zusatzgetriebe 28 wie oben beschrieben vorzusehen und die Sensorwelle 26 über ein solches vorzugsweise an das ausgangsseitige Getriebeglied 23.2 beziehungsweise das ausgangsseitige Zahnrad antriebsmäßig anzukoppeln.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen und weiteren Abwandlungen näher erläutert. Insbesondere können technische Einzelmerkmale, welche oben im Kontext weiterer Einzelmerkmale erläutert wurden, unabhängig von diesen sowie in Kombination mit weiteren Einzelmerkmalen verwirklicht werden, auch wenn dies nicht ausdrücklich beschrieben ist, solange dies technisch möglich ist. Die Erfindung ist daher ausdrücklich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
Bezugszeichenliste Steer-by-wire-Lenkung Fahrzeugrad Steuergerät a Steuergerät auf Seiten des Lenksäulenmodulsb Steuergerät auf Seiten des Lenkgetriebemoduls0 Lenksäulenmodul 1 Lenkungshandhabe 2 Haptikaktuator 3 Motor 4 Welle 0 Lenkgetriebemodul 1 Elektromotor 2 Lenkstange 3 Getriebe 3.1 Getriebeeingangsglied des Getriebes 23 3.2 ausgangsseitiges Getriebeglied des Getriebes 233.3 Zahnriemen 4 Kugelgewindetrieb 4.1 Kugelgewindemutter 5.1 erste Sensoreinrichtung 5.1a Messgeber 5.1b Messaufnehmer 5.2 zweite Sensoreinrichtung 5.2a Messgeber 5.2b Messaufnehmer 6 Sensorwelle 7 Rotorlagensensor 8 Zusatzgetriebe 8.1 erstes Getriebeglied des Zusatzgetriebes 288.2 zweites Getriebeglied des Zusatzgetriebes 288.3 Zahnriemen des Zusatzgetriebes 28 9 Kabel 0 Baueinheit

Claims

Patentansprüche
1. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1), umfassend: einen Elektromotor (21), eine Lenkstange (22), ein Getriebe (23) zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors (21) in eine Translationsbewegung der Lenkstange (22), und mindestens zwei Sensoreinrichtungen (25.1, 25.2) zur Bestimmung der Position der Lenkstange (22), wobei eine erste der Sensoreinrichtungen (25.1) angeordnet und ausgebildet ist, mit einem ausgangsseitigen Getriebeglied (23.2) des Getriebes (23) zusammenzuwirken, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite der Sensoreinrichtungen (25.2) angeordnet und ausgebildet ist, mit einer Sensorwelle (26) zusammenzuwirken, wobei das ausgangsseitige Getriebeglied (23.2) und die Sensorwelle (26) antriebsmäßig mit einem Getriebeeingangsglied (23.1) des Getriebes (23) an einer Antriebswelle (21.1) des Elektromotors (21) gekoppelt sind und zu diesem Getriebeeingangsglied (23) untereinander unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse aufweisen.
2. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsverhältnisse derart gewählt sind, dass die Drehzahl der Sensorwelle (26) größer ist als die Drehzahl des ausgangsseitigen Getriebeglieds (23.2).
3. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (3) derart konfiguriert und die ersten und zweiten Sensoreinrichtungen (25.1, 25. 2) derart abgestimmt sind, um aus den Signalen der ersten und zweiten Sensoreinrichtungen (25.1, 25.2) mit Hilfe des Noniusprinzips die Stellung der Lenkstange (22) zu bestimmen.
4. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotorlagensensor (27) zur Erfassung einer Rotorlage des Elektromotors (21) vorgesehen ist und die Steuereinrichtung (3) derart konfiguriert ist, um ein Signal des Rotorlagensensors (27) bei der Bestimmung der Position der Lenkstange (22) hinzuziehen und/oder zu Plausibilisierungszwecken zu verwenden.
5. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (23) eine Zahnriemenstufe mit einem eingangsseitigen Riemenrad, einem ausgangsseitigen Riemenrad sowie einem das eingangsseitigen Riemenrad und das ausgangsseitige Riemenrad antriebsmäßig koppelnden Zahnriemen (23.3) aufweist, wobei die erste der Sensoreinrichtungen (25. 1) mit dem ausgangsseitigen Riemenrad oder an einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter (24.1) zusammenwirkt, und die Sensorwelle (26) mit dem Zahnriemen (23.3) des Getriebes (23) antriebsmäßig gekoppelt ist.
6. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung (25.1) einen ersten Messgeber (25.1a) und einen ersten Messaufnehmer (25.1b) aufweist, die zweite Sensoreinrichtung (25.2) einen zweiten Messgeber (25.2a) und einen zweiten Messaufnehmer (25.2b) aufweist, der erste Messgeber (25.1a) der ersten Sensoreinrichtung (25. 1) an dem ausgangsseitigen Riemenrad oder an der mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter (24.1) angeordnet ist, der zweite Messgeber (25.2a) der zweiten Sensoreinrichtung (25.2) an der Sensorwelle (26) angeordnet ist, und der erste und zweite Messaufnehmer (25.1b, 25.2b) an einem Lenkungsgehäuse stationär angeordnet sind.
7. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (26) mit einer Zahnriemenaußenseite des Zahnriemens (23.3) in Eingriff steht.
8. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (26) mit einer Zahnriemeninnenseite des Zahnriemens (23.3) in Eingriff steht.
9. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (26) gegen den Zahnriemen (23.3) verspannt ist.
10. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (26) mittels einer Federeinrichtung gegen ein Lenkungsgehäuse oder ein mit diesem fest verbundenes Element abgestützt ist, wobei die Federeinrichtung die Sensorwelle (26) gegen den Zahnriemen (23.3) drängt.
11. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (26) über ein Zusatzgetriebe (28) antriebsmäßig angeschlossen ist, welches zusätzlich zu dem Getriebe (23) zur Übersetzung einer Drehbewegung des Elektromotors (21) in eine Translationsbewegung der Lenkstange (22) vorgesehen ist.
12. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (23) eine Zahnradstufe mit einem eingangsseitigen Zahnrad und einem ausgangsseitigen Zahnrad aufweist, wobei das eingangsseitige Zahnrad und das ausgangsseitige Zahnrad miteinander in Eingriff stehen, wobei die erste der Sensoreinrichtungen (25.1) mit dem ausgangsseitigen Zahnrad oder an einer mit diesem gekoppelten Kugelgewindemutter (24.1) zusammenwirkt, und wobei die Sensorwelle (26) mit dem ausgangsseitigen Zahnrad oder dem eingangsseitigen Zahnrad in Eingriff steht oder mit einem von diesen über ein Zusatzgetriebe (28) antriebsmäßig gekoppelt ist.
13. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgetriebe (28) eine Zahnriemenstufe (28.1 , 28.2, 28.3), eine Stirnzahnradgetriebestufe, eine Kegelradgetriebestufe oder eine Schneckengetriebestufe ist.
14. Steer-by-wire-Lenkung für ein Kraftfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (26) und die mindestens zwei Sensoreinrichtungen (25.1, 25.2) zu einer separat montierbaren Baueinheit (30) zusammengefasst sind, welche ein Zusatzgetriebe (28) derart aufweist, um für den Gesamthub der Lenkstange (22), vorzugsweise mittels des Noniusprinzips, ein Absolutwinkelsignal bereitzustellen, aus dem mittels der Übersetzungsverhältnisse zur Lenkstange (22) die Position der Lenkstange (22) bestimmbar ist.
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