WO2020211891A1 - Handkraftaktuator mit einem sensorsystem zur drehmomentdetektion - Google Patents

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WO2020211891A1
WO2020211891A1 PCT/DE2020/100095 DE2020100095W WO2020211891A1 WO 2020211891 A1 WO2020211891 A1 WO 2020211891A1 DE 2020100095 W DE2020100095 W DE 2020100095W WO 2020211891 A1 WO2020211891 A1 WO 2020211891A1
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steering
force actuator
steering spindle
torque
magnetic
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Jochen Rosenfeld
Andreas Wöllner
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01L5/221—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to steering wheels, e.g. for power assisted steering

Definitions

  • the invention relates to a manual force actuator with a longitudinal axis for a steer-by-wire steering system of a vehicle according to claim 1.
  • Steer-by-wire steering systems for motor vehicles receive manual steering commands from the driver, like conventional mechanical steering systems, by turning a steering wheel of an input unit. This causes the rotation of a steering spindle which, however, is not mechanically connected to the wheels to be steered via the steering gear, but rather interacts with rotation angle or torque sensors that detect the steering command and output a determined electrical control signal to a steering actuator, which sets a corresponding steering angle of the wheels by means of an electric actuator.
  • the driver does not receive any direct physical feedback from the steered wheels via the steering line, which in conventional mechanically coupled steering systems is a reaction or restoring torque depending on the condition of the road surface, the vehicle speed, the current steering angle and other operating conditions reported back to the steering wheel.
  • the lack of haptic feedback makes it difficult for the driver to safely grasp current driving situations and to carry out appropriate steering maneuvers, which impairs vehicle steerability and thus driving safety.
  • the manual force actuator comprises an actuating drive serving as a manual torque or steering wheel actuator.
  • a restoring torque or torque corresponding to the real reaction torque is coupled into the steering wheel via the steering spindle.
  • Steer-by-wire steering systems are generally known, for example each with an input unit which has a manual force actuator driven by an electric motor with a housing arrangement.
  • the electric motor can be controlled by an electronic control unit that adjusts the motor current as a function of measured values that characterize the respective driving situation.
  • the motor shaft is coupled directly to the steering spindle, so the motor torque is identical to the manual torque coupled into the steering spindle.
  • the motor unit is flanged axially to the casing unit with respect to the longitudinal axis and the motor shaft is connected to the steering spindle mounted in the casing unit via a coupling.
  • An essential parameter for controlling the manual force actuator is, in addition to parameters related to the driving situation, a steering torque that is generated by a steering wheel or a driver.
  • the intensity of the steering torque is detected in the steering train and transmitted to control electronics and the electric motor for applying a steering resistance to the steering spindle.
  • control electronics and the electric motor for applying a steering resistance to the steering spindle.
  • the task of the current development is to develop a manual force actuator for a steer-by-wire steering system that has a compact design and enables inexpensive and reliable torque detection of a steering spindle for a realistic steering resistance.
  • a manual force actuator with a longitudinal axis for a steer-by-wire steering system of a vehicle with the features of claim 1 and a sensor system for a manual force actuator the features of claim 10.
  • Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims and the following description, which can each represent an aspect of the invention individually or in combination.
  • the invention thus relates to a manual force actuator with a longitudinal axis for a steer-by-wire steering system of a vehicle
  • an electric motor wherein the electric motor is arranged non-rotatably on the housing arrangement along the longitudinal axis at one end of the housing arrangement, at least one steering spindle for absorbing a steering torque of a steering wheel, wherein the steering spindle is rotatably mounted about the longitudinal axis in the housing arrangement, and wherein the steering spindle for transmission a torque is at least indirectly connected to the electric motor,
  • the manual force actuator has a sensor system for torque detection on the steering spindle designed as a sensor carrier.
  • the object is thus achieved according to the invention in particular by an advantageously arranged sensor system. It has been found that a sensor system arranged on the steering spindle enables detection values that are as accurate as possible. One of the reasons for this is that the direct arrangement of the sensor system on the steering spindle largely avoids the influence of further disturbance variables. In order to optimize the detection result, it can be provided that different detection methods are combined with one another. Depending on the detection method, a single one can be sufficient for a reliable detection result. In particular, the space required is optimized by using the space around the steering spindle, which is essentially present.
  • the sensor system has means for torque detection by means of optical detection.
  • Optical detection has the advantage that it is contactless and thus enables low-wear detection. The individual components of the sensor system therefore do not have to be replaced by new components after a certain period of use due to wear.
  • the means for optical detection comprise a coding arranged on the steering spindle, an optical sensor for detecting the coding and a computing unit.
  • the torque can be detected by a, in particular elastic, deformation of the steering spindle, which takes place as a result of the torsion applied about the longitudinal axis.
  • the computing unit can derive the torque accordingly from the detected rotation or deformation.
  • the coding is a single-track or multi-track coding, the coding extending in particular around the circumference of the longitudinal spindle.
  • a particularly multi-track coding enables the most accurate and therefore reliable measurement results possible.
  • the sensor system for detecting the steering torque has at least one, preferably at least two strain gauges, which is or are arranged on an outer surface of the left-hand spindle.
  • a torque on the steering spindle leads to a deformation of the same and thus also of the measuring bridge with the at least one strain gauge.
  • the voltage in the measuring bridge thus changes so that the torque can be detected based on it.
  • Strain gauges have the advantage of being robust and accurate. The assembly is done with a manageable effort and the components are easily available.
  • the sensor system has means for magnetostrictive torque detection.
  • Magnetostrictive torque detection has the advantage that it is contactless and thus enables low-wear detection.
  • the individual components of the sensor system therefore do not have to be replaced by new components after a certain period of use due to wear.
  • This solution is based on the idea of using the principle of inverse magnetostriction for torque detection in such a way that the steering spindle is designed as a sensor carrier and functions as a primary sensor.
  • magnetostriction is the elastic deformation of the molecular structure of ferromagnetic materials.
  • the micromechanical deformation takes place when the magnetization changes. Therefore, the length of a body changes under the influence of an external magnetic field.
  • means for magnetostrictive torque detection as a sensor system has the advantage that they are robust and durable. They have a simple structure and are non-contact and therefore maintenance-free.
  • the manual force actuator has an annular body that surrounds the steering spindle and has at least one magnetic track and a hollow cylinder body with at least one magnetic sensor in such a way that the annular body and the hollow cylinder body are formed coaxially to one another in such a way that in the event of torsion the Steering spindle around the longitudinal axis of the at least one magnetic sensor detects the torque acting on the longitudinal axis via the at least one magnetic track. It has been found that this arrangement enables a compact design and, at the same time, reliable detection of the torque.
  • the ring body can, for example, have a multiplicity of magnetic bodies arranged one on top of the other in such a way that the ring body does not emit any significant magnetic field.
  • the ring body is considered a closed ring body.
  • the hollow cylinder body can be a jacket which extends over a substantial length of the steering spindle along the longitudinal axis.
  • the hollow cylinder body serve as a protective jacket and as a holding device for the at least one magnetic track.
  • the ring body has two magnetic tracks with two opposing magnetic fields
  • the hollow cylinder body has two magnetic sensors, the two magnetic tracks and the two magnetic sensors being arranged one after the other along the longitudinal axis in such a way that one magnetic sensor is used for each Magnetostrictive torque detection is assigned to a magnetic track.
  • the effect of inverse magnetostriction is thus used for torque detection.
  • the effect is based on two oppositely coded magnetic tracks applied to the steering spindle as primary sensors, whose magnetic field changes are tapped without contact by secondary sensors.
  • the opposing coding of the magnetic tracks enables precise measurement even under the influence of external magnetic fields.
  • the two magnetic fields are coded in opposite directions in order to detect an offset value due to the earth's magnetic field.
  • the ring body is directly or indirectly inseparably connected to the steering spindle.
  • Magnetic coding is therefore an integral part of the steering spindle, so that the steering spindle functions as a primary sensor.
  • the invention also relates to a sensor system for a manual force actuator with at least one of the preceding features, characterized by the features of the sensor system according to at least one of the preceding claims.
  • the invention is explained by way of example with reference to the attached drawings using a preferred exemplary embodiment, the features shown below being able to represent an aspect of the invention both individually and in combination. It shows:
  • FIG. 2 a schematic side view of a steering spindle of the manual force actuator according to FIG. 1 with means for optical torque detection as a first embodiment of a sensor system
  • FIG. 3 two schematic side views of a steering spindle of the manual force actuator according to FIG. 1 with a strain gauge for torque detection, in each case in the relaxed and in the loaded state, as a second embodiment of a sensor system,
  • FIG. 4 a schematic side view of a steering spindle of the manual force actuator according to FIG. 1 with means for magnetostrictive torque detection, as a third embodiment of a sensor system, and FIG
  • FIG. 5 two schematic front views of one end face of a steering spindle of the manual force actuator according to FIG. 1 and FIG. 4 with the means for magnetostrictive torque detection, in each case in the relaxed and in the loaded state.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a manual force actuator 10 with a longitudinal axis L for a steer-by-wire steering system of a vehicle, having an outer housing arrangement 12,
  • an electric motor 14 the electric motor 14 being arranged on the housing arrangement 12 in a rotationally fixed manner along the longitudinal axis L at one end of the housing arrangement 12, At least one steering spindle 16 for absorbing a steering torque of a steering wheel 18, the steering spindle 16 being rotatably mounted about the longitudinal axis L in the housing arrangement 12, and the steering spindle 16 being at least indirectly connected to the electric motor 14 to transmit a torque D, at least one bearing 20 for the rotatable mounting of the steering spindle 16 in the housing arrangement 12,
  • the manual force actuator 10 having a sensor system 22 for torque detection on the steering spindle 16 designed as a sensor carrier.
  • a more comprehensive, exemplary structure of the manual force actuator 10 thus has for steering by means of a direct drive according to a preferred embodiment of the invention:
  • the electric motor 14 for actively setting a defined steering resistance, for example about ten newton meters,
  • an angle sensor 24 for determining the rotor length for controlling the
  • a friction element 28 for generating a basic friction in the system to avoid synthetic haptics.
  • the illustrated housing arrangement 12 comprises two housing modules. However, a single housing body can also be sufficient.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the sensor system 22, the sensor system 22 having means for torque detection by means of optical detection.
  • the means for optical torque detection include a coding 30 arranged on the steering spindle 16, an optical sensor 32 for detecting the coding 30 and a computing unit 34.
  • the coding 30 is a two-track coding, the coding 30 extending in particular around the circumference of the longitudinal spindle 16.
  • FIG. 3 divided into FIGS. 3a and 3b, shows a second embodiment of the sensor system 22, the sensor system 22 having at least one strain gauge for detecting the steering torque, which is arranged on an outer surface of the left-hand spindle 16.
  • FIG. 3a shows the strain gauge with a strain in the state of rest S1.
  • FIG. 3b shows the strain gauge with an expansion in the load state S2, that is to say when the steering spindle 16 is subjected to a load torque D.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the sensor system 22, the sensor system 22 having means for magnetostrictive torque detection.
  • the manual force actuator 10 has an annular body 40 that surrounds the steering spindle 16 and has at least one magnetic track 36a, 36b and a hollow cylinder body 42 with at least one magnetic sensor 38a, 38b in such a way that the annular body 40 and the hollow cylinder body 42 are coaxial are designed to each other that in the event of a torsion of the steering spindle 16 about the longitudinal axis L, the at least one magnetic sensor 38a, 38b detects the torque D acting on the longitudinal axis L via the at least one magnetic track 36a, 36b.
  • the ring body 40 has two magnetic tracks 36a, 36b with two opposing magnetic fields
  • the hollow cylinder body 42 has two magnetic sensors 38a, 38b, the two magnetic tracks 36a, 36b and the two magnetic sensors 38a, 38b being arranged one after the other along the longitudinal axis L in such a way that one magnetic sensor 38a, 38b for magnetostrictive torque detection of a magnetic track 36a, 36b is assigned.
  • FIG. 4 discloses the magnetic tracks 36a, 36b of the ring body 40 for schematic reasons with clear contours in order to illustrate the two opposing magnetic fields.
  • the ring body is formed in one piece with the two magnetic tracks 36a, 36b.
  • the ring body 40 is indirectly and inseparably connected to the steering spindle 16.
  • connection options are shrink-fitting or welding, although the exact selection is not relevant.
  • Figure 5a shows a front view of an end face of the steering spindle 16 in the rest state.
  • a magnetic track 36a is arranged around the circumference of the steering spindle 16 as part of the ring body 40.
  • This magnetic track 36a comprises, for example, a multiplicity of elementary magnets. This creates a closed magnetic ring. This means that no magnetic field can be detected by the magnetic sensor 38a.
  • the magnetic field that can be detected by the magnetic sensor 38a is, however, detectable, as shown in FIG. 5b, when the steering spindle 16 is acted upon by a loading torque D. This corresponds to a load condition of the steering spindle 16.
  • the application of torque leads to a deformation of the steering spindle 16, which results in the changed position of the elementary magnets and thus a change in the magnetic field.
  • This change in the magnetic field is detected by the magnetic sensor 38a.
  • the torque can then be determined.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Handkraftaktuator (10) mit einer Längsachse (L) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend eine äußere Gehäuseanordnung (12), einen Elektromotor (14), wobei der Elektromotor (14) entlang der Längsachse (L) an einem Ende der Gehäuseanordnung (12) drehfest an der Gehäuseanordnung (12) angeordnet ist, mindestens eine Lenkspindel (16) zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads (18), wobei die Lenkspindel (16) um die Längsachse (L) drehbar in der Gehäuseanordnung (12) gelagert ist, und wobei die Lenkspindel (16) zur Übertragung eines Drehmoments (D) zumindest mittelbar mit dem Elektromotor (14) verbunden ist, mindestens ein Lager (20) zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel (16) in der Gehäuseanordnung (12), wobei der Handkraftaktuator (10) ein Sensorsystem (22) zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel (16) aufweist.

Description

Handkraftaktuator mit einem Sensorsystem zur Drehmomentdetektion
Die Erfindung betrifft einen Handkraftaktuators mit einer Längsachse für ein Steer-by- Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1.
Steer-by-wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge nehmen manuelle Lenkbefehle des Fahrers, wie konventionelle mechanische Lenkungen, durch Drehung eines Lenkrades einer Eingabeeinheit entgegen. Dadurch wird die Drehung einer Lenkspindel bewirkt, die jedoch nicht mechanisch über das Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden ist, sondern mit Drehwinkel- bzw. Drehmoment sensoren zusammenwirkt, die den eingebrachten Lenkbefehl erfassen und ein daraus bestimmtes elektrisches Steuersignal an einen Lenksteller abgeben, der mittels eines elektrischen Stellantriebs einen entsprechenden Lenkeinschlag der Räder einstellt.
Bei Steer-by-wire-Lenksystemen erhält der Fahrer von den gelenkten Rädern keine unmittelbare physische Rückmeldung über den Lenkstrang, welche bei konventionellen mechanisch gekoppelten Lenkungen als Reaktions- bzw. Rückstellmoment in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem aktuellen Lenkwinkel und weiterer Betriebszustände zum Lenkrad zurückgemeldet werden. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeuglenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden.
Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist es im Stand der Technik bekannt, aus einer tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen mit einem Handkraftaktuator ein Rückkopplungs-Signal durch ein entsprechend von einem Elektromotor generiertes Drehmoment zu bilden. Hierzu umfasst der Handkraftaktuator einen als Handmoment- oder Lenkradsteller dienenden Stellantrieb. Somit wird abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reaktionsmoment entsprechendes Rückstellmoment beziehungsweise Drehmoment über die Lenkspindel in das Lenkrad eingekoppelt. Derartige, auch„Force-Feedback“-Systeme genannte Systeme, geben dem Fahrer den Eindruck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.
Allgemein bekannt sind Steer-by-wire-Lenksysteme, beispielsweise jeweils mit einer Eingabeeinheit, die eine von einem Elektromotor angetriebenen Handkraftaktuator mit einer Gehäuseanordnung aufweist. Der Elektromotor kann von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden, die in Abhängigkeit von Messwerten, welche die jeweilige Fahrsituation charakterisieren, den Motorstrom einstellt. Die Motorwelle ist direkt mit der Lenkspindel gekuppelt, somit ist das Motordrehmoment identisch mit dem in die Lenkspindel eingekoppelten Handmoment. Dabei ist die Motoreinheit bezüglich der Längsachse axial an die Manteleinheit angeflanscht und die Motorwelle über eine Kupplung mit der in der Manteleinheit gelagerten Lenkspindel verbunden.
Ein wesentlicher Parameter zur Steuerung des Handkraftaktuators ist neben fahrsituativen Parametern auch ein Lenkmoment, welches durch ein Lenkrad oder einen Fahrer erzeugt wird. Die Intensität des Lenkmoments wird im Lenkungsstrang detektiert und an eine Steuerelektronik und den Elektromotor zur Beaufschlagung der Lenkspindel mit einem Lenkwiderstand übertragen. Um einen möglichst realistischen Lenkwiderstand durch ein Drehmoment zu erzeugen ist es erforderlich, das Lenkmoment sowie das vom Elektromotor gegenwirkende Drehmoment möglichst genau zu detektieren, um dem Fahrer ein ausgewogenes Lenkgefühl zu vermitteln.
Die Aufgabe der aktuellen Entwicklung besteht darin, einen Handkraftaktuator für ein Steer-by-Wire-Lenksystem zu entwickeln, der eine kompakte Bauweise aufweist und eine kostengünstige sowie zuverlässige Drehmomentdetektion einer Lenkspindel für einen realistischen Lenkwiderstand ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Handkraftaktuator mit einer Längsachse für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Sensorsystem für einen Handkraftaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Die Erfindung betrifft somit einen Handkraftaktuator mit einer Längsachse für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend
eine äußere Gehäuseanordnung,
einen Elektromotor, wobei der Elektromotor entlang der Längsachse an einem Ende der Gehäuseanordnung drehfest an der Gehäuseanordnung angeordnet ist, mindestens eine Lenkspindel zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads, wobei die Lenkspindel um die Längsachse drehbar in der Gehäuseanordnung gelagert ist, und wobei die Lenkspindel zur Übertragung eines Drehmoments zumindest mittelbar mit dem Elektromotor verbunden ist,
mindestens ein Lager zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel in der Gehäuseanordnung,
wobei der Handkraftaktuator ein Sensorsystem zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel aufweist.
Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß insbesondere durch ein vorteilhaft angeordnetes Sensorsystem gelöst. Es hat sich herausgestellt, dass ein an der Lenkspindel angeordnetes Sensorsystem möglichst genaue Detektionswerte ermöglicht. Dies liegt unter anderem daran, dass durch die unmittelbare Anordnung des Sensorsystems an der Lenkspindel der Einfluss von weiteren Störgrößen weitestgehend vermieden wird. Um das Detektionsergebnis zu optimieren kann vorgesehen sein, dass unterschiedliche Detektionsmethoden miteinander kombiniert werden. Abhängig von der Detektionsmethode kann allerdings auch bereits eine einzige für ein zuverlässiges Detektionsergebnis ausreichend sein. Insbesondere wird durch die Nutzung des Raums um die wesentlich vorhandene Lenkspindel der benötigte Bauraum optimiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem Mittel zur Drehmomentdetektion mittels optischer Detektion aufweist. Eine optische Detektion hat den Vorteil, dass sie eine berührungslose und somit verschleißarme Detektion ermöglicht. Die einzelnen Komponenten des Sensorsystems müssen somit nicht nach einer bestimmten Nutzungsdauer verschleißbedingt durch neue Komponenten ersetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zur optischen Detektion eine an der Lenkspindel angeordnete Kodierung, einen optischen Sensor zur Detektion der Kodierung und eine Recheneinheit umfassen. Das Drehmoment kann detektiert werden durch eine, insbesondere elastische, Verformung der Lenkspindel, die infolge der um die Längsachse beaufschlagten Torsion erfolgt. Die Recheneinheit kann durch die detektierte Verdrehung beziehungsweise Verformung das Drehmoment entsprechend herleiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kodierung eine ein- oder mehrspurige Kodierung ist, wobei sich die Kodierung insbesondere umfangsgemäß zur Längsspindel erstreckt. Eine insbesondere mehrspurige Kodierung ermöglicht möglichst genaue und somit zuverlässige Messergebnisse.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorsystem zur Detektion des Lenkmoments mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei Dehnungsmesstreifen aufweist, der beziehungsweise die auf einer Außenfläche der Linkspindel angeordnet ist beziehungsweise sind. Ein Drehmoment an der Lenkspindel führt zu einer Verformung derselben und somit auch an der Messbrücke mit dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen. Somit erfolgt eine Spannungsändern in der Messbrücke, sodass das Drehmoment darauf basierend detektiert werden kann. Dehnungsmessstreifen haben den Vorteil, dass sie robust und genau sind. Die Montage erfolgt mit einem überschaubaren Aufwand und die Komponenten sind leicht erhältlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem Mittel zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion aufweist. Eine magnetostriktiven Drehmomentdetektion hat den Vorteil, dass sie eine berührungslose und somit verschleißarme Detektion ermöglicht. Die einzelnen Komponenten des Sensorsystems müssen somit nicht nach einer bestimmten Nutzungsdauer verschleißbedingt durch neue Komponenten ersetzt werden. Diese Lösung basiert somit auf dem Gedanken, das Prinzip der inversen Magnetostriktion zur Drehmomenterfassung zu verwenden, und zwar derart, dass die Lenkspindel als Sensorträger konzipiert und als Primärsensor fungiert.
Unter Magnetostriktion versteht man bekanntlich die elastische Verformung der Molekularstruktur ferromagnetischer Materialien. Die mikromechanische Verformung findet bei einer Änderung der Magnetisierung statt. Daher ändert sich die Länge eines Körpers ändert unter Einfluss eines äußeren Magnetfeldes.
Die Verwendung von Mitteln zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion als Sensorsystem hat den Vorteil, dass diese robust und langlebig sind. Dabei weisen sie einen einfachen Aufbau auf und sind berührungslos und somit wartungsfrei.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Handkraftaktuator einen die Lenkspindel umfangsgemäß umschließenden Ringkörper mit mindestens einer Magnetspur und einen Hohlzylinderkörper mit mindestens einem Magnetsensor derart aufweist, dass der Ringkörper und der Hohlzylinderkörper derart koaxial zueinander ausgebildet sind, dass im Falle einer Torsion der Lenkspindel um die Längsachse der mindestens eine Magnetsensor das auf die Längsachse wirkende Drehmoment über die mindestens eine Magnetspur detektiert. Es hat sich herausgestellt, dass diese Anordnung eine kompakte Bauweise und gleichzeitig eine zuverlässige Detektion des Drehmoments ermöglicht.
Der Ringkörper kann beispielsweise eine Vielzahl von derart aufeinander angeordneten Mangetkörpern aufweisen, dass der Ringkörper keine wesentliches Magnetfeld emittiert. In diesem beispielhaften Fall gilt der Ringkörper als geschlossener Ringkörper.
Der Hohlzylinderkörper kann ein Mantel sein, der sich über eine wesentliche Länge der Lenkspindel entlang der Längsachse erstreckt. Somit kann der Hohlzylinderkörper als Schutzmantel und als Haltevorrichtung für die mindestens eine Magnetspur dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ringkörper zwei Magnetspuren mit zwei gegenläufigen Magnetfeldern aufweist, und dass der Hohlzylinderkörper zwei Magnetsensoren aufweist, wobei die beiden Magnetspuren und die beiden Magnetsensoren derart entlang der Längsachse aufeinander folgend angeordnet sind, dass jeweils ein Magnetsensor zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion einer Magnetspur zugeordnet ist. Zur Drehmomentdetektion wird somit der Effekt der inversen Magnetostriktion genutzt. Der Effekt basiert auf zwei auf die Lenkspindel aufgebrachten und gegenläufig kodierten Magnetspuren als Primärsensoren, deren Magnetfeldänderungen von Sekundärsensoren berührungslos abgegriffen wird. Die gegenläufige Kodierung der Magnetspuren ermöglicht eine genaue Messung auch unter Einfluss externer Magnetfelder. Die zwei Magnetfelder sind gegenläufig kodiert, um einen Versatzwert durch das Erdmagnetfeld zu detektieren. Wenn somit die erste Magnetspur im nichtbelasteten Zustand der Lenkspindel einen positiven Wert durch den zugewiesenen Magnetsensor ergibt und die zweite Magnetspur im nichtbelasteten Zustand der Lenkspindel einen negativen Wert durch den zugewiesenen Magnetsensor ergibt, wobei der Betrag dieser Werte derselbe ist, so entspricht dieser Betrag dem Versatzwert des Erdmagnetfelds, der nunmehr auskalibriert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ringkörper direkt oder indirekt untrennbar mit der Lenkspindel verbunden ist. Damit ist eine magnetische Kodierung integraler Bestandteil der Lenkspindel, sodass die Lenkspindel die Funktion eines Primärsensors aufweist. Eine vorhandene Komponente, nämlich die Lenkspindel, wird ohne wesentlichen Materialaufwand und ohne Zusatzelemente zum Primärsensor. Dies spart Kosten und Bauraum.
Die Erfindung betrifft auch einen Sensorsystem für einen Handkraftaktuator mit mindestens einem der vorhergehenden Merkmale, gekennzeichnet durch die Merkmale des Sensorsystems nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Schnittansicht eines Handkraftaktuators gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung,
Fig. 2: eine schematische Seitenansicht einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach Fig. 1 mit Mitteln zur optischen Drehmomentdetektion als erste Ausführungsform eines Sensorsystems,
Fig. 3: zwei schematische Seitenansichten einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach Fig. 1 mit einem Dehnungsmessstreifen zur Drehmomentdetektion, jeweils im entspannten und im belasteten Zustand, als zweite Ausführungsform eines Sensorsystems,
Fig. 4: eine schematische Seitenansicht einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach Fig. 1 mit Mitteln zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion, als dritte Ausführungsform eines Sensorsystems, und
Fig. 5: zwei schematische Frontansichten auf eine Stirnseite einer Lenkspindel des Handkraftaktuators nach Fig. 1 und Fig. 4 mit den Mitteln zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion, jeweils im entspannten und im belasteten Zustand.
Die Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Handkraftaktuators 10 mit einer Längsachse L für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend eine äußere Gehäuseanordnung 12,
einen Elektromotor 14, wobei der Elektromotor 14 entlang der Längsachse L an einem Ende der Gehäuseanordnung 12 drehfest an der Gehäuseanordnung 12 angeordnet ist, mindestens eine Lenkspindel 16 zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads 18, wobei die Lenkspindel 16 um die Längsachse L drehbar in der Gehäuseanordnung 12 gelagert ist, und wobei die Lenkspindel 16 zur Übertragung eines Drehmoments D zumindest mittelbar mit dem Elektromotor 14 verbunden ist, mindestens ein Lager 20 zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel 16 in der Gehäuseanordnung 12,
wobei der Handkraftaktuator 10 ein Sensorsystem 22 zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel 16 aufweist.
Ein umfassenderer, beispielhafter Aufbau des Handkraftaktuators 10 weist für eine Lenkung mittels Direktantrieb gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung somit auf:
die beispielsweise modular aufgebaute Gehäuseanordnung 12, umfassend insbesondere folgende Komponenten
den Elektromotor 14 zum aktiven Stellen eines definierten Lenkwiderstands, beispielsweise von etwa zehn Newtonmeter,
die mindestens eine Lenkspindel 16 zur Drehmomentaufnahme des Lenkrads 18, das Lager 20 zur Lagerung der Lenkspindel 16,
das Sensorsystem 22, das an der Lenkspindel 16 angeordnet ist,
ein Winkelsensor 24 zur Rotorlangenermittlung für eine Regelung des
Handkraftaktuators 10,
eine Sperre 26 für Systemausfall und Zusatzfunktionen, die ein aktives Stellmoment als der Lenkwiderstand erfordern,
ein Reibelement 28 zur Erzeugung einer Grundreibung im System, zur Vermeidung einer synthetischen Haptik.
Die dargestellte Gehäuseanordnung 12 umfasst wie in Figur 1 exemplarisch dargestellt zwei Gehäusemodule. Ausreichend kann allerdings auch ein einziger Gehäusekörper sein.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Sensorsystems 22, wobei das Sensorsystem 22 Mittel zur Drehmomentdetektion mittels optischer Detektion aufweist. Nach Figur 2 ist beispielhaft vorgesehen, dass die Mittel zur optischen Drehmomentdetektion eine an der Lenkspindel 16 angeordnete Kodierung 30, einen optischen Sensor 32 zur Detektion der Kodierung 30 und eine Recheneinheit 34 umfassen.
Nach Figur 2 ist weiterhin beispielhaft vorgesehen, dass die Kodierung 30 eine zweispurige Kodierung ist, wobei sich die Kodierung 30 insbesondere umfangsgemäß zur Längsspindel 16 erstreckt.
Figur 3, aufgeteilt in Figur 3a und 3b, zeigt eine zweite Ausführungsform des Sensorsystems 22, wobei das Sensorsystem 22 zur Detektion des Lenkmoments mindestens einen Dehnungsmesstreifen aufweist, der auf einer Außenfläche der Linkspindel 16 angeordnet ist.
Figur 3a zeigt den Dehnungsmessstreifen mit einer Dehnung im Ruhezustand S1. Figur 3b zeigt den Dehnungsmessstreifen mit einer Dehnung im Belastungszustand S2, also wenn die Lenkspindel 16 mit einem belastenden Drehmoment D beaufschlagt wird.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Sensorsystems 22, wobei das Sensorsystem 22 Mittel zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion aufweist.
Nach Figur 4 ist beispielhaft vorgesehen, dass der Handkraftaktuator 10 einen die Lenkspindel 16 umfangsgemäß umschließenden Ringkörper 40 mit mindestens einer Magnetspur 36a, 36b und einen Hohlzylinderkörper 42 mit mindestens einem Magnetsensor 38a, 38b derart aufweist, dass der Ringkörper 40 und der Hohlzylinderkörper 42 derart koaxial zueinander ausgebildet sind, dass im Falle einer Torsion der Lenkspindel 16 um die Längsachse L der mindestens eine Magnetsensor 38a, 38b das auf die Längsachse L wirkende Drehmoment D über die mindestens eine Magnetspur 36a, 36b detektiert.
Nach Figur 4 ist weiterhin beispielhaft vorgesehen, dass der Ringkörper 40 zwei Magnetspuren 36a, 36b mit zwei gegenläufigen Magnetfeldern aufweist, und dass der Hohlzylinderkörper 42 zwei Magnetsensoren 38a, 38b aufweist, wobei die beiden Magnetspuren 36a, 36b und die beiden Magnetsensoren 38a, 38b derart entlang der Längsachse L aufeinander folgend angeordnet sind, dass jeweils ein Magnetsensor 38a, 38b zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion einer Magnetspur 36a, 36b zugeordnet ist. Figur 4 offenbart die Magnetspuren 36a, 36b des Ringkörpers 40 aus schematischen Gründen mit klaren Konturen, um die zwei gegenläufigen Magnetfelder zu verdeutlichen. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der Ringkörper mit den beiden Magnetspuren 36a, 36b einstückig ausgebildet ist.
Nach Figur 4 ist weiterhin beispielhaft vorgesehen, dass der Ringkörper 40 indirekt untrennbar mit der Lenkspindel 16 verbunden ist. Beispielhafte Verbindungsmöglichkeiten sind Aufschrumpfen oder Schweißen, wobei die genaue Auswahl nicht weiter relevant ist.
Figur 5a zeigt eine Frontansicht auf eine Stirnseite der Lenkspindel 16 im Ruhezustand. Umfangsgemäß um die Lenkspindel 16 ist eine Magnetspur 36a als Bestandteil des Ringkörpers 40 angeordnet. Diese Magnetspur 36a umfasst beispielhaft eine Vielzahl von Elementarmagneten. Dies erzeugen einen geschlossenen Magnetring. Dies bedeutet, dass kein Magnetfeld vom Magnetsensor 38a detektiert werden kann.
Das vom Magnetsensor 38a detektierbare Magnetfeld wird jedoch detektierbar, wie in Figur 5b dargestellt, wenn die Lenkspindel 16 mit einem belastenden Drehmoment D beaufschlagt wird. Dies entspricht einem Belastungszustand der Lenkspindel 16. Exemplarisch führt die Drehmomentbeaufschlagung zu einer Verformung der Lenkspindel 16, aus der die veränderte Position der Elementarmagneten und somit eine Magnetfeldänderung resultiert. Diese Magnetfeldänderung wird durch den Magnetsensor 38a detektiert. Anschließend kann das Drehmoment bestimmt werden. Bezugszeichenliste
10 Handkraftaktuator
12 Gehäuseanordnung
14 Elektromotor
16 Lenkspindel
18 Lenkrads
20 Lager
22 Sensorsystem
24 Winkelsensor
26 Sperre
28 Reibelement
30 Kodierung
32 Optischer Sensor
34 Recheneinheit
36a Magnetspur
36b Magnetspur
38a Magnetsensor
38b Magnetsensor
40 Ringkörper
42 Hohlzylinderkörper
L Längsachse
D Drehmoment
51 Dehnung im Ruhezustand
52 Dehnung im Belastungszustand

Claims

Patentansprüche
1. Handkraftaktuator (10) mit einer Längsachse (L) für ein Steer-by-Wire- Lenksystem eines Fahrzeugs, aufweisend
- eine äußere Gehäuseanordnung (12),
- einen Elektromotor (14), wobei der Elektromotor (14) entlang der Längsachse (L) an einem Ende der Gehäuseanordnung (12) drehfest an der Gehäuseanordnung (12) angeordnet ist,
- mindestens eine Lenkspindel (16) zur Aufnahme eines Lenkmoments eines Lenkrads (18), wobei die Lenkspindel (16) um die Längsachse (L) drehbar in der
Gehäuseanordnung (12) gelagert ist, und wobei die Lenkspindel (16) zur Übertragung eines Drehmoments (D) zumindest mittelbar mit dem Elektromotor (14) verbunden ist,
- mindestens ein Lager (20) zur drehbaren Lagerung der Lenkspindel (16) in der Gehäuseanordnung (12),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Handkraftaktuator (10) ein Sensorsystem (22) zur Drehmomentdetektion an der als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel (16) aufweist.
2. Handkraftaktuator (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (22) Mittel zur Drehmomentdetektion mittels optischer Detektion aufweist.
3. Handkraftaktuator (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur optischen Drehmomentdetektion eine an der Lenkspindel (16) angeordnete Kodierung (30), einen optischen Sensor (32) zur Detektion der Kodierung (30) und eine Recheneinheit (34) umfassen.
4. Handkraftaktuator (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierung (30) eine ein- oder mehrspurige Kodierung ist, wobei sich die Kodierung insbesondere umfangsgemäß zur Längsspindel (16) erstreckt.
5. Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorsystem (22) zur Detektion des Lenkmoments mindestens einen, vorzugsweise mindestens zwei Dehnungsmesstreifen aufweist, der beziehungsweise die auf einer Außenfläche der Linkspindel (16) angeordnet ist beziehungsweise sind.
6. Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorsystem (22) Mittel zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion aufweist.
7. Handkraftaktuator (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
der Handkraftaktuator (10) einen die Lenkspindel (16) umfangsgemäß umschließenden Ringkörper (40) mit mindestens einer Magnetspur (36a, 36b) und einen Hohlzylinderkörper (42) mit mindestens einem Magnetsensor (38a, 38b) derart aufweist, dass der Ringkörper (40) und der Hohlzylinderkörper (42) derart koaxial zueinander ausgebildet sind, dass im Falle einer Torsion der Lenkspindel (16) um die Längsachse (L) der mindestens eine Magnetsensor (38a, 38b) das auf die Längsachse (L) wirkende Drehmoment (D) über die mindestens eine Magnetspur (36a, 36b) detektiert.
8. Handkraftaktuator (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
der Ringkörper (40) zwei Magnetspuren (36a, 36b) mit zwei gegenläufigen Magnetfeldern aufweist, und dass
der Hohlzylinderkörper (42) zwei Magnetsensoren (38a, 38b) aufweist,
wobei die beiden Magnetspuren (36a, 36b) und die beiden Magnetsensoren (38a, 38b) derart entlang der Längsachse (L) aufeinander folgend angeordnet sind, dass jeweils ein Magnetsensor (38a, 38b) zur magnetostriktiven Drehmomentdetektion einer Magnetspur (36a, 36b) zugeordnet ist.
9. Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet 7 oder 8, dass der Ringkörper (40) direkt oder indirekt untrennbar mit der Lenkspindel (16) verbunden ist.
10. Sensorsystem (22) zur Drehmomentdetektion an einer als Sensorträger ausgebildeten Lenkspindel (16) für einen Handkraftaktuator (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Merkmale des Sensorsystems (22) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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