WO2022057974A1 - Spindeltriebanordnung, lenkeinheit und fahrwerksaktuator - Google Patents

Spindeltriebanordnung, lenkeinheit und fahrwerksaktuator Download PDF

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WO2022057974A1
WO2022057974A1 PCT/DE2021/100709 DE2021100709W WO2022057974A1 WO 2022057974 A1 WO2022057974 A1 WO 2022057974A1 DE 2021100709 W DE2021100709 W DE 2021100709W WO 2022057974 A1 WO2022057974 A1 WO 2022057974A1
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Robin Beyer
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • 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 present invention relates to a spindle drive arrangement, comprising a spindle drive with a spindle and a spindle nut engaging with the spindle, the spindle nut being rotatably mounted relative to the spindle.
  • the invention also relates to a steering unit with a spindle drive arrangement and a chassis actuator with a spindle drive arrangement.
  • a steer-by-wire steering system is generally understood to mean a steering system in which a manually actuable control element, typically a steering wheel, is not mechanically connected to a steering actuator that executes the steering command when the steering is operating as intended.
  • Mechanical steering actuation by the operator is provided with steer-by-wire steering at most in the event of an error, in the event of a failure of electrical functions.
  • a shaft on which the steering or steering wheel is fixed a torque can be artificially given up by means of an electric motor.
  • the electric motor can be arranged, for example, coaxially with the shaft of the steering system.
  • DE 10 2010 044 540 A1 discloses a device for detecting a rotation angle of a steering shaft, which can also be used in a steer-by-wire steering system.
  • a motor which transmits torque to the steering shaft, is arranged in parallel with the steering shaft in this case.
  • spindle drive arrangements to actuate a steering shaft within a steering unit or to actuate a steering rod within a chassis actuator.
  • the object of the invention is therefore to provide a correspondingly improved spindle drive arrangement, steering unit and chassis actuator.
  • a spindle drive arrangement comprising a spindle drive with a spindle and a spindle nut engaging with the spindle, the spindle nut being rotatably mounted relative to the spindle, the spindle nut being geared to a sensor device, the sensor device being at least comprises two incremental angle sensors, which have a different step-up and/or step-down ratio to the spindle nut, resulting in an electrical signal representing the differential angular velocity of the two angle sensors relative to one another, which is used to determine an electrical signal representing the absolute angular bearing of the spindle in a control unit of the spindle drive arrangement .
  • the angle sensors can be designed in particular as incremental angle sensors.
  • the spindle nut is driven by a motor, in particular an electric motor.
  • a motor in particular an electric motor.
  • the spindle drive arrangement can be designed to be externally powered and the electric motor can be easily controlled or regulated.
  • the motor is designed as a hollow shaft motor which encompasses the spindle and is arranged coaxially with it. It can hereby be achieved that a particularly compact construction of the spindle drive arrangement can be realized.
  • the spindle nut is rotatably connected to a first, in particular ring-shaped gear, and the first gear in turn is coupled to a second, in particular ring-shaped gear, the first gear and the second Gear have different pitch circle diameters and are each arranged coaxially to the spindle.
  • the advantageous effect of this configuration is based on the fact that standard components can be used, which can be made available correspondingly inexpensively.
  • gear wheels have the same pitch circle diameter, but have a different module from one another.
  • a gear wheel in the sense of this application is to be understood as meaning any rotary body which can be brought into engagement with a corresponding rotary body in a form-fitting manner and in a torque-transmitting manner.
  • a gear wheel can have face teeth.
  • the gears are not arranged coaxially, but parallel to the axis. In this context, it is particularly advantageous if one of the gears meshes with a third gear.
  • the sensor device is a first sensor disk and a second sensor disk, wherein the first sensor disk meshes with the first gear and the second sensor disk meshes with the second gear. Due to the geared engagement of the sensor disks with the gears, which is designed in particular as a spline, it is possible to realize a non-rotatable connection of the sensor disks with the gears, so that the sensor disks can be coupled to the gears by easy installation.
  • the invention can also be further developed in such a way that the axis of rotation of the first sensor disc and the axis of rotation of the second sensor disc are positioned eccentrically to the axis of rotation of the spindle, which results in a slight difference in the step-up or step-down ratios between the sensor discs and the Can achieve spindle, so that the most accurate incremental angle determination is made possible.
  • the axes of rotation of the gear wheels it would also be conceivable in principle for the axes of rotation of the gear wheels to be arranged eccentrically to the axis of rotation of the spindle.
  • the spindle nut has a bearing sleeve which is arranged coaxially and non-rotatably with respect to it and protrudes from the spindle nut on both sides in the axial direction. In this way it can be achieved that a structurally simple and space-optimized connection of the gears and bearings is made possible.
  • the object of the invention is also achieved by a steering unit for a steer-by-wire control system of a motor vehicle, with a steering shaft that can be connected to a steering wheel, a motor that acts on the steering shaft is formed with a torque, wherein the steering unit has a spindle drive arrangement according to one of claims 1-8, in which the steering shaft is connected to the spindle of the spindle drive arrangement in a torque-transmitting manner or the spindle of the spindle drive arrangement is designed as a steering shaft.
  • the invention can also be embodied in an advantageous manner such that a chassis actuator, comprising a motor, in particular an electric motor, and a spindle drive arrangement according to one of Claims 1-8, which is coupled in a torque-transmitting manner to the motor, wherein the spindle drive arrangement is coupled to a steering rod of the chassis actuator, so that by a rotation of the rotor of the motor with the interposition of the spindle drive arrangement, the handlebar can be actuated.
  • a chassis actuator comprising a motor, in particular an electric motor, and a spindle drive arrangement according to one of Claims 1-8, which is coupled in a torque-transmitting manner to the motor, wherein the spindle drive arrangement is coupled to a steering rod of the chassis actuator, so that by a rotation of the rotor of the motor with the interposition of the spindle drive arrangement, the handlebar can be actuated.
  • the spindle drive arrangement, the steering unit and the chassis actuator can be used in particular in motor vehicles, including commercial vehicles such as agricultural machinery, construction machinery or industrial trucks.
  • Figure 1 shows a spindle drive arrangement according to the invention in a schematic axial sectional view
  • FIG. 2 shows a steering unit in a schematic axial section view
  • FIG. 3 a chassis actuator in a schematic axial sectional view
  • Figure 4 shows a motor vehicle with a steer-by-wire control system
  • FIG. 5 Course of the sensor signal of the sensor device over the steering travel.
  • Figure 1 shows a spindle drive arrangement 1, comprising a spindle drive 2 with a spindle 3 and a spindle nut 4 engaging with the spindle 3.
  • the spindle nut 4 is rotatably mounted relative to the spindle 3, so that a rotation of the spindle nut 4 causes a translatory offset of the Spindle 3 causes.
  • the spindle nut 4 is geared to a sensor device 5 .
  • the sensor device 5 has two incremental angle sensors 6, which have a different step-up and/or step-down ratio to the spindle nut 4, from which an electrical signal representing the differential angular velocity of the two angle sensors 6 to one another results.
  • This sensor signal is reproduced in FIG. 5 as an example for a steering path.
  • the offset of the two signals from the angle sensors, which results from the reduction or translation, can be clearly seen in the sensor signal.
  • the sensor signal is used to determine an electrical signal representing the absolute angular bearing of the spindle 3 in a control unit 7 of the spindle drive arrangement 1 .
  • the spindle nut 4 is driven by an electric motor 8 .
  • the motor 8 is designed here as a hollow shaft motor, which includes the spindle 3 and is arranged coaxially with it.
  • the rotor of the electric motor 8 is connected to the spindle nut 4 in a torque-proof manner. In principle, it would also be conceivable to arrange the motor 8 parallel to the axis of the spindle 3 .
  • the rotor of the motor 8 drives the two incremental angle sensors 6 via a form-fit running gear. Both angle sensors 6 have a slightly different step-up or reduction to the rotor of the motor 8 or to the spindle nut 4. This results in a slight difference in angular velocity between the two angle sensors 6, as can also be seen from the sensor signal curve in FIG.
  • An absolute angle of the spindle nut 4 can be calculated from the two angle sensors 6 to one another, even over a multiple number of revolutions of the spindle nut 4 or the angle sensors 6.
  • the accuracy of the sensor signal can also be increased by superimposing the two incrementally measured angle signals.
  • the spindle nut 4 is non-rotatably connected to a first ring gear 9 .
  • the first gear wheel 9 in turn is coupled to a second annular gear wheel 10 , the first gear wheel 9 and the second gear wheel 10 having different pitch circle diameters and being arranged coaxially to the spindle 3 .
  • the gearwheels 9 can be coupled to the spindle nut 4 as separate components in a positive, non-positive and/or material manner.
  • the gears 9, 10 are formed in one piece, in particular monolithically, with the spindle nut 4, the bearing sleeve 21 or the rotor of the electric motor 8.
  • the sensor device 5 has a first sensor disk 11 and a second sensor disk 12 , the first sensor disk 11 being in engagement with the first gear 9 and the second sensor disk 12 being in engagement with the second gear 10 .
  • the gear engagement is designed as a spline, so that the sensor disks 11, 12 can be pushed axially onto the respective gear wheel 9, 10.
  • the axis of rotation of the first sensor disc 11 and the axis of rotation of the second sensor disc 12 are positioned eccentrically to the axis of rotation of the spindle 3 .
  • the offset arrangement of the axis of rotation 25 of the spindle 3 with respect to the axis of rotation 26 of the sensor disks 11, 12 can be seen clearly in FIG.
  • the running teeth of the gear wheels 9, 10 mesh with a respective sensor disk 11, 12 or with the running teeth formed on a sensor disk 11, 12. Both running gears have a slight difference in their translation.
  • the running teeth of the gears 9, 10 are designed as external teeth, while those on the sensor discs 11, 12 are designed as internal teeth.
  • the gear teeth the sensor discs 11, 12 are positioned eccentrically to the running teeth of the gears 9,10. Due to the difference in translation, the sensor concept described at the outset can then be used.
  • the spindle nut 4 has a bearing sleeve 21 which is arranged coaxially and non-rotatably with respect to it and protrudes from the spindle nut 4 on both sides in the axial direction.
  • a roller bearing 22 is arranged on the bearing sleeve 21 on both sides of the spindle nut 4 in the axial direction, via which the bearing sleeve 21 is rotatably mounted relative to the stationary motor housing 23 .
  • FIG. 2 shows a steering unit 13 for a steer-by-wire control system 14 of a motor vehicle 15, with a steering shaft 17 which can be connected to a steering wheel 16 and which corresponds to the spindle 3 in the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the motor 18 is designed to apply a torque to the steering shaft 17 .
  • the steering unit 13 has a spindle drive arrangement 1 known from Figure 1, in which the steering shaft 17 is connected in a torque-transmitting manner to the spindle 3 of the spindle drive arrangement 1 (not shown in Figure 2) or--as already mentioned at the outset--the spindle 3 of the spindle drive arrangement 1 is designed as a steering shaft 17.
  • the motor 8 of the spindle drive arrangement 1 corresponds to the motor 18 for acting on the steering shaft 17.
  • the rotation of the spindle nut 4 results in an axial displacement of the spindle 3 be retracted or extended to ergonomically adapt to the driver's anatomy or, for example, to be placed in a fully retracted parking position to facilitate entry or exit.
  • the spindle nut 4 has internal teeth and the spindle 3 has spur gear teeth in the region of engagement with the spindle nut 4 .
  • This variant can be used in particular for the transmission and detection of Steering movements can be advantageous where there should be no axial displacement of the steering wheel 16.
  • FIG. 3 shows a chassis actuator 24, comprising an electric motor 19 and a spindle drive arrangement 1 coupled in a torque-transmitting manner to the motor 19, as is known from FIG.
  • the motor 8 of the spindle drive arrangement 1 corresponds to the motor 19 of the chassis actuator 24.
  • the spindle drive arrangement 1 is coupled to a steering rod 20 of the chassis actuator 18, so that when the rotor of the motor 19 rotates with the spindle drive arrangement 1 being interposed, the steering rod 20 is updatable.
  • FIG. 4 shows a motor vehicle 15 with a steer-by-wire steering system 14.
  • the steer-by-wire steering system 14 consists of the steering unit 13, as is known from FIG. 2, and the chassis actuator 24, which is shown in FIG .
  • FIG. 5 shows a sensor signal curve of the sensor device 5.
  • the steering travel is plotted on the X-axis
  • the sensor signal of both angle sensors 6 is plotted on the Y-axis as a factor between 0 and 1.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spindeltriebanordnung (1), umfassend einen Spindeltrieb (2) mit einer Spindel (3) und einer mit der Spindel (3) in Eingriff stehenden Spindelmutter (4), wobei die Spindelmutter (4) relativ zur Spindel (3) drehbar gelagert ist, wobei die Spindelmutter (4) mit einer Sensorvorrichtung (5) getrieblich gekoppelt ist, wobei die Sensorvorrichtung (5) wenigstens zwei inkrementeile Winkelsensoren (6) umfasst, welche eine unterschiedliche Über- und/oder Untersetzung zur Spindelmutter (4) aufweisen, woraus ein elektrisches Signal repräsentierend die Differenzwinkelgeschwindigkeit der beiden Winkelsensoren (6) zueinander resultiert, welches zur Bestimmung eines die absolute Winkellager der Spindel (3) repräsentierenden elektrischen Signals in einer Steuereinheit (7) der Spindeltriebanordnung (1) verwendet wird.

Description

Spindeltriebanordnunq, Lenkeinheit und Fahrwerksaktuator
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spindeltriebanordnung, umfassend einen Spindeltrieb mit einer Spindel und einer mit der Spindel in Eingriff stehenden Spindelmutter, wobei die Spindelmutter relativ zur Spindel drehbar gelagert ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Lenkeinheit mit einer Spindeltriebanordnung sowie einen Fahrwerksaktuator mit einer Spindeltriebanordnung.
Lenkeinheiten für Steer-by-wire-Steuersysteme sind beispielsweise aus der DE 10 2007 048 077 A1 bekannt. Unter einem Steer-by-wire-Lenksystem versteht man generell ein Lenksystem, bei dem ein manuell betätigbares Bedienelement, typischerweise ein Lenkrad, im bestimmungsgemäßen Betrieb der Lenkung nicht mechanisch mit einem Lenkaktuator verbunden ist, welcher den Lenkbefehl ausführt. Höchstens im Fehlerfall, bei Ausfall elektrischer Funktionen, ist bei einer Steer-by-wire-Lenkung eine mechanische Lenkungsbetätigung durch den Bediener vorgesehen.
Um dem Bediener der Steer-by-wire-Lenkung eine Rückmeldung zu geben, welche im Unterschied zu einem mechanischen Lenksystem bei einem Steer-by-wire- Lenksystem nicht per se gegeben ist, kann auf eine Welle, an der das Lenk- oder Steuerrad befestigt ist, künstlich ein Drehmoment mittels eines Elektromotors aufgegeben werden. Der Elektromotor kann hierbei, wie aus der DE 10 2007 048 077 A1 prinzipiell bekannt ist, beispielsweise koaxial zur Welle der Lenkung angeordnet sein.
Für das elektromechanische Verstellen der Fahrzeugräder durch ein Steer-by-wire- Steuersystem ist es ferner notwendig, die absolute Position der Lenkwelle und/oder der Lenkstange sensorisch sicher und mit einer hohen Genauigkeit zu ermitteln. Aus der DE 10 2010 044 540 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels einer Lenkwelle bekannt, welche ebenfalls in einer Steer-by- wire-Lenkung nutzbar ist. Ein Motor, welcher ein Drehmoment auf die Lenkwelle überträgt, ist in diesem Fall parallel zur Lenkwelle angeordnet. Es ist ferner bekannt, Spindeltriebanordnungen zur Aktuierung einer Lenkwelle innerhalb einer Lenkeinheit oder auch bei der Aktuierung einer Lenkstange innerhalb eines Fahrwerkaktuators zu verwenden.
Es besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, derartige Spindeltriebanordnungen, Lenkeinheiten und Fahrwerksaktuatoren hinsichtlich ihrer Montagefreundlichkeit, ihrem benötigten Bauraum und ihrer Fertigungskosten zu optimieren. Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine entsprechend verbesserte Spindeltriebanordnung, Lenkeinheit und Fahrwerksaktuator bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird zum einen gelöst durch eine Spindeltriebanordnung, umfassend einen Spindeltrieb mit einer Spindel und einer mit der Spindel in Eingriff stehenden Spindelmutter, wobei die Spindelmutter relativ zur Spindel drehbar gelagert ist, wobei die Spindelmutter mit einer Sensorvorrichtung getrieblich gekoppelt ist, wobei die Sensorvorrichtung wenigstens zwei inkrementelle Winkelsensoren umfasst, welche eine unterschiedliche Über- und/oder Untersetzung zur Spindelmutter aufweisen, woraus ein elektrisches Signal repräsentierend die Differenzwinkelgeschwindigkeit der beiden Winkelsensoren zueinander resultiert, welches zur Bestimmung eines die absolute Winkellager der Spindel repräsentierenden elektrischen Signals in einer Steuereinheit der Spindeltriebanordnung verwendet wird.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Spindeltriebanordnung hinsichtlich ihrer Montagefreundlichkeit, ihrem benötigten Bauraum und ihrer Fertigungskosten optimiert ist, worauf in der Figurenbeschreibung noch näher eingegangen wird.
Die Winkelsensoren können insbesondere als inkrementelle Winkelsensoren ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spindelmutter von einem, insbesondere elektrischen Motor angetrieben ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Spindeltriebanordnung fremdkraftbetrieben ausgeführt werden kann und der elektrische Motor gut steuer- bzw. regelbar ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Motor als ein Hohlwellenmotor ausgebildet ist, der die Spindel umfasst und koaxial zu dieser angeordnet ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass ein besonders kompakter Aufbau der Spindeltriebanordnung realisierbar ist.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Spindelmutter mit einem ersten, insbesondere ringförmigen Zahnrad drehfest verbunden ist, und das erste Zahnrad seinerseits mit einem zweiten, insbesondere ringförmigen Zahnrad gekoppelt ist, wobei das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad voneinander verschiedene Wälzkreisdurchmesser aufweisen und jeweils koaxial zur Spindel angeordnet sind. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann, die entsprechend kostengünstig zur Verfügung gestellt werden können.
Es kann auch bevorzugt sein, dass die Zahnräder einen gleichen Wälzkreisdurchmesser aufweisen, jedoch ein voneinander verschiedenes Modul besitzen.
Als Zahnrad im Sinne dieser Anmeldung ist jeder Rotationskörper zu verstehen, der formschlüssig und drehmomentübertragend mit einem korrespondierenden Rotationskörper in Eingriff gebracht werden kann. Insbesondere kann ein Zahnrad eine Stirnverzahnung aufweisen.
Grundsätzlich kann es auch möglich sein, dass die Zahnräder nicht koaxial, sondern achsparallel angeordnet sind. In diesem Zusammenhang ist es dann besonders vorteilhaft, wenn eines der Zahnräder mit einem dritten Zahnrad in Eingriff steht.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung eine erste Sensorscheibe und eine zweite Sensorscheibe aufweist, wobei die erste Sensorscheibe mit dem ersten Zahnrad in Eingriff steht und die zweite Sensorscheibe mit dem zweiten Zahnrad in Eingriff steht. Durch den insbesondere als Steckverzahnung ausgebildeten getrieblichen Eingriff der Sensorscheiben mit den Zahnrädern ist es möglich, eine drehfeste Anbindung der Sensorscheiben mit den Zahnrädern zu realisieren, so dass die Sensorscheiben durch ein montagefreundliches Aufstecken auf die Zahnräder mit diesen koppelbar sind.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Rotationsachse der ersten Sensorscheibe und die Rotationsachse der zweiten Sensorscheibe exzentrisch zu der Rotationsachse der Spindel positioniert sind, wodurch sich konstruktiv einfach eine geringfügige Differenz in den Über- bzw. Untersetzungen zwischen den Sensorscheiben und der Spindel erreichen lässt, so dass eine möglichst genaue inkrementelle Winkelbestimmung ermöglicht wird. Alternativ wäre es grundsätzlich auch denkbar, dass die Rotationsachsen der Zahnräder exzentrisch zu der Rotationsachse der Spindel angeordnet werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Spindelmutter eine koaxial und drehfest zu dieser angeordnete Lagerhülse aufweist, welche in Axialrichtung beidseits aus der Spindelmutter herausragt. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine konstruktiv einfache und bauraumoptimierte Anbindung der Zahnräder als auch von Lagerungen ermöglicht wird.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass an der Lagerhülse in Axialrichtung beidseits der Spindelmutter jeweils ein Wälzlager angeordnet ist, über welche die Lagerhülse gegenüber einem ortsfesten Motorgehäuse drehbar gelagert ist, wodurch der kompakte Aufbau der Spindeltriebanordnung weiter optimiert werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine Lenkeinheit für ein Steer- by-wire-Steuersystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer mit einem Lenkrad verbindbaren Lenkwelle, einem Motor, welcher zur Beaufschlagung der Lenkwelle mit einem Drehmoment ausgebildet ist, wobei die Lenkeinheit eine Spindeltriebanordnung nach einem der Ansprüche 1-8 aufweist, bei der die Lenkwelle mit der Spindel der Spindeltriebanordnung drehmomentübertragend verbunden ist oder die Spindel der Spindeltriebanordnung als Lenkwelle ausgebildet ist.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass Fahrwerksaktuator, umfassend einen insbesondere elektrischen Motor und eine mit dem Motor drehmomentübertragend gekoppelte Spindeltriebanordnung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Spindeltriebanordnung mit einer Lenkstange des Fahrwerkaktuators gekoppelt ist, so dass durch eine Drehung des Rotors des Motors unter Zwischenschaltung der Spindeltriebanordnung die Lenkstange aktuierbar ist.
Die Spindeltriebanordnung, die Lenkeinheit sowie der Fahrwerkaktuator sind insbesondere in Kraftfahrzeugen umfassend auch Nutzfahrzeuge, wie zum Beispiel Landmaschinen, Baumaschinen oder Flurförderfahrzeuge, einsetzbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Spindeltriebanordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
Figur 2 eine Lenkeinheit in einer schematischen Axialschnittansicht,
Figur 3 einen Fahrwerksaktuator in einer schematischen Axialschnittansicht,
Figur 4 ein Kraftfahrzeug mit einem Steer-By-Wire Steuersystem, und
Figur 5 Verlauf des Sensorsignals der Sensorvorrichtung über den Lenkweg. Die Figur 1 zeigt eine Spindeltriebanordnung 1 , umfassend einen Spindeltrieb 2 mit einer Spindel 3 und einer mit der Spindel 3 in Eingriff stehenden Spindelmutter 4. Die Spindelmutter 4 ist relativ zur Spindel 3 drehbar gelagert, so dass eine Drehung der Spindelmutter 4 einen translatorischen Versatz der Spindel 3 bewirkt.
Die Spindelmutter 4 ist mit einer Sensorvorrichtung 5 getrieblich gekoppelt. Die Sensorvorrichtung 5 besitzt zwei inkrementelle Winkelsensoren 6, welche eine unterschiedliche Über- und/oder Untersetzung zur Spindelmutter 4 aufweisen, woraus ein elektrisches Signal repräsentierend die Differenzwinkelgeschwindigkeit der beiden Winkelsensoren 6 zueinander resultiert. Dieses Sensorsignal ist in der Figur 5 exemplarisch für einen Lenkweg wiedergegeben. Man erkennt in dem Sensorsignal gut den Versatz der beiden Signale der Winkelsensoren, welcher aus der Unter- bzw. Übersetzung resultiert. Das Sensorsignal wird zur Bestimmung eines die absolute Winkellager der Spindel 3 repräsentierenden elektrischen Signals in einer Steuereinheit 7 der Spindeltriebanordnung 1 verwendet.
Die Spindelmutter 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur 1 von einem elektrischen Motor 8 angetrieben. Der Motor 8 ist hier als ein Hohlwellenmotor ausgebildet, der die Spindel 3 umfasst und koaxial zu dieser angeordnet ist. Der Rotor des elektrischen Motors 8 ist drehfest mit der Spindelmutter 4 verbunden. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, den Motor 8 achsparallel zur Spindel 3 anzuordnen.
Der Rotor des Motors 8 treibt über eine formschlüssige Laufverzahnung die zwei inkrementellen Winkelsensoren 6 an. Beide Winkelsensoren 6 haben eine geringfügig unterschiedliche Über- bzw. Untersetzung zum Rotor des Motors 8 bzw. zur Spindelmutter 4. Daraus resultiert eine geringfügige Differenzwinkelgeschwindigkeit der beiden Winkelsensoren 6 zueinander, wie sie auch dem Sensorsignalverlauf der Figur 5 entnehmbar ist.
Anhand der beiden inkrementellen Winkelsignale und der Differenzbewegung beider Winkelsensoren 6 zueinander lässt sich ein absoluter Winkel der Spindelmutter 4 berechnen, auch über eine mehrfache Anzahl an Umdrehungen der Spindelmutter 4 bzw. der Winkelsensoren 6. Durch die Überlagerung beider inkrementell gemessenen Winkelsignale lässt sich zudem die Genauigkeit des Sensorsignals erhöhen.
Die Spindelmutter 4 ist mit einem ersten, ringförmigen Zahnrad 9 drehfest verbunden. Das erste Zahnrad 9 seinerseits ist mit einem zweiten ringförmigen Zahnrad 10 gekoppelt, wobei das erste Zahnrad 9 und das zweite Zahnrad 10 voneinander verschiedene Wälzkreisdurchmesser aufweisen und jeweils koaxial zur Spindel 3 angeordnet sind.
Die Zahnräder 9 können, so wie in der Figur 1 gezeigt, als separate Bauteile form-, kraft- und/oder stoffschlüssig mit der Spindelmutter 4 gekoppelt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Zahnräder 9,10 einstückig, insbesondere monolithisch mit der Spindelmutter 4, der Lagerhülse 21 oder dem Rotor des elektrischen Motors 8 ausgebildet sind.
Die Sensorvorrichtung 5 weist eine erste Sensorscheibe 11 und eine zweite Sensorscheibe 12 auf, wobei die erste Sensorscheibe 11 mit dem ersten Zahnrad 9 in Eingriff steht und die zweite Sensorscheibe 12 mit dem zweiten Zahnrad 10 in Eingriff steht. In der gezeigten Ausführungsform ist der getriebliche Eingriff als Steckverzahnung ausgebildet, so dass die Sensorscheiben 11 ,12 auf das jeweilige Zahnrad 9,10 axial aufgesteckt werden können.
Die Rotationsachse der ersten Sensorscheibe 11 und die Rotationsachse der zweiten Sensorscheibe 12 sind exzentrisch zu der Rotationsachse der Spindel 3 positioniert. Man erkennt gut in der Figur 1 die versetzte Anordnung der Rotationsachse 25 der Spindel 3 zur Rotationsachse 26 der Sensorscheiben 11 ,12. Die Laufverzahnungen der Zahnräder 9,10 kämmen also mit jeweils einer Sensorscheibe 11 ,12 bzw. mit der auf einer Sensorscheibe 11 ,12 ausgebildeten Laufverzahnung. Beide Laufverzahnungen haben eine geringfügige Differenz in ihrer Übersetzung. In dem dargestellten Beispiel der Figur 1 sind die Laufverzahnungen der Zahnräder 9,10 als Außenverzahnung, die an den Sensorscheiben 11 ,12 als Innenverzahnung ausgebildet. Die Laufverzahnungen der Sensorscheiben 11 ,12 sind exzentrisch zu den Laufverzahnungen der Zahnräder 9,10 positioniert. Durch die Differenz in der Übersetzung kann dann das eingangs beschriebene Sensorkonzept Anwendung finden.
Die Spindelmutter 4 weist eine koaxial und drehfest zu dieser angeordnete Lagerhülse 21 auf, welche in Axialrichtung beidseits aus der Spindelmutter 4 herausragt. An der Lagerhülse 21 ist in Axialrichtung beidseits der Spindelmutter 4 jeweils ein Wälzlager 22 angeordnet, über welche die Lagerhülse 21 gegenüber dem ortsfesten Motorgehäuse 23 drehbar gelagert ist.
Figur 2 zeigt eine Lenkeinheit 13 für ein Steer-by-wire-Steuersystem 14 eines Kraftfahrzeugs 15, mit einer mit einem Lenkrad 16 verbindbaren Lenkwelle 17, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur 2 der Spindel 3 entspricht. Der Motor 18 ist zur Beaufschlagung der Lenkwelle 17 mit einem Drehmoment ausgebildet. Die Lenkeinheit 13 weist eine aus der Figur 1 bekannte Spindeltriebanordnung 1 auf, bei der die Lenkwelle 17 mit der Spindel 3 der Spindeltriebanordnung 1 drehmomentübertragend verbunden ist (nicht in der Figur 2 gezeigt) oder - wie bereits eingangs erwähnt - die Spindel 3 der Spindeltriebanordnung 1 als Lenkwelle 17 ausgebildet ist. Der Motor 8 der Spindeltriebanordnung 1 entspricht hierbei dem Motor 18 zur Beaufschlagung der Lenkwelle 17. Bei dieser Ausführungsform erfolgt durch die Drehung der Spindelmutter 4 ein axialer Versatz der Spindel 3. Hierdurch kann das Lenkrad 16 - neben der Erfassung einer Lenkbewegung durch den Fahrer - beispielsweise ein- oder ausgefahren werden, um sich in ergonomischer Weise an die Anatomie des Fahrers anzupassen oder beispielsweise um in eine vollständig eingezogene Parkposition versetzt zu werden, um ein Einsteigen oder Aussteigen zu erleichtern.
Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen werden, dass die Spindelmutter 4 eine Innenverzahnung aufweist und die Spindel 3 im Bereich des Eingriffs mit der Spindelmutter 4 eine Stirnradverzahnung besitzt. Hierdurch erfolgt lediglich eine getriebliche Übertragung einer Drehbewegung, ohne axialen Versatz der Spindel 3. Diese Variante kann insbesondere zur Übertragung und Erfassung von Lenkbewegungen vorteilhaft sein, wo es zu keinem axialen Versatz des Lenkrads 16 kommen soll.
Die Figur 3 zeigt einen Fahrwerksaktuator 24, umfassend einen elektrischen Motor 19 und eine mit dem Motor 19 drehmomentübertragend gekoppelte Spindeltriebanordnung 1 , wie sie aus der Figur 1 bekannt ist. Der Motor 8 der Spindeltriebanordnung 1 entspricht hierbei dem Motor 19 des Fahrwerksaktuators 24. Die Spindeltriebanordnung 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer Lenkstange 20 des Fahrwerkaktuators 18 gekoppelt, so dass durch eine Drehung des Rotors des Motors 19 unter Zwischenschaltung der Spindeltriebanordnung 1 die Lenkstange 20 aktuierbar ist.
Figur 4 zeigt ein Kraftfahrzeug 15 mit einem Steer-by-wire Lenksystem 14. Das Steer-by-wire Lenksystem 14 besteht aus der Lenkeinheit 13, wie sie aus der Figur 2 bekannt ist und dem Fahrwerksaktuator 24, der in der Figur 3 gezeigt ist.
Figur 5 schließlich zeigt zum besseren Verständnis der Erfindung einen Sensorsignalverlauf der Sensorvorrichtung 5. Auf der X-Achse ist der Lenkweg aufgetragen, auf der Y-Achse als Faktor zwischen 0 und 1 das Sensorsignal beider Winkelsensoren 6. Durch die Überlagerung der beiden Messsignale und die Differenz beider zueinander kann mit der Winkelinformation beider Winkelsensoren 6 und dessen Differenz zueinander ein Lenkweg und die absolute Position der Spindelmutter 4 bzw. der Spindel 3 berechnet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen. Bezuqszeichenliste
1 Spindeltriebanordnung
2 Spindeltrieb
3 Spindel
4 Spindelmutter
5 Sensorvorrichtung
6 Winkelsensoren
7 Steuereinheit
8 Motor
9 Zahnrad
10 Zahnrad
11 Sensorscheibe
12 Sensorscheibe
13 Lenkeinheit
14 Steer-by-wire-Steuersystem
15 Kraftfahrzeugs
16 Lenkrad
17 Lenkwelle
18 Motor
19 Motor
20 Lenkstange
21 Lagerhülse
22 Wälzlager
23 Motorgehäuse
24 Fahrwerksaktuator
25 Rotationsachse
26 Rotationsachse

Claims

Ansprüche Spindeltriebanordnung (1 ), umfassend einen Spindeltrieb
(2) mit einer Spindel (3) und einer mit der Spindel (3) in Eingriff stehenden Spindelmutter (4), wobei die Spindelmutter (4) relativ zur Spindel
(3) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter
(4) mit einer Sensorvorrichtung (5) getrieblich gekoppelt ist, wobei die Sensorvorrichtung
(5) wenigstens zwei inkrementelle Winkelsensoren (6) umfasst, welche eine unterschiedliche Über- und/oder Untersetzung zur Spindelmutter (4) aufweisen, woraus ein elektrisches Signal repräsentierend die Differenzwinkelgeschwindigkeit der beiden Winkelsensoren
(6) zueinander resultiert, welches zur Bestimmung eines die absolute Winkellager der Spindel (3) repräsentierenden elektrischen Signals in einer Steuereinheit
(7) der Spindeltriebanordnung (1 ) verwendet wird. Spindeltriebanordnung (1 ), nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (4) von einem, insbesondere elektrischen Motor (8) angetrieben ist. Spindeltriebanordnung (1 ), nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor
(8) als ein Hohlwellenmotor ausgebildet ist, der die Spindel (3) umfasst und koaxial zu dieser angeordnet ist. Spindeltriebanordnung (1 ), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (4) mit einem ersten, insbesondere ringförmigen Zahnrad (9) drehfest verbunden ist, und das erste Zahnrad (9) seinerseits mit einem zweiten, insbesondere ringförmigen Zahnrad (10) gekoppelt ist, wobei das erste Zahnrad (9) und das zweite Zahnrad (10) voneinander verschiedene Wälzkreisdurchmesser aufweisen und jeweils koaxial zur Spindel (3) angeordnet sind. Spindeltriebanordnung (1 ), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (5) eine erste Sensorscheibe (11 ) und eine zweite Sensorscheibe (12) aufweist, wobei die erste Sensorscheibe (11 ) mit dem ersten Zahnrad
(9) in Eingriff steht und die zweite Sensorscheibe (12) mit dem zweiten Zahnrad
(10) in Eingriff steht. Spindeltriebanordnung (1 ), nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse der ersten Sensorscheibe
(11) und die Rotationsachse der zweiten Sensorscheibe
(12) exzentrisch zu der Rotationsachse der Spindel (3) positioniert sind. Spindeltriebanordnung (1 ), nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (4) eine koaxial und drehfest zu dieser angeordneten Lagerhülse (21 ) aufweist, welche in Axialrichtung beidseits aus der Spindelmutter (4) herausragt. Spindeltriebanordnung (1 ), nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lagerhülse (21 ) in Axialrichtung beidseits der Spindelmutter (4) jeweils ein Wälzlager (22) und/oder Gleitlager angeordnet ist, über welche die Lagerhülse (21 ) gegenüber einem ortsfesten Motorgehäuse (23) drehbar gelagert ist. Lenkeinheit
(13) für ein Steer-by-wire-Steuersystem
(14) eines Kraftfahrzeugs
(15), mit einer mit einem Lenkrad
(16) verbindbaren Lenkwelle
(17), einem Motor (18), welcher zur Beaufschlagung der Lenkwelle (17) mit einem Drehmoment ausgebildet ist, wobei die Lenkeinheit (13) eine Spindeltriebanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1-8 aufweist, bei der die Lenkwelle (17) mit der Spindel (3) der Spindeltriebanordnung (1 ) drehmomentübertragend verbunden ist oder die Spindel (3) der Spindeltriebanordnung (1 ) als Lenkwelle (17) ausgebildet ist, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass die Spindelmutter (4) eine Innenverzahnung aufweist und die Spindel (3) im Bereich des Eingriffs mit der Spindelmutter (4) eine Stirnradverzahnung besitzt. Fahrwerksaktuator (24), insbesondere für ein Steer-by-wire-Steuersystem (14), umfassend einen insbesondere elektrischen Motor (19) und eine mit dem Motor (19) drehmomentübertragend gekoppelte Spindeltriebanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Spindeltriebanordnung (1 ) mit einer Lenkstange (20) des Fahrwerkaktuators
(18) gekoppelt ist, so dass durch eine Drehung des Rotors des Motors (19) unter Zwischenschaltung der Spindeltriebanordnung (1 ) die Lenkstange (20) aktuierbar ist.
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