WO2022171534A1

WO2022171534A1 - Feedback-aktuator und steer-by-wire-lenksystem für ein kraftfahrzeug

Info

Publication number: WO2022171534A1
Application number: PCT/EP2022/052685
Authority: WO
Inventors: Sebastian Forte; Sedat SEN
Original assignee: Thyssenkrupp Presta Ag; Thyssenkrupp Ag
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2022-02-04
Publication date: 2022-08-18
Also published as: CN116829439A; DE102021201229A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feedback-Aktuator (5) für ein Kraftfahrzeug-Lenksystem (1), umfassend ein von einem elektrischen Motor (51) um eine Antriebsachse (M) drehend antreibbares Antriebsrad (53), und einem damit über einen umlaufenden Riemen (55) in Getriebeeingriff stehenden Abtriebsrad (54), welches verbunden ist mit einer zur Antriebsachse (M) beabstandeten, um eine Lenkachse (L) drehbar gelagerten Lenkwelle (22), und umfassend eine Drehwinkel-Erfassungseinrichtung (7), die einen dem Antriebsrad (53) zugeordneten ersten elektrischen Positionssensor (72), einen dem Abtriebsrad (54) zugeordneten zweiten Positionssensor (75) und eine die Positionssensoren (72, 75) tragende elektrische Leiterplatte (73, 76) aufweist. Um eine verbesserte, weniger störanfällige Drehwinkel-Erfassungseinrichtung zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, dass die Leiterplatte (73, 76) einen den ersten Positionssensor (72) tragenden ersten Leiterplattenabschnitt (73) aufweist, der über ein flexibles Leiterelement (77) räumlich verlagerbar und elektrisch leitend mit einem den zweiten Positionssensor (75) tragenden zweiten Leiterplattenabschnitt (76) verbunden ist.

Description

Feedback-Aktuator und Steer-by-wire-Lenksystem für ein Kraftfahrzeug

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Feedback-Aktuator für ein Kraftfahrzeug-Lenksystem, umfassend ein von einem elektrischen Motor um eine Antriebsachse drehend antreibbares Antriebsrad, und einem damit über einen umlaufenden Riemen in Getriebeeingriff stehenden Abtriebsrad, welches verbunden ist mit einer zur Antriebsachse beabstandeten, um eine Lenkachse dreh bar gelagerten Lenkwelle, und umfassend eine Drehwinkel-Erfassungseinrichtung und/oder eine Drehmoment-Erfassungseinrichtung, die einen dem Antriebsrad zugeordneten ersten elektrischen Positionssensor, einen dem Abtriebsrad zugeordneten zweiten Positionssensor und eine die Positionssensoren tragende elektrische Leiterplatte aufweist. Ein Steer-by-wire- Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit einem derartigen Feedback-Aktuator ist ebenfalls Ge genstand der Erfindung.

Steer-by-Wire-Lenksysteme für Kraftfahrzeuge können manuelle Lenkbefehle des Fahrers wie konventionelle mechanische Lenkungen durch Drehung eines Lenkrades einer Eingabe einheit entgegennehmen, welches am fahrerseitigen, hinteren Ende einer in der Lenksäule gelagerten Lenkwelle, der Lenkspindel, angebracht ist. Die Lenkwelle ist jedoch nicht mecha nisch über das Lenkgetriebe mit den zu lenkenden Rädern verbunden, sondern wirkt mit Drehwinkel- bzw. Drehmomentsensoren zusammen, die den eingebrachten Lenkbefehl er fassen und daraus ein elektrisches Steuersignal erzeugen und an einen Lenksteller abge ben, der mittels eines elektrischen Stellantriebs einen dem Lenkbefehl entsprechenden Len keinschlag der Räder einstellt.

Durch die fehlende mechanische Kopplung erhält der Fahrer bei Steer-by-Wire-Systemen von den gelenkten Rädern keine unmittelbare physische Rückmeldung über den Lenkstrang, welche bei konventionellen mechanisch gekoppelten Lenkungen als Reaktions- bzw. Rück stellmoment in Abhängigkeit von der Fahrbahnbeschaffenheit, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem aktuellen Lenkwinkel und weiterer Betriebszustände auf das Lenkrad zurück übertragen wird. Die fehlende haptische Rückmeldung erschwert dem Fahrer, aktuelle Fahrsituationen sicher zu erfassen und angemessene Lenkmanöver durchzuführen, wodurch die Fahrzeug lenkbarkeit und damit die Fahrsicherheit beeinträchtigt werden. Zur Erzeugung eines realistischen Fahrgefühls ist es im Stand der Technik bekannt, aus ei ner tatsächlichen momentanen Fahrsituation Parameter wie Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenk winkel, Lenkungs-Reaktionsmoment und dergleichen zu erfassen oder in einer Simulation zu berechnen, und aus diesen ein Rückkopplungs-Signal zu bilden, welches in einen Feedback- Aktuator eingespeist wird. Der Feedback-Aktuator ist bevorzugt in die Lenksäule des Fahr zeugs integriert und weist einen Handmoment- oder Lenkradsteller mit einer elektromotori schen Antriebseinheit auf, die abhängig vom Rückkopplungs-Signal ein dem realen Reakti onsmoment entsprechendes Rückstellmoment oder Feedbackmoment über die Lenkwelle in das Lenkrad einkoppelt. Derartige „Force-feedback“-Systeme geben dem Fahrer den Ein druck einer realen Fahrsituation wie bei einer konventionellen Lenkung, was eine intuitive Reaktion erleichtert.

Aus der EP 3521 136 A1 ist ein gattungsgemäßer Feedback-Aktuator bekannt, bei dem der Elektromotor über einen Riementrieb, konkret einen Zahnriementrieb mit der Lenkwelle ge koppelt ist. Das Motormoment wird mittels eines umlaufenden Riemens bzw. Zahnriemens von einem als antriebsseitige Riemenscheibe auf der Motorwelle angebrachten Antriebsrad auf ein auf der Lenkwelle angebrachtes, als abtriebsseitige Riemenscheibe ausgebildeten Abtriebsrad übertragen. Mittels einer Drehwinkel-Erfassungseinrichtung kann das eingekop pelte Feedback gemessen und geregelt werden. Dabei ist dem Antriebs- und Abtriebsrad je weils ein als Winkel oder Rotorpositionssensor ausgebildeter Sensor zugeordnet, so dass die Winkelstellung bzw. die Drehung von Antriebs- und Abtriebsrad unabhängig voneinander erfasst werden. Dis hat den Vorteil, dass eine redundante Messung erfolgen kann, um Stö rungen in der Drehmomentübertragung, beispielsweise durch Schlupf oder einen gerissenen Riemen, sicher detektiert werden können.

Die beiden Sensoren sind als kontaktlose Sensoren ausgebildet, beispielsweise als Hall- Sensoren, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, welche gleichzeitig als mechanischer Träger dient und elektrische Leiterbahnen zur Stromversorgung und Signalübertragung der Sensoren aufweist. Auf einer oder beiden Seiten dieser mechanisch starren Leiterplatte sind die Sensoren so positioniert, dass sie jeweils einen definierten, geringen Messabstand zu ei nem Abtriebs- und Antriebrad angebrachten Signalgeber haben, beispielsweise einem Ge bermagneten oder einem anderen bevorzugt berührungslosen Geberelement. Der Vorteil ist, dass die Sensoren auf der Leiterplatte definiert relativ zum Riementrieb fixiert sind. Wenn sich jedoch die Position von Antriebs- oder Abtriebsrad relativ zueinander oder zur Leiter platte verändert, beispielsweise durch relative Verlagerung von Antriebs- und Abtriebsrad zur Einstellung einer definierten Riemenspannung, entweder bei der Montage oder auch im Be- trieb, oder durch Lastwechselreaktionen, kann sich der Messabstand zwischen einem Sen sor und einem zugeordneten Signalgeber an Antriebs- oder Abtriebsrad verändern, wodurch das Messsignal gestört werden kann.

Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Feedback-Aktuator mit einer verbesserten, weniger störanfälligen Drehwin- kel-Erfassungseinrichtung anzugeben.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Lenksäule mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einem gattungsgemäßen Feedback-Aktuator für ein Kraftfahrzeug-Lenksystem, umfas send ein von einem elektrischen Motor um eine Antriebsachse drehend antreibbares An triebsrad, und einem damit über einen umlaufenden Riemen in Getriebeeingriff stehenden Abtriebsrad, welches verbunden ist mit einer zur Antriebsachse beabstandeten, um eine Lenkachse drehbar gelagerten Lenkwelle, und umfassend eine Drehwinkel-Erfassungsein richtung und/oder eine Drehmoment-Erfassungseinrichtung, die einen dem Antriebsrad zu geordneten ersten elektrischen Positionssensor, einen dem Abtriebsrad zugeordneten zwei ten Positionssensor und eine die Positionssensoren tragende elektrische Leiterplatte auf weist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterplatte einen den ersten Positions sensor tragenden ersten Leiterplattenabschnitt aufweist, der über ein flexibles Leiterelement räumlich verlagerbar und elektrisch leitend mit einem den zweiten Positionssensor tragenden zweiten Leiterplattenabschnitt verbunden ist.

Der Riementrieb kann bevorzugt als Zahnriementrieb ausgebildet sein, wobei Antriebs- und Abtriebsrad als Zahnriemenräder oder -scheiben ausgebildet sind, um die ein Zahnriemen umläuft. Die Zahnriemenräder fluchten miteinander, was einer im Wesentlichen parallelen Anordnung der antriebsseitig in Richtung der Antriebsachse erstreckten Motorwelle und der abtriebsseitig in Richtung der Abtriebs- oder Lenkachse erstreckten Lenkwelle entspricht, welche die Abtriebswelle bildet. Dabei können Antriebs- und Abtriebsrad jeweils im Bereich eines freien Endes von Motor- und Lenkwelle drehfest angebracht sein, so dass sie eine ge meinsame freie axiale Stirnseite haben, vor der sich die Leiterplatte senkrecht zu deren Achsrichtung erstreckt. Die Positionssensoren, gleichbedeutend auch kurz als Sensoren be zeichnet, können so auf derselben, axial den beiden Zahnriemenrädern gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angebracht sein, so dass sie sich in einem definierten axialen Messab stand relativ zu an den Riemenrädern angeordneten Geberelementen befinden, die bei spielsweise mitrotierende Gebermagnete aufweisen. Die elektronischen Positionssensoren und die zugehörigen Geber können im Prinzip nach unterschiedlichen im Stand der Technik bekannten, bevorzugt berührungslosen physikalischen Messprinzipien arbeiten, beispiels weise magnetisch, kapazitiv, optisch, akustisch oder dergleichen, soweit damit eine Erfas sung der Winkel- bzw. Rotorposition von Antriebs- und Abtriebsrad ermöglicht wird. Vorteil haft ist eine Kombination von Magnetsensoren, beispielsweise Hall-Sensoren, mit rotieren den Gebermagneten.

Alternativ oder zusätzlich zur Drehwinkel-Erfassungseinrichtung kann eine Drehmoment-Er fassungseinrichtung vorgesehen sein. Diese dient zur Bestimmung eines übertragenen Drehmoments. Dieses kann aus den von den Positionssensoren bereitgestellten elektrischen Signalen ermittelt werden.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die freien Stirnseiten von Antriebs- und Abtriebsrad ei nander axial gegenüberliegen, und die diesen zugeordneten Sensoren auf den einander ab gewandten Seiten der Leiterplatte angeordnet sind.

Erfindungsgemäß ist die Leiterplatte nicht wie im Stand der Technik einteilig starr durchge hend ausgebildet, sondern in mindestens zwei flexibel miteinander verbundene Leiterplatten abschnitte geteilt, die im Folgenden gleichbedeutend als Leiterplattenteile oder Teilplatten oder -elemente bezeichnet werden. Die flexible Verbindung ermöglicht eine relative Bewe gung der beiden Leiterplattenabschnitte, bevorzugt in Richtung parallel zu einer gemeinsa men Leiterplattenebene, die senkrecht zur Achsrichtung von Antriebs- und Abtriebsachse steht, und zu der die Leiterplattenabschnitte parallel, bevorzugt mit demselben Abstand an geordnet sind. Die relative Beweglichkeit bringt den Vorteil, dass die Positionssensoren einer relativen Bewegung zwischen Antriebs- und Abtriebsrads, beispielsweise beim Spannen des Riemens durch Vergrößerung des Achsabstands zwischen Antriebs- und Abtriebsachse fol gen können. Dabei kann der eine Leiterplattenabschnitt mit dem einen Sensor relativ zum Antriebsrad fixiert sein, und der andere relativ zum Abtriebsrad. Ein Vorteil dabei ist, dass der Messabstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem zugeordneten Geberelement unabhängig von der Relativposition der Riemenräder unverändert bleibt, und die Zuverläs sigkeit der Drehwinkelerfassung erhöht wird. Außerdem kann in vorteilhafter Weise der Jus tieraufwand bei der Montage verringert werden, und der Riemen kann durch Veränderung des Achsabstands einfach nachgespannt werden, ohne dass die Drehwinkelmessung davon beeinträchtigt wird. Es ist vorteilhaft, dass der erste Leiterplattenabschnitt relativ zum Antriebsrad fixiert ist, und der zweite Leiterplattenabschnitt relativ zum Abtriebsrad. Die mindestens zwei ersten und zweiten Leiterbahnabschnitte können im Prinzip gleichartig aufgebaut sein. Durch eine räum lich eindeutig definierte Fixierung relativ zum Antriebs- oder Abtriebsrad kann der jeweilige Abstand des zugeordneten Positionssensors zum Antriebs- und Abtriebsrad definiert fest vorgegeben werden, wodurch der Messabstand fixiert ist. Bei einer relativen Verlagerung von Antriebs- und Abtriebsrad werden die Leiterbahnabschnitte mitbewegt, wobei die Rela tivbewegung durch das erfindungsgemäß flexible Verbindungselement kompensiert werden kann. Das flexible Verbindungselement bildet eine mechanisch und elektrisch leitende Ver bindung, die Stromversorgungs- und Signalleitungen umfassen kann. Durch den in jedem Montage- und Betriebszustand gleichbleibenden Messabstand werden Störungen weitge hend vermieden. Der erste Leiterplattenabschnitt kann auch relativ zum Abtriebsrad fixiert sein, und der zweite Leiterplattenabschnitt relativ zum Antriebsrad.

Jeweils ein Leiterplattenabschnitt kann beispielsweise an einem Lagerelement festgelegt sein, in dem die Antriebs- bzw. Abtriebswelle drehbar gelagert ist. Bei einer relative Bewe gung der Achsen führen diese Lagerelemente zusammen mit den Leiterplattenabschnitten Relativbewegungen aus, die durch deren flexible Verbindung kompensiert werden können.

Es kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass die ersten und zweiten Leiterplattenabschnitte starr ausgebildet sind. Die Leiterplattenabschnitte können jeweils ähnlich wie die im Stand der Technik einteilig durchgehende Leiterplatte eine starre Trägerplatte aus einem Isolierma terial aufweisen, beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, auf der in einer, zwei oder mehr Schichten elektrische Leiterbahnen aufgebracht sind. Der Einsatz derartiger mehrlagiger Platinen ist für gedruckte Schaltungen (PCB = printed Circuit board) bekannt. Er findungsgemäß sind die Leiterplattenabschnitte weniger flexibel als das diese verbindende flexible Leiterelement. Die starre, formstabile Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sie eine räumlich dauerhaft präzise Positionierung und Fixierung der Sensoren ermöglicht.

Eine bevorzugte Ausführung ist, dass das flexible Leiterelement eine biegbare Platine auf weist. Eine derartige biegbare Platine stellt im Prinzip eine folienartige, quer zu ihrer Flä chenerstreckung biegbare dünne Leiterplattenfolie dar, die auch als Flex-Platine oder Flex- Leiterplatte bezeichnet wird, und die dünner ist als die starren Leiterplattenabschnitte. Eine Flex-Platine kann als Träger eine isolierende Kunststofffolie, beispielsweise eine Polyimid- Folie mit einer Dicke von circa 0,02 mm bis 0,2 mm aufweisen, mit ein- oder beidseitig aufge- druckten elektrischen Leiterbahnen. Diese kann elektrisch leitend zwischen den Leiterbah nen der starren Leiterplattenabschnitte eingesetzt sein, und ermöglicht durch ihre veränderli che Durchbiegbarkeit senkrecht zur Leiterplattenebene einen variablen räumlichen Abstand sausgleich.

Durch Kombination von starren Leiterbahnabschnitten mit einer Flex-Platine kann mit Vorteil erstmals der Zielkonflikt zwischen einer dauerhaft präzisen Positionierung der Sensoren rela tiv zu den Riemenrädern und einer variablen Positionierung der Riemenräder zueinander ge löst werden.

Die Ausgestaltung der beiden starren Leiterbahnabschnitte und auch des flexiblen Leiterele ments erleichtert eine rationelle automatisierte Fertigung der elektronischen Schaltung der Drehwinkel-Erfassungseinrichtung.

Es kann vorgesehen sein, dass die Leiterplattenabschnitte in einer Ebene angeordnet sind und relativ zueinander einen Abstand aufweisen, über den sich das flexible Leiterelement er streckt und quer zu der Ebene biegbar ist. Die Ebene bildet die Leiterplattenebene, in der die Leiterplattenabschnitte gegeneinander verlagerbar sind. Das flexible Leiterelement kann be vorzugt mindestens einen bogen- oder wellenförmig senkrecht zur Leiterplattenebene ge wölbten, den Abstand überspannenden Verbindungsabschnitt haben, der stärker oder schwächer durchgebogen wird, wenn sich die Leiterplattenabschnitte gegeneinander oder voneinander wegbewegen. Dadurch kann die mechanische Beanspruchung der flexiblen Verbindung minimiert werden, was einem störungsfreien Betrieb und einer langen Lebens dauer zugutekommt.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung kann vorsehen, dass zwischen der Antriebsachse und der Lenkachse wirkungsmäßig eine Riemenspanneinrichtung angeordnet ist. Die Rie menspanneinrichtung dient dazu, den Abstand zwischen Antriebs- und Abtriebsachse derart einzustellen, dass der zwischen den Riemenrädern verlaufende Riemen definiert gespannt wird, beispielsweise durch Ausübung einer das Antriebsrad und das Abtriebsrad voneinander weg belastenden Spannkraft. Dies kann zu einer relativen Verlagerung von Antriebs- und Abtriebsrad führen, wodurch im Stand der Technik der Abstand zu den Sensoren verändert wird. Der Vorteil der Erfindung ist, dass der Messabstand unabhängig von der Einstellung der Riemenspanneinrichtung ist, auch wenn die Riemenräder dabei relativ zueinander be wegt werden. Die Riemenspanneinrichtung kann eine Einstelleinrichtung aufweisen, um den Abstand der Achsen bei der Fertigung des Aktuators zur Kalibrierung der Riemenspannung einzustellen. Es können auch dauerhaft wirkende Krafterzeugungsmittel eingesetzt sein, welche die Rie menspannung auch bei Änderungen im Betrieb selbsttätig im optimalen Arbeitsbereich hal ten, beispielsweise bei einer Längung des Riemens oder durch Lastwechsel oder durch Ma terialausdehnungen aufgrund von Temperaturschwankungen. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Fertigung vereinfacht wird, und die Funktion der Drehwinkel-Erfassungseinrichtung über die gesamte Lebensdauer störungsfrei bleibt.

Zur Realisierung einer dauerhaft selbsttätig wirkenden Riemenspanneinrichtung kann vorge sehen sein, dass die Riemenspannvorrichtung ein elastisches Vorspannmittel aufweist. Das Vorspannmittel kann beispielsweise ein vorgespanntes Federelement aufweisen, welches An- und Abtriebsrad mit der elastischen Federkraft auseinander belastet. Alternativ oder zu sätzlich können andere Arten von Krafterzeugungs- oder Vorspannmitteln eingesetzt sein, beispielsweise elektrisch, hydraulisch oder dergleichen.

Es ist bevorzugt möglich, dass die Antriebsachse und die Lenkachse in einem Gehäuse ge lagert sind, bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse. Dadurch kann ein abgeschlossener, kompakter Feedback-Antrieb realisiert werden, bei dem der Riementrieb zusammen mit der Drehwinkel-Erfassungseinrichtung und/oder Drehmomenterfassungseinrichtung in dem be vorzugt geschlossenen Gehäuse gegen äußere Einflüsse geschützt untergebracht sein kann. Der Motor kann an dem Gehäuse angebracht oder auch darin integriert sein. Die An- und Abtriebsachsen können in Lagern in dem Gehäuse bevorzugt parallel zueinander, und dabei bevorzugt relativ zueinander mit veränderbarem Achsabstand verstellbar gelagert sein.

Das Gehäuse kann aus einem metallischen Werkstoff und alternativ oder zusätzlich einen Kunststoff umfassen, und einem nach außen abgedichteten Innenraum haben, in dem der Riementrieb geschützt untergebracht ist. Durch eine metallische Abschirmung kann ein Schutz gegen elektrische Störeinflüsse erfolgen.

Es kann vorgesehen sein, dass ein Leiterplattenabschnitt axial vor dem Antriebsrad und/oder dem Abtriebsrad angeordnet ist, wobei ein Positionssensor koaxial zur Antriebsachse und/o der zur Abtriebs- bzw. Lenkachse angeordnet ist. Die beiden Leiterplattenabschnitte können dabei stirnseitig vor den freien Enden von Antriebs- und Abtriebswelle senkrecht zur Achs- richtung angeordnet sein, auf denen An- und Abtriebsrad drehfest angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine kompakte und montagefreundliche Anordnung, die mit geringem Aufwand in einem Gehäuse untergebracht werden kann. Die Leiterbahnabschnitte können jeweils mit den die Achsen in dem Gehäuse lagernden Wellen verbunden sein, um sich mit diesen bei einer relativen Verlagerung translatorisch mitzubewegen.

Auf einer oder beiden Leiterplattenabschnitten kann bevorzugt eine elektrische Steuerschal tung (ECU = electronic control unit) aufgebaut sein, welche zumindest teilweise die elektri sche Signalaufbereitung und -Verarbeitung der elektrischen Signale der Positionssensoren ermöglicht. Dadurch wird eine vorteilhaft kompakte Bauform ermöglicht, sowie bei Unterbrin gung in einem Gehäuse eine Abschirmung der Steuerung gegen Störungen.

Die Erfindung umfasst weiterhin eine Lenksäule für ein Steer-by-wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine drehbar gelagerte Lenkwelle, die einen Befestigungsab schnitt zur Anbringung eines Lenkrads aufweist und mit einem Feedback-Aktuator zur Einlei tung eines Feedback-Moments gekoppelt ist, bei der erfindungsgemäß der Feedback-Aktua tor nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist. Die Lenksäule umfasst wie oben erläutert eine elektronische Sensorik zur Erfassung einer Lenkeingabe durch manuelle Drehung des Lenkrads, und eine Feedback-Einrichtung. Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit kann durch erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des Feedback-Aktuators verbessert wer den. Die vorangehend erläuterten Merkmale können dabei einzeln oder in Kombinationen re alisiert werden.

Beschreibung der Zeichnungen

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnun gen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steer-by-wire-Lenk- systems,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Feedback-Aktua tors.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. Figur 1 zeigt schematisch ein Steer-by-wire-Lenksystem 1, welches eine Lenksäule 2 um fasst. Diese weist eine an einer nicht gezeigten Fahrzeugkarosserie montierbare Trageinheit

21 auf, von der eine Lenkwelle 22, gleichbedeutend auch als Lenkspindel 22 bezeichnet, um ihre Lenkachse L auch als Längsachse oder Abtriebsachse bezeichnet, drehbar gelagert ist. An ihrem bezüglich der Fahrtrichtung hinteren, fahrerseitigen Ende weist die Lenkwelle 22 einen hier nicht sichtbaren Befestigungsabschnitt auf, an dem ein Lenkrad 23 drehfest mon tier ist.

In der Lenksäule 2 ist eine im Einzelnen nicht dargestellte Drehwinkel- und Drehmomenter fassungssensorik untergebracht, welche eine als Drehung des Lenkrads 23 in die Lenkwelle

22 eingebrachten Lenkbefehl in ein elektrisches Lenksignal umsetzt. Dieses Lenksignal wird über eine elektrische Steuerleitung 3 an einen elektrischen Lenkungsantrieb 4 geleitet.

Der Lenkungsantrieb 4 umfasst einen Stellmotor 41 , der ein Lenkungs-Stellmoment in ein Lenkgetriebe 42 einleitet. Dort wird das Lenkungs-Stellmoment über ein Ritzel 43 und eine Zahnstange 44 in eine Translationsbewegung von Spurstangen 45 umgesetzt, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet, wodurch ein Lenkeinschlag der gelenkten Räder 46 relativ zur Fahr bahn 47 bewirkt wird.

Am in Fahrtrichtung vorderen Endbereich weist die Lenksäule einen erfindungsgemäßen Feedback-Aktuator 5 auf, der schematisch in Figur 2 dargestellt ist.

Der Feedback-Aktuator 5 weist einen elektrischen Motor 51 auf, dessen Motorwelle 52 sich entlang einer Antriebsachse M erstreckt, die in einem Achsabstand x parallel zur Lenkachse L liegt.

Ein Zahnriementrieb umfasst ein als Zahnriemenrad ausgebildetes, auf der Motorwelle 52 drehfest angebrachtes Antriebsrad 53, ein ebenfalls als Zahnriemenrad ausgebildetes, auf der Lenkwelle 22 drehfest angebrachtes Abtriebsrad 54 und einen über die Zahnriemenräder 53, 54 umlaufenden Zahnriemen 55.

In einem Gehäuse 56 ist die Lenkwelle 22 drehbar gelagert, und der Motor 51 ist an einer Riemenspanneinrichtung 6 relativ zur Lenkachse L verstellbar angebracht, wie mit dem Dop pelpfeil angedeutet. Die Riemenspanneinrichtung 6 kann ein Krafterzeugungsmittel 61 auf weisen, beispielsweise mit einem vorgespannten Federelement, wodurch eine Spannkraft ausgeübt wird, die den Motor 51 relativ zum Gehäuse 56 von der Lenkachse L weg gerichtet belastet, so dass der Zahnriemen 55 gespannt wird oder die Spannkraft gehalten wird. Durch relative Bewegung beim Spannen des Zahnriemens bei der Montage oder durch Nachspannen im Betrieb, beispielsweise durch die selbsttätig durch Federkraft wirkende Rie menspanneinrichtung 6, kann sich der Achsabstand verändern.

Eine erfindungsgemäße Drehwinkel-Erfassungseinrichtung und/oder Drehmoment-Erfas sungseinrichtung 7 umfasst einen am vorderen Ende der Lenkwelle 22 stirnseitig angebrach ten ersten Gebermagneten 71, vor dem axial im Messabstand ein erster Positionssensor 72 auf einem ersten Leiterplattenabschnitt 73 angebracht ist, und einen am vorderen Ende der Motorwelle 52 stirnseitig angebrachten zweiten Gebermagneten 74, vor dem axial im Mess abstand ein zweiter Positionssensor 75 auf einem zweiten Leiterplattenabschnitt 76 ange bracht ist. Die Leiterplattenabschnitte 73 und 76 können als gedruckte Schaltungen mit einer starren Platine ausgeführt sein, auf der elektronische Bauelemente verschaltet angebracht sind.

Zwischen den Leiterplattenabschnitten 73 und 76 ist ein flexibles Leiterelement 77 ange bracht, bevorzugt eine folienartige, biegbare Flex-Platine, welche die Leiterplattenabschnit ten 73 und 76 elektrisch leitend verbindende Leiterbahnen hat.

Der Leiterplattenabschnitt 73 ist relativ zur Lenkachse L fixiert, und der Leiterplattenabschnitt 76 relativ zur Antriebsachse M. Bei einer relativen Verlagerung der Motorwelle 52 zur Lenk welle 22 durch eine relative Bewegung der Spanneinrichtung 6 in dem Gehäuse 56 wird der Achsabstand x verändert, und entsprechend die Leiterplattenabschnitte 73 und 76 relativ zu einander verlagert. Diese Relativbewegung kann durch eine variable Durchbiegung des fle xiblen Leiterelements 77 aufgenommen werden. Dadurch bleibt der Messabstand zwischen den Positionssensoren 72, 75 und den zugeordneten Gebern 71 , 74 in jedem Einstell- und Betriebszustand gleich, wodurch Störungen vermieden werden.

Bezugszeichenliste

1 Steer-by-wire-Lenksystem

2 Lenksäule

21 Trageinheit

22 Lenkwelle

23 Lenkrad

3 Steuerleitung

4 Lenkungsantrieb

41 Stellmotor

42 Lenkgetriebe

43 Ritzel

44 Zahnstange

45 Spurstangen

46 Räder

47 Fahrbahn

5 Feedback-Aktuator

51 Motor

52 Motorwelle

53 Antriebsrad

54 Abtriebsrad

55 Zahnriemen

56 Gehäuse

6 Riemenspanneinrichtung 61 Krafterzeugungsmittel

7 Drehwinkel-Erfassungseinrichtung

71, 74 Gebermagnet

72, 75 Positionssensoren

73,76 Leiterplattenabschnitte 77 flexibles Leiterelement L Lenkachse

M Antriebsachse x Achsabstand

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Feedback-Aktuator (5) für ein Kraftfahrzeug-Lenksystem (1), umfassend ein von ei nem elektrischen Motor (51) um eine Antriebsachse (M) drehend antreibbares An triebsrad (53), und einem damit über einen umlaufenden Riemen (55) in Getriebeein griff stehenden Abtriebsrad (54), welches verbunden ist mit einer zur Antriebsachse (M) beabstandeten, um eine Lenkachse (L) drehbar gelagerten Lenkwelle (22), und umfassend eine Drehwinkel-Erfassungseinrichtung (7) und/oder eine Drehmoment- Erfassungseinrichtung, die einen dem Antriebsrad (53) zugeordneten ersten elektri schen Positionssensor (72), einen dem Abtriebsrad (54) zugeordneten zweiten Positi onssensor (75) und eine die Positionssensoren (72, 75) tragende elektrische Leiter platte (73, 76) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (73, 76) einen den ersten Positionssensor (72) tragenden ersten Leiterplattenabschnitt (73) aufweist, der über ein flexibles Leiterelement (77) räumlich verlagerbar und elektrisch leitend mit einem den zweiten Positionssensor (75) tragen den zweiten Leiterplattenabschnitt (76) verbunden ist.

2. Feedback-Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter plattenabschnitt (73) relativ zum Antriebsrad (53) fixiert ist, und der zweite Leiterplat tenabschnitt (76) relativ zum Abtriebsrad (54).

3. Feedback-Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die ersten und zweiten Leiterplattenabschnitte (73, 76) starr ausgebil det sind.

4. Feedback-Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das flexible Leiterelement (77) eine biegbare Platine aufweist.

5. Feedback-Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Leiterplattenabschnitte (73, 76) in einer Ebene angeordnet sind und relativ zueinander einen Abstand aufweisen, über den sich das flexible Leiterele ment (77) quer zu der Ebene biegbar erstreckt.

6. Feedback-Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen der Antriebsachse (M) und der Lenkachse (L) wirkungsmä ßig eine Riemenspanneinrichtung (6) angeordnet ist.

Feedback-Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Riemenspannvorrichtung (6) ein elastisches Vorspannmittel (61) aufweist.

8. Feedback-Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Antriebsachse (M) und die Lenkachse (L) in einem Gehäuse (56) gelagert sind.

9. Feedback-Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Leiterplattenabschnitt (76, 73) axial vor dem Antriebsrad (53) und/oder dem Abtriebsrad (54) angeordnet ist, wobei ein Positionssensor (72, 75) ko axial zur Antriebsachse (M) und/oder zur Lenkachse (L) angeordnet ist.

10. Lenksäule (2) für ein Steer-by-wi re- Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine drehbar gelagerte Lenkwelle (22), die einen Befestigungsabschnitt zur Anbrin gung eines Lenkrads (23) aufweist und mit einem Feedback-Aktuator (5) zur Einlei tung eines Feedback-Moments gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Feedback-Aktuator (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9 ausgebil det ist.