WO2023066596A1 - Device and method for generating and/or modifying a holding and/or braking torque of a steer-by-wire steering system of a vehicle - Google Patents

Device and method for generating and/or modifying a holding and/or braking torque of a steer-by-wire steering system of a vehicle Download PDF

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WO2023066596A1
WO2023066596A1 PCT/EP2022/076477 EP2022076477W WO2023066596A1 WO 2023066596 A1 WO2023066596 A1 WO 2023066596A1 EP 2022076477 W EP2022076477 W EP 2022076477W WO 2023066596 A1 WO2023066596 A1 WO 2023066596A1
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core element
steer
braking torque
vehicle
holding
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PCT/EP2022/076477
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Julian Stratmann
Gerrit Meyer
Laurence Schippmann
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • B62D7/00—Steering linkage; Stub axles or their mountings
    • B62D7/06—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins
    • B62D7/14—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62D5/0445—Screw drives
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    • B62D7/15—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering characterised by means varying the ratio between the steering angles of the steered wheels
    • B62D7/1581—Steering linkage; Stub axles or their mountings for individually-pivoted wheels, e.g. on king-pins the pivotal axes being situated in more than one plane transverse to the longitudinal centre line of the vehicle, e.g. all-wheel steering characterised by means varying the ratio between the steering angles of the steered wheels characterised by comprising an electrical interconnecting system between the steering control means of the different axles

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for generating and/or changing a holding torque and/or a braking torque of a steer-by-wire steering system of a vehicle.
  • steer-by-wire steering can be advantageous for motor vehicles, which is mechanically decoupled from a steering handle that maps a driver's request for a direction of travel.
  • Steering systems are generally wheel-guiding, so that a steering angle set on the respective wheels can be maintained under the influence of the high lateral and/or lateral forces in a chassis of a motor vehicle in order to be able to maintain the intended direction of travel.
  • the current steering angle should either be maintained or reduced to a neutral steering angle (wheels in the straight-ahead position;
  • Steering angle 0°
  • electrical and/or mechanical locks and/or self-locking spindle or steering rod drives are used in a known manner. These counteract a wandering of the spindle or steering rod and thus a change in the steering angle in the passive state. Such possibilities are known from DE 102007055849 A1.
  • the present invention creates an improved device and a method for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle, an improved vehicle and an improved device for generating or changing a holding and/or a braking torque according to the independent claims.
  • Advantageous configurations result from the dependent claims and the following description.
  • the approach presented describes a way of improving system behavior in terms of efficiency, service life, acoustic emissions, weight and costs for a steer-by-wire steering system in a vehicle.
  • a holding and/or braking effect can also be achieved in the steer-by-wire system if the vehicle system fails.
  • signs of wear and tear and a number of moving, built-in parts can advantageously be reduced, as a result of which system integration is simplified.
  • a safety aspect can be improved by the presented approach.
  • a device for generating and/or changing a holding and/or braking torque for a steer-by-wire steering system of a vehicle which has a core element, a permanent magnet element and a coil unit.
  • the core element has a winding area and an active area opposite the winding area.
  • the permanent magnet element is designed to generate a magnetic field, which is arranged on the core element between the winding area and the effective area.
  • the permanent magnet element is designed to generate a holding and/or braking torque for a rotatable component of the drive of the steer-by-wire steering in the effective area using the magnetic field.
  • the coil unit is wound around the core element in the winding area and arranged parallel to the permanent magnet element, and is designed to change a direction of the magnetic field using an electrical voltage in order to change the effective braking torque for the rotatable component of the drive.
  • the core element can, for example, have a shape equal to or similar to a square that is open on one side.
  • the effective area can be arranged, for example, on the open side of the core element.
  • the device can be used, for example, for a vehicle that is provided, for example, for transporting people and, additionally or alternatively, objects.
  • the steer-by-wire steering can control or bring about a steering of the wheels of the front axle and/or the wheels of the rear axle.
  • the holding and/or braking torque can be generated on a mechanical component of the steering by a reluctance force.
  • the mechanical component is advantageously a rotatable component in the drive train between the drive motor and the steering rod or spindle.
  • the reluctance force acts on this component and causes stopping and/or braking.
  • the rotatable component can be, for example, at least one axis, a rotor or at least one transmission component, such as a gear wheel or a belt wheel or belt driven wheel.
  • the device can thus act like a parking brake in terms of holding, so that a current steering angle can be maintained. This can also minimize or prevent unwanted wandering or changing of a steering angle if the drive fails and the steering angle should no longer change, for example after a fault in the steer-by-wire steering.
  • the speed of the drive can also be slowed down in the sense of a brake or stopped until it comes to a standstill.
  • the effective holding and/or braking torque can advantageously be weakened or completely deactivated as required.
  • the parallel arrangement of the permanent magnet element and the coil unit can advantageously prevent demagnetization of the permanent magnet element. This ensures that a steering rod or spindle is held in place if the steer-by-wire system fails.
  • steer-by-wire steering or an axle of the vehicle can be implemented efficiently using the device and at the same time, for example, a steering rod or spindle of the steer-by-wire steering system can be prevented from moving due to lateral force and/or lateral force influences become.
  • Conventional mechanical locks for stopping and/or braking which are known from the prior art and mean additional costs and additional weight, are no longer required.
  • the device In the case of steer-by-wire steering systems, the device also enables the use of steering gears with high levels of efficiency, for example a recirculating ball gear. These are not self-locking to counteract the wandering of the steering angle when the drive is at a standstill or fails.
  • the device advantageously replaces the self-locking effect with the effect of the reluctance force.
  • the core element can have a first core element part and a second core element part, it being possible for the first core element part to be arranged at a distance from the second core element part.
  • the core element parts can be implemented in an L-shape, for example, in which case the short L sides can be arranged facing one another.
  • An air gap (for example between the first core element part and the second core element part) can advantageously be formed in this way, which can be bridged, for example, using the coil unit.
  • the air gap can advantageously act as a resistance for the magnetic field.
  • the coil unit can be designed in order to be able to connect the first core element part and the second core element part to one another in the winding area.
  • a distance between the core element parts can advantageously be bridged.
  • the distance can be formed as an air gap, for example.
  • a distance between the first core element part and the second core element part can be greater than a distance between the core element and the rotatable component, for example the pulley.
  • a resistance can advantageously be determined by the size of the distances.
  • the belt wheel can be implemented, for example, as part of a belt drive, preferably with a toothed belt between an electric drive unit and a steering rod for the steer-by-wire steering.
  • the rotation of the drive motor can be converted into a translation of the steering rod to adjust the steering angle on an axle by means of the belt drive and a steering rod, preferably designed as a spindle. In this way it can be ensured that the magnetic field lines flowing through the permanent magnet element are preferably guided through the gap between the core element parts via the pulley.
  • the device can have the rotatable component, which can be arranged in the effective area of the core element and which additionally or alternatively as a a pulley, a rotor or a spindle. This can advantageously act as a detent brake in connection with the device.
  • the belt wheel or the rotor can have a plurality of ratchet teeth.
  • a distance between the belt wheel or rotor and the core element in the effective area can be varied due to the locking teeth when the belt wheel or rotor rotates. This means that the distance between the rotatable component and the core element can be increased when a tooth gap between two ratchet teeth faces the core element in a section of this component.
  • the distance between the rotatable component and the core element can also be formed as an air gap, for example.
  • a reluctance braking unit can be implemented very easily with such an embodiment.
  • the core element can have a ferromagnetic material.
  • the rotatable component can also have a ferromagnetic material.
  • the magnetic field of the permanent magnet element can be guided through the material of the core element.
  • a vehicle with steer-by-wire steering and a device associated with steer-by-wire steering is also presented in a previously mentioned variant.
  • the steer-by-wire steering can be designed to steer the wheels of the front and/or rear axle.
  • the vehicle can be implemented, for example, as a motor vehicle in the form of a passenger car, as an off-road vehicle, as a truck (lorry) or, for example, as a utility vehicle.
  • a method for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle using a device in a variant mentioned here is presented, the method having a step of generating and a step of Investing includes.
  • a magnetic field is generated between the winding area and the active area of the core element using a permanent magnet element in order to generate a braking torque for the rotatable component in the active area cause.
  • an electric voltage is applied to a coil unit wound in the winding portion of the core member to change a direction of the magnetic field generated by the permanent magnet member to change the braking torque acting on the rotatable member.
  • the holding and/or braking torque can advantageously be generated using a reluctance force, which can act on a pulley or a rotor, for example.
  • These rotatable components can, for example, be part of an electric machine or a transmission, through which the steer-by-wire steering can exert a steering force indirectly by means of a steering rod or directly on the wheels of a front and/or rear axle. It is also conceivable that the rotatable component is connected as a component in a rotationally fixed manner to a rotor guided by the electrical machine.
  • the braking torque can advantageously be weakened or, for example, completely deactivated by the method.
  • the device can advantageously generate the holding and/or braking torque even in the event of a system failure, so that the spindle or steering rod is prevented or at least prevented from wandering can be reduced.
  • the method can include a step of reading in vehicle data and additionally or alternatively environmental data using a sensor unit. Furthermore, the method can include a step of evaluating the read-in vehicle data and additionally or alternatively the read-in environmental data in order to obtain an evaluation result that can represent a current operating state of the device.
  • the electrical voltage can be applied as a function of the evaluation result.
  • the vehicle data can advantageously map states or operating parameters within the steer-by-wire steering system, such as a current that is applied to a winding of an electrical machine to perform a steering movement, or to at least one mechanical component of the steer-by-wire -Steering acting moment.
  • the vehicle data can also represent a magnetic flux in the device or, for example, an angle of a rotor.
  • the environmental data can represent temperature values, for example, which can act on the device or on temperature-sensitive components of the device, such as the permanent magnets.
  • the approach presented here also creates a control device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices.
  • the task on which the approach is based can also be solved quickly and efficiently by this embodiment variant of the approach in the form of a control device.
  • control device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the Have actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data that are embedded in a communication protocol.
  • the arithmetic unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, with the memory unit being able to be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit.
  • the communication interface can be designed to read in or output data in a wireless and/or wired manner, with a communication interface that can read in or output wired data, for example, this data read electrically or optically from a corresponding data transmission line or can output it in a corresponding data transmission line.
  • a control device can be an electrical device that processes electrical signals, for example sensor signals, and outputs control signals as a function thereof.
  • the control device can have one or more suitable interfaces, which can be embodied in terms of hardware and/or software.
  • the interfaces can be part of an integrated circuit, for example, in which the functions of the device are implemented.
  • the interfaces can also be separate integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • a computer program product with program code is also advantageous, which can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is on a computer or a control device is performed.
  • a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory
  • a steer-by-wire steering system is a mostly electromechanical unit that is decoupled from a mechanical steering handle, for example a steering wheel.
  • Steering signals are generated in a control device based on steering signals and one or more parameters such as vehicle speed, steering wheel angle, current steering angles on the front and/or rear axle, yaw acceleration and/or lateral acceleration of the vehicle, etc.
  • the steering movement takes place by means of at least one actuator of the steer-by-wire steering, which receives steering signals from the control unit.
  • a spindle or steering rod can be linearly displaced in the actuator by means of a spindle drive, which is directly or indirectly coupled in an articulated manner to wheel carriers. By shifting the spindle, the wheel carrier can be pivoted about its vertical axis, so that the wheels rotatably mounted on the wheel carriers can be subjected to a change in the wheel steering angle of the respective wheel carrier.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a vehicle with a device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a transmission device according to an exemplary embodiment for a vehicle with a device
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a rotor with a plurality of arrangement options for a device according to an embodiment
  • FIG. 6 shows a diagram of a torque curve of a device according to an embodiment
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of an operating principle of a device according to an embodiment
  • FIG. 8 shows a flowchart of a method according to an embodiment for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle using a variant of a device presented here;
  • FIG. 9 shows a block diagram of a control device according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a vehicle 100 with a device 105 according to an exemplary embodiment.
  • Device 105 is designed to generate a holding and/or braking torque for a steer-by-wire system 107 of the Vehicle 100 to generate and / or to change.
  • the steer-by-wire steering system 107 is shown schematically in FIG. 1 as a steering unit for steering the wheels of the rear axle; however, those skilled in the art will undoubtedly recognize that the steer-by-wire steering system 107 can alternatively or additionally also be designed to steer the wheels of a front axle of the vehicle 100 .
  • a vehicle can also have separate steer-by-wire steering on the front and rear axles.
  • vehicle 100 is implemented as a passenger car.
  • the vehicle 100 here has a rear-axle steering system controlled by the steer-by-wire steering system 107 so that the device 105 is arranged in the area of a rear axle of the vehicle 100 .
  • Vehicle 100 also has a control device 110, which is designed to implement a method for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle using an exemplary embodiment of device 105 presented here to control or perform, as explained in more detail in FIG.
  • the control device 110 is implemented as a control unit, for example.
  • the device 105 has a core element 115, a permanent magnet element 120 and a coil unit 125, which are described in more detail in FIG.
  • the device 105 comprises a rotatable component 130 of the drive of the steer-by-wire steering, such as a rotor or a pulley, which is optionally formed as part of the device 105 or, for example, part of a gearbox of an actuator of a steer-by -wire steering 107, which interacts with the device 105.
  • the rotatable component 130 can be part of an electrical machine or transmission, such as a rotor or a belt wheel, not shown in FIG. 1 for reasons of clarity, which is designed to exert a steering force on a threaded spindle and/or a steering rod , so that the wheels, here the rear axle, alternatively or additionally also the front axle, can be steered.
  • the wander rate of the threaded spindle and/or the steering rod does not exceed a defined limit.
  • the passive state can also exist, for example, when the drive fails or there is a fault or a fault in the steering.
  • the wandering is limited, for example, by constructing an electromechanical lock and/or high mechanical friction in a conventional steering system according to the prior art. This can be achieved, for example, with a spindle gear with a low level of efficiency, such as with a trapezoidal screw drive.
  • the drive machine which is also referred to, for example, as a drive unit, drive or electric motor, is designed for an increased torque. This is accompanied by an increase in overall size and also in a power requirement which must be made available by an on-board network of vehicle 100, for example by control device 110.
  • the present approach describes the device 105, which is characterized by using a magnetic reluctance force, which in turn prevents a movement of the belt wheel 130 in a passive state of the device 105.
  • the device 105 with the pulley 130 is also referred to as an actuator, for example.
  • This measure using the reluctance force allows a gear with a high degree of efficiency, such as a ball screw drive or a roller screw drive, to be used. Due to the greatly reduced mechanical friction, a significantly smaller drive can be used. This advantageously saves installation space on the axle of a car. In addition, less electrical power is required for a smaller drive and the drive is more cost-effective.
  • the approach presented also optionally includes a compensation mechanism that partially or fully compensates for the force acting for stopping and/or braking during active operation.
  • the device 105 uses the reluctance force to generate force. This acts in such a way that the magnetic resistance, the reluctance, reduced.
  • the structure consists, for example, of a stator made of ferromagnetic material, which is referred to as core element 115 according to this exemplary embodiment, with an integrated permanent magnet element 120 and an additional compensation winding, which is described as coil unit 125 .
  • the rotatable component 130 also comprises a ferromagnetic material and optionally has salient teeth. When the compensation winding, which is also referred to as a coil unit 125, is inactive, the reluctance force acts in such a way that the rotatable component 130 is held in a locked position, as illustrated in FIG.
  • the device 105 When the device 105 is in active operation, an electric current is passed through the coil unit 125 which produces a magnetic field which counteracts that of the permanent magnet element 120 . As a result, the magnetic flux is reduced or the magnetic flux is brought to a standstill and the reluctance force is compensated. The rotatable component can then rotate more or less freely.
  • the approach presented can be used, for example, for an axle concept with steer-by-wire steering designed as rear axle steering, which has a high level of efficiency and is therefore efficient and performant.
  • a detent torque is therefore generated on the rotatable component 130, which can be implemented as a belt wheel or rotor, using the permanent magnet element 120 through the magnetic flux guidance .
  • a mechatronic system for generating a switchable detent torque based on reluctance forces is presented, which is referred to here as a detent torque brake for steer-by-wire steering, especially designed as rear-axle steering.
  • Device 105 optionally includes an additional sensor unit 135, such as a current, magnetic flux, angle and/or temperature sensor, in order to be able to react to different environmental influences such as temperature fluctuations.
  • a varying magnetic flux that caused by different tooth positions of the rotatable component 130 can be compensated for by a varying coil current.
  • a position of the rotatable component 130 as a belt wheel must therefore be taken into account when controlling the coil unit 125 for generating the holding and/or braking torque in order to ensure a so-called fail-safe state.
  • the approach presented uses the reluctance force to generate a holding and/or braking torque, which is also referred to as a cogging torque.
  • the device 105 corresponds, for example, to the device 105 described in FIG. 1 and can also be implemented in a vehicle, as was described in FIG. 1, for example. According to this exemplary embodiment, the device 105 is shown by means of a sectional illustration.
  • the device 105 has the core element 115 , which in turn has a winding area 200 and an active area 205 opposite the winding area 200 .
  • the device 105 has a permanent magnet element 120 for generating a magnetic field.
  • the permanent magnet element 120 is arranged between the winding area 200 and the effective area 205 and is designed to generate a braking torque in the effective area 205 using the magnetic field.
  • the device 105 also has a coil unit 125 which is wound around the core element 115 in the winding region 200 and is arranged parallel to the permanent magnet element 120 .
  • the coil unit 125 is also designed to change a direction of the magnetic field in order to continue to change the acting braking torque.
  • the core element 115 has a first core element part 210 and a second core element part 215 .
  • the first core element part 210 and the second core element part 215 are arranged at a distance from one another, so that an air gap 220 is formed between them.
  • the air gap 220 is arranged according to this embodiment in the winding area 200 and is bridged by the coil unit 125, so that the Core element parts 210, 215 are connected to each other.
  • the core element parts 210, 215 are only optionally realized in an L-shape, with their short side pointing in the direction of the respective other core element part 210, 215 and thus delimiting the air gap 220.
  • the device 105 has a rotor 130 which is arranged in the effective area 205 of the core element 115 .
  • the rotor 130 is only an example here and can also be implemented as a belt wheel or as a spindle.
  • the rotor 130 can be designed, for example, as a rotatable part of an electrical machine in a rotationally fixed manner as a rotor of the electrical machine that is provided or designed to exert a steering force on the wheels of the rear axle or front axle.
  • the rotor 130 is also arranged at a distance from the core element 115, so that a further air gap 225 is arranged in each case between the rotor 130 and the core element parts 210, 215.
  • the further air gap 225 is formed smaller than the air gap 220. This means that a distance between the first core element part 210 and the second core element part 215 is greater than a distance between the core element 115 and the rotor 130.
  • the fact that the further air gap 225 is smaller than the air gap 220 the magnetic field of the permanent magnet element 120 is directed in the direction of the rotor 130 and attracts it, for example, so that the braking torque is generated.
  • the rotor 130 optionally has ratchet teeth which are pulled in the direction of the permanent magnet element 120 by means of the reluctance force.
  • the rotor 130 can only optionally be implemented as a rotor 130 external to the device.
  • the core element 115 and/or the rotor 130 has a ferromagnetic material, which supports an effect of the magnetic field, for example.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device 105.
  • the device 105 shown in FIG. 3 corresponds or is at least similar to the device 105 described in FIG. 2 and can be used, for example, for a vehicle as was described in FIG.
  • the device 105 has the core element 115 , the permanent magnet element 120 and the coil unit 125 .
  • the rotatable component 130 is also formed as part of the device 105 according to this embodiment.
  • a rotor 330 is shown schematically here.
  • the rotor 330 has a plurality of ratchet teeth 300 .
  • a distance between the rotor 330 and the core element 115 in the effective area 205 can be varied due to the ratchet teeth 300 when the rotor 330 rotates.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a transmission device 400 according to an exemplary embodiment for a vehicle with a device 105.
  • the transmission device 400 is arranged, for example, in a vehicle as was described in FIG.
  • the device 105 shown is similar, for example, to the device 105 described in one of FIGS. 2 or 3.
  • the device 105 is only optionally implemented or can be implemented as part of the transmission device 400.
  • the device 105 is arranged transversely to a main axis of extension 405 of the belt wheel 430 .
  • the belt wheel 405 is arranged on a spindle 415, which can also be referred to as a steering rod.
  • the spindle 415 is arranged transversely to the main axis of extension 405 .
  • the transmission device 400 has a drive unit 410, which is also referred to as a motor, for example.
  • the motor can exert a steering force on the wheels of the rear or front axle, this steering force being transmitted via the spindle 415 according to the exemplary embodiment illustrated in FIG.
  • the drive unit 410 is designed, for example, to rotatably drive the pulley 430 and thus to displace the spindle along its longitudinal axis.
  • the drive unit here consists of the motor 410, the rotation of which is transmitted to the pulley by means of a belt 420.
  • the belt wheel 430 is arranged in a stationary manner and has an internal thread which engages with the external thread of the spindle 415 .
  • the rotation of the motor is thus converted into a translation of the spindle 415.
  • the drive unit 410 is arranged in parallel with the device 105 .
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a pulley 430 with a plurality of arrangement options 500, 505, 510 for a device 105 according to an embodiment.
  • the belt wheel 430 is there as a pulley formed in such a way that it has a plurality of ratchet teeth 300 .
  • the arrangement options 500, 505, 510 described below each represent a position of the device 105 in relation to the pulley 430.
  • the device 105 is similar, for example, to the device 105 described in one of Figures 2 to 4.
  • a first possible arrangement 500 shows the device 105 adjacent to an outer edge of the belt wheel 430.
  • the device 105 is arranged on a common plane with the belt wheel 430, for example.
  • a flow direction of the magnetic field is radial in this case. This means that the magnetic field runs on the plane of the pulley 130 .
  • the permanent magnet element 120 is arranged parallel to the coil unit 125 .
  • a second possible arrangement 505 shows the device 105 at the level of the locking teeth 300 of the belt wheel 430, so that the magnetic field acts axially to the belt wheel 430.
  • the device 105 extends on an axis lying transversely to a main axis of extension 405 of the belt wheel 430 .
  • the second arrangement option 505 corresponds to the arrangement of device 105 in relation to motor 410 described in Fig. 4.
  • an opening 515 of the core element 115 of the device 105 in the first arrangement option 500 points towards a center point 520 of the pulley 430
  • the opening 515 in a third arrangement option 510 of the device 105 points in a direction opposite the center point 520.
  • the stator component is shown with the ferromagnetic core element 115, the permanent magnet element 120 and the coil unit 125, also known as the compensation winding.
  • the first arrangement option 500 is arranged on the outside of the belt wheel 430, so that the magnetic field has a radial direction of flow.
  • the second arrangement option 505 is oriented laterally on the belt wheel 430, so that the magnetic field has a radial flow direction of the associated field lines.
  • the third arrangement option 510 is on the inside Pulley 430 arranged so that the magnetic field also has a radial direction of flow.
  • FIG. 6 shows a diagram of a torque curve of a device according to an embodiment.
  • the curves shown show the operating principle of the device.
  • two diagrams are shown.
  • a first diagram 600 uses a first curve 605 to represent a magnetic effective force of the magnetic field emanating from the permanent magnet element and acting on the rotor.
  • the rotor has, for example, the plurality of ratchet teeth to which the zigzag course of the curve 605 shown in FIG. 6 can be attributed, for example.
  • the further a locking tooth approaches the magnetic field the stronger the magnetic field acts on the locking tooth.
  • the magnetic field has a weaker effect on the locking tooth, the further away it is from the magnetic field.
  • a second diagram 610 uses a second curve 615 to represent the torque using the magnetic force represented by the first curve 605 .
  • the magnetic field is counteracted when a threshold value is reached.
  • curves 605, 615 relate to a rotating rotor.
  • a qualitative torque curve of the device and/or the rotatable component e.g. rotor, belt wheel
  • Holding positions are identified by dashes 620 . It can be seen that with a deflection in a negative direction, a restoring moment acts in the positive direction. Conversely, a negative moment acts in the event of a deflection in a positive direction.
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of an operating principle of a device according to an exemplary embodiment.
  • the circuit diagram relates, for example, to a device as described in one of FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 8 shows a flow chart of a method 800 according to an embodiment for generating and/or changing a holding and/or braking torque for a steer-by-wire steering system of a vehicle using an embodiment of a device presented here.
  • the method is carried out or controlled, for example, for a device such as was described in one of FIGS. 1 to 5, for example.
  • Method 800 includes a step 805 of generating a magnetic field between the winding area and the effective area of the core element using a permanent magnet element in order to bring about a holding and/or braking torque for the rotor in the effective area, and a step 810 of applying an electrical voltage a coil unit wound in the winding area of the core element to change a direction of the magnetic field generated by the permanent magnet element in order to change the acting holding and/or braking torque.
  • the method includes a step 815 of reading in vehicle data, such as a magnetic flux or an angle, and/or environmental data, such as z. B. a temperature of the permanent magnet using a sensor unit.
  • the vehicle data can map states or operating parameters within the steer-by-wire steering, such as a current that is applied to an angle of an electric machine to perform a steering movement or acting on at least one mechanical component of the steer-by-wire steering Moment. Alternatively or additionally, the vehicle data can also Map magnetic flux or an angle of the rotor.
  • the read-in vehicle data and/or the read-in environmental data are evaluated in order to obtain an evaluation result that represents a current operating state of the device and/or the steer-by-wire steering system.
  • the electrical voltage is applied as a function of the evaluation result.
  • FIG. 9 shows a block diagram of a control device 110 according to an embodiment.
  • Control device 110 is designed to carry out or control a method for changing a braking torque for a device, as was described in FIG. 8 , for example.
  • control device 110 has a read-in unit 900 that is designed to read in vehicle data 905 , such as a magnetic flux or an angle, and/or environmental data 910 using sensor unit 135 .
  • the control device 110 has a generation unit 915 , an evaluation unit 920 and an application unit 925 .
  • the generating unit 915 is designed to generate a magnetic field between the winding area and the active area of the core element using a permanent magnet element in order to generate a holding and/or braking torque in the active area.
  • Evaluation unit 920 is designed to evaluate the read-in vehicle data and/or the read-in environmental data in order to obtain an evaluation result 930 that represents a current operating state of the device and/or the steer-by-wire steering system.
  • the application unit 925 is designed to apply an electrical voltage 935 to a coil unit wound in the winding area of the core element in order to change a direction of the magnetic field generated by the permanent magnet element in order to change the effective holding and/or braking torque.

Abstract

The invention relates to a device (105) for generating and/or modifying a holding and/or braking torque for a steer-by-wire steering system (107) of a vehicle (100). The device (105) has a core element (115) with a winding region and a functional region lying opposite the winding region, a permanent magnet element (120) for generating a magnetic field, said permanent magnet element being arranged on the core element (115) between the winding region and the functional region and being designed to generate a braking torque for a rotatable component (130, 330, 430) in the functional region using the magnetic field, and a coil unit (125) which is wound about the core element (115) in the winding region and which is arranged parallel to the permanent magnet element (120). The coil unit (125) is designed to change the direction of the magnetic field using an electric voltage in order to change the holding and/or braking torque acting on the rotatable component.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder eines Bremsmoments einer Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs Device and method for generating and/or changing a holding torque and/or a braking torque of a steer-by-wire steering system of a vehicle
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen und/oder Verändern eines Haltemoments und/oder eines Bremsmoments einer Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs. The present invention relates to a device and a method for generating and/or changing a holding torque and/or a braking torque of a steer-by-wire steering system of a vehicle.
Heutige Fahrzeuge können an allen Achsen lenkbar sein. Durch gegensinniges Lenken kann ein Wendekreis verringert werden oder das Fahrzeug einfacher rangiert, z.B. eingeparkt werden. Bei gleichsinnigem Lenken kann das Fahrzeug, z. B. bei einem Überholvorgang stabilisiert werden. Hier kann für Kraftfahrzeuge eine Steer-by- wire-Lenkung von Vorteil sein, welche mechanisch von einer Lenkhandhabe, die einen Fahrerwunsch für eine Fahrtrichtung abbildet, entkoppelt ist. Lenkungen sind generell radführend, so dass ein an den jeweiligen Rädern eingestellter Lenkwinkel unter Einfluss der hohen Quer- und/oder Seitenkräfte in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs beibehalten werden kann, um die beabsichtigte Fahrtrichtung aufrecht erhalten zu können. Bei einem Fehler in der Steer-by-wire-Lenkung, wie einem Ausfall der Bordnetzversorgung oder des Antriebs, soll der aktuelle Lenkwinkel entweder beibehalten oder auf einen Neutrallenkwinkel (Räder in Stellung Geradeausfahrt;Today's vehicles can be steerable on all axles. By steering in the opposite direction, a turning circle can be reduced or the vehicle maneuvered more easily, e.g. parked. When steering in the same direction, the vehicle, e.g. B. be stabilized during an overtaking maneuver. Here, steer-by-wire steering can be advantageous for motor vehicles, which is mechanically decoupled from a steering handle that maps a driver's request for a direction of travel. Steering systems are generally wheel-guiding, so that a steering angle set on the respective wheels can be maintained under the influence of the high lateral and/or lateral forces in a chassis of a motor vehicle in order to be able to maintain the intended direction of travel. In the event of a fault in the steer-by-wire steering, such as a failure of the on-board power supply or the drive, the current steering angle should either be maintained or reduced to a neutral steering angle (wheels in the straight-ahead position;
Lenkwinkel = 0°) rückgeführt werden. Um ein selbsttätiges Ändern der Lenkwinkel zu minimieren oder zu verhindern werden in bekannter Weise elektrische und/oder mechanische Sperren und/oder selbsthemmende Spindel- bzw. Lenkstangenantriebe eingesetzt. Diese wirken einem Wandern der Spindel- bzw. Lenkstange und somit einer Änderung des Lenkwinkels im passiven Zustand entgegen. Aus der DE 102007055849 A1 sind derartige Möglichkeiten bekannt. Steering angle = 0°) can be returned. In order to minimize or prevent an automatic change in the steering angle, electrical and/or mechanical locks and/or self-locking spindle or steering rod drives are used in a known manner. These counteract a wandering of the spindle or steering rod and thus a change in the steering angle in the passive state. Such possibilities are known from DE 102007055849 A1.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments für eine Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs, ein verbessertes Fahrzeug sowie eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen bzw. Verändern eines Halte- und/oder eines Bremsmoments gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Der vorgestellte Ansatz beschreibt eine Möglichkeit, um ein Systemverhalten in Hinsicht auf Effizienz, Lebensdauer, akustischen Emissionen, Gewicht und Kosten für eine Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs zu verbessern. Vorteilhafterweise kann auch bei einem Bordnetzausfall des Fahrzeugsystems eine Halte- und/oder Bremswirkung in der Steer-by-wire-Lenkung erzielt werden. Weiterhin können vorteilhafterweise Verschleißerscheinungen und eine Anzahl beweglicher, verbauter Teile reduziert werden, wodurch eine System integration vereinfacht wird. Zudem kann durch den vorgestellten Ansatz ein Sicherheitsaspekt verbessert werden. Against this background, the present invention creates an improved device and a method for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle, an improved vehicle and an improved device for generating or changing a holding and/or a braking torque according to the independent claims. Advantageous configurations result from the dependent claims and the following description. The approach presented describes a way of improving system behavior in terms of efficiency, service life, acoustic emissions, weight and costs for a steer-by-wire steering system in a vehicle. Advantageously, a holding and/or braking effect can also be achieved in the steer-by-wire system if the vehicle system fails. Furthermore, signs of wear and tear and a number of moving, built-in parts can advantageously be reduced, as a result of which system integration is simplified. In addition, a safety aspect can be improved by the presented approach.
Es wird eine Vorrichtung zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments für eine Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs vorgestellt, die ein Kernelement, ein Permanentmagnetelement und eine Spuleneinheit aufweist. Das Kernelement weist einen Wicklungsbereich und einem dem Wicklungsbereich gegenüberliegenden Wirkbereich auf. Weiterhin ist das Permanentmagnetelement ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das an dem Kernelement zwischen dem Wicklungsbereich und dem Wirkbereich angeordnet ist. Weiterhin ist das Permanentmagnetelement ausgebildet, um im Wirkbereich unter Verwendung des Magnetfelds ein Halte- und/oder Bremsmoment für ein drehbewegliches Bauteil des Antriebes der Steer-by-wire-Lenkung zu erzeugen. Die Spuleneinheit ist im Wicklungsbereich um das Kernelement gewickelt und parallel zu dem Permanentmagnetelement angeordnet, und ist ausgebildet, um unter Verwendung einer elektrischen Spannung eine Richtung des Magnetfelds zu verändern, um das wirkende Bremsmoment für das drehbewegliche Bauteil des Antriebes zu verändern. Das Kernelement kann dabei beispielsweise eine Form gleich oder ähnlich einem Viereck sein, das an einer Seite offen ist. Der Wirkbereich kann dabei beispielsweise an der offenen Seite des Kernelements angeordnet sein. A device for generating and/or changing a holding and/or braking torque for a steer-by-wire steering system of a vehicle is presented, which has a core element, a permanent magnet element and a coil unit. The core element has a winding area and an active area opposite the winding area. Furthermore, the permanent magnet element is designed to generate a magnetic field, which is arranged on the core element between the winding area and the effective area. Furthermore, the permanent magnet element is designed to generate a holding and/or braking torque for a rotatable component of the drive of the steer-by-wire steering in the effective area using the magnetic field. The coil unit is wound around the core element in the winding area and arranged parallel to the permanent magnet element, and is designed to change a direction of the magnetic field using an electrical voltage in order to change the effective braking torque for the rotatable component of the drive. The core element can, for example, have a shape equal to or similar to a square that is open on one side. The effective area can be arranged, for example, on the open side of the core element.
Die Vorrichtung kann beispielsweise für ein Fahrzeug verwendet werden, das beispielsweise für einen Transport von Personen und zusätzlich oder alternativ von Gegenständen vorgesehen ist. Die Steer-by-wire-Lenkung kann eine Lenkung der Räder der Vorderachse und/oder der Räder der Hinterachse steuern bzw. bewirken. Vorteilhafterweise kann das Halte- und/oder Bremsmoment an einer mechanischen Komponente der Lenkung durch eine Reluktanzkraft erzeugt werden. Vorteilhafterweise ist die mechanische Komponente ein drehbewegliches Bauteil im Antriebsstrang zwischen Antriebsmotor und Lenkstange bzw. Spindel. Die Reluktanzkraft wirkt auf dieses Bauteil und bewirkt ein Halten und/oder Bremsen. Das drehbewegliche Bauteil kann z.B. zumindest eine Achse, ein Rotor oder zumindest ein Getriebebestandteil, wie z.B. ein Zahnrad oder ein Riemenrad oder Riemenabtriebsrad sein. Mittels der Reluktanzkraft kann z.B. dem von der elektrischen Maschine erzeugten Lenkmoment der Steer-by-wire-Lenkung entgegen gewirkt werden. Die Vorrichtung kann somit im Sinne des Haltens wie eine Feststellbremse wirken, so dass ein aktueller Lenkwinkel beibehalten werden kann. Dadurch kann auch ein ungewolltes Wandern bzw. Verändern eines Lenkwinkels minimiert oder verhindert werden, wenn der Antrieb ausfällt und sich der Lenkwinkel z.B. nach einem Fehler in der Steer-by-wire- Lenkung nicht mehr ändern soll. Auch kann die Geschwindigkeit des Antriebs im Sinne einer Bremse verlangsamt oder bis zum Stillstand gestoppt werden. The device can be used, for example, for a vehicle that is provided, for example, for transporting people and, additionally or alternatively, objects. The steer-by-wire steering can control or bring about a steering of the wheels of the front axle and/or the wheels of the rear axle. Advantageously, the holding and/or braking torque can be generated on a mechanical component of the steering by a reluctance force. The mechanical component is advantageously a rotatable component in the drive train between the drive motor and the steering rod or spindle. The reluctance force acts on this component and causes stopping and/or braking. The rotatable component can be, for example, at least one axis, a rotor or at least one transmission component, such as a gear wheel or a belt wheel or belt driven wheel. By means of the reluctance force, for example, the steering torque of the steer-by-wire steering generated by the electric machine can be counteracted. The device can thus act like a parking brake in terms of holding, so that a current steering angle can be maintained. This can also minimize or prevent unwanted wandering or changing of a steering angle if the drive fails and the steering angle should no longer change, for example after a fault in the steer-by-wire steering. The speed of the drive can also be slowed down in the sense of a brake or stopped until it comes to a standstill.
Durch das Bestromen der Spuleneinheit kann vorteilhafterweise das wirkende Halte- und/oder Bremsmoment je nach Bedarf geschwächt oder vollständig deaktiviert werden. Durch die parallele Anordnung des Permanentmagnetelements und der Spuleneinheit kann vorteilhafterweise eine Entmagnetisierung des Permanentmagnetelements verhindert werden. Eine Arretierung einer Lenkstange bzw. Spindel im Sinne des Haltens bei einem Ausfall der Steer-by-wire-Lenkung wird damit sichergestellt. Weiterhin kann eine Steer-by-wire-Lenkung bzw. eine Achse des Fahrzeugs unter Verwendung der Vorrichtung effizient realisiert und zugleich kann ein Wandern beispielsweise einer Lenkstange bzw. Spindel der Steer-by-wire-Lenkung aufgrund von Querkraft- und/oder Seitenkrafteinflüssen verhindert werden. Aus dem Stand der Technik bekannte und übliche mechanische Sperren zum Halten und/oder Bremsen, welche zusätzliche Kosten und zusätzliches Gewicht bedeuten, werden nicht mehr benötigt. Die Vorrichtung ermöglicht bei Steer-by-wire-Lenkungen auch den Einsatz von Lenkgetrieben mit hohen Wirkungsgraden, z.B. einem Kugelumlaufgetriebe. Diese haben keine Selbsthemmung, um dem Wandern des Lenkwinkels bei Stillstand oder Ausfall des Antriebs entgegen zu wirken. Die Vorrichtung ersetzt vorteilhaft die Wirkung der Selbsthemmung durch die Wirkung der Reluktanzkraft. Gemäß einer Ausführungsform kann das Kernelement einen ersten Kernelementteil und einen zweiten Kernelementteil aufweisen, wobei der erste Kernelementteil beab- standet zu dem zweiten Kernelementteil angeordnet sein kann. Die Kernelementteile können beispielsweise L-förmig realisiert sein, wobei in einem solchen Fall die kurzen L-Seiten einander zugewandt angeordnet sein können. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Luftspalt (beispielsweise zwischen dem ersten Kernelementteil und dem zweiten Kernelementteil) ausgeformt werden, welcher beispielsweise unter Verwendung der Spuleneinheit überbrückt werden kann. Vorteilhafterweise kann der Luftspalt als Widerstand für das Magnetfeld wirken. By energizing the coil unit, the effective holding and/or braking torque can advantageously be weakened or completely deactivated as required. The parallel arrangement of the permanent magnet element and the coil unit can advantageously prevent demagnetization of the permanent magnet element. This ensures that a steering rod or spindle is held in place if the steer-by-wire system fails. Furthermore, steer-by-wire steering or an axle of the vehicle can be implemented efficiently using the device and at the same time, for example, a steering rod or spindle of the steer-by-wire steering system can be prevented from moving due to lateral force and/or lateral force influences become. Conventional mechanical locks for stopping and/or braking, which are known from the prior art and mean additional costs and additional weight, are no longer required. In the case of steer-by-wire steering systems, the device also enables the use of steering gears with high levels of efficiency, for example a recirculating ball gear. These are not self-locking to counteract the wandering of the steering angle when the drive is at a standstill or fails. The device advantageously replaces the self-locking effect with the effect of the reluctance force. According to one embodiment, the core element can have a first core element part and a second core element part, it being possible for the first core element part to be arranged at a distance from the second core element part. The core element parts can be implemented in an L-shape, for example, in which case the short L sides can be arranged facing one another. An air gap (for example between the first core element part and the second core element part) can advantageously be formed in this way, which can be bridged, for example, using the coil unit. The air gap can advantageously act as a resistance for the magnetic field.
Die Spuleneinheit kann ausgebildet sein, um den ersten Kernelementteil und den zweiten Kernelementteil im Wicklungsbereich miteinander verbinden zu können. Vorteilhafterweise kann ein Abstand zwischen den Kernelementteilen überbrückt werden. Der Abstand kann beispielsweise als Luftspalt ausgeformt sein. Durch die Verwendung der Spuleneinheit kann bei einer Bestromung der Spule ein Magnetfeld ausgebildet werden, durch welches der Luftspalt überbrückt wird. The coil unit can be designed in order to be able to connect the first core element part and the second core element part to one another in the winding area. A distance between the core element parts can advantageously be bridged. The distance can be formed as an air gap, for example. By using the coil unit, a magnetic field can be formed when the coil is energized, by means of which the air gap is bridged.
Weiterhin kann ein Abstand zwischen dem ersten Kernelementteil und dem zweiten Kernelementteil größer sein als ein Abstand zwischen dem Kernelement und dem drehbeweglichen Bauteil, beispielsweise dem Riemenrad. Durch die Größe der Abstände kann vorteilhafterweise ein Widerstand bestimmt werden. Das Riemenrad kann beispielsweise als ein Teil eines Riemengetriebes, vorzugsweise mit Zahnriemen zwischen einer elektrischen Antriebseinheit und einer Lenkstange für die Steer- by-wire-Lenkung realisiert sein. Die Rotation des Antriebsmotors kann mittels des Riemengetriebes und einer Lenkstange, vorzugsweise ausgebildet als Spindel, in eine Translation der Lenkstange zur Verstellung der Lenkwinkel an einer Achse umgewandelt werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die durch das Permanentmagnetelement fließenden Magnetfeldlinien bevorzugt über das Riemenrad durch den Spalt zwischen den Kernelementteilen geführt sind. Furthermore, a distance between the first core element part and the second core element part can be greater than a distance between the core element and the rotatable component, for example the pulley. A resistance can advantageously be determined by the size of the distances. The belt wheel can be implemented, for example, as part of a belt drive, preferably with a toothed belt between an electric drive unit and a steering rod for the steer-by-wire steering. The rotation of the drive motor can be converted into a translation of the steering rod to adjust the steering angle on an axle by means of the belt drive and a steering rod, preferably designed as a spindle. In this way it can be ensured that the magnetic field lines flowing through the permanent magnet element are preferably guided through the gap between the core element parts via the pulley.
Ferner kann die Vorrichtung das drehbewegliche Bauteil aufweisen, das im Wirkbereich des Kernelements angeordnet sein kann und das zusätzlich oder alternativ als ein Riemenrad, als ein Rotor oder als eine Spindel ausgeformt sein kann. Diese kann vorteilhafterweise in Verbindung mit der Vorrichtung als Rastbremse wirken. Furthermore, the device can have the rotatable component, which can be arranged in the effective area of the core element and which additionally or alternatively as a a pulley, a rotor or a spindle. This can advantageously act as a detent brake in connection with the device.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Riemenrad oder der Rotor eine Mehrzahl von Rastzähnen aufweisen. Insbesondere kann ein Abstand des Riemenrades bzw. Rotors zum Kernelement im Wirkbereich aufgrund der Rastzähne bei einer Drehung des Riemenrades bzw. Rotors variierbar sein. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen dem drehbeweglichen Bauteil und dem Kernelement dann vergrößert sein kann, wenn in einem Abschnitt dieses Bauteils ein Zahnzwischenraum zwischen zwei Rastzähnen dem Kernelement zugewandt ist. Auch der Abstand zwischen dem drehbeweglichen Bauteil und dem Kernelement kann beispielsweise als Luftspalt ausgeformt sein. Durch eine solche Ausführungsform lässt sich sehr einfach eine Reluktanz-Bremseinheit realisieren. According to one embodiment, the belt wheel or the rotor can have a plurality of ratchet teeth. In particular, a distance between the belt wheel or rotor and the core element in the effective area can be varied due to the locking teeth when the belt wheel or rotor rotates. This means that the distance between the rotatable component and the core element can be increased when a tooth gap between two ratchet teeth faces the core element in a section of this component. The distance between the rotatable component and the core element can also be formed as an air gap, for example. A reluctance braking unit can be implemented very easily with such an embodiment.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Kernelement ein ferromagnetisches Material aufweisen. Vorzugsweise kann auch das drehbewegliche Bauteil ein ferromagnetisches Material aufweisen. Vorteilhafterweise kann das Magnetfeld des Permanentmagnetelements durch das Material des Kernelements geführt werden. According to one embodiment, the core element can have a ferromagnetic material. Preferably, the rotatable component can also have a ferromagnetic material. Advantageously, the magnetic field of the permanent magnet element can be guided through the material of the core element.
Es wird ferner ein Fahrzeug mit einer Steer-by-wire-Lenkung und einer der Steer-by- wire-Lenkung zugeordneten Vorrichtung in einer zuvor genannten Variante vorgestellt. Die Steer-by-wire-Lenkung kann zur Lenkung der Räder der Vorder- und/oder der Hinterachse ausgebildet sein. Das Fahrzeug kann beispielsweise als Kraftfahrzeug in Form eines Personenkraftwagens (PKW), als Geländewagen, als ein Lastkraftwagen (LKW) oder beispielsweise als ein Nutzfahrzeug realisiert sein. A vehicle with steer-by-wire steering and a device associated with steer-by-wire steering is also presented in a previously mentioned variant. The steer-by-wire steering can be designed to steer the wheels of the front and/or rear axle. The vehicle can be implemented, for example, as a motor vehicle in the form of a passenger car, as an off-road vehicle, as a truck (lorry) or, for example, as a utility vehicle.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments für eine Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs unter Verwendung einer Vorrichtung in einer hier genannten Variante vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Erzeugens und einen Schritt des Anlegens umfasst. Im Schritt des Erzeugens wird ein Magnetfeld zwischen dem Wicklungsbereich und dem Wirkbereich des Kernelements unter Verwendung eines Permanentmagnetelements erzeugt, um im Wirkbereich ein Bremsmoment für das drehbewegliche Bauteil zu bewirken. Im Schritt des Anlegens wird eine elektrische Spannung an eine im Wicklungsbereich des Kernelements gewickelte Spuleneinheit angelegt, um eine Richtung des von dem Permanentmagnetelement erzeugten Magnetfelds zu verändern, um das wirkende Bremsmoment an dem drehbeweglichen Bauteil zu verändern. Furthermore, a method for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle using a device in a variant mentioned here is presented, the method having a step of generating and a step of Investing includes. In the generating step, a magnetic field is generated between the winding area and the active area of the core element using a permanent magnet element in order to generate a braking torque for the rotatable component in the active area cause. In the applying step, an electric voltage is applied to a coil unit wound in the winding portion of the core member to change a direction of the magnetic field generated by the permanent magnet member to change the braking torque acting on the rotatable member.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie hier beschrieben ist. Das Halte- und/oder Bremsmoment kann vorteilhafterweise unter Verwendung einer Reluktanzkraft erzeugt werden, die beispielsweise auf ein Riemenrad oder einen Rotor wirken kann. Diese drehbeweglichen Bauteile können beispielsweise Teil einer elektrischen Maschine oder eines Getriebes sein, durch welche die Steer-by-wire-Lenkung eine Lenkkraft mittelbar mittels einer Lenkstange oder unmittelbar auf die Räder einer Vorder- und/oder Hinterachse ausüben kann. Denkbar ist auch, dass das drehbewegliche Bauteil als Komponente drehfest mit einem durch die elektrische Maschine geführten Rotors verbunden ist. Durch das Verfahren kann vorteilhafterweise das Bremsmoment abgeschwächt oder beispielsweise vollständig deaktiviert werden. Dadurch, dass das Magnetfeld auf ein Riemenrad oder den Rotor wirkt, sofern keine elektrische Spannung angelegt wird, kann die Vorrichtung vorteilhafterweise auch bei einem Systemausfall das Halte- und/oder Bremsmoment erzeugen, sodass ein Wandern der Spindel- bzw. Lenkstange möglichst verhindert oder zumindest reduziert werden kann. Advantageously, the method can be performed using apparatus as described herein. The holding and/or braking torque can advantageously be generated using a reluctance force, which can act on a pulley or a rotor, for example. These rotatable components can, for example, be part of an electric machine or a transmission, through which the steer-by-wire steering can exert a steering force indirectly by means of a steering rod or directly on the wheels of a front and/or rear axle. It is also conceivable that the rotatable component is connected as a component in a rotationally fixed manner to a rotor guided by the electrical machine. The braking torque can advantageously be weakened or, for example, completely deactivated by the method. Because the magnetic field acts on a belt wheel or the rotor, provided no electrical voltage is applied, the device can advantageously generate the holding and/or braking torque even in the event of a system failure, so that the spindle or steering rod is prevented or at least prevented from wandering can be reduced.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Einlesens von Fahrzeugdaten und zusätzlich oder alternativ von Umweltdaten unter Verwendung einer Sensoreinheit umfassen. Weiterhin kann das Verfahren einen Schritt des Auswertens der eingelesenen Fahrzeugdaten und zusätzlich oder alternativ der eingelesenen Umweltdaten umfassen, um ein Auswerteergebnis zu erhalten, das einen aktuellen Wirkzustand der Vorrichtung repräsentieren kann. Dabei kann im Schritt des Anlegens die elektrische Spannung in Abhängigkeit von dem Auswerteergebnis angelegt werden. Die Fahrzeugdaten können vorteilhafterweise Zustände oder Betriebsparameter innerhalb der Steer-by-wire-Lenkung abbilden, wie beispielsweise einen Strom, mit der eine Wicklung einer elektrischen Maschine zur Ausführung einer Lenkbewegung beaufschlagt wird, oder ein auf zumindest eine mechanische Komponente der Steer-by-wire-Lenkung wirkendes Moment. Hierdurch kann beispielsweise erkannt werden, ob die Steer-by-wire-Lenkung als ausgefallen oder fehlerhaft arbeitend zu werten ist. Alternativ oder zusätzlich können die Fahrzeugdaten auch einen Magnetfluss in der Vorrichtung oder beispielsweise einen Winkel eines Rotors repräsentieren. Die Umweltdaten können beispielsweise Temperaturwerte repräsentieren, die auf die Vorrichtung oder auf temperatursensitive Komponenten der Vorrichtung wie beispielsweise die Permanentmagneten wirken können. Durch das Erfassen und zusätzlich oder alternativ das Auswerten der Daten kann vorteilhafterweise eine Funktionstüchtigkeit der Vorrichtung und/oder der Steer-by-wire-Lenkung kontrolliert werden und lediglich optional Gegenmaßnahmen durchgeführt werden, wenn das Auswerteergebnis beispielsweise einen fehlerhaften oder nicht ausreichenden Wirkungsgrad der Vorrichtung und/oder der Steer-by-wire-Lenkung repräsentiert. Die Sensoreinheit kann vorteilhafterweise als ein Stromsensor, ein Magnetflusssensor, als ein Winkelsensor oder beispielsweise als ein Temperatursensor realisiert sein. According to one embodiment, the method can include a step of reading in vehicle data and additionally or alternatively environmental data using a sensor unit. Furthermore, the method can include a step of evaluating the read-in vehicle data and additionally or alternatively the read-in environmental data in order to obtain an evaluation result that can represent a current operating state of the device. In this case, in the application step, the electrical voltage can be applied as a function of the evaluation result. The vehicle data can advantageously map states or operating parameters within the steer-by-wire steering system, such as a current that is applied to a winding of an electrical machine to perform a steering movement, or to at least one mechanical component of the steer-by-wire -Steering acting moment. This can, for example it can be recognized whether the steer-by-wire steering is to be evaluated as having failed or working incorrectly. Alternatively or additionally, the vehicle data can also represent a magnetic flux in the device or, for example, an angle of a rotor. The environmental data can represent temperature values, for example, which can act on the device or on temperature-sensitive components of the device, such as the permanent magnets. By acquiring and additionally or alternatively evaluating the data, the functionality of the device and/or the steer-by-wire steering system can advantageously be checked and only optional countermeasures can be implemented if the evaluation result indicates, for example, an incorrect or insufficient efficiency of the device and /or steer-by-wire steering. The sensor unit can advantageously be implemented as a current sensor, a magnetic flux sensor, as an angle sensor or, for example, as a temperature sensor.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Steuervorrichtung , die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante des Ansatzes in Form einer Steuervorrichtung kann die dem Ansatz zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a control device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. The task on which the approach is based can also be solved quickly and efficiently by this embodiment variant of the approach in the form of a control device.
Hierzu kann die Steuervorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. For this purpose, the control device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the Have actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data that are embedded in a communication protocol. The arithmetic unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, with the memory unit being able to be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read in or output data in a wireless and/or wired manner, with a communication interface that can read in or output wired data, for example, this data read electrically or optically from a corresponding data transmission line or can output it in a corresponding data transmission line.
Eine Steuervorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Steuervorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstellen aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. A control device can be an electrical device that processes electrical signals, for example sensor signals, and outputs control signals as a function thereof. The control device can have one or more suitable interfaces, which can be embodied in terms of hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can be part of an integrated circuit, for example, in which the functions of the device are implemented. The interfaces can also be separate integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of a software design, the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Steuervorrichtung ausgeführt wird. A computer program product with program code is also advantageous, which can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is on a computer or a control device is performed.
Eine Steer-by-wire-Lenkung ist eine von einer mechanischen Lenkhandhabe, z.B. einem Lenkrad entkoppelte, zumeist elektromechanische Einheit. Aufgrund von Lenksignalen und einem oder mehreren Parametern wie z.B. einer Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkradwinkel, aktuell vorliegenden Lenkwinkeln an Vorder- und/oder Hinterachse, einer Gierbeschleunigung und/oder Querbeschleunigung des Fahrzeugs etc., werden in einer Steuervorrichtung Lenksignale generiert. Die Lenkbewegung erfolgt mittels zumindest eines Aktuators der Steer-by-wire-Lenkung, welcher vom Steuergerät Lenksignale erhält. Bspw. kann in dem Aktuator mittels eines Spindeltriebs eine Spindel oder Lenkstange linear verlagert werden, welche unmittelbar oder mittelbar mit Radträgem gelenkig gekoppelt ist. Durch die Verlagerung der Spindel können die Radträger um ihre Hochachse geschwenkt werden, so dass die drehbar an den Radträgern gelagerten Räder mit einer Änderung der Radlenkwinkel des jeweiligen Radträgers beaufschlagt werden können. A steer-by-wire steering system is a mostly electromechanical unit that is decoupled from a mechanical steering handle, for example a steering wheel. Steering signals are generated in a control device based on steering signals and one or more parameters such as vehicle speed, steering wheel angle, current steering angles on the front and/or rear axle, yaw acceleration and/or lateral acceleration of the vehicle, etc. The steering movement takes place by means of at least one actuator of the steer-by-wire steering, which receives steering signals from the control unit. For example, a spindle or steering rod can be linearly displaced in the actuator by means of a spindle drive, which is directly or indirectly coupled in an articulated manner to wheel carriers. By shifting the spindle, the wheel carrier can be pivoted about its vertical axis, so that the wheels rotatably mounted on the wheel carriers can be subjected to a change in the wheel steering angle of the respective wheel carrier.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.The invention is explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 shows a schematic representation of a vehicle with a device according to an exemplary embodiment;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 shows a schematic representation of a device according to an embodiment;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung;3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Getriebeeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung; 4 shows a schematic representation of a transmission device according to an exemplary embodiment for a vehicle with a device;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Rotors mit einer Mehrzahl von Anordnungsmöglichkeiten für eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;5 shows a schematic representation of a rotor with a plurality of arrangement options for a device according to an embodiment;
Fig. 6 eine Diagrammdarstellung eines Drehmomentverlaufs einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; FIG. 6 shows a diagram of a torque curve of a device according to an embodiment; FIG.
Fig. 7 ein Schaltbild eines Wirkprinzips einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 7 shows a circuit diagram of an operating principle of a device according to an embodiment;
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments für eine Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs unter Verwendung einer Variante einer hier vorgestellten Vorrichtung; und 8 shows a flowchart of a method according to an embodiment for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle using a variant of a device presented here; and
Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. 9 shows a block diagram of a control device according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference symbols are used for the elements which are shown in the various figures and have a similar effect, with a repeated description of these elements being dispensed with.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 105 ist dabei ausgeformt, um ein Halte- und/oder Bremsmoment für eine Steer-by-wire-Lenkung 107 des Fahrzeugs 100 zu erzeugen und/oder zu verändern. Die Steer-by-wire-Lenkung 107 ist in der Fig. 1 schematisch als Lenkeinheit zur Lenkung der Räder der Hinterachse dargestellt; der Fachmann wird jedoch zweifelsfrei erkennen, dass die Steer-by-wire- Lenkung 107 alternativ oder zusätzlich auch ausgebildet sein kann, die Räder einer Vorderachse des Fahrzeugs 100 zu lenken. Ein Fahrzeug kann auch an der Vorder- und der Hinterachse jeweils über eine separate Steer-by-wire-Lenkung verfügen. Das Fahrzeug 100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Personenkraftwagen (PKW) realisiert. Das Fahrzeug 100 weist hier eine durch die Steer-by-wire-Len- kung 107 gesteuerte Hinterachslenkung auf, sodass die Vorrichtung 105 im Bereich einer Hinterachse des Fahrzeugs 100 angeordnet ist. Das Fahrzeug 100 weist weiterhin eine Steuervorrichtung 110 auf, die ausgebildet ist, um ein Verfahren zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments für eine Steer-by- wire-Lenkung eines Fahrzeugs unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels der hier vorgestellten Vorrichtung 105 anzusteuern oder durchzuführen, wie es in Fig. 9 näher erläutert wird. Die Steuervorrichtung 110 ist beispielsweise als ein Steuergerät realisiert. 1 shows a schematic representation of a vehicle 100 with a device 105 according to an exemplary embodiment. Device 105 is designed to generate a holding and/or braking torque for a steer-by-wire system 107 of the Vehicle 100 to generate and / or to change. The steer-by-wire steering system 107 is shown schematically in FIG. 1 as a steering unit for steering the wheels of the rear axle; however, those skilled in the art will undoubtedly recognize that the steer-by-wire steering system 107 can alternatively or additionally also be designed to steer the wheels of a front axle of the vehicle 100 . A vehicle can also have separate steer-by-wire steering on the front and rear axles. According to this exemplary embodiment, vehicle 100 is implemented as a passenger car. The vehicle 100 here has a rear-axle steering system controlled by the steer-by-wire steering system 107 so that the device 105 is arranged in the area of a rear axle of the vehicle 100 . Vehicle 100 also has a control device 110, which is designed to implement a method for generating and/or changing a holding and/or braking torque for steer-by-wire steering of a vehicle using an exemplary embodiment of device 105 presented here to control or perform, as explained in more detail in FIG. The control device 110 is implemented as a control unit, for example.
Die Vorrichtung 105 weist ein Kernelement 115, ein Permanentmagnetelement 120 sowie eine Spuleneinheit 125 auf, die in Fig. 2 näher beschrieben sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 105 ein drehbewegliches Bauteil 130 des Antriebs der Steer-by-wire-Lenkung wie z.B. einen Rotor oder ein Riemenrad auf, das optional als Teil der Vorrichtung 105 ausgeformt ist oder beispielsweise Teil eines Getriebes eines Aktuators einer Steer-by-wire-Lenkung 107 ist, das mit der Vorrichtung 105 zusammenwirkt. Das drehbewegliche Bauteil 130 kann Teil einer in der Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten elektrischen Maschine bzw. Getriebe, wie z.B. ein Rotor oder ein Riemenrad, sein, die ausgebildet ist, um eine Lenkkraft auf eine Gewindespindel und/oder eine Lenkstange auszuüben, sodass die Räder, hier der Hinterachse, alternativ oder zusätzlich auch der Vorderachse, gelenkt werden können. The device 105 has a core element 115, a permanent magnet element 120 and a coil unit 125, which are described in more detail in FIG. According to this exemplary embodiment, the device 105 comprises a rotatable component 130 of the drive of the steer-by-wire steering, such as a rotor or a pulley, which is optionally formed as part of the device 105 or, for example, part of a gearbox of an actuator of a steer-by -wire steering 107, which interacts with the device 105. The rotatable component 130 can be part of an electrical machine or transmission, such as a rotor or a belt wheel, not shown in FIG. 1 for reasons of clarity, which is designed to exert a steering force on a threaded spindle and/or a steering rod , so that the wheels, here the rear axle, alternatively or additionally also the front axle, can be steered.
Für einen nicht gelenkten, also passiven Zustand einer Hinterachslenkung des Fahrzeugs 100 sollte gewährleistet sein, dass dessen Wanderrate der Gewindespindel und/oder der Lenkstange ein definiertes Limit nicht überschreitet. Damit wird verhindert, das sich der Lenkwinkel nicht über ein zulässiges Maß in dem passiven Zustand verändert. Der passive Zustand kann bspw. auch vorliegen, wenn der Antrieb ausfällt oder ein Fehler oder eine Störung in der Lenkung vorliegt. Die Limitierung des Wanderns wird beispielsweise dadurch erreicht, dass gemäß Stand der Technik eine elektromechanische Sperre und/oder eine hohe mechanische Reibung in einem herkömmlichen Lenksystem konstruiert wird. Dieses lässt sich z.B. durch ein Spindelgetriebe mit einem niedrigen Wirkungsgrad, wie bspw. bei einem Trapezgewindetrieb, realisieren. Es wird damit eine Selbsthemmung in dem Gewindetrieb bewirkt, so dass sich das Wandern minimieren lässt. Da diese hohen Reibungen auch während eines aktiven Zustands vorhanden sind, werden bisher beispielsweise solche niedrigen Wirkungsgrade in Kauf genommen. Zur Überwindung der Reibkräfte ist die Antriebsmaschine, die beispielsweise auch als Antriebseinheit, Antrieb oder als elektrischer Motor bezeichnet wird, für ein erhöhtes Drehmoment ausgelegt. Damit einhergehend erhöht sich die Baugröße und auch ein Leistungsbedarf, welcher von einem Bordnetz des Fahrzeugs 100, beispielsweise von der Steuervorrichtung 110 zur Verfügung gestellt werden muss. For a non-steered, ie passive state of a rear-axle steering of the vehicle 100, it should be ensured that the wander rate of the threaded spindle and/or the steering rod does not exceed a defined limit. With that prevents the steering angle from changing over an allowable amount in the passive state. The passive state can also exist, for example, when the drive fails or there is a fault or a fault in the steering. The wandering is limited, for example, by constructing an electromechanical lock and/or high mechanical friction in a conventional steering system according to the prior art. This can be achieved, for example, with a spindle gear with a low level of efficiency, such as with a trapezoidal screw drive. This causes self-locking in the screw drive, so that wandering can be minimized. Since this high level of friction is also present during an active state, such low efficiencies, for example, have hitherto been accepted. To overcome the frictional forces, the drive machine, which is also referred to, for example, as a drive unit, drive or electric motor, is designed for an increased torque. This is accompanied by an increase in overall size and also in a power requirement which must be made available by an on-board network of vehicle 100, for example by control device 110.
Vor diesem Hintergrund beschreibt der vorliegende Ansatz die Vorrichtung 105, die sich durch ein Verwenden einer magnetischen Reluktanzkraft auszeichnet, welche wiederum in einem passiven Zustand der Vorrichtung 105 eine Bewegung des Riemenrades 130 verhindert. Die Vorrichtung 105 mit dem Riemenrad 130 wird beispielsweise auch als Aktuator bezeichnet. Durch diese Maßnahme unter Ausnutzung der Reluktanzkraft kann ein Getriebe mit einem hohen Wirkungsgrad, wie bspw. ein Kugelgewindetrieb oder auch ein Rollgewindetrieb eingesetzt werden. Aufgrund der stark reduzierten mechanischen Reibung kann ein deutlich kleiner bauender Antrieb verwendet werden. Damit lässt sich in vorteilhafter Weise Bauraum an der Achse eines Pkw sparen. Zudem wird für einen kleineren Antrieb weniger elektrische Leistung benötigt und der Antrieb ist kostengünstiger. Against this background, the present approach describes the device 105, which is characterized by using a magnetic reluctance force, which in turn prevents a movement of the belt wheel 130 in a passive state of the device 105. The device 105 with the pulley 130 is also referred to as an actuator, for example. This measure using the reluctance force allows a gear with a high degree of efficiency, such as a ball screw drive or a roller screw drive, to be used. Due to the greatly reduced mechanical friction, a significantly smaller drive can be used. This advantageously saves installation space on the axle of a car. In addition, less electrical power is required for a smaller drive and the drive is more cost-effective.
Der vorgestellte Ansatz umfasst weiterhin optional einen Kompensationsmechanismus, der die wirkende Kraft zum Halten und/oder Bremsen während des aktiven Betriebs teilweise oder ganz kompensiert. Die Vorrichtung 105 nutzt zur Krafterzeugung die Reluktanzkraft. Diese wirkt derart, dass sich der magnetische Widerstand, die Reluktanz, verringert. Der Aufbau besteht beispielsweise aus einem Stator aus ferromagnetischem Material, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Kernele- ment 115 bezeichnet ist, mit einem integrierten Permanentmagnetelement 120 und einer zusätzlichen Kompensationswicklung, die als Spuleneinheit 125 beschrieben ist. Das drehbewegliche Bauteil 130 weist ebenfalls ein ferromagnetisches Material auf und weist optional ausgeprägte Zähne auf. Bei inaktiver Kompensationswicklung, die auch als Spuleneinheit 125 bezeichnet ist, wirkt die Reluktanzkraft derart, dass das drehbewegliche Bauteil 130 in einer arretierten Position gehalten wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. The approach presented also optionally includes a compensation mechanism that partially or fully compensates for the force acting for stopping and/or braking during active operation. The device 105 uses the reluctance force to generate force. This acts in such a way that the magnetic resistance, the reluctance, reduced. The structure consists, for example, of a stator made of ferromagnetic material, which is referred to as core element 115 according to this exemplary embodiment, with an integrated permanent magnet element 120 and an additional compensation winding, which is described as coil unit 125 . The rotatable component 130 also comprises a ferromagnetic material and optionally has salient teeth. When the compensation winding, which is also referred to as a coil unit 125, is inactive, the reluctance force acts in such a way that the rotatable component 130 is held in a locked position, as illustrated in FIG.
Im aktiven Betrieb der Vorrichtung 105 wird ein elektrischer Strom durch die Spuleneinheit 125 geleitet, der ein magnetisches Feld hervorruft, die der des Permanentmagnetelements 120 entgegenwirkt. Dadurch wird der magnetische Fluss reduziert oder der magnetische Fluss zum Erliegen gebracht und die Reluktanzkraft wird kompensiert. Dann kann das drehbewegliche Bauteil quasi frei drehen. When the device 105 is in active operation, an electric current is passed through the coil unit 125 which produces a magnetic field which counteracts that of the permanent magnet element 120 . As a result, the magnetic flux is reduced or the magnetic flux is brought to a standstill and the reluctance force is compensated. The rotatable component can then rotate more or less freely.
Der vorgestellte Ansatz ist beispielsweise für ein Achskonzept mit als Hinterachslenkung ausgebildeter Steer-by-wire-Lenkung einsetzbar, welches einen hohen Wirkungsgrad aufweist und somit effizient und performant ist. Um ein Wandern in der Steer-by-wire-Lenkung aufgrund von Quer- und/oder Seitenkrafteinflüssen zu minimieren oder zu verhindern, wird daher unter Verwendung des Permanentmagnetelements 120 durch die magnetische Flussführung ein Rastmoment an dem als Riemenrad oder Rotor realisierbaren drehbeweglichen Bauteil 130 erzeugt. Anders ausgedrückt wird ein mechatronisches System zur Erzeugung eines auf Reluktanzkräften basierenden schaltbaren Rastmoments vorgestellt, das hier als Rastmomentbremse für eine Steer-by-wire-Lenkung, insbesondere ausgebildet als Hinterachslenkung, bezeichnet wird. The approach presented can be used, for example, for an axle concept with steer-by-wire steering designed as rear axle steering, which has a high level of efficiency and is therefore efficient and performant. In order to minimize or prevent wandering in the steer-by-wire steering due to transverse and/or lateral force influences, a detent torque is therefore generated on the rotatable component 130, which can be implemented as a belt wheel or rotor, using the permanent magnet element 120 through the magnetic flux guidance . In other words, a mechatronic system for generating a switchable detent torque based on reluctance forces is presented, which is referred to here as a detent torque brake for steer-by-wire steering, especially designed as rear-axle steering.
Das Permanentmagnetelement 120 und die Spuleneinheit 125 sind dabei parallel geschaltet. Optional umfasst die Vorrichtung 105 eine zusätzliche Sensoreinheit 135, wie beispielsweise einen Strom-, Magnetfluss-, Winkel- und/oder Temperatursensor, um einerseits auf unterschiedliche Umwelteinflüsse wie Temperaturschwankungen reagieren zu können. Andererseits soll ein variierender magnetischer Fluss, der durch unterschiedliche Zahnpositionen des drehbeweglichen Bauteils 130 hervorgerufen wird, über einen variierenden Spulenstrom kompensiert werden. The permanent magnet element 120 and the coil unit 125 are connected in parallel. Device 105 optionally includes an additional sensor unit 135, such as a current, magnetic flux, angle and/or temperature sensor, in order to be able to react to different environmental influences such as temperature fluctuations. On the other hand, a varying magnetic flux that caused by different tooth positions of the rotatable component 130 can be compensated for by a varying coil current.
Eine Position des drehbewegliche Bauteils 130 als Riemenrad ist daher bei der Ansteuerung der Spuleneinheit 125 zur Erzeugung des Halte- und/oder Bremsmoments zu berücksichtigen, um einen so genannten Fail-Safe-Zustand sicherzustellen. Der vorgestellte Ansatz nutzt zusammenfassend gesagt die Reluktanzkraft zur Erzeugung eines Halte- und/oder Bremsmoments, welches auch als Rastmoment bezeichnet wird. A position of the rotatable component 130 as a belt wheel must therefore be taken into account when controlling the coil unit 125 for generating the holding and/or braking torque in order to ensure a so-called fail-safe state. In summary, the approach presented uses the reluctance force to generate a holding and/or braking torque, which is also referred to as a cogging torque.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 105 entspricht beispielsweise der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung 105 und ist ebenfalls in einem Fahrzeug realisierbar, wie es beispielsweise in Fig. 1 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 105 mittels einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Vorrichtung 105 weist das Kernelement 115 auf, das wiederum einen Wicklungsbereich 200 und einen dem Wicklungsbereich 200 gegenüberliegenden Wirkbereich 205 aufweist. Weiterhin weist die Vorrichtung 105 ein Permanentmagnetelement 120 zum Erzeugen eines Magnetfelds auf. Das Permanentmagnetelement 120 ist zwischen dem Wicklungsbereich 200 und dem Wirkbereich 205 angeordnet und ist ausgebildet, um im Wirkbereich 205 unter Verwendung des Magnetfelds ein Bremsmoment zu erzeugen. Die Vorrichtung 105 weist zudem eine Spuleneinheit 125 auf, die im Wicklungsbereich 200 um das Kernelement 115 gewickelt und parallel zu dem Permanentmagnetelement 120 angeordnet ist. Die Spuleneinheit 125 ist weiterhin ausgebildet, um eine Richtung des Magnetfelds zu verändern, um weiterhin das wirkende Bremsmoment zu verändern. 2 shows a schematic representation of a device 105 according to an embodiment. The device 105 corresponds, for example, to the device 105 described in FIG. 1 and can also be implemented in a vehicle, as was described in FIG. 1, for example. According to this exemplary embodiment, the device 105 is shown by means of a sectional illustration. The device 105 has the core element 115 , which in turn has a winding area 200 and an active area 205 opposite the winding area 200 . Furthermore, the device 105 has a permanent magnet element 120 for generating a magnetic field. The permanent magnet element 120 is arranged between the winding area 200 and the effective area 205 and is designed to generate a braking torque in the effective area 205 using the magnetic field. The device 105 also has a coil unit 125 which is wound around the core element 115 in the winding region 200 and is arranged parallel to the permanent magnet element 120 . The coil unit 125 is also designed to change a direction of the magnetic field in order to continue to change the acting braking torque.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Kernelement 115 einen ersten Kernelementteil 210 und einen zweiten Kernelementteil 215 auf. Der erste Kernelementteil 210 und der zweite Kernelementteil 215 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel beabstandet zueinander angeordnet, sodass zwischen ihnen ein Luftspalt 220 ausgeformt ist. Der Luftspalt 220 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Wicklungsbereich 200 angeordnet und wird von der Spuleneinheit 125 überbrückt, sodass die Kernelementteile 210, 215 miteinander verbunden sind. Die Kernelement- teile 210, 215 sind dabei lediglich optional L-förmig realisiert, wobei jeweils ihre kurze Seite in Richtung des jeweils anderen Kernelementteils 210, 215 zeigt und somit den Luftspalt 220 begrenzt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 105 einen Rotor 130 auf, der im Wirkbereich 205 des Kernelements 115 angeordnet ist. Der Rotor 130 ist hier lediglich beispielhaft und kann auch als ein Riemenrad oder als eine Spindel realisiert sein. Der Rotor 130 kann beispielsweise als ein drehbarer Teil einer elektrischen Maschine drehfest als Rotor der elektrischen Maschine ausgebildet sein, die zur Ausübung einer Lenkkraft auf die Räder der Hinterachse bzw. Vorderachse vorgesehen oder ausgebildet ist. Der Rotor 130 ist weiterhin beabstandet zu dem Kernelement 115 angeordnet, sodass zwischen dem Rotor 130 und den Kernelementteilen 210, 215 jeweils ein weiterer Luftspalt 225 angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der weitere Luftspalt 225 kleiner ausgeformt als der Luftspalt 220. Das bedeutet, dass ein Abstand zwischen dem ersten Kernele- mentteil 210 und dem zweiten Kernelementteil 215 größer ist als ein Abstand zwischen dem Kernelement 115 und dem Rotor 130. Dadurch, dass der weitere Luftspalt 225 kleiner ist als der Luftspalt 220 ist das Magnetfeld des Permanentmagnetelements 120 in Richtung des Rotors 130 gerichtet und zieht diesen beispielsweise an, sodass das Bremsmoment erzeugt wird. Der Rotor 130 weist optional Rastzähne auf, die mittels der Reluktanzkraft in Richtung des Permanentmagnetelements 120 gezogen werden. According to this exemplary embodiment, the core element 115 has a first core element part 210 and a second core element part 215 . According to this exemplary embodiment, the first core element part 210 and the second core element part 215 are arranged at a distance from one another, so that an air gap 220 is formed between them. The air gap 220 is arranged according to this embodiment in the winding area 200 and is bridged by the coil unit 125, so that the Core element parts 210, 215 are connected to each other. The core element parts 210, 215 are only optionally realized in an L-shape, with their short side pointing in the direction of the respective other core element part 210, 215 and thus delimiting the air gap 220. According to this exemplary embodiment, the device 105 has a rotor 130 which is arranged in the effective area 205 of the core element 115 . The rotor 130 is only an example here and can also be implemented as a belt wheel or as a spindle. The rotor 130 can be designed, for example, as a rotatable part of an electrical machine in a rotationally fixed manner as a rotor of the electrical machine that is provided or designed to exert a steering force on the wheels of the rear axle or front axle. The rotor 130 is also arranged at a distance from the core element 115, so that a further air gap 225 is arranged in each case between the rotor 130 and the core element parts 210, 215. According to this exemplary embodiment, the further air gap 225 is formed smaller than the air gap 220. This means that a distance between the first core element part 210 and the second core element part 215 is greater than a distance between the core element 115 and the rotor 130. The fact that the further air gap 225 is smaller than the air gap 220, the magnetic field of the permanent magnet element 120 is directed in the direction of the rotor 130 and attracts it, for example, so that the braking torque is generated. The rotor 130 optionally has ratchet teeth which are pulled in the direction of the permanent magnet element 120 by means of the reluctance force.
Lediglich optional ist der Rotor 130 auch als vorrichtungsexterner Rotor 130 realisierbar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Kernelement 115 und/oder der Rotor 130 ein ferromagnetisches Material auf, was beispielsweise eine Wirkung des Magnetfelds unterstützt. The rotor 130 can only optionally be implemented as a rotor 130 external to the device. According to this exemplary embodiment, the core element 115 and/or the rotor 130 has a ferromagnetic material, which supports an effect of the magnetic field, for example.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 105. Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung 105 entspricht oder ähnelt mindestens der in Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung 105 und ist beispielsweise für ein Fahrzeug nutzbar, wie es in Fig. 1 beschrieben wurde. Auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 105 das Kernelement 115, das Permanentmagnetelement 120 sowie die Spuleneinheit 125 auf. Auch das drehbewegliche Bauteil 130 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Teil der Vorrichtung 105 ausgeformt. Schematisch wird hier ein Rotor 330 dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Rotor 330 eine Mehrzahl von Rastzähnen 300 auf. Insbesondere ist ein Abstand des Rotors 330 zum Kernelement 115 im Wirkbereich 205 aufgrund der Rastzähne 300 bei einer Drehung des Rotors 330 variierbar. FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device 105. The device 105 shown in FIG. 3 corresponds or is at least similar to the device 105 described in FIG. 2 and can be used, for example, for a vehicle as was described in FIG. Also according to this exemplary embodiment, the device 105 has the core element 115 , the permanent magnet element 120 and the coil unit 125 . The rotatable component 130 is also formed as part of the device 105 according to this embodiment. A rotor 330 is shown schematically here. According to this exemplary embodiment, the rotor 330 has a plurality of ratchet teeth 300 . In particular, a distance between the rotor 330 and the core element 115 in the effective area 205 can be varied due to the ratchet teeth 300 when the rotor 330 rotates.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Getriebeeinrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung 105. Die Getriebeeinrichtung 400 ist beispielsweise in einem Fahrzeug angeordnet, wie es in Fig. 1 beschrieben wurde. Die dargestellte Vorrichtung 105 ähnelt beispielsweise der in einer der Figuren 2 oder 3 beschriebenen Vorrichtung 105. Die Vorrichtung 105 ist lediglich optional als Teil der Getriebeeinrichtung 400 realisiert oder realisierbar. Die Vorrichtung 105 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel quer zu einer Haupterstreckungsachse 405 des Riemenrades 430 angeordnet. Das Riemenrad 405 ist dabei gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer Spindel 415, die auch als Lenkstange bezeichnet werden kann, angeordnet. Die Spindel 415 ist dabei quer zu der Haupterstreckungsachse 405 angeordnet. Weiterhin weist die Getriebeeinrichtung 400 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Antriebseinheit 410 auf, die beispielsweise auch als Motor bezeichnet wird. Wie zuvor bereits ausgeführt kann der Motor eine Lenkkraft auf Räder der Hinter- bzw. Vorderachse ausüben, wobei diese Lenkkraft gemäß dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel über die Spindel 415 übertragen wird. Die Antriebseinheit 410 ist beispielsweise ausgebildet, um das Riemenrad 430 drehbar anzutreiben und somit um die Spindel entlang ihrer Längsachse zu verlagern. Die Antriebseinheit besteht hier aus dem Motor 410, dessen Rotation mittels eines Riemens 420 auf das Riemenrad übertragen wird. Das Riemenrad 430 ist ortsfest angeordnet und weist ein Innengewinde auf, welches mit dem Außengewinde der Spindel 415 in Eingriff ist. Es wird so die Rotation des Motors in eine Translation der Spindel 415 umgewandelt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Antriebseinheit 410 parallel zu der Vorrichtung 105 angeordnet. FIG. 4 shows a schematic representation of a transmission device 400 according to an exemplary embodiment for a vehicle with a device 105. The transmission device 400 is arranged, for example, in a vehicle as was described in FIG. The device 105 shown is similar, for example, to the device 105 described in one of FIGS. 2 or 3. The device 105 is only optionally implemented or can be implemented as part of the transmission device 400. According to this exemplary embodiment, the device 105 is arranged transversely to a main axis of extension 405 of the belt wheel 430 . According to this exemplary embodiment, the belt wheel 405 is arranged on a spindle 415, which can also be referred to as a steering rod. The spindle 415 is arranged transversely to the main axis of extension 405 . Furthermore, the transmission device 400 according to this exemplary embodiment has a drive unit 410, which is also referred to as a motor, for example. As already explained above, the motor can exert a steering force on the wheels of the rear or front axle, this steering force being transmitted via the spindle 415 according to the exemplary embodiment illustrated in FIG. The drive unit 410 is designed, for example, to rotatably drive the pulley 430 and thus to displace the spindle along its longitudinal axis. The drive unit here consists of the motor 410, the rotation of which is transmitted to the pulley by means of a belt 420. The belt wheel 430 is arranged in a stationary manner and has an internal thread which engages with the external thread of the spindle 415 . The rotation of the motor is thus converted into a translation of the spindle 415. According to this exemplary embodiment, the drive unit 410 is arranged in parallel with the device 105 .
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Riemenrades 430 mit einer Mehrzahl von Anordnungsmöglichkeiten 500, 505, 510 für eine Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Riemenrad 430 ist dabei als eine Riemenscheibe derart ausgeformt, dass es eine Mehrzahl von Rastzähnen 300 aufweist. Die im Folgenden beschriebenen Anordnungsmöglichkeiten 500, 505, 510 repräsentieren jeweils eine Position der Vorrichtung 105 im Bezug zum Riemenrad 430. Die Vorrichtung 105 ähnelt beispielsweise der in einer der Figuren 2 bis 4 beschriebenen Vorrichtung 105. Fig. 5 shows a schematic representation of a pulley 430 with a plurality of arrangement options 500, 505, 510 for a device 105 according to an embodiment. The belt wheel 430 is there as a pulley formed in such a way that it has a plurality of ratchet teeth 300 . The arrangement options 500, 505, 510 described below each represent a position of the device 105 in relation to the pulley 430. The device 105 is similar, for example, to the device 105 described in one of Figures 2 to 4.
Eine erste Anordnungsmöglichkeit 500 zeigt die Vorrichtung 105 angrenzend an einen Außenrand des Riemenrades 430. Die Vorrichtung 105 ist dabei beispielsweise auf einer gemeinsamen Ebene mit dem Riemenrad 430 angeordnet. Eine Flussrichtung des Magnetfelds ist in diesem Fall radial. Das bedeutet, dass das Magnetfeld auf der Ebene des Riemenrades 130 verläuft. Das Permanentmagnetelement 120 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel parallel zu der Spuleneinheit 125 angeordnet. A first possible arrangement 500 shows the device 105 adjacent to an outer edge of the belt wheel 430. The device 105 is arranged on a common plane with the belt wheel 430, for example. A flow direction of the magnetic field is radial in this case. This means that the magnetic field runs on the plane of the pulley 130 . According to this exemplary embodiment, the permanent magnet element 120 is arranged parallel to the coil unit 125 .
Eine zweite Anordnungsmöglichkeit 505 zeigt die Vorrichtung 105 auf Höhe der Rastzähne 300 des Riemenrades 430, sodass das Magnetfeld axial zum Riemenrad 430 wirkt. Gemäß der zweiten Anordnungsmöglichkeit erstreckt sich die Vorrichtung 105 auf einer quer zu einer Haupterstreckungsachse 405 des Riemenrades 430 liegenden Achse. Die zweite Anordnungsmöglichkeit 505 entspricht dabei der in Fig. 4 beschriebenen Anordnung der Vorrichtung 105 im Bezug zum Motor 410. A second possible arrangement 505 shows the device 105 at the level of the locking teeth 300 of the belt wheel 430, so that the magnetic field acts axially to the belt wheel 430. According to the second possible arrangement, the device 105 extends on an axis lying transversely to a main axis of extension 405 of the belt wheel 430 . The second arrangement option 505 corresponds to the arrangement of device 105 in relation to motor 410 described in Fig. 4.
Während eine Öffnung 515 des Kernelements 115 der Vorrichtung 105 in der ersten Anordnungsmöglichkeit 500 in Richtung eines Mittelpunkts 520 des Riemenrades 430 zeigt, zeigt die Öffnung 515 in einer dritten Anordnungsmöglichkeit 510 der Vorrichtung 105 in eine dem Mittelpunkt 520 entgegengesetzte Richtung. While an opening 515 of the core element 115 of the device 105 in the first arrangement option 500 points towards a center point 520 of the pulley 430, the opening 515 in a third arrangement option 510 of the device 105 points in a direction opposite the center point 520.
Anders ausgedrückt ist die Statorkomponente mit dem ferromagnetischem Kernelement 115, dem Permanentmagnetelement 120 und der auch als Kompensationswicklung bezeichneten Spuleneinheit 125 dargestellt. Die erste Anordnungsmöglichkeit 500 ist dabei außen am Riemenrad 430 angeordnet, sodass das Magnetfeld eine radiale Flussrichtung aufweist. Die zweite Anordnungsmöglichkeit 505 ist seitlich am Riemenrad 430 orientiert, sodass das Magnetfeld eine radiale Flussrichtung der dazugehörigen Feldlinien aufweist. Die dritte Anordnungsmöglichkeit 510 ist innen am Riemenrad 430 angeordnet, sodass das Magnetfeld ebenfalls eine radiale Flussrichtung aufweist. In other words, the stator component is shown with the ferromagnetic core element 115, the permanent magnet element 120 and the coil unit 125, also known as the compensation winding. The first arrangement option 500 is arranged on the outside of the belt wheel 430, so that the magnetic field has a radial direction of flow. The second arrangement option 505 is oriented laterally on the belt wheel 430, so that the magnetic field has a radial flow direction of the associated field lines. The third arrangement option 510 is on the inside Pulley 430 arranged so that the magnetic field also has a radial direction of flow.
Fig. 6 zeigt eine Diagrammdarstellung eines Drehmomentverlaufs einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die dargestellten Kurven zeigen dabei das Wirkprinzip der Vorrichtung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind dabei zwei Diagramme dargestellt. Ein erstes Diagramm 600 repräsentiert dabei anhand einer ersten Kurve 605 eine magnetische Wirkkraft des von dem Permanentmagnetelement ausgehenden und auf den Rotor wirkenden Magnetfelds. Der Rotor weist beispielsweise die Mehrzahl von Rastzähnen auf, auf welche beispielsweise der in Fig. 6 dargestellte Zickzack-Verlauf der Kurve 605 zurückzuführen ist. Je weiter sich ein Rastzahn dem Magnetfeld nähert, desto stärker wirkt das Magnetfeld auf den Rastzahn. Umgekehrt wirkt das Magnetfeld schwächer auf den Rastzahn, je weiter sich dieser von dem Magnetfeld entfernt. Dazu muss die Anziehungskraft jedoch zunächst überwunden werden, die weiterhin auf den Rastzahn wirkt und versucht, den Rastzahn in einer für die Feldlinien des Magnetfelds günstigen Position zu halten, wodurch ein negatives Drehmoment erzeugt wird. Ein zweites Diagramm 610 repräsentiert anhand einer zweiten Kurve 615 das Drehmoment unter Verwendung der mittels der ersten Kurve 605 dargestellten magnetischen Wirkkraft. Das bedeutet, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel dem Magnetfeld entgegengewirkt wird, wenn ein Schwellwert erreicht wird. Beispielsweise beziehen sich die Kurven 605, 615 auf einen drehenden Rotor. FIG. 6 shows a diagram of a torque curve of a device according to an embodiment. The curves shown show the operating principle of the device. According to this exemplary embodiment, two diagrams are shown. A first diagram 600 uses a first curve 605 to represent a magnetic effective force of the magnetic field emanating from the permanent magnet element and acting on the rotor. The rotor has, for example, the plurality of ratchet teeth to which the zigzag course of the curve 605 shown in FIG. 6 can be attributed, for example. The further a locking tooth approaches the magnetic field, the stronger the magnetic field acts on the locking tooth. Conversely, the magnetic field has a weaker effect on the locking tooth, the further away it is from the magnetic field. To do this, however, the attractive force must first be overcome, which continues to act on the locking tooth and attempts to hold the locking tooth in a position that is favorable for the field lines of the magnetic field, as a result of which a negative torque is generated. A second diagram 610 uses a second curve 615 to represent the torque using the magnetic force represented by the first curve 605 . This means that, according to this exemplary embodiment, the magnetic field is counteracted when a threshold value is reached. For example, curves 605, 615 relate to a rotating rotor.
Anders ausgedrückt ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein qualitativer Drehmomentverlauf der Vorrichtung und/oder des drehbewegliche Bauteils (z.B. Rotor, Riemenrad) dargestellt. Halte-Positionen sind dabei durch Striche 620 gekennzeichnet. Es ist ersichtlich, dass bei einer Auslenkung in eine negative Richtung ein Rückstellmoment in positive Richtung wirkt. Andersrum wirkt bei einer Auslenkung in eine positive Richtung ein negatives Moment. In other words, according to this exemplary embodiment, a qualitative torque curve of the device and/or the rotatable component (e.g. rotor, belt wheel) is shown. Holding positions are identified by dashes 620 . It can be seen that with a deflection in a negative direction, a restoring moment acts in the positive direction. Conversely, a negative moment acts in the event of a deflection in a positive direction.
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild eines Wirkprinzips einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Schaltbild wird beispielsweise auf eine Vorrichtung bezogen, wie sie in einer der Figuren 1 bis 5 beschrieben wurde. Das Schaltbild zeigt dabei, dass ein durch das Permanentmagnetelement bewirkter Stromfluss Imag in Richtung des durch den als weiterer Luftspalt ausgeformten Widerstand RL fließt, beziehungsweise das Magnetfeld des Permanentmagnetelements in diese Richtung wirkt. Wird dagegen an die Spuleneinheit eine Spannung Ucoii angelegt, wird das Magnetfeld des Permanentmagnetelements umgelenkt und ein Stromfluss Icon passiert einen Widerstand R1 , der als der durch die Spuleneinheit überbrückte Luftspalt ausgeformt ist. Daraus ergibt sich
Figure imgf000020_0001
mit dem Ziel, dass II = 0 und folglich Ucoii = -R * Imag ist. FIG. 7 shows a circuit diagram of an operating principle of a device according to an exemplary embodiment. The circuit diagram relates, for example, to a device as described in one of FIGS. 1 to 5. The circuit diagram shows that a current flow Imag caused by the permanent magnet element flows in the direction of the resistor RL formed as a further air gap, or the magnetic field of the permanent magnet element acts in this direction. If, on the other hand, a voltage Ucoii is applied to the coil unit, the magnetic field of the permanent magnet element is deflected and a current flow Icon passes through a resistor R1, which is formed as the air gap bridged by the coil unit. This results in
Figure imgf000020_0001
with the aim that II = 0 and consequently Ucoii = -R * Imag.
Fig. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments für eine Steer-by-wire-Lenkung eines Fahrzeugs unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels einer hier vorgestellten Vorrichtung. Das Verfahren wird beispielsweise für eine Vorrichtung durchgeführt oder angesteuert, wie sie beispielsweise in einer der Figuren 1 bis 5 beschrieben wurde. Das Verfahren 800 umfasst dabei einen Schritt 805 des Erzeugens eines Magnetfelds zwischen dem Wicklungsbereich und dem Wirkbereich des Kernelements unter Verwendung eines Permanentmagnetelements, um im Wirkbereich ein Halte- und/oder Bremsmoment für den Rotor zu bewirken sowie einen Schritt 810 des Anlegens einer elektrischen Spannung an eine im Wicklungsbereich des Kernelements gewickelte Spuleneinheit, um eine Richtung des von dem Permanentmagnetelement erzeugten Magnetfelds zu verändern, um das wirkende Halte- und/oder Bremsmoment zu verändern. Lediglich optional umfasst das Verfahren einen Schritt 815 des Einlesens von Fahrzeugdaten, wie beispielsweise eines Magnetflusses oder eines Winkels, und/oder von Umweltdaten, wie z. B. eine Temperatur des Permanentmagneten unter Verwendung einer Sensoreinheit. Die Fahrzeugdaten können Zustände oder Betriebsparameter innerhalb der Steer-by- wire-Lenkung abbilden, wie beispielsweise einen Strom, der einer Winklung einer elektrischen Maschine zur Ausführung einer Lenkbewegung beaufschlagt wird oder ein auf zumindest eine mechanische Komponente der Steer-by-wire-Lenkung wirkendes Moment. Alternativ oder zusätzlich können die Fahrzeugdaten auch einen Magnetfluss oder einen Winkel des Rotors abbilden. In einem Schritt 820 des Auswertens werden die eingelesenen Fahrzeugdaten und/oder die eingelesenen Umweltdaten ausgewertet, um ein Auswerteergebnis zu erhalten, das einen aktuellen Wirkzustand der Vorrichtung und/oder der Steer-by-wire-Lenkung repräsentiert. Im Schritt 810 des Anlegens wird die elektrische Spannung in Abhängigkeit von dem Auswerteergebnis angelegt. 8 shows a flow chart of a method 800 according to an embodiment for generating and/or changing a holding and/or braking torque for a steer-by-wire steering system of a vehicle using an embodiment of a device presented here. The method is carried out or controlled, for example, for a device such as was described in one of FIGS. 1 to 5, for example. Method 800 includes a step 805 of generating a magnetic field between the winding area and the effective area of the core element using a permanent magnet element in order to bring about a holding and/or braking torque for the rotor in the effective area, and a step 810 of applying an electrical voltage a coil unit wound in the winding area of the core element to change a direction of the magnetic field generated by the permanent magnet element in order to change the acting holding and/or braking torque. Only optionally, the method includes a step 815 of reading in vehicle data, such as a magnetic flux or an angle, and/or environmental data, such as z. B. a temperature of the permanent magnet using a sensor unit. The vehicle data can map states or operating parameters within the steer-by-wire steering, such as a current that is applied to an angle of an electric machine to perform a steering movement or acting on at least one mechanical component of the steer-by-wire steering Moment. Alternatively or additionally, the vehicle data can also Map magnetic flux or an angle of the rotor. In an evaluation step 820, the read-in vehicle data and/or the read-in environmental data are evaluated in order to obtain an evaluation result that represents a current operating state of the device and/or the steer-by-wire steering system. In the application step 810, the electrical voltage is applied as a function of the evaluation result.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Steuervorrichtung 110 ist ausgebildet, um ein Verfahren zum Verändern eines Bremsmoments für eine Vorrichtung durchzuführen oder anzusteuern, wie es beispielsweise in Fig. 8 beschrieben wurde. Die Steuervorrichtung 110 weist dazu eine Einleseeinheit 900 auf, die ausgebildet ist, um Fahrzeugdaten 905, wie beispielsweise eines Magnetflusses oder eines Winkels, und/oder von Umweltdaten 910 unter Verwendung der Sensoreinheit 135 einzulesen. Weiterhin weist die Steuervorrichtung 110 eine Erzeugungseinheit 915, eine Auswerteeinheit 920 und eine Anlegeeinheit 925 auf. Die Erzeugungseinheit 915 ist ausgebildet, um ein Erzeugen eines Magnetfelds zwischen dem Wicklungsbereich und dem Wirkbereich des Kernelements unter Verwendung eines Permanentmagnetelements zu bewirken, um im Wirkbereich ein Halte- und/oder Bremsmoment zu bewirken. Die Auswerteeinheit 920 ist ausgebildet, um die eingelesenen Fahrzeugdaten und/oder die eingelesenen Umweltdaten auszuwerten, um ein Auswerteergebnis 930 zu erhalten, das einen aktuellen Wirkzustand der Vorrichtung und/oder der Steer-by-wire-Lenkung repräsentiert. Die Anlegeeinheit 925 ist ausgebildet, um eine elektrische Spannung 935 an eine im Wicklungsbereich des Kernelements gewickelte Spuleneinheit anzulegen, um eine Richtung des von dem Permanentmagnetelement erzeugten Magnetfelds zu verändern, um das wirkende Halt- und/oder Bremsmoment zu verändern. FIG. 9 shows a block diagram of a control device 110 according to an embodiment. Control device 110 is designed to carry out or control a method for changing a braking torque for a device, as was described in FIG. 8 , for example. For this purpose, control device 110 has a read-in unit 900 that is designed to read in vehicle data 905 , such as a magnetic flux or an angle, and/or environmental data 910 using sensor unit 135 . Furthermore, the control device 110 has a generation unit 915 , an evaluation unit 920 and an application unit 925 . The generating unit 915 is designed to generate a magnetic field between the winding area and the active area of the core element using a permanent magnet element in order to generate a holding and/or braking torque in the active area. Evaluation unit 920 is designed to evaluate the read-in vehicle data and/or the read-in environmental data in order to obtain an evaluation result 930 that represents a current operating state of the device and/or the steer-by-wire steering system. The application unit 925 is designed to apply an electrical voltage 935 to a coil unit wound in the winding area of the core element in order to change a direction of the magnetic field generated by the permanent magnet element in order to change the effective holding and/or braking torque.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Bezuqszeichen Furthermore, method steps according to the invention can be repeated and carried out in a different order from that described. reference sign
Fahrzeug vehicle
Vorrichtung contraption
Steer-by-wire-Lenkung Steer-by-wire steering
Steuervorrichtung control device
Kernelement core element
Permanentmagnetelementpermanent magnet element
Spuleneinheit drehbewegliches Bauteil, Rotor, RiemenradCoil unit rotatable component, rotor, pulley
Sensoreinheit sensor unit
Wicklungsbereich winding area
Wirkbereich erstes Kernelementteil zweites Kernelementteil Effective area first core element part second core element part
Luftspalt weiterer Luftspalt air gap further air gap
Rastzahn ratchet tooth
Rotor rotor
Getriebeeinrichtunggear mechanism
Haupterstreckungsachse main extension axis
Motor engine
Spindel spindle
Riemen belt
Riemenrad erste Anordnungsmöglichkeit zweite Anordnungsmöglichkeit dritte Anordnungsmöglichkeit Pulley first arrangement possibility second arrangement possibility third arrangement possibility
Öffnung 20 Mittelpunkt 00 erstes Diagramm 05 Kurve 10 zweites Diagramm 15 zweite Kurve 20 Striche 00 Verfahren zum Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments 05 Schritt des Erzeugens 10 Schritt des Anlegens 15 Schritt des Einlesens 20 Schritt des Auswertens opening 20 center point 00 first diagram 05 curve 10 second diagram 15 second curve 20 dashes 00 method for changing a holding and/or braking torque 05 step of generating 10 step of applying 15 step of reading in 20 step of evaluating
900 Einleseeinheit 900 reading unit
905 Fahrzeugdaten 905 vehicle data
910 Umweltdaten 910 environmental data
915 Erzeugungseinheit 915 generating unit
920 Auswerteeinheit 920 evaluation unit
925 Anlegeeinheit 925 feeding unit
930 Auswerteergebnis 930 evaluation result
935 elektrische Spannung 935 electrical voltage
Imag Stromfluss Imag current flow
RL Widerstand RL resistance
Ucoil Spannung ucoil voltage
Icoil Stromfluss Icoil current flow
R1 Widerstand R1 resistor

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Vorrichtung (105) zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments einer Steer-by-wire-Lenkung (107) eines Fahrzeugs (100), wobei die Vorrichtung (105) die folgenden Merkmale aufweist: ein Kernelement (115) mit einem Wicklungsbereich (200) und einem dem Wicklungsbereich (200) gegenüberliegenden Wirkbereich (205); ein Permanentmagnetelement (120) zum Erzeugen eines Magnetfelds, das an dem Kernelement (115) zwischen dem Wicklungsbereich (200) und dem Wirkbereich (205) angeordnet ist, wobei das Permanentmagnetelement (120) ausgebildet ist, um im Wirkbereich (205) unter Verwendung des Magnetfelds ein Halte- und/oder Bremsmoment für ein drehbewegliches Bauteil (130, 330, 430) zu erzeugen; und eine Spuleneinheit (125), die im Wicklungsbereich (200) um das Kernelement (115) gewickelt ist und parallel zu dem Permanentmagnetelement (120) angeordnet ist, wobei die Spuleneinheit (125) ausgebildet ist, um unter Verwendung einer elektrischen Spannung (935) eine Richtung des Magnetfelds zu verändern, um das wirkende Halte- und/oder Bremsmoment für das drehbewegliche Bauteil (130, 330, 430) zu verändern. 1 . Device (105) for generating and/or changing a holding and/or braking torque of a steer-by-wire steering system (107) of a vehicle (100), the device (105) having the following features: a core element (115) having a winding area (200) and an active area (205) opposite the winding area (200); a permanent magnet element (120) for generating a magnetic field, which is arranged on the core element (115) between the winding region (200) and the effective region (205), wherein the permanent magnet element (120) is designed to be positioned in the effective region (205) using the magnetic field to generate a holding and/or braking torque for a rotatable component (130, 330, 430); and a coil unit (125), which is wound around the core element (115) in the winding region (200) and is arranged parallel to the permanent magnet element (120), the coil unit (125) being designed to use an electrical voltage (935) to change a direction of the magnetic field in order to change the effective holding and/or braking torque for the rotatable component (130, 330, 430).
2. Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 1 , wobei das Kernelement (115) einen ersten Kernelementteil (210) und einen zweiten Kernelementteil (215) aufweist, wobei der erste Kernelementteil (210) beabstandet zu dem zweiten Kernelementteil (215) angeordnet ist. 2. Device (105) according to claim 1, wherein the core element (115) has a first core element part (210) and a second core element part (215), wherein the first core element part (210) is arranged at a distance from the second core element part (215).
3. Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 2, wobei die Spuleneinheit (125) ausgebildet ist, um den ersten Kernelementteil (210) und den zweiten Kernelementteil (215) im Wicklungsbereich (200) miteinander zu verbinden. 3. Device (105) according to claim 2, wherein the coil unit (125) is designed to connect the first core element part (210) and the second core element part (215) in the winding region (200) to each other.
4. Vorrichtung (105) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Kernelementteil (210) und dem zweiten Kernelementteil (215) 4. Device (105) according to any one of claims 2 to 3, wherein a distance between the first core element part (210) and the second core element part (215)
22 größer ist als ein Abstand zwischen dem Kernelement (115) und dem drehbeweglichen Bauteil (130, 330, 430). 22 is larger than a distance between the core element (115) and the rotatable component (130, 330, 430).
5. Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 4, mit dem drehbeweglichen Bauteil (130), der im Wirkbereich (205) des Kernelements (115) angeordnet ist und/oder der als ein Riemenrad, als ein Rotor oder als eine Spindel (415) ausgeformt ist. 5. Device (105) according to claim 4, with the rotatable component (130) which is arranged in the effective area (205) of the core element (115) and/or which is formed as a pulley, as a rotor or as a spindle (415). is.
6. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das drehbewegliche Bauteil (130, 330, 430) eine Mehrzahl von Rastzähnen (300) aufweist, insbesondere wobei ein Abstand des drehbeweglichen Bauteils (130, 330, 430) zum Kernelement (115) im Wirkbereich (205) aufgrund der Rastzähne (300) bei einer Drehung des drehbeweglichen Bauteils (130, 330, 430) variierbar ist. 6. Device (105) according to one of the preceding claims, wherein the rotatable component (130, 330, 430) has a plurality of locking teeth (300), in particular wherein a distance between the rotatable component (130, 330, 430) and the core element (115 ) is variable in the effective area (205) due to the locking teeth (300) upon rotation of the rotatable component (130, 330, 430).
7. Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Kernelement (115) ein ferromagnetisches Material aufweist. 7. Device (105) according to any one of the preceding claims, wherein the core element (115) comprises a ferromagnetic material.
8. Fahrzeug (100) mit einer Steer-by-wire-Lenkung (107) und einer der Steer-by- wire-Lenkung (107) zugeordneten Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche. 8. Vehicle (100) with a steer-by-wire steering (107) and the steer-by- wire steering (107) associated device (105) according to any one of the preceding claims.
9. Verfahren (800) zum Erzeugen und/oder Verändern eines Halte- und/oder Bremsmoments für eine Steer-by-wire-Lenkung (107) eines Fahrzeugs (100) unter Verwendung einer Vorrichtung (105) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren (800) die folgenden Schritte umfasst: 9. Method (800) for generating and/or changing a holding and/or braking torque for a steer-by-wire steering (107) of a vehicle (100) using a device (105) according to one of claims 1 to 7 , the method (800) comprising the following steps:
Erzeugen (805) eines Magnetfelds zwischen dem Wicklungsbereich (200) und dem Wirkbereich (205) des Kernelements (115) unter Verwendung eines Permanentmagnetelements (120), um im Wirkbereich (205) ein Halte- und/oder Bremsmoment zu bewirken; und Generating (805) a magnetic field between the winding area (200) and the active area (205) of the core element (115) using a permanent magnet element (120) in order to cause a holding and/or braking torque in the active area (205); and
Anlegen (810) einer elektrischen Spannung (935) an eine im Wicklungsbereich (200) des Kernelements (115) gewickelte Spuleneinheit (125), um eine Richtung des von dem Permanentmagnetelement (120) erzeugten Magnetfelds zu verändern, um das wirkende Halte- und/oder Bremsmoment an dem drehbeweglichen Bauteil (130, 330, 430) zu verändern. Application (810) of an electrical voltage (935) to a coil unit (125) wound in the winding region (200) of the core element (115) in order to change a direction of the magnetic field generated by the permanent magnet element (120) in order to changing the holding and/or braking torque acting on the rotatable component (130, 330, 430).
10. Verfahren (800) gemäß Anspruch 9, mit einem Schritt (815) des Einlesens von Fahrzeugdaten (905) und/oder Umweltdaten (910) unter Verwendung einer Sensoreinheit (135), und mit einem Schritt (820) des Auswertens der eingelesenen Fahrzeugdaten (905) und/oder der eingelesenen Umweltdaten (910), um ein Auswerteergebnis (930) zu erhalten, das einen aktuellen Wirkzustand der Vorrichtung (105) und/oder der Steer-by-wire-Lenkung (107) repräsentiert, und wobei im Schritt (810) des Anlegens die elektrische Spannung (935) in Abhängigkeit von dem Auswerteergebnis (930) angelegt wird. 10. The method (800) according to claim 9, with a step (815) of reading in vehicle data (905) and/or environmental data (910) using a sensor unit (135), and with a step (820) of evaluating the read-in vehicle data (905) and/or the environmental data (910) read in, in order to obtain an evaluation result (930) which represents a current operating state of the device (105) and/or the steer-by-wire steering (107), and wherein im Step (810) of applying the electrical voltage (935) depending on the evaluation result (930).
11. Steuervorrichtung (110), die eingerichtet ist, um die Schritte (805, 810, 815, 820) des Verfahrens (800) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10 in entsprechenden Einheiten (900, 915, 920, 925) auszuführen und/oder anzusteuern. 11. Control device (110), which is set up to carry out the steps (805, 810, 815, 820) of the method (800) according to one of claims 9 to 10 in corresponding units (900, 915, 920, 925) and/ or to control.
12. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (805, 810, 815, 820) des Verfahrens (800) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10 auszuführen und/oder anzusteuern. 12. Computer program that is set up to execute and/or control the steps (805, 810, 815, 820) of the method (800) according to one of claims 9 to 10.
13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist. 13. Machine-readable storage medium on which the computer program according to claim 12 is stored.
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