WO2023147801A1

WO2023147801A1 - Aktuator für lenkeinheit

Info

Publication number: WO2023147801A1
Application number: PCT/DE2022/100925
Authority: WO
Inventors: Philip Wurzberger; Marko Treczka; Thomas Dirnberger; Fabian RUH; Romy Gutzeit; Kay Bruehl
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-12-08
Publication date: 2023-08-10
Also published as: DE102022102353A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator (4) für eine Lenkeinheit (1) eines Fahrzeugs, aufweisend: eine Antriebseinheit (5), die dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment auszugeben, ein Schneckenradgetriebe (6) aufweisend eine Schneckenwelle (9) und ein Schneckenrad (10) mit einer ersten Verzahnung (12), die mit der Schneckenwelle (9) in Verzahnungseingriff ist, wobei die Schneckenwelle (9) ferner drehmomentübertragend mit der Antriebseinheit (5) gekoppelt ist, und das Schneckenrad (10) eingerichtet ist, um mit einer Lenkwelle (3) der Lenkeinheit (1) drehmomentübertragend gekoppelt zu sein, eine Drehwinkelsensoreinheit (7), die dazu eingerichtet ist einen Drehwinkel des Schneckenrads (10) zu erfassen, und eine Drehmomentsensoreinheit (8), die dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Lenkwelle (3) zu erfassen, wobei die Drehwinkelsensoreinheit (7) dazu eingerichtet ist, eine absolute Winkelposition eines Multiturns des Schneckenrads (10) von mindestens etwa ± 360° zu erfassen, und die Drehmomentsensoreinheit (8) dazu eingerichtet ist, das Drehmoment der Lenkwelle (3) basierend auf dem invers-magnetostriktiven Effekt zu erfassen. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Lenkeinheit (1) mit einer Lenkwelle (3), einem Lenkrad (2) und einem erfindungsgemäßen Aktuator (4).

Description

Aktuator für Lenkeinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator, insbesondere einen Force-Feedback- Aktuator, für eine Lenkeinheit eines Fahrzeugs, sowie eine Lenkeinheit für ein Fahrzeug mit einem solchen Aktuator.

Stand der Technik

Aktuatoren werden in Lenkeinheiten für Fahrzeuge unter anderem dazu eingesetzt, einen Kraftaufwand für einen Fahrer des Fahrzeugs bei der Durchführung einer Lenkbewegung zu reduzieren. Solche Lenkeinheiten werden umgangssprachlich auch als Servolenkung bezeichnet. Ferner sind im Stand der Technik sogenannte steer-by-wire-Lenkeinheiten bekannt. Steer-by-wire-Lenkeinheiten weisen keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den zu lenkenden Rädern, wie bspw. durch eine Lenksäule, mehr auf. In solchen steer-by-wire-Lenkeinheiten werden Aktuatoren dazu verwendet, das Lenkgefühl für den Fahrer künstlich zu erzeugen. Die künstliche Erzeugung des Lenkgefühls ermöglicht es, das Lenkgefühl an die Bedürfnisse des Fahrers anzupassen. Hierfür sind insbesondere die Spielfreiheit sowie geringe Drehmomentschwankungen in den Aktuatoren von Bedeutung, um das künstlich erzeugte Lenkgefühl „natürlich“ wirken zu lassen.

Es hat sich nunmehr herausgestellt, dass ein weiterer Bedarf besteht, einen bekannten Aktuator für eine Lenkeinheit eines Fahrzeugs zu verbessern. Insbesondere besteht ein weiterer Bedarf, einen Aktuator für eine Lenkeinheit eines Fahrzeugs bereitzustellen, der bauraumsparend montierbar ist, und ein für den Fahrer als natürlich bzw. authentisch empfundenes Lenkgefühl erzeugt.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Aktuator für eine Lenkeinheit eines Fahrzeugs bereitzustellen, insbesondere einen Aktuator für eine Lenkeinheit eines Fahrzeugs bereitzustellen, der bauraumsparend montierbar ist, und ein für den Fahrer als natürlich bzw. authentisch empfundenes Lenkgefühl erzeugt.

Offenbarung der Erfindung Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße Aktuator, insbesondere ein Force-Feedback-Aktuator, für eine Lenkeinheit eines Fahrzeugs, weist eine Antriebseinheit, ein Schneckenradgetriebe, eine Drehwinkelsensoreinheit und eine Drehmomentsensoreinheit auf. Die Antriebseinheit, insbesondere ein Elektromotor, ist die dazu eingerichtet, ein Drehmoment auszugeben. Das Schneckenradgetriebe weist eine Schneckenwelle und ein Schneckenrad mit einer ersten Verzahnung auf, wobei die Verzahnung des Schneckenrads mit der Schneckenwelle in Verzahnungseingriff ist. Die Schneckenwelle ist ferner drehmomentübertragend mit der Antriebseinheit gekoppelt. Das Schneckenrad ist dazu eingerichtet, mit der Lenkeinheit, insbesondere mit einer Lenkwelle der Lenkeinheit, drehmomentfest gekoppelt zu sein. Die Drehwinkelsensoreinheit ist dazu eingerichtet, einen Drehwinkel des Schneckenrads zu erfassen, und die Drehmomentsensoreinheit ist dazu eingerichtet, ein Drehmoment des Schneckenrads zu erfassen. Dabei ist die Drehwinkelsensoreinheit dazu eingerichtet, eine absolute Winkelposition eines Multiturns des Schneckenrads (10) von mindestens etwa ± 360° zu erfassen, und die Drehmomentsensoreinheit ist dazu eingerichtet, das Drehmoment der Lenkwelle basierend auf dem invers-magnetostriktiven Effekt zu erfassen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass der Aktuator eine Drehwinkelsensoreinheit sowie eine Drehmomentsensoreinheit umfasst, und somit eine hochintegrierte Lösung bietet, die, insbesondere gegenüber bekannten Aktuatoren, kompakt, also bauraumsparend ausgeführt ist. Darüber hinaus ermöglicht der Aktuator, insbesondere aufgrund des Schneckenradgetriebes, einen für den Fahrer haptischen Charakter des Lenkgefühls zu verbessern. Ferner kann der Aktuator den haptischen Charakter des Lenkgefühls an die individuellen Bedürfnisse des Fahrers anzupassen.

Das Drehmoment der Antriebseinheit kann auch als Antriebsmoment bezeichnet werden. Aufgrund dessen, dass das Schneckenrad dazu eingerichtet ist, mit der Lenkeinheit, insbesondere mit der Lenkwelle der Lenkeinheit, drehmomentfest gekoppelt zu sein, entspricht der von der Drehwinkelsensoreinheit erfasste Drehwinkel des Schneckenrads im Wesentlichen dem Drehwinkel der Lenkeinheit, insbesondere der Lenkwelle, und das von der Drehmomentsensoreinheit erfasste Drehmoment des Schneckenrads, entspricht im Wesentlichen dem Drehmoment der Lenkeinheit, insbesondere der Lenkwelle. Das Schneckenradgetriebe kann auch als Schraubradgetriebe bezeichnet werden, wobei das Schneckenrad dann als Schraubrad bezeichnet wird.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Drehwinkelsensoreinheit ferner ein erstes Stirnrad, ein zweites Stirnrad, ein erstes Target, ein zweites Target und eine feststehende Platine auf. Das erste Stirnrad ist drehmomentfest mit einer ersten Welle verbunden, und das zweite Stirnrad ist drehmomentfest mit einer zweiten Welle verbunden. Das erste Target ist drehmomentfest mit dem ersten Stirnrad gekoppelt, und das zweite Target ist drehmomentfest mit dem zweiten Stirnrad gekoppelt. Die feststehende Platine weist zumindest ein Sensorelement auf, das dazu eingerichtet ist, einen Kontakt mit dem ersten Target und/oder dem zweiten Target zu erfassen. Dabei greifen das erste Stirnrad und das zweite Stirnrad jeweils mit einer zweiten, insbesondere kleineren, Verzahnung des Schneckenrads ineinander, wobei das erste Stirnrad eine erste Zahnanzahl aufweist und das zweite Stirnrad eine zweite Zahnanzahl aufweist, die von der ersten Zahnanzahl verschieden ist. Ferner sind das erste Target und das zweite Target jeweils mittels einem Federelement in Richtung der feststehenden Platine vorgespannt.

Die zweite Verzahnung des Schneckenrads kann integral einstückig mit dem Schneckenrad ausgebildet sein. Alternativ kann die zweite Verzahnung des Schneckenrads als ein separates Stirnrad ausgeführt sein, dass drehmoment- und axialfest mit dem Schneckenrad gekoppelt ist. Die zweite Verzahnung weist insbesondere einen kleineren Kopfdurchmesser auf als die erste Verzahnung, die mit der Schneckenwelle in Verzahnungseingriff ist. Das erste Stirnrad und/oder das zweite Stirnrad können auch als Ritzel bezeichnet werden.

Durch den Verzahnungseingriff drehen sich das erste Stirnrad und das zweite Stirnrad ihrer jeweiligen Zahnanzahl entsprechend, wenn sich das Schneckenrad dreht. Über das erste Target, das mit dem ersten Stirnrad gekoppelt ist und über das zweite Target, das mit dem zweiten Stirnrad gekoppelt ist, in Kombination mit dem zumindest einen Sensorelement der Platine wird der Drehwinkel des Schneckenrads und somit ein Lenkwinkel der Lenkeinheit, insbesondere der Lenkwelle, erfasst. Das dabei zugrundeliegende Messprinzip ist insbesondere ein induktives Messprinzip.

Die Federelemente spannen das erste Target und das zweite Target jeweils in Richtung zur Platine, insbesondere in Richtung zu dem zumindest einen Sensorelement, hin vor. Dadurch ist eine genaue Positionierung des jeweiligen Targets zu dem zumindest einen Sensorelement unter jeglichen Betriebszuständen, also unabhängig von Temperatur, Vibration etc. gewährleistet. Dadurch kann eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden.

Das erste Stirnrad und das zweite Stirnrad ermöglichen dabei eine Phasenverschiebung zwischen dem ersten Target und dem zweiten Target, wodurch die Messung von absoluten Winkelpositionen des Schneckenrads von mindestens ± 360° möglich ist.

Die, insbesondere genaue, Erfassung der absoluten Winkelposition von mindestens ± 360°, insbesondere in einem Bereich von ± 900°, ist insbesondere für die Verwendung in Lenkeinheiten relevant, da eine von dem Fahrer des Fahrzeugs ausgeführte Lenkbewegung an einem Lenkrad, und somit an der Lenkwelle, für einen starken Lenkeinschlag über 360° betragen kann.

Das erste Stirnrad und das zweite Stirnrad sind insbesondere aus einem Kunststoff hergestellt, wobei unter dem Begriff Kunststoff, sowohl ein sortenreiner Kunststoff als auch ein Kunststoffgemisch zu verstehen ist.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Aktuator ferner einen Schutzdeckel auf, der zwischen einem Getrieberaum und einem Sensorraum angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, ein Eindringen von Schmutzpartikeln, wie bspw. Wasser, Fett, Staub etc., in den Sensorraum im Wesentlichen zu verhindern.

Der Getrieberaum ist ein Raum bzw. ein Bereich des Aktuators, in dem die Schneckenwelle und das Schneckenrad in Verzahnungseingriff stehen. Der Sensorraum ist ein Raum bzw. ein Bereich des Aktuators, in dem die Drehwinkelsensoreinheit, insbesondere die Platine und das erste sowie das zweite Target, angeordnet ist.

Insbesondere erstreckt sich die erste Welle, die drehmomentfest mit dem ersten Stirnrad verbunden ist, von dem Getrieberaum, in dem das erste Stirnrad im Verzahnungseingriff mit der zweiten Verzahnung des Schneckenrads ist, durch den Schutzdeckel in den Sensorraum, wo sie mit dem ersten Target verbunden ist. Insbesondere können die erste Welle und das Target mittels Umspritzung miteinander verbunden sein. Dabei ist die erste Welle in dem Schutzdeckel mittels eine Gleitbuchse gelagert und somit positioniert. Analog sind die zweite Welle, die drehmomentfest mit dem zweiten Stirnrad verbunden ist, und das zweite Target angeordnet. Somit ist die empfindliche Sensorik vor dem Einfluss von Schmutzpartikeln, insbesondere aus dem Getrieberaum, geschützt. Gemäß einer Ausführungsform weist die Drehmomentsensoreinheit ferner einen Torsionsstab, und zumindest ein Sensorelement auf. Der Torsionsstab weist ein vorbestimmtes Torsionswiderstandsmoment auf, und ist dazu eingerichtet, mit dem Schneckenrad gekoppelt zu sein. Das zumindest eine Sensorelement ist radial außerhalb und beabstandet zum Torsionsstab angeordnet, und dazu eingerichtet, eine torsionsinduzierte Spannungsänderung in einer Mantelfläche des Torsionsstabs zu erfassen.

Insbesondere ist der Torsionsstab als eine Welle ausgeführt, auf der das Schneckenrad drehmomentfest montiert ist. Das Drehmoment der Schneckenwelle bewirkt ein Verdrehen, also eine Torsion, des Torsionsstabs, welche wiederum eine Spannungsänderung in der Mantelfläche des Torsionsstabs verursacht. Diese Spannungsänderung kann von dem zumindest einen Sensorelement erfasst werden, und unter Berücksichtigung des vorbestimmten Torsionswiderstandsmoments des Torsionsstabs kann so das Drehmoment des Schneckenrads, und somit auf das Drehmoment der Lenkeinheit, insbesondere der Lenkwelle der Lenkeinheit, ermittelt werden. Das zumindest eine Sensorelement kann auf einer Platine angeordnet, und insbesondere als ein sogenanntes SMD-Element (SMD = „surface mounted device“) ausgeführt sein.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Drehmomentsensoreinheit mehrere Sensorelemente auf, die in Umfangsrichtung des Torsionsstabs im Wesentlichen gleichverteilt angeordnet sind. Dadurch kann eine Messgenauigkeit der Drehmomentsensoreinheit erhöht werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Sensorelement in einem Hauptdeckel des Aktuators angeordnet bzw. aufgenommen. Der Torsionsstab ist in dem Hauptdeckel des Aktuators gelagert. Somit ermöglicht die Anordnung des zumindest einen Sensorelements in dem Hauptdeckel eine kurze Toleranzkette von dem Sensorelement zu dem Torsionsstab. Dadurch kann die Messgenauigkeit der Drehmomentsensoreinheit weiter verbessert werden.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Drehmomentsensoreinheit und die Drehwinkelsensoreinheit dazu eingerichtet, mit derselben Steuer- und/oder Leistungselektronik, insbesondere elektrisch, bspw. über ein Flexbandkabel, gekoppelt bzw. koppelbar zu sein, wobei die Drehmomentsensoreinheit geometrisch unabhängig von der Drehwinkelsensoreinheit positionierbar ist. Das bedeutet, dass die Drehmomentsensoreinheit und die Drehwinkelsensoreinheit geometrisch unabhängig voneinander, also an voneinander verschiedenen Positionen, in dem Aktuator angeordnet sein können, wobei sie beide zur Signalweiterverarbeitung mit derselben Steuer- und Leistungselektronik gekoppelt sind. Somit ist es möglich, die erforderliche Bauteilanzahl und/oder den erforderlichen Bauraum des Aktuators weiter zu reduzieren.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Torsionsstab als eine Hohlwelle oder als eine Vollwelle ausgebildet ist. Bei einem identischen vorbestimmten Torsionswiderstandsmoment weist der als eine Hohlwelle ausgeführte Torsionsstab einen größeren Durchmesser auf als der als eine Vollwelle ausgeführte Torsionsstab. Somit ist insbesondere der als Hohlwelle ausgeführte Torsionsstab besonders einfach in den Gesamtaufbau des Aktuators integrierbar.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Schneckenrad aus einem Kunststoff oder aus einem Werkstoffverbund hergestellt und/oder die Schneckenwelle ist aus einem Stahl hergestellt. Dabei ist es denkbar, dass das Schneckenrad in einer sogenannten 1 -Komponentebauweise im Wesentlichen vollständig aus einem Kunststoff hergestellt ist. Alternativ ist das Schneckenrad in einer sogenannten 2-Komponentbauweise, also einem Werkstoffverbund, hergestellt. Zum Beispiel kann das Schneckenrad einen Körper aus einem faserverstärkten Kunststoff und einen Verzahnungsbereich, insbesondere einen Flankenbereich, aus einem unverstärkten Kunststoff aufweisen. Ein anderes Beispiel für ein Schneckenrad in der 2- Komponentebauweise weist einen Sinterkörper mit einem Flankenbereich aus einem unverstärkten Kunststoff auf. Unter dem Begriff Kunststoff ist hier sowohl ein sortenreiner Kunststoff als auch ein Kunststoffgemisch zu verstehen.

Die aus Kunststoff ausgebildete Verzahnung des Schneckenrads in Kombination mit der aus Stahl gefertigten Schneckenwelle ermöglicht im Kontakt eine reduzierte Reibung, insbesondere gegenüber einem Stahl-Stahl-Kontakt, und darüber hinaus ein verbessertes Dämpfungsverhalten, das die Kunststoffverzahnung elastischer ist als eine Stahlverzahnung. Somit ermöglicht der Kunststoff-Stahl-Kontakt des Verzahnungseingriffs zwischen dem Schneckenrad und der Schneckenwelle ein gutes NVH-Verhalten (NVH = noise vibration harshness).

Gemäß einer Ausführungsform ist die Schneckenwelle mittels einer Federeinheit an einem axialen Ende in radialer Richtung zum Schneckenrad hin vorgespannt ist und/oder an einem anderen axialen Ende schwenkbar gelagert ist. Die Federeinheit drückt die Schneckenwelle somit in radialer Richtung in den Flankenkontakt mit dem Schneckenrad, wodurch der Verzahnungseingriff zwischen der Schneckenwelle und dem Schneckenrad verdrehspielfrei ist. Dadurch wird ein Flankenspiel des Verzahnungseingriffs zwischen der Schneckenwelle und dem Schneckenrad im jedem Betriebszustand, also unabhängig von Toleranzen, Temperatur, Verschleiß etc., im torsionalen Kraftfluss zuverlässig unterbunden.

Die schwenkbare Lagerung der Schneckenwelle an dem anderen axialen Ende kann bspw. durch ein Schwenklager erfolgen, das die Umdrehungsfunktion und die Schwenkfunktion der Schneckenwelle voneinander trennt. Dadurch können Kippeffekte in der Lagerung der Schneckenwelle vermieden werden. Damit kann das NVH-Verhalten und/oder das Reibverhalten des Schneckengetriebes verbessert werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Schneckenwelle über ein Dämpfungselement mit der Antriebseinheit gekoppelt. Das Dämpfungselement ist insbesondere als ein torsionales Dämpfungselement ausgeführt, und dient zur sogenannten Entkopplung der Schneckenwelle von der Antriebeinheit. Das bedeutet, dass Drehmomentspitzen, die an der Antriebseinheit auftreten können, durch das Dämpfungselement gedämpft werden, und somit eine Weiterleitung bzw. Übertragung solcher Drehmomentspitzen an die Schneckenwelle unterbindet. Solche Drehmomentspitzen an der Schneckenwelle können von dem Fahrer des Fahrzeugs als ein Ruckeln wahrgenommen werden. Ein solches Ruckeln ist jedoch unerwünscht. Mit anderen Worten kann man sagen, dass eine Dämpfung innerhalb des Kraftfluss von der Antriebseinheit zur Schneckenwelle verbessert wird. Dies ermöglicht eine verbesserte Haptik für den Fahrer des Fahrzeugs, insbesondere kann so vermieden werden, dass der Fahrer ein durch Drehmomentspitzen verursachtes Ruckeln während der Durchführung einer Lenkbewegung wahrnimmt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Lenkeinheit für ein Fahrzeug. Die Lenkeinheit weist eine Lenkwelle, ein Lenkrad und einen erfindungsgemäßen, insbesondere wie vorstehend und nachfolgend beschriebenen, Aktuator auf. Das Lenkrad ist drehmomentübertragend mit einem ersten axialen Ende der Lenkwelle gekoppelt, und der Aktuator ist drehmomentübertragend mit einem zweiten axialen Ende der Lenkwelle gekoppelt.

Dadurch kann der Aktuator ein Drehmoment erzeugen, das während einer Lenkbewegung des Fahrers über die Lenkwelle und das Lenkrad von dem Fahrer als Lenkmoment wahrgenommen wird. Detailbeschreibung anhand Zeichnung

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Aktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Drehwinkelsensoreinheit eines Aktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht,

Fig. 4 eine vergrößerte schematische Teildarstellung der Drehwinkelsensoreinheit aus Fig. 3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Drehmomentsensoreinheit eines Aktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Lenkeinheit 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Lenkeinheit 1 ist beispielhaft als eine steer-by-wire- Lenkeinheit ausgebildet und weist ein Lenkrad 2, eine Lenkwelle 3 und einen Aktuator 4 auf. Das Lenkrad 2 ist zumindest drehmomentfest, und ferner insbesondere axialfest, mit der Lenkwelle 3 verbunden. Der Aktuator 4 ist als ein Force-Feedback-Aktuator ausgebildet und ebenfalls drehmomentfest mit der Lenkwelle 3 verbunden. Der Aktuator 4 ist in der steer-by- wire-Lenkeinheit 1 dazu eingerichtet, ein Drehmoment auf die Lenkwelle 3 zu übertragen, welches einer Lenkbewegung eines Fahrers am Lenkrad 2 derart entgegenwirkt, dass ein Lenkgefühl während dieser Lenkbewegung von dem Fahrer als „authentisch“ bzw. „natürlich“ wahrgenommen wird. Ein „authentisches“ bzw. „natürliches“ Lenkgefühl entspricht im Wesentlichen einem Lenkgefühl, wie es in Lenkeinheiten vorhanden ist, bei denen das Lenkrad über die Lenkwelle mechanisch mit den Rädern verbunden ist, und das durch die Lenkbewegung des Fahrers aufgebrachte Drehmoment über die mechanisch mit den Rädern verbundene Lenkwelle auf die Räder übertragen wird. Widerständen, wie bspw. Reibverluste etc., die durch die mechanische Verbindung, und abhängig vom Lenkwinkel etc. erzeugt werden, werden von dem Fahrer wahrgenommen und ergeben das Lenkgefühl.

In der steer-by-wire-Lenkeinheit 1 wird dieses Lenkgefühl synthetisch von dem Aktuator 4 erzeugt, der nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 2 bis 5 näher erläutert wird. Fig. 2 zeigt den Aktuator 4 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Aktuator 4 besitzt eine Antriebseinheit 5, die als ein Elektromotor ausgeführt ist, ein Schneckenradgetriebe 6, eine Drehwinkelsensoreinheit 7 (siehe Fig. 3 und 4) und eine Drehmomentsensoreinheit 8 (siehe Fig. 5).

Das Schneckenradgetriebe 6 weist eine Schneckenwelle 9 und ein Schneckenrad 10 auf. Die Schneckenwelle 9 ist an einem axialen Ende mit einer Ausgangswelle 11 der Antriebseinheit 5 drehmomentübertragend gekoppelt. Ferner ist die Schneckenwelle 9 mit einer ersten Verzahnung 12, die auch als Hauptverzahnung 12 bezeichnet werden kann, des Schneckenrads 10 in Verzahnungseingriff und überträgt so das von der Antriebseinheit 5 erzeugte Drehmoment auf das Schneckenrad 10. Das Schneckenrad 10 ist ferner drehmomentübertragend mit der Lenkwelle 3 drehmomentübertragend verbunden, und überträgt somit ein Lenkmoment, das sich aus dem von der Antriebseinheit 5 erzeugten Drehmoment und der Übersetzung des Schneckenradgetriebes 6 ergibt, auf die Lenkwelle 3.

Die Schneckenwelle 9 ist insbesondere aus Stahl ausgebildet und das Schneckenrad 10 ist zumindest in einem Flankenbereich der Hauptverzahnung 12 aus einem Kunststoff ausgebildet. Dadurch ergibt sich in dem Verzahnungseingriff zwischen der Schneckenwelle 9 und dem Schneckenrad 10 ein Kunststoff-Stahl-Kontakt, der eine gegenüber einem Stahl- Stahl-Kontakt reduzierte Reibung, und ferner ein gutes Dämpfungsverhalten aufweist. Dadurch kann ein gutes NVH-Verhalten (noise-vibration-harshness) erzielt werden. Das bedeutet, dass hör- und/oder spürbare Schwingungen in dem Fahrzeug durch das Schneckengetriebe 6 gedämpft werden können. Der Körper des Schneckenrads 10 kann aus einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff, oder aus einem Sintermetall ausgebildet sein. Der Begriff Kunststoff umfasst dabei sowohl sortenreine Kunststoffe als auch Kunststoffgemische. Um den Verzahnungseingriff zwischen der Schneckenwelle 9 und dem Schneckenrad 10 unabhängig von Toleranzen, Temperatur, Verschleiß etc., im Wesentlichen flankenspielfrei zu halten, ist die Schneckenwelle 9 an einem der Antriebseinheit 5 abgewandten axialen Ende 13 mit einer Federeinheit 14 federnd gelagert, wobei die Federeinheit 14 die Schneckenwelle 9 radial in den Flankenkontakt mit dem Schneckenrad 10 drückt bzw. vorspannt. Dadurch wird ein Verdrehspiel zwischen Flanken der Schneckenwelle 9 und Flanken des Schneckenrads 10 verhindert. Eine für die Federeinheit 14 erforderliche Schwenkbewegung der Schneckenwelle 9 wird dadurch ermöglicht, dass die Schneckenwelle 9 an einem anderen axialen Ende 15 über ein Schwenklager 16 gelagert. Das Schwenklager 16 ermöglicht es, die Umdrehungsfunktion und die Schwenkfunktion der Schneckenwelle 9 voneinander zu trennen, und so Kippeffekte in der Lagerung der Schneckenwelle 9 zu vermeiden.

Ferner ist die drehmomentübertragende Verbindung zwischen der Schneckenwelle 9 und der Ausgangswelle 11 der Antriebseinheit 6 mittels eines torsionalen Dämpfungselements 17 entkoppelt. Das torsionale Dämpfungselement 17 ist hier beispielhaft als eine Steckkupplung 18 mit einem elastischen Kunststoff ausgeführt, und ermöglicht es, die Dämpfung innerhalb des Kraftflusses zu verbessern, indem Drehmomentspitzen, die an der Ausgangswelle 11 auftreten können, auszugleichen und somit die Haptik für einen Fahrer zu verbessern.

Die Drehwinkelsensoreinheit 7 wird mit Bezug auf Fig. 3 und 4 näher erläutert. Die Drehwinkelsensoreinheit 7 weist eine feststehende Platine 19, ein mit der Lenkwelle 3 koaxial angeordnetes und drehmomentübertragendes Stirnrad 20, und zwei Zusatzstirnräder 21 , 22, die jeweils mit dem Stirnrad 20 in Verzahnungseingriff sind. Die beiden Zusatzstirnräder 21 , 22 weisen eine unterschiedliche Zahnanzahl, insbesondere eine um einen Zahn unterschiedliche Zahnanzahl auf. Das Stirnrad 20 ist hier beispielhaft als eine zweite Verzahnung des Schneckenrads 10 ausgebildet, die einen kleineren Durchmesser als die Hauptverzahnung 12 des Schneckenrads 10 aufweist.

Die Zusatzstirnräder 21, 22 sind jeweils auf einer Welle 23, 24 dreh- und axialfest angeordnet, die wiederum jeweils über eine Gleitbuchse 25 in einem Schutzdeckel 26 drehbar gelagert sind. Der Schutzdeckel 26 ist dazu eingerichtet, einen Getrieberaum 27, also einen Bereich in dem Aktuator 4, in dem die Schneckenwelle 9 und das Schneckenrad 10 miteinander in Verzahnungseingriff stehen, von einem Sensorraum 28, also einen Bereich in dem Aktuator 4, in dem die Sensorik der Drehwinkelsensoreinheit 7 angeordnet ist, zu trennen. In dem Sensorraum 28 ist die Platine 19, ein erstes Target 29 und ein zweites Target 30 angeordnet. Das erste Target 29 ist mit der Welle 23 des Zusatzrades 21 drehmomentfest verbunden und das zweite Target 30 ist mit der Welle 24 des Zusatzrades 22 drehmomentfest verbunden. Somit drehen die Targets 29, 30 sich jeweils mit dem ihnen zugeordneten Zusatzstirnrad 21, 22. In den Fig. 3 und 4 sind die Targets 29, 30 und die jeweilige Welle 23, 24 umspritzt, wodurch eine Fertigung in nur einem Schritt erzielt werden kann.

Die Zusatzstirnräder 21, 22 stehen jeweils mit dem Stirnrad 20 in Verzahnungseingriff, sodass sich die beiden Zusatzstirnräder 21, 22 eine Drehbewegung des Schneckenrads 10, und somit der Lenkwelle 3 auf die Zusatzstirnräder 21 , 22 übertragen und gemäß dem jeweiligen Zahnverhältnis übersetzt wird. Aufgrund der unterschiedlichen Zahnanzahl der Zusatzstirnräder 21, 22 kommt das sogenannte Nonius-Prinzip zur Anwendung und eine Bestimmung des absoluten Winkels des Schneckenrads 10 bzw. der Lenkwelle 3 ist möglich. Somit ermöglicht die Drehwinkelsensoreinheit 7 das Bestimmen der absoluten Winkelposition bei einem Multiturn des Schneckenrads 10 und somit der Lenkwelle 3, wobei ausgehend von einer Nullstellung eine Drehung, also ein Drehwinkel, um mindestens ± 360° erfolgt. Insbesondere ist eine Bestimmung eines absoluten Winkels in einem Bereich von ± 900° möglich.

Die Targets 29, 30 können bspw. je als ein Primärsensor ausgebildet sein, dessen Position von der Platine 19, insbesondere von an der Platine 19 angeordneten Sekundärsensoren (nicht dargestellt) erfasst wird. Um eine von äußeren Einflüssen, wie bspw. Temperatur, Vibration etc., unabhängige Positionierung der Targets 29, 30 gegenüber der Platine 19 oder gegenüber einer dafür vorgesehenen Gleitfläche, die bündig zur Platine 19 angeordnet ist, zu gewährleisten, werden die Targets 29, 30 jeweils über ein Federelement 31 zur Platine 19 hin vorgespannt. So kann eine hohe Messgenauigkeit des Drehwinkels der Lenkwelle 3 erzielt werden. Insbesondere sind die Targets 29, 30 und die Platine 19 dazu eingerichtet, den Drehwinkel der Lenkwelle 3 durch ein induktives Messprinzip zu erfassen.

Die Drehmomentsensoreinheit 8 ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Die Drehmomentsensoreinheit 8 weist einen Torsionsstab 32 mit einem vorbestimmten Torsionswiderstandsmoment, und mehrere Sensorelemente 33 auf, die radial außerhalb und beabstandet zu einer Mantelfläche 34 des Torsionsstabs 32 angeordnet sind. Der Torsionsstab 32 ist als eine Hohlwelle ausgebildet, und ist Teil der Lenkwelle 3. Die Mantelfläche 34 weist zumindest zwei zirkulare Magnetisierungsbereiche (nicht dargestellt) auf, die als ein Primärsensor zur Bestimmung des Drehmoments dienen. Die Sensorelemente 33 sind insbesondere als Magnetfeldsensoren ausgebildet, die als Sekundärsensoren zur Bestimmung des Drehmoments dienen. Die Primärsensoren, also die Magnetisierungsbereiche, dienen dazu, das zu messende Drehmoment in ein entsprechendes Magnetfeld zu wandeln. Die Sekundärsensoren, d.h., die Magnetfeldsensoren, sind dazu eingerichtet, dieses Magnetfeld in elektrische Signale umzuwandeln, welche zur Bestimmung des Drehmoments dienen.

Das Magnetfeld wird durch Spannungen hervorgerufen, die in der Mantelfläche 34 des Torsionsstabs 32 durch das Aufbringen des Drehmoments auftreten, was auch als inversmagnetostriktiver Effekt bezeichnet wird. Somit beruht die Messung des Drehmoments der Lenkwelle 3, also des Lenkmoments auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die Sensorelemente 33 sind in einem Gehäusedeckel 35 angeordnet, der die Lenkwelle 3 zumindest teilweise umgibt. Dadurch ist eine kurze Toleranzkette von den Sensorelementen 33 zum Torsionsstab 32 gewährleistet, und somit die Messgenauigkeit erhöht.

Bezugszeichenliste

1 Lenkeinheit

2 Lenkrad

3 Lenkwelle

4 Aktuator

5 Antriebseinheit

6 Schneckenradgetriebe

7 Drehwinkelsensoreinheit

8 Drehmomentsensoreinheit

9 Schneckenwelle

10 Schneckenrad

11 Ausgangswelle

12 erste Verzahnung / Hauptverzahnung

13 axiales Ende

14 Federeinheit

15 axiales Ende

16 Schwenklager

17 torsionales Dämpfungselement

18 Steckkupplung

19 Platine

20 Stirnrad

21 Zusatzstirnrad

22 Zusatzstirnrad

23 Welle

24 Welle

25 Gleitbuchse

26 Schutzdeckel

27 Getrieberaum

28 Sensorraum

29 erstes T arget

30 zweites Target

31 Federelement

32 Torsionsstab

33 Sensorelement

34 Mantelfläche

35 Gehäusedeckel

Claims

Ansprüche

1. Aktuator (4) für eine Lenkeinheit (1) eines Fahrzeugs, aufweisend: eine Antriebseinheit (5), die dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment auszugeben, ein Schneckenradgetriebe (6) aufweisend eine Schneckenwelle (9) und ein Schneckenrad (10) mit einer ersten Verzahnung (12), die mit der Schneckenwelle (9) in Verzahnungseingriff ist, wobei die Schneckenwelle (9) ferner drehmomentübertragend mit der Antriebseinheit (5) gekoppelt ist, und das Schneckenrad (10) eingerichtet ist, um mit einer Lenkwelle (3) der Lenkeinheit (1) drehmomentübertragend gekoppelt zu sein, eine Drehwinkelsensoreinheit (7), die dazu eingerichtet ist einen Drehwinkel des Schneckenrads (10) zu erfassen, und eine Drehmomentsensoreinheit (8), die dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment der Lenkwelle (3) zu erfassen, wobei die Drehwinkelsensoreinheit (7) dazu eingerichtet ist, eine absolute Winkelposition eines Multiturns des Schneckenrads (10) von mindestens etwa ± 360° zu erfassen, und die Drehmomentsensoreinheit (8) dazu eingerichtet ist, das Drehmoment der Lenkwelle (3) basierend auf dem invers-magnetostriktiven Effekt zu erfassen.

2. Aktuator (4) nach Anspruch 1 , wobei die Drehwinkelsensoreinheit (7) ferner aufweist: ein erstes Stirnrad (21), das drehmomentfest mit einer ersten Welle (23) verbunden ist, ein zweites Stirnrad (22), das drehmomentfest mit einer zweiten Welle (24) verbunden ist, ein erstes Target (29), das drehmomentfest mit dem ersten Stirnrad (21) gekoppelt ist, ein zweites Target (30), das drehmomentfest mit dem zweiten Stirnrad (22) gekoppelt ist, und eine feststehende Platine (19) mit zumindest einem Sensorelement, das dazu eingerichtet ist, einen Kontakt mit dem ersten Target (29) und/oder dem zweiten Target (30) zu erfassen, wobei das erste Stirnrad (21) und das zweite Stirnrad (22) mit einer zweiten Verzahnung (20) des Schneckenrads (10) ineinandergreifen, wobei das erste Stirnrad (21) eine erste Zahnanzahl aufweist und das zweite Stirnrad (22) eine zweite Zahnanzahl aufweist, die von der ersten Zahnanzahl verschieden ist, und wobei das erste Target (29) und das zweite Target (30) jeweils mittels einem Federelement (31) in Richtung der feststehenden Platine (19) vorgespannt sind.

3. Aktuator (4) nach Anspruch 2, ferner aufweisend einen Schutzdeckel (26), der zwischen einem Getrieberaum (27) und einem Sensorraum (28) angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, ein Eindringen von Schmutzpartikeln in den Sensorraum (28) im Wesentlichen zu verhindern.

4. Aktuator (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Drehmomentsensoreinheit (8) ferner aufweist: einen Torsionsstab (32), der ein vorbestimmtes Torsionswiderstandsmoment aufweist, und dazu eingerichtet ist mit dem Schneckenrad (10) gekoppelt zu sein, zumindest ein Sensorelement (33), das radial außerhalb und beabstandet zum Torsionsstab (32) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (33) dazu eingerichtet ist, eine torsionsinduzierte Spannungsänderung in einer Mantelfläche (34) des Torsionsstabs (32) zu erfassen.

5. Aktuator (4) nach Anspruch 4, wobei die Drehmomentsensoreinheit (8) mehrere Sensorelemente (33) aufweist, die in Umfangsrichtung des Torsionsstabs (32) im Wesentlichen gleichverteilt angeordnet sind.

6. Aktuator (4) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das zumindest eine Sensorelement (33) in einem Hauptdeckel (35) des Aktuators (4) angeordnet ist.

7. Aktuator (4) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Torsionsstab (32) als eine Hohlwelle oder eine Vollwelle ausgebildet ist.

8. Aktuator (4) nach Anspruch 1 bis 7, wobei das Schneckenrad (10) aus einem Kunststoff, oder aus einem Verbundwerkstoff hergestellt ist und/oder die Schneckenwelle (9) aus Stahl hergestellt ist.

9. Aktuator (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schneckenwelle (9) mittels einer Federeinheit (14) an einem axialen Ende (13) in radialer Richtung zum Schneckenrad (10) hin vorgespannt ist und/oder an einem anderen axialen Ende (15) schwenkbar gelagert ist.

10. Lenkeinheit (1) für ein Fahrzeug, aufweisend: eine Lenkwelle (3), ein Lenkrad (2), das drehmomentübertragend mit einem ersten axialen Ende der Lenkwelle (3) gekoppelt ist, und einen Aktuator (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Aktuator (4) drehmomentübertragend mit einem zweiten axialen Ende der Lenkwelle (3) gekoppelt ist.