WO2024256052A1 - Lenkaktuator für ein steer-by-wire-lenksystem eines kraftfahrzeugs und verfahren zum betrieb eines lenkaktuators - Google Patents

Lenkaktuator für ein steer-by-wire-lenksystem eines kraftfahrzeugs und verfahren zum betrieb eines lenkaktuators Download PDF

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WO2024256052A1
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actuator
sensor
steering
spindle nut
steering actuator
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Tamás Fejes
Janos Sneider
Wolfram RAITHER
Lukas Mazza
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0442—Conversion of rotational into longitudinal movement
    • B62D5/0445—Screw drives
    • B62D5/0448—Ball nuts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0225—Determination of steering angle by measuring on a steering gear element, e.g. on a rack bar

Definitions

  • the invention relates to a steering actuator for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle, comprising an actuator housing in which an actuator rod is mounted so as to be axially translationally displaceable, said actuator rod having a coaxial spindle thread which engages in a spindle nut which is axially supported in the actuator housing and can be driven in rotation by a motor, wherein a sensor device is provided for detecting the position of the actuator rod in the actuator housing.
  • a method for operating a steering actuator is also the subject of the invention.
  • a steering actuator is used in a motor vehicle steering system to generate the mechanical steering angle of one or more steerable wheels.
  • steering commands are entered manually into a steering handle, or in autonomous ferry operation they are generated automatically and converted into electrical control signals that control an electro-motor steering actuator to generate a steering angle of the wheels.
  • a generic motorized steering actuator has an actuator rod that is adjustable in its longitudinal direction, usually transversely to the direction of travel relative to the vehicle body, in an actuator housing that is fixed relative to the vehicle body.
  • the actuator rod is hinged to the steering knuckle of one or more steerable wheels of the vehicle.
  • the axial translational displacement of the actuator rod in the actuator housing causes a mechanical steering angle of the steerable wheels.
  • the linear displacement is achieved by an electric motor-driven spindle drive.
  • This comprises an axially supported spindle nut that is rotatably mounted in the actuator housing and into which a spindle thread of the actuator rod engages.
  • the spindle nut can be driven in rotation by an electric motor controlled by electrical control commands, whereby the actuator rod is linearly displaced in accordance with the rotation of the spindle nut and generates a mechanical steering angle via tie rods connected to the steering knuckles.
  • the steering angle is correlated with the axial position of the actuator rod in the actuator housing. To ensure safe operation, this linear position is recorded using an electrical sensor device, with the electrical position measurements being fed into an electrical control circuit of the steering system as actual values.
  • the actuator rod has a rack section to which a measuring wheel of a measuring sensor is coupled, which measures the axial position of the actuator rod.
  • the sensor device can have axially successive markings introduced into the actuator rod, which are scanned by means of an electrical measuring sensor for position detection, as proposed, for example, in WO 2018/233849 A1.
  • the known sensor devices enable reliable electrical measurement of the axial position of the actuator rod.
  • the measuring section required in each case requires additional effort to machine the actuator rod, and the length of the measuring section, which corresponds at least to the maximum axial adjustment path, leads to a relatively large overall length.
  • the measuring sensor attached to the actuator housing requires additional installation space, which is counteracting a compact design.
  • a steering actuator for a steer-by-wire steering system of a motor vehicle comprising an actuator housing in which an actuator rod is mounted so as to be axially translationally displaceable, which has a coaxial spindle thread which engages in a spindle nut which is axially supported in the actuator housing and can be driven in rotation by a motor, wherein a sensor device is provided for detecting the position of the actuator rod in the actuator housing, it is provided according to the invention that the sensor device has a rotation sensor which interacts with the spindle nut.
  • the angular position of the spindle nut is detected with respect to rotation around the axis of the actuator rod, which corresponds to the thread or spindle axis of the spindle thread, which is fixed with respect to rotation around the axis relative to the actuator housing. Because the angular position is clearly correlated with the axial position of the spindle thread via the pitch of the spindle thread, the axial position of the actuator rod relative to the actuator housing can be determined accordingly.
  • the overall length can be shortened, which means that more compact dimensions of the steering actuator can be achieved.
  • the measuring sensor can be integrated into the actuator housing in the area of the spindle nut bearing, which means that additional installation space can be saved compared to the prior art, in which a measuring sensor has to be arranged in the area of the markings at an axial distance from the spindle nut.
  • a further advantage is that the linear feed of the actuator rod corresponding to the thread pitch is smaller than the correlated amount of circumferential movement in the circumferential direction when the spindle nut rotates, measured on the spindle nut in a radius outside the thread diameter.
  • the manufacturing effort can be reduced by eliminating the processing required in the prior art to produce the markings.
  • the rotary sensor is designed as an absolute angle sensor. This enables a measurement of the absolute rotary position of the spindle nut, i.e. the absolute angular position relative to the spindle thread. Accordingly, an absolute angle measurement value is clearly correlated with the absolute axial position of the actuator rod, or its position relative to the actuator housing. In this way, the effort required for position measurement can be kept low.
  • it is possible to assign a clear, absolute measured value is assigned.
  • an absolute measured value of the position of the actuator rod corresponding to the current adjustment state is stored electronically by the sensor device, and a subsequent rotation of the spindle nut is measured relatively and added to the stored measured value in order to keep the absolute position measured value up to date. This type of operation is also referred to as "sleep mode" capable. This allows an incremental encoder that can be implemented with little effort to be used, which converts the rotation of the spindle nut into an angle-resolved pulse sequence.
  • the rotation sensor can be designed as a multi-turn sensor.
  • a number of revolutions of the spindle nut are required, which corresponds to the number of threads of the spindle thread, or in other words, the number of revolutions corresponds to the ratio of the possible axial adjustment path relative to the pitch of the thread.
  • a multi-turn sensor can also record the number of revolutions of the spindle nut, preferably as absolute measured values, so that the axial position of the actuator rod can be clearly measured in each adjustment state.
  • the rotary sensor prefferably be magnetic and/or capacitive and/or optical.
  • suitable, preferably contactless, measuring methods can be used for position detection.
  • the spindle nut can have a magnetic, capacitive and/or optically detectable coding on its circumference, which can be measured in a circumferential direction by a measuring sensor of the sensor device.
  • Such measuring methods can be integrated into the actuator housing with little space requirement.
  • the rotary sensor has a sensor element attached to the spindle nut and a measuring sensor that interacts with it and is attached to the actuator housing.
  • the sensor element can preferably be attached to the spindle nut over the entire circumference or can be integrated with it, for example in the form of a plurality of markings distributed over the circumference.
  • the measuring sensor is thus designed to correspond to the measuring method used and is fixed axially or radially to the actuator housing relative to it. This means that rotation of the spindle nut with the required angular resolution can be achieved in a space-saving manner and with little effort.
  • the sensor element it is possible for the sensor element to comprise a coaxial magnetic ring.
  • the magnetic ring can, for example, be attached axially to the front of the spindle nut. It can preferably have an angle-dependent magnetic coding.
  • the rotary sensor having an adjustment device.
  • the adjustment device enables the measuring sensor to be adjusted relative to the sensor element.
  • the optimal measuring distance can be easily set; in a non-contact measuring method, for example, an air gap as narrow as possible between the sensor element and the measuring sensor. This means that the sensor device can be easily calibrated during production after the sensor element and measuring sensor have been assembled.
  • the adjustment device can preferably be designed to adjust the measuring sensor axially and/or radially relative to the sensor element.
  • an axially and/or radially adjustable guide, an adjusting slide or the like can be provided in order to enable the positioning of a measuring sensor attached thereto at the optimal measuring distance.
  • the adjustment device can preferably enable axial and/or radial adjustment between the sensor element and the measuring sensor in order to enable optimal spatial positioning.
  • the adjusting device has at least one adjustment drive that can be adjusted relative to the actuator housing.
  • Such an adjustment drive can be designed to be manually adjustable and can, for example, comprise an adjusting screw that is screwed into an adjusting thread supported on the actuator housing and is connected to the measuring sensor.
  • the spindle nut is designed as a recirculating ball nut.
  • the spindle thread is thus designed to form a ball screw drive (KGT).
  • KGT ball screw drive
  • the rotary sensor it is also conceivable and possible for the rotary sensor to interact with a pulley of the belt transmission.
  • a KGT represents an efficient linear drive for converting the rotation of the spindle nut into an axial movement of the actuator rod. It is advantageous for the invention that the axial play to the spindle thread can be zero, so that an almost tolerance-free correlation between the rotational position of the spindle nut and the axial position of the actuator rod is possible.
  • a rotational position (angular position) of the spindle nut relative to the actuator housing is measured by a rotation sensor of the sensor device, and an axial position of the actuator rod is determined from the detected rotational position.
  • the axial position of the actuator rod in the actuator housing is determined from the measurement of the rotation of the spindle nut, taking the thread pitch into account.
  • the direct correlation means that the necessary conversion can be carried out with little effort.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a steering system according to the invention
  • Fig. 2 shows a steering actuator according to the invention in a perspective view
  • Fig. 3 is a longitudinal section through the steering actuator according to Fig. 2,
  • Fig. 4 is a schematic perspective sectional view of the steering actuator according to Figure 3. embodiments of the invention
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a steer-by-wire steering system 1, which comprises a steering column 2.
  • This has a support unit 21 which can be mounted on a vehicle body (not shown), of which a steering spindle 22 is mounted so as to be rotatable about its longitudinal axis.
  • a steering wheel 23 is mounted on the steering spindle 22 in a rotationally fixed manner for the input of manual steering commands.
  • the steering column 2 accommodates a rotation angle and torque detection sensor system (not shown in detail), which converts a steering command introduced into the steering spindle 22 by rotation of the steering wheel 23 into an electrical control signal, namely a steering signal.
  • the control signal is transmitted via an electrical control line 3 to an electrical steering actuator 4 according to the invention.
  • the electrical control signal can also be provided automatically in autonomous ferry operation, without manual steering intervention.
  • the steering actuator 4 - which is shown in detailed views in Figs. 2 to 4 - has an actuator housing 41, which has connecting elements (not shown here) for attachment to a vehicle body (not shown).
  • an actuator rod 5 which extends along an axis A, which is also referred to as actuator axis A, transversely to the direction of travel of the vehicle, is mounted axially, i.e. displaceably in its longitudinal direction predetermined by this axis A, as indicated by the double arrow.
  • the two outer ends of the actuator rod 5 protruding from the actuator housing 41 are each connected to a steerable wheel 61 via a tie rod 6, so that an axial displacement of the actuator rod 5 causes a steering angle of the wheel 61 relative to the roadway 62.
  • the steering actuator 4 has an electric motor drive that can be electrically controlled via the control line 3 and has an electric motor 42 attached to the actuator housing 41.
  • the motor 42 can drive a spindle nut 43 that is rotatably mounted in the actuator housing 41 and axially supported, which can be seen in Fig. 3.
  • a spindle thread 51 formed on the actuator rod 5 engages in this.
  • a linear spindle drive is formed, in which the actuator rod 5 can be moved axially, i.e. in its longitudinal direction, relative to the actuator housing 41 by the corresponding direction of rotation of the motor 42, as indicated by the double arrow in Fig. 3.
  • the spindle nut 43 can preferably be designed as a recirculating ball nut, as in the example shown.
  • Fig. 4 shows a partial longitudinal section in the area of the spindle nut 43 in a schematic perspective view.
  • a sensor device has a rotary sensor 7 which has a magnetic ring 71 attached axially to the front side of the spindle nut 43, in the illustrations in Figs. 3 and 4 on the left front side of the spindle nut 43.
  • the magnetic ring 71 is arranged coaxially to the axis A and has a magnetization encoded in the circumferential direction over its circumference, for example magnetic segments or the like.
  • a measuring sensor 72 is attached to the actuator housing 41, which has an electronic magnetic sensor, for example a GMR sensor or the like.
  • An adjusting device 8 is attached to the actuator housing 41, which comprises an axial adjustment drive 81, which has, for example, an adjusting screw that is screwed into a thread that is fixed relative to the actuator housing.
  • the measuring sensor 72 is attached to a radially adjustable adjustment element 82, which can have an adjusting slide or an adjusting screw, and can thus be adjusted in the radial direction, as indicated by the double arrow.
  • This adjusting element 82 can be axially displaced by adjusting the axial adjusting drive 81, as indicated by the double arrow.
  • the measuring sensor 72 is connected to an electronic measuring and evaluation device (not shown), which evaluates the measured values recorded depending on the rotational position of the spindle nut 43 and can use this to determine an axial position of the actuator rod 5.
  • a axis (actuator axis) A axis (actuator axis)

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lenkaktuator (4) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Aktuatorgehäuse (41), in dem eine Aktuatorstange (5) axial translatorisch verschiebbar gelagert ist, die ein koaxiales Spindelgewinde (51) aufweist, das in eine in dem Aktuatorgehäuse (41) axial abgestützte, motorisch drehend antreibbare Spindelmutter (43) eingreift, wobei eine Sensorvorrichtung vorgesehen ist zur Erfassung der Position der Aktuatorstange (5) in dem Aktuatorgehäuse (41). Um eine kompaktere Bauweise bei geringerem Aufwand zu ermöglichen, schlägt die Erfindung vor, dass die Sensorvorrichtung einen mit der Spindelmutter (43) zusammenwirkenden Drehsensor (7) aufweist.

Description

Lenkaktuator für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betrieb eines Lenkaktuators
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Lenkaktuator für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Aktuatorgehäuse, in dem eine Aktuatorstange axial translatorisch verschiebbar gelagert ist, die ein koaxiales Spindelgewinde aufweist, das in eine in dem Aktuatorgehäuse axial abgestützte, motorisch drehend antreibbare Spindelmutter eingreift, wobei eine Sensorvorrichtung vorgesehen ist zur Erfassung der Position der Aktuatorstange in dem Aktuatorgehäuse. Ein Verfahren zum Betrieb eines Lenkaktuators ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Ein Lenkaktuator dient in einem Kraftfahrzeug-Lenksystem zur Erzeugung des mechanischen Lenkeinschlags eines oder mehrerer lenkbarer Räder. Bei einem Steer-by-Wire-Lenk- system werden Lenkbefehle manuell in eine Lenkhandhabe eingegeben, oder im autonomen Fährbetrieb automatisiert erzeugt und in elektrische Steuersignale umgesetzt, die einen elektro-motorischen Lenkaktuator zur Erzeugung eines Lenkeinschlags der Räder ansteuern.
Ein gattungsgemäßer motorischer Lenkaktuator weist eine Aktuatorstange auf, die in ihrer Längsrichtung, üblicherweise quer zur Fahrtrichtung relativ zur Fahrzeugkarosserie, in einem relativ zur Fahrzeugkarosserie fixierten Aktuatorgehäuse verstellbar ist. Die Aktuatorstange ist am Achsschenkel eines oder mehrerer lenkbarer Räder des Fahrzeugs angelenkt. Die axiale translatorische Verschiebung der Aktuatorstange im Aktuatorgehäuse bewirkt einen mechanischen Lenkeinschlag der lenkbaren Räder.
Die lineare Verlagerung erfolgt bei einem gattungsgemäßen Lenkaktuator durch einen elektro-motorisch antreibbaren Spindeltrieb. Dieser umfasst eine in dem Aktuatorgehäuse drehbar gelagerte, axial abgestützte Spindelmutter, in die ein Spindelgewinde der Aktuatorstange eingreift. Die Spindelmutter kann von einem durch elektrische Steuerbefehle angesteuerten elektrischen Motor rotierend angetrieben werden, wodurch die Aktuatorstange entsprechend der Verdrehung der Spindelmutter linear verlagert wird und über mit den Achsschenkeln verbundene Spurstangen einen mechanischen Lenkeinschlag erzeugt. Der Lenkeinschlag ist mit der axialen Position der Aktuatorstange in dem Aktuatorgehäuse korreliert. Zur Realisierung eines sicheren Betriebs wird diese lineare Position mittels einer elektrischen Sensorvorrichtung erfasst, wobei die elektrischen Positions-Messwerte als Ist- Werte in einen elektrischen Regelkreis des Lenksystems eingespeist werden.
Im Stand der Technik ist es beispielsweise aus der DE 10 2021 205 316 A1 bekannt, dass die Aktuatorstange einen Zahnstangenabschnitt aufweist, mit dem ein Messrad eines Messaufnehmers gekoppelt ist, der die axiale Position der Aktuatorstange misst. Es ist weiter bekannt, dass die Sensorvorrichtung in die Aktuatorstange eingebrachte, axial aufeinander folgende Markierungen aufweisen kann, die mittels eines elektrischen Messaufnehmers zur Positionserfassung abgetastet werden, wie beispielsweise in der WO 2018/233849 A1 vorgeschlagen wird.
Die bekannten Sensorvorrichtungen ermöglichen eine zuverlässige elektrische Messung der axialen Position der Aktuatorstange. Der dabei in jedem Fall erforderliche Messabschnitt erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand zur Bearbeitung der Aktuatorstange, und die mindestens dem maximalen axialen Verstellweg entsprechende Länge des Messabschnitts führt zu einer relativ großen Baulänge. Darüber hinaus erfordert der an dem Aktuatorgehäuse angebrachte Messaufnehmer zusätzlichen Bauraum, was einer kompakten Bauform entgegensteht.
Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompaktere Bauweise bei geringerem Aufwand zu ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Lenkaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 11 . Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einem Lenkaktuator für ein Steer-by-Wire-Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Aktuatorgehäuse, in dem eine Aktuatorstange axial translatorisch verschiebbar gelagert ist, die ein koaxiales Spindelgewinde aufweist, das in eine in dem Aktuatorgehäuse axial abgestützte, motorisch drehend antreibbare Spindelmutter eingreift, wobei eine Sensorvorrichtung vorgesehen ist zur Erfassung der Position der Aktuatorstange in dem Aktuatorgehäuse, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung einen mit der Spindelmutter zusammenwirkenden Drehsensor aufweist. Gemäß der Erfindung wird die Winkelstellung der Spindelmutter bezüglich Rotation um die Achse der Aktuatorstange erfasst, die der Gewinde- bzw. Spindelachse des Spindelgewindes entspricht, welches bezüglich Rotation um die Achse relativ zum Aktuatorgehäuse feststeht. Dadurch, dass die Winkelstellung über die Steigung des Spindelgewindes eindeutig mit der axialen Position der des Spindelgewindes korreliert ist, kann daraus entsprechend die axiale Position der Aktuatorstange relativ zum Aktuatorgehäuse bestimmt werden.
Dadurch, dass an der erfindungsgemäßen Aktuatorstange keine axial abtastbaren Markierungen oder dergleichen ausgebildet sein müssen, kann die Baulänge verkürzt werden, wodurch kompaktere Abmessungen des Lenkaktuators realisierbar sind. Diesbezüglich ist es ebenfalls vorteilhaft, dass bei der Erfindung der Messaufnehmer im Bereich der Lagerung der Spindelmutter in das Aktuatorgehäuse integriert werden kann, wodurch gegenüber dem Stand der Technik, bei dem ein Messaufnehmer im Bereich der Markierungen von der Spindelmutter axial beabstandet angeordnet werden muss, zusätzlich Bauraum eingespart werden kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass der lineare Vorschub der Aktuatorstange entsprechend der Gewindesteigung kleiner ist als der damit korrelierte Betrag der Umfangsbewegung in Umfangsrichtung bei der Drehung der Spindelmutter, gemessen an der Spindelmutter in einem Radius außerhalb der des Gewindedurchmessers. Dadurch kann bereits durch eine relativ geringe Auflösung bei der Messung der Drehung der Spindelmutter eine relativ hohe lineare Messgenauigkeit bezüglich der Messung der linearen Position der Aktuatorstange realisiert werden, etwa vergleichbar mit der Umkehrung des Messprinzips einer analogen Mikrometerschraube.
Außerdem kann dadurch, dass die im Stand der Technik erforderliche Bearbeitung zur Erzeugung der Markierungen wegfällt, der Herstellungsaufwand reduziert werden.
Es ist vorteilhaft, dass der Drehsensor als Absolut-Winkelsensor ausgebildet ist. Dadurch wird eine Messung der absoluten Drehposition der Spindelmutter ermöglicht, also der absoluten Winkelposition relativ zum Spindelgewinde. Entsprechend ist ein absoluter Winkel- Messwert eindeutig korreliert mit der absoluten axialen Position der Aktuatorstange, bzw. ihrer Position relativ zum Aktuatorgehäuse. Auf diese Weise kann der zur Positionsmessung erforderliche Aufwand in vorteilhafter Weise gering gehalten werden. Zur praktischen Realisierung ist es möglich, dass jeder Winkelposition der Spindelmutter ein eindeutiger, absoluter Messwert zugeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein dem momentanen Verstellzustand entsprechender Absolut-Messwert der Position der Aktuatorstange von der Sensorvorrichtung elektronisch gespeichert wird, und eine nachfolgende Drehung der Spindelmutter relativ gemessen und zum gespeicherten Messwert addiert wird, um so den absoluten Positions-Messwert aktuell zu halten. Ein derartiger Betrieb wird auch als „sleep mode“-fähig bezeichnet. Dadurch kann ein mit geringem Aufwand realisierbarer Inkrementalgeber eingesetzt werden, der die Drehung der Spindelmutter in eine winkelaufgelöste Impulsfolge umsetzt.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Drehsensor als Multi-Turn-Sensor ausgebildet ist. Zur vollständigen Verstellung der Aktuatorstange in eine Mehrzahl von Umdrehungen der Spindelmutter erforderlich, die der Anzahl der Gewindegänge des Spindelgewindes entspricht, oder anders ausgedrückt entspricht die Anzahl der Umdrehungen dem Verhältnis des möglichen axialen Verstellwegs relativ zur Steigung des Gewindes. Ein Multi-Turn-Sen- sor kann zusätzlich zur Winkelstellung innerhalb einer Umdrehung die Anzahl der Umdrehungen der Spindelmutter erfassen, bevorzugt als Absolut-Messwerte, so dass in jedem Verstellzustand die axiale Position der Aktuatorstange eindeutig messbar ist.
Es ist möglich, dass der Drehsensor magnetisch und/oder kapazitiv und/oder optisch ausgestaltet ist. Es können im Prinzip zur Positionserfassung geeignete, vorzugsweise berührungslose Messverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Spindelmutter an ihrem Umfang eine magnetische, kapazitiv oder/und optisch erfassbare Kodierung aufweisen, die von einem Messaufnehmer der Sensorvorrichtung in Umfangsrichtung aufgelöst messbar ist. Derartige Messverfahren können mit geringem Raumbedarf in das Aktuatorgehäuse integriert werden.
Eine vorteilhafte Ausführung kann vorsehen, dass der Drehsensor ein an der Spindelmutter angebrachtes Sensorelement und einen damit zusammenwirkenden, an dem Aktuatorgehäuse angebrachten Messaufnehmer aufweist. Das Sensorelement kann bevorzugt über den gesamten Umfang an der Spindelmutter angebracht oder mit dieser integriert ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Mehrzahl von über den Umfang verteilten Markierungen. Der Messaufnehmer ist damit entsprechend dem eingesetzten Messverfahren korrespondierend ausgebildet, und relativ dazu axial oder radial an dem Aktuatorgehäuse fixiert. Dadurch kann eine Drehung der Spindelmutter mit der geforderten Winkelauflösung bauraumsparend und mit geringem Aufwand realisiert werden. In der vorgenannten Ausführung ist es möglich, dass das Sensorelement einen koaxialen Magnetring umfasst. Der Magnetring kann beispielsweise axial stirnseitig an der Spindelmutter angebracht sein. Er kann bevorzugt eine winkelabhängige magnetische Kodierung aufweisen. Der Messaufnehmer kann einen korrespondierenden Magnetsensor aufweisen, beispielsweise einen GMR-Sensor (= Giant Magnetic Resistance-Sensor), einen Hall-Sensor oder dergleichen, der in einem definierten Messabstand axial oder radial beabstandet relativ zum Magnetring positioniert ist. Dadurch wird eine robuste, gegenüber Störeinflüssen relativ unempfindliche berührungslose Messung der Winkelposition der Spindelmutter ermöglicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung kann dadurch realisiert sein, dass der Drehsensor eine Justiereinrichtung aufweist. Die Justiereinrichtung ermöglicht eine Verstellung des Messaufnehmer relativ zum Sensorelement. Auf diese Weise kann der optimale Messabstand einfach eingestellt werden, bei einem berührungslosen Messverfahren beispielsweise ein möglichst enger Luftspalt zwischen Sensorelement und Messaufnehmer. Dadurch kann bei der Fertigung nach der Montage von Sensorelement und Messaufnehmer einfach eine Kalibrierung der Sensorvorrichtung erfolgen.
Die Justiereinrichtung kann bevorzugt ausgebildet sein, um den Messaufnehmer axial und/oder radial relativ zum Sensorelement zu verstellen. Hierzu kann beispielsweise eine axial und/oder radial verstellbare Führung, ein Stellschlitten oder dergleichen vorgesehen sein, um die Positionierung eines daran angebrachten Messaufnehmers im optimalen Messabstand zu ermöglichen.
Die Justiereinrichtung kann vorzugsweise eine axiale und/oder radiale Verstellung zwischen Sensorelement und Messaufnehmer ermöglichen, um eine optimale räumliche Positionierung zu ermöglichen.
Es ist vorteilhaft, dass die Justiereinrichtung mindestens einen relativ zum Aktuatorgehäuse verstellbaren Einstelltrieb aufweist. Ein solcher Einstelltrieb kann manuell einstellbar ausgebildet sein, und beispielsweise eine Stellschraube umfassen, die in ein am Aktuatorgehäuse abgestütztes Stellgewinde eingeschraubt ist, und mit dem Messaufnehmer verbunden ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Spindelmutter als Kugelumlaufmutter ausgebildet ist. Das Spindelgewinde ist damit korrespondierend zur Bildung eines Kugelgewindetriebs (KGT) ausgebildet. Es ist weiterhin denkbar und möglich, dass der Drehsensor mit einer Riemenscheibe des Riemengetriebes zusammenwirkt. Ein KGT stellt einen effizienten Lineartrieb zur Umsetzung der Rotation der Spindelmutter in eine Axialbewegung der Aktuatorstange dar. Für die Erfindung ist es vorteilhaft, dass das axiale Spiel zum Spindelgewinde null sein kann, so dass eine nahezu toleranzfreie Korrelation zwischen der Drehstellung der Spindelmutter und der axialen Position der Aktuatorstange ermöglicht wird.
Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Lenkaktuators in einem Kraftfahrzeug, bei dem durch eine Sensorvorrichtung die axiale Position einer in einem Aktuatorgehäuse translatorisch verschiebbar gelagerten Aktuatorstange erfasst wird, wobei die Aktuatorstange ein koaxiales Spindelgewinde aufweist, das in eine in dem Aktuatorgehäuse axial abgestützte, motorisch drehend antreibbare Spindelmutter eingreift, ist erfindungsgemäß vorgesehen, durch einen Drehsensor der Sensorvorrichtung eine Drehposition (Winkelposition) der Spindelmutter relativ zum Aktuatorgehäuse gemessen wird, und aus der erfassten Drehposition eine axiale Position der Aktuatorstange ermittelt wird.
Bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens können sämtliche Vorgehensweisen umgesetzt sein, die vorangehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Lenkaktuator beschrieben sind.
Aus der Messung der Drehung der Spindelmutter wird unter Berücksichtigung der Gewindesteigung die axiale Position der Aktuatorstange in dem Aktuatorgehäuse bestimmt. Durch die direkte Korrelation kann die dazu erforderliche Umrechnung mit geringem Aufwand erfolgen.
Beschreibung der Zeichnungen
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lenksystems,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Lenkaktuator in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Lenkaktuator gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine schematische perspektivische Schnittansicht des Lenkaktuators gemäß Figur 3. Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Steer-by-wire-Lenksystem 1 , welches eine Lenksäule 2 umfasst. Diese weist eine an einer nicht gezeigten Fahrzeugkarosserie montierbare Trageinheit 21 auf, von der eine Lenkspindel 22 um ihre Längsachse drehbar gelagert ist. An ihrem bezüglich der Fahrtrichtung hinteren, fahrerseitigen Ende ist an der Lenkspindel 22 zur Eingabe manueller Lenkbefehle ein Lenkrad 23 drehfest montiert.
In der Lenksäule 2 ist eine im Einzelnen nicht dargestellte Drehwinkel- und Drehmomenterfassungssensorik untergebracht, welche einen durch Drehung des Lenkrads 23 in die Lenkspindel 22 eingebrachten Lenkbefehl in ein elektrisches Steuersignal, nämlich ein Lenksignal umsetzt.
Das Steuersignal wird über eine elektrische Steuerleitung 3 an einen erfindungsgemäßen elektrischen Lenkaktuator 4 geleitet.
Das elektrische Steuersignal kann im autonomen Fährbetrieb auch automatisiert, ohne manuellen Lenkeingriff, zur Verfügung gestellt werden.
Der Lenkaktuator 4 - der in Detailansichten in den Fig. 2 bis 4 gezeigt ist - weist ein Aktuatorgehäuse 41 auf, welches hier nicht dargestellte Verbindungselemente zur Anbringung an einer nicht dargestellten Fahrzeugkarosserie aufweist.
In dem Aktuatorgehäuse 41 ist eine Aktuatorstange 5, die sich entlang einer Achse A, die auch als Aktuatorachse A bezeichnet wird, quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs erstreckt, axial, d.h. in ihrer durch diese Achse A vorgegebenen Längsrichtung verschiebbar gelagert, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet ist.
Die beiden äußeren, aus dem Aktuatorgehäuse 41 vorstehenden Enden der Aktuatorstange 5 sind jeweils über eine Spurstange 6 mit einem lenkbaren Rad 61 verbunden, so dass eine axiale Verschiebung der Aktuatorstange 5 jeweils einen Lenkeinschlag des Rades 61 relativ zur Fahrbahn 62 bewirkt. Zur Erzeugung eines Lenkeinschlags weist der Lenkaktuator 4 einen über die Steuerleitung 3 elektrisch ansteuerbaren elektro-motorischen Antrieb mit einem an dem Aktuatorgehäuse 41 angebrachten elektrischen Motor 42 auf.
Von dem Motor 42 ist eine in dem Aktuatorgehäuse 41 drehbar gelagerte, axial abgestützte Spindelmutter 43 drehend antreibbar, die in Fig. 3 erkennbar ist. In diese greift ein an der Aktuatorstange 5 ausgebildetes Spindelgewinde 51 ein. Auf diese Weise wird ein linearer Spindeltrieb gebildet, bei dem durch entsprechende Drehrichtung des Motors 42 die Aktuatorstange 5 relativ zur Aktuatorgehäuse 41 axial, d.h. in ihrer Längsrichtung bewegt werden kann, wie in Fig. 3 mit dem Doppelpfeil angedeutet ist.
Die Spindelmutter 43 kann wie in dem gezeigten Beispiel bevorzugt als Kugelumlaufmutter ausgebildet sein.
Fig. 4 zeigt einen teilweisen Längsschnitt im Bereich der Spindelmutter 43 in einer schematischen perspektivischen Darstellung.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung weist einen Drehsensor 7 auf, der einen stirnseitig axial an der Spindelmutter 43 angebrachten Magnetring 71 aufweist, in den Darstelllungen von Fig. 3 und 4 auf der linken Stirnseite der Spindelmutter 43. Der Magnetring 71 ist zur Achse A koaxial angeordnet und weist eine über seinen Umfang eine in Umfangrichtung kodierte Magnetisierung auf, beispielsweise Magnetsegmente oder dergleichen.
Mit axialem Abstand, einem Luftspalt definierter axialer Breite, ist ein Messaufnehmer 72 an dem Aktuatorgehäuse 41 angebracht, der einen elektronischen Magnetsensor aufweist, beispielsweise einen GMR-Sensor oder dergleichen.
An dem Aktuatorgehäuse 41 ist eine Justiereinrichtung 8 angebracht, die einen axialen Einstelltrieb 81 umfasst, der beispielsweise eine Stellschraube aufweist, die in ein relativ zum Aktuatorgehäuse feststehendes Gewinde eingeschraubt ist. Der Messaufnehmer 72 ist an einem radial verstellbaren Einstellelement 82 angebracht, welches einen Stellschlitten oder eine Einstellschraube aufweisen kann, und kann damit in radialer Richtung verstellt werden, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet ist. Dieses Stellelement 82 kann durch Verstellen des axialen Stelltriebs 81 axial verlagert werden, wie mit dem Doppelpfeil angedeutet ist. Durch Verstellung des axialen Einstelltriebs 81 und des radialen Stellelements 71 kann die relative Position des Messaufnehmers 72 relativ zum Magnetring 71 axial und radial eingestellt werden. Der Messaufnehmer 72 ist an eine nicht dargestellte elektronische Mess- und Auswerteeinrichtung angeschlossen, welche die abhängig von der Drehposition der Spindelmutter 43 aufgenommenen Messwerte auswerten und daraus eine axiale Position der Aktuatorstange 5 bestimmen kann.
Bezugszeichenliste
1 Lenksystem
2 Lenksäule
21 Trageinheit
22 Lenkspindel
23 Lenkrad
3 Steuerleitung
4 Lenkaktuator
41 Aktuatorgehäuse
42 Motor
43 Spindelmutter
5 Aktuatorstange
51 Spindelgewinde
6 Spurstange
61 Rad
62 Fahrbahn
7 Drehsensor
71 Magnetring
72 Messaufnehmer
8 Justiereinrichtung
81 Einstelltrieb
82 Einstellelement
A Achse (Aktuatorachse)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lenkaktuator (4) für ein Steer-by-Wire-Lenksystem (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Aktuatorgehäuse (41), in dem eine Aktuatorstange (5) axial translatorisch verschiebbar gelagert ist, die ein koaxiales Spindelgewinde (51) aufweist, das in eine in dem Aktuatorgehäuse (41) axial abgestützte, motorisch drehend antreibbare Spindelmutter (43) eingreift, wobei eine Sensorvorrichtung vorgesehen ist zur Erfassung der Position der Aktuatorstange (5) in dem Aktuatorgehäuse (41), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung einen mit der Spindelmutter (43) zusammenwirkenden Drehsensor (7) aufweist.
2. Lenkaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsensor (7) als Absolut-Winkelsensor ausgebildet ist.
3. Lenkaktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsensor (7) als Multi-Turn-Sensor ausgebildet ist.
4. Lenkaktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsensor (7) magnetisch und/oder kapazitiv und/oder optisch ausgestaltet ist.
5. Lenkaktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsensor (7) ein an der Spindelmutter (43) angebrachtes Sensorelement (71) und einen damit zusammenwirkenden, an dem Aktuatorgehäuse (43) angebrachten Messaufnehmer (72) aufweist.
6. Lenkaktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (71) einen koaxialen Magnetring (71) umfasst.
7. Lenkaktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehsensor (7) eine Justiereinrichtung (8) aufweist.
8. Lenkaktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Justiereinrichtung (8) ausgebildet ist, um den Messaufnehmer (72) axial und/oder radial relativ zum Sensorelement (71) zu verstellen.
9. Lenkaktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Justiereinrichtung (8) mindestens einen relativ zum Aktuatorgehäuse (43) verstellbaren Einstelltrieb (81 , 82) aufweist.
10. Lenkaktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelmutter (43) als Kugelumlaufmutter ausgebildet ist.
11 . Verfahren zum Betrieb eines Lenkaktuators (4) in einem Kraftfahrzeug, bei dem durch eine Sensorvorrichtung die axiale Position einer in einem Aktuatorgehäuse (41) translatorisch verschiebbar gelagerten Aktuatorstange (5) erfasst wird, wobei die Aktuatorstange (5) ein koaxiales Spindelgewinde (51) aufweist, das in eine in dem Aktuatorgehäuse (41) axial abgestützte, motorisch drehend antreibbare Spindelmutter (43) eingreift, gekennzeichnet dadurch, dass durch einen Drehsensor (7) der Sensorvorrichtung eine Drehposition der Spindelmutter (43) relativ zum Aktuatorgehäuse (41) gemessen wird, und aus der erfassten Drehposition eine axiale Position der Aktuatorstange (5) ermittelt wird.
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