WO2025119413A1 - Lenkeinheit für fahrzeug - Google Patents

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WO2025119413A1
WO2025119413A1 PCT/DE2024/100725 DE2024100725W WO2025119413A1 WO 2025119413 A1 WO2025119413 A1 WO 2025119413A1 DE 2024100725 W DE2024100725 W DE 2024100725W WO 2025119413 A1 WO2025119413 A1 WO 2025119413A1
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WO
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sensor
handlebar
toothing
steering
steering unit
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/DE2024/100725
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English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian Bossecker
Benjamin Severin
Stefan Lenßen
Joseph GISSLER
Sebastian Müller
Jannick Altherr
Martin Vornehm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • B62D15/0245—Means or methods for determination of the central position of the steering system, e.g. straight ahead position
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D3/00—Steering gears
    • B62D3/02—Steering gears mechanical
    • B62D3/12—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type
    • B62D3/126—Steering gears mechanical of rack-and-pinion type characterised by the rack
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a steering unit, in particular a steer-by-wire steering unit for a vehicle.
  • Steering systems can be divided into two subsystems: the system of the steering shaft with a steering element, such as a steering wheel, which is also referred to as a "Hand Wheel Actuator” (HWA) system, and the system of the steering actuator for steering the wheels, which is also referred to as the "Road Wheel Actuator” (RWA) system.
  • HWA Heand Wheel Actuator
  • RWA Rad Wheel Actuator
  • these two subsystems are mechanically connected to one another via the steering column and, if applicable, a steering gear.
  • the two subsystems are directly, i.e. physically, connected to one another.
  • a position of the steering element is always uniquely linked to a position of the steering actuator, in particular a handlebar.
  • a specific position of the handlebar is uniquely assigned to a specific position of the steering element, so that each position of the handlebar is assigned to a specific position of the steering element.
  • steer-by-wire steering systems the mechanical connection between the two subsystems via the steering column is dispensed with, and the steering of the wheels according to a movement of the steering element is controlled by transmitting corresponding signals between the two subsystems HWA and RWA.
  • the physical steering column which transmits the steering movement or driver's input from the steering wheel directly via the steering gear, tie rod, and wheel carrier to the wheel, is replaced by "by wire," i.e., signal transmission via cable, electrically redundant.
  • the position of the steering element is no longer physically linked to the position of the handlebar.
  • Such a unique link between the position of the steering element and the position of the handlebar is usually achieved with a sensor system that is located in the RWA system and serves to detect the position of the To determine the steering rod.
  • a sensor system that is located in the RWA system and serves to detect the position of the To determine the steering rod.
  • Various sensor arrangements are known, for example from WO 2018/073267 A1, DE 11 2020 002 949 T5, DE 102021 212 470 A1.
  • an object of the present invention to provide an improved device for determining the position of a handlebar for a steering unit, in particular a steer-by-wire steering unit, of a vehicle, which device enables in particular an absolute, further in particular constant, determination of the handlebar position.
  • the handlebar is configured to be coupled at its axial ends to a wheel of the vehicle and has, at least in sections, a sensor gearing.
  • the positioning actuator is coupled to the handlebar in such a way that a rotational movement of the positioning actuator causes a translational movement of the handlebar along its longitudinal axis to change the position of the handlebar along a predetermined handlebar travel path.
  • the sensor gearing device has, at least in sections, a counter-toothing system corresponding to the sensor gearing of the handlebar, which meshes with the sensor gearing of the handlebar in such a way that the translational movement of the handlebar along its longitudinal axis causes a change in the position of the sensor gearing device along a predetermined sensor travel path.
  • a counter-toothing system corresponding to the sensor gearing of the handlebar, which meshes with the sensor gearing of the handlebar in such a way that the translational movement of the handlebar along its longitudinal axis causes a change in the position of the sensor gearing device along a predetermined sensor travel path.
  • relative sliding occurs that is equal to or greater than 80% of the handlebar travel path.
  • the sensor device for determining the position of the handlebar is configured to detect a position and/or a position change of the sensor toothing device along the predetermined sensor travel path.
  • the sensor gearing device and/or the sensor gearing on the handlebar each have a tooth height of less than 3 mm, more particularly less than 2 mm, wherein the tooth height is defined from a tooth tip to a tooth root. Furthermore, the tooth engagement has a tooth engagement angle of greater than 25°.
  • the sensor toothing is provided in particular only in local zones, i.e., in sections, on the handlebar, especially outside of other sliding and/or rolling zones provided on the handlebar.
  • the sensor toothing can be provided in sections or completely circumferentially, in particular in a helical thread.
  • Relative sliding of more than 80% of the predetermined sensor travel enables tooth engagement with low frictional resistance because the contact force of the sensor gearing device is low. This can reduce frictional force, frictional energy, and/or frictional wear.
  • the advantage of the solution according to the invention lies in particular in the fact that the movement of the handlebar along its longitudinal axis is recorded with a high degree of accuracy.
  • the required measuring path in this case the maximum sensor travel path that the sensor gearing device must be able to cover in order to determine the position, in particular the absolute position, of the handlebar, is smaller than the maximum travel path that the handlebar can cover.
  • the maximum travel path is defined as the path that the handlebar covers when it is moved from a maximum deflection position of the wheels, e.g., maximum possible inclination of the wheels to the left, to another maximum deflection position of the wheels, e.g., maximum possible inclination of the wheels to the right, along its longitudinal axis. This enables the position of the handlebar to be determined, in particular an absolute Position determination of the handlebar is possible with reduced installation space, especially compared to directly measuring linear displacement sensors.
  • the sensor device for determining the position of the handlebar in particular the absolute position of the handlebar, generally works independently and can essentially determine the position of the handlebar on its own with sufficiently high accuracy, resolution and reliability and output it as an output signal.
  • the output signal of the sensor device for determining the position of the handlebar with another signal, in particular the signal from a rotor position sensor from the actuator.
  • the rotor position sensor generally provides a highly precise signal corresponding to an electrical or mechanical angle of the rotor, which is required to control the actuator, in particular in the form of an electric motor.
  • the angle of the rotor is highly proportional to the position of the handlebar, in particular usually about 2-5 mm/rev.
  • continuous monitoring of the signal from the rotor position sensor and the signal from the sensor device for determining the position of the steering rod can make it possible to detect implausible discrepancies in the signals, which could indicate, for example, a belt jump and/or belt wear. This allows for early detection of an incipient failure of the mechanical system.
  • the position of the handlebar in particular the absolute position of the handlebar, using the Vernier principle.
  • the sensor device for position determination not to determine the absolute position of the handlebar, but rather to cover only a small, in particular high-resolution, measuring range on the handlebar, which is repeated periodically over the entire travel path of the handlebar.
  • the period length should in particular be selected such that it differs only slightly from that of the rotor position sensor and the difference or phase shift between the signals allows a clear determination of the position, in particular the absolute position, of the handlebar at any time. This can reduce the requirements with regard to the detection accuracy of the sensor device, since a significantly smaller measuring range must be covered, but this range must be repeated several times in a row.
  • Inductive sensor devices are particularly suitable for this purpose.
  • the sensor toothing of the steering rod has a helix angle of approximately 45° to 85°, in particular approximately 65° to 85°, and more particularly approximately 80°.
  • the sensor toothing is oriented virtually along the steering rod instead of transversely to the spindle, as is the case with conventional rack toothing.
  • Such an inclined position of the teeth supports the relative sliding of the sensor toothing device relative to the sensor toothing.
  • the steering unit further comprises a bearing unit for radially supporting the handlebar.
  • the bearing unit is designed to reduce or even prevent deflection of the handlebar in the radial direction and/or rotation of the handlebar about its own longitudinal axis, wherein a linear movement the handlebar along its longitudinal axis is still possible.
  • the bearing unit is arranged on a flattened section of the handlebar. The arrangement on a flattened section of the handlebar enables a simple and therefore cost-effective implementation of the bearing unit, since a flattened section particularly simplifies the implementation of an anti-twist device.
  • the bearing unit comprises a pressure piece and a pressure roller arranged opposite one another, guiding the handlebar between them so that it can move longitudinally.
  • the pressure piece generally serves to prevent the handlebar from rotating about its own longitudinal axis.
  • the pressure roller is generally designed to reduce or even prevent radial deflection of the handlebar, particularly in the area of the pressure piece, in order to ensure contact with the pressure piece that guides the handlebar.
  • the sensor toothing of the handlebar is essentially flat. This simplifies the manufacture of the sensor toothing because the handlebar does not need to be rotated during production, particularly by machining.
  • the sensor gearing device has at least one spur gear that is configured to rotate by a specific angle, in particular less than 360°, over the entire travel of the handlebar.
  • the rotation of the spur gear corresponds to the sensor travel.
  • the rotation angle of the spur gear is detected by the sensor device, e.g., by detecting a sensor target that is non-rotatably attached to the spur gear, and can be uniquely assigned to a position of the handlebar.
  • Unique here means that each angular position of the spur gear is assigned to only a single position of the handlebar, so that the position of the handlebar can be easily determined from the detected angular position.
  • a rotation of less than 360° over the entire travel of the handlebar enables the use of simple, and therefore cost-effective, sensors.
  • multi-turn sensors are generally used to enable a unique assignment between the angle of rotation and the position of the handlebar.
  • the sensor gearing device has two or more spur gears, all of which are in meshing engagement with the same sensor gearing, or the steering rod has a plurality of sensor toothing sections, and the two or more spur gears each mesh with one of these multiple sensor toothing sections.
  • the spur gears can all have the same configuration or different configurations, in particular with regard to a number of teeth and/or a helix angle.
  • the spur gear is mounted in a preloaded manner and/or a toothing of the spur gear has a helix angle of up to approximately 45°.
  • the spur gear is mounted in particular with axial and/or radial plain or roller bearings.
  • the spur gear is in particular preloaded against the handlebar, further in particular with a preload force greater than 100 N, in order to ensure that the tooth engagement between the spur gear and the sensor toothing of the handlebar is free of play under all operating conditions.
  • the teeth of the toothing on the spur gear are designed with a helix angle of up to approximately 45°, furthermore conical or tapered, or with another gear helix.
  • a rotational axis of the spur gear is oriented almost parallel, in particular substantially parallel, to the longitudinal axis of the handlebar.
  • the rotational axis of the spur gear can also be oriented at an angle of up to 45°, in particular less than 45°, relative to the longitudinal axis of the steering rod, whereby a straight-toothed spur gear can be used.
  • the sensor gearing device is designed as a two-stage spur gear having two meshing gears, wherein a first gear of the two-stage spur gear further meshes with the sensor gearing of the handlebar, and the spur gear has a gear ratio such that a second gear of the spur gear rotates through a predetermined angle, in particular less than 360°, over the entire travel of the handlebar.
  • a spur gear it is possible to design the sensor gearing on the handlebar as a straight gear, which simplifies the manufacture of the sensor gearing.
  • the first gear and the second gear can also be designed with straight teeth, and the rotational movement of the second gear over the entire travel of the handlebar is essentially defined by a gear ratio between the first gear and the second gear.
  • the rotation angle of the second gear is detected - analogous to the spur gear described above - by the sensor device, e.g. by detecting a sensor target that is rotationally attached to the second gear, and can be uniquely assigned to a position of the handlebar.
  • Unique here means that each angular position is assigned to only one position of the handlebar, so that the position of the handlebar can be easily determined from the detected angular position.
  • a rotation of less than 360° over the entire travel range of the handlebar enables the use of simple, and therefore cost-effective, sensors.
  • multi-turn sensors are generally used to enable a unique assignment between the rotation angle and the position of the handlebar.
  • the spur gear is mounted preloaded, particularly on the output side. This ensures backlash-free meshing between the spur gear and the handlebar.
  • the second spur gear can be preloaded by means of a spiral spring.
  • the second gear can be designed in two parts, with the two parts of the second gear being mounted clamped against each other.
  • the output-side preload ensures that the same flank always remains in tooth contact, even when the direction changes, making the preload less sensitive to tolerances, particularly manufacturing tolerances.
  • the preload can be rotational, particularly via the angle of rotation of the second gear, or via the radial distance of the second gear from the handlebar.
  • the teeth of the first gear can have a helix angle of up to approximately 45°.
  • the sensor gearing device has at least one internally toothed ring gear, which is arranged, in particular non-coaxially, for rotation around the handlebar, wherein an internal toothing of the ring gear meshes with the sensor toothing of the handlebar, and wherein the ring gear is configured to rotate over the entire handlebar travel path by a predetermined angle, in particular less than 360°.
  • the rotational movement of the ring gear corresponds to the sensor travel path.
  • the internally toothed ring gear can have a high number of teeth, thereby implementing a high degree of engagement, which enables secure contact between the sensor gearing device and the sensor gearing.
  • the ring gear can be made of a plastic, such as a single-material plastic, a plastic mixture, or a fiber-reinforced plastic or mixture.
  • the ring gear has a sensor target that is arranged on the ring gear in a rotationally fixed manner and is configured to be detected by the sensor device.
  • the sensor toothing is formed spirally on the outer surface of the handlebar.
  • the sensor toothing is formed helically around the outer surface.
  • the grooves of the sensor toothing are very long, as they run almost the length of the handlebar.
  • the sensor gearing device comprises a rack, in particular one with helical teeth, which meshes with the sensor teeth of the handlebar, wherein the rack is arranged substantially at right angles or orthogonally to the handlebar.
  • a movement of the handlebar along its longitudinal axis is converted into a longitudinal movement of the rack that is orthogonal or tangential thereto.
  • the length of the entire sensor travel path can be influenced.
  • the sensor travel path corresponds to the longitudinal movement of the rack.
  • a rack arranged at right angles to the handlebar results in relative sliding, i.e., slippage, of over 100%, which can be reduced to less than 100% by a slight inclination, i.e., a non-perpendicular, in particular skewed, orientation of the rack to the longitudinal axis of the handlebar.
  • the rack is arranged in or near the bearing unit for radially supporting the handlebar.
  • the arrangement of the rack in particular combined with the orientation of the rack substantially perpendicular to the handlebar movement, can virtually prevent distortion of the measured value detected by the sensor device due to deformation of the handlebar. If the rack is arranged close to, but next to, the bearing unit, such distortion can be kept particularly low.
  • the rack can be arranged or mounted in the pressure piece of the bearing unit, wherein the rack is in contact with the handlebar in the central region of the pressure piece. In the central region
  • the thrust piece in particular a plain bearing of the thrust piece, does not bear any load, meaning that no load is absorbed by the steering rod in this area. Therefore, this area can be left out and used to support the rack. Furthermore, the thrust piece always rests against the steering rod due to spring force, thus preventing distortion of the measured value or measurement signal even in the event of external force or deflection of the steering rod.
  • the rack and the sensor toothing of the handlebar mesh in such a way that the total rack travel is smaller than the total travel of the handlebar.
  • a gear ratio between the rack and the sensor toothing is selected such that the total rack travel, i.e. the sensor travel, is smaller than the total travel of the handlebar along its longitudinal axis.
  • the smaller or shorter movement of the rack simplifies the position determination of the handlebar by the sensor device, since the smaller movement is easier to measure.
  • the rack travel is less than one-third of the travel of the handlebar.
  • the rack is arranged to be axially displaceable relative to the bearing unit.
  • the axial relative movement relative to the bearing unit enables the perpendicular relative movement of the rack relative to the steering rod when the steering rod is moved along its longitudinal axis.
  • the sensor device comprises an inductive sensor, an xMR sensor, or a Hall sensor.
  • the sensor type can depend on the operating conditions, such as environmental influences, interference, etc.
  • the type of target is generally selected depending on the sensor type of the sensor device.
  • xMR sensor refers to all magnetoresistive (MR) sensors, such as GMR, TMR, AMR, etc. In other words, the "x" is a placeholder for the various types of magnetoresistive sensors.
  • the sensor device comprises at least one moving coil sensor, which is arranged at one axial end of the rack, surrounding the rack.
  • the moving coil sensor is an example of an inductive sensor.
  • the sensor device comprises two moving coil sensors, one of which is arranged at each axial end of the rack, surrounding the rack.
  • at least the axial ends of the rack have a metallic Material, e.g., iron or steel.
  • the externally arranged moving coil sensors are connected to the pressure piece of the bearing unit, so that the moving coil sensors follow any movement of the pressure piece, e.g., due to external forces on the steering rod, thus avoiding distortions of the measured value or the measurement signal due to a shift in the relative position of the rack to the moving coil sensors.
  • the rack can be formed at least predominantly from a plastic, such as a single-variety plastic, a plastic mixture or a fiber-reinforced plastic or mixture, whereby the cost and/or weight of the rack can be reduced compared to a rack made of metal.
  • a plastic such as a single-variety plastic, a plastic mixture or a fiber-reinforced plastic or mixture
  • the rack is preloaded in the axial and/or radial directions.
  • the rack is preloaded parallel and/or orthogonally to the steering rod and thus free of play.
  • even small deviations in the rack movement or position can lead to significant measurement errors, which can be reduced or even prevented by the backlash-free meshing between the rack and the sensor gearing of the steering rod.
  • Fig. 1 schematic representations of a steering unit according to an embodiment of the invention in a perspective view (a), a side view (b), a top view (c), and a perspective enlarged detail view (d)
  • Fig. 2 is a schematic, enlarged representation of a partial section of a steering unit according to an embodiment of the invention in a view from the front,
  • FIG. 3 schematic, enlarged representations of a partial section of a steering unit according to an embodiment of the invention in a side view (a) and a view from above (b),
  • Fig. 4 is a schematic representation of a steering unit according to an embodiment of the invention in a side view
  • Fig. 5 is a schematic representation of a steering unit according to an embodiment of the invention in a perspective view
  • FIG. 6 schematic representations of a steering unit according to an embodiment of the invention in a perspective view (a) and a side view (b),
  • Fig. 7 is a schematic, enlarged view of a partial section of a steering unit according to an embodiment of the invention in a front view
  • Fig. 8 is a schematic partial representation of a steering unit according to an embodiment of the invention in a perspective view
  • Fig. 9 is a schematic cross-sectional view of a steering unit according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 10 is a schematic partial representation of a steering unit according to an embodiment of the invention in a perspective view
  • Fig. 11 is a schematic longitudinal sectional view of a steering unit according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 to Fig. 11 all schematically and exemplarily show a steering unit 1 or sections of the steering unit 1 according to various embodiments of the invention. Even if not everything is shown for each embodiment, the steering unit 1 according to all shown exemplary embodiments has a steering rod 2, a control actuator 3 (see, for example, Fig. 8), a sensor gearing device 4, and a sensor device 5 for determining the position of the steering rod (see, for example, Fig. 8 and Fig. 9).
  • the embodiments shown in Fig. 1 to Fig. 11 differ in Essentially in the design and the measuring principle of the sensor gearing device 4. Thus, the embodiments can be roughly divided according to the measuring principle for determining the position of the handlebar 2 into a rotary measuring principle (Fig. 1 to Fig. 7) and a translatory measuring principle (Fig. 8 to Fig. 11).
  • Fig. 1 to Fig. 3 show a steering unit 1 according to an exemplary embodiment of the invention in various views.
  • the steering rod 2 according to the embodiment shown in Fig. 1 has a spindle section 6 and a section 7 that is flattened on one side.
  • the spindle section 6 has a screw contour 8 with a typical pitch of approximately 8 mm and is part of a ball screw drive (not shown) that serves to convert the rotational movement of the actuating actuator 3 into a translational movement of the steering rod 2 along its longitudinal axis L.
  • a bearing unit 9 is arranged on the flattened section 7 and comprises a pressure piece 10 (not shown in Fig. 1(d)) and a pressure roller 11.
  • the flattened section 7 has several functional zones distributed over the circumference.
  • a partial circle section 12 of the handlebar 2, on which the pressure piece 10 is arranged is designed as a sliding surface, via which the handlebar 2 is arranged so as to be axially displaceable relative to the pressure piece 10 along its longitudinal axis L.
  • a section 13 arranged opposite the sliding surface, which is flattened on one side here, serves, among other things, as a rolling surface 14 (see in particular Fig. 1(d)), on which the pressure roller 11 rolls in order to prevent rotation of the handlebar 2 about its longitudinal axis L (see also Fig. 2).
  • the section 13 further comprises a sensor toothing 15, which is designed as a strong helical toothing with a helix angle ⁇ of approximately 80° (see Fig. 3(b)).
  • the sensor toothing 15 can have a helix angle ⁇ of approximately 60° to approximately 85°.
  • Such a strong inclination of the sensor toothing 15 enables or causes the sensor toothing device 4, which is in engagement with the sensor toothing 15 of the handlebar 2, to slide in this tooth engagement rather than roll.
  • a relative sliding of more than 80% is possible here, and in particular even desirable.
  • the pressure roller 11 is recessed in the area of the sensor toothing 15, so that the sensor toothing 15 can, so to speak, dip under the pressure roller 11 when the handlebar 2 moves along its longitudinal axis L.
  • the pressure roller 11 does not touch the sensor toothing 15, whereby wear of the sensor toothing 15 due to rolling contact with the pressure roller 11 is avoided.
  • the sensor toothing 15 can also be formed in other areas of the section 13 (see, for example, Fig. 4 or Fig. 6).
  • a production-related run-out zone 19 of a rolling tool required for producing the sensor toothing 15 to protrude into the spindle section 6.
  • a run-out zone 20 of the screw contour 8 formed on the spindle section 6 and the run-out zone 19 of the sensor toothing 15 can overlap. Furthermore, it is even conceivable for an operating zone of the sensor toothing 15 to overlap with the run-out zone 20 of the screw contour 8, provided the spur gear 16 is suitably wide, e.g., 20 mm with a pitch of approximately 8 mm.
  • the sensor gearing device 4 is designed as a helical-toothed spur gear 16 that meshes with the sensor gearing 15 of the handlebar 2 such that it rotates about a rotation axis R (see in particular Fig. 3(a)) when the handlebar 2 moves along its longitudinal axis L.
  • the rotation axis R is oriented almost parallel to the longitudinal axis L of the handlebar 2.
  • a helix angle of the helical gearing of the spur gear 16, which can also be referred to as sensor gear 17, is approximately 45° here, for example.
  • a sensor target 18, for example a magnet is arranged on the spur gear 16 in a rotationally fixed manner.
  • the sensor target 18 is configured to be detected by the sensor device 5 (not shown in Fig. 1 to Fig. 3, but embodied, for example, as a sensor PCB or sensor chip and arranged opposite the sensor target 18). Since the sensor target 18 rotates together with the spur gear 16, the sensor device 5 detects a rotational movement or a rotation angle of the spur gear 16 via the sensor target 18, based on which the position of the handlebar 2 can be determined. In particular, the tooth engagement between the spur gear 16 and the sensor toothing 15 is selected such that the spur gear 16 rotates by less than 360° over the entire travel path of the handlebar 2. This enables the use of simple and cost-effective sensors for the sensor device 5 to determine the position of the handlebar 2.
  • Fig. 4 shows an embodiment of the steering unit 1, in which the sensor toothing 15 is arranged or formed on both sides between the pitch circle section 12, designed as a sliding zone for the pressure piece 10, and the rolling surface 14 for the pressure roller 11. Since the sensor toothing 15 is not arranged on the rolling surface 14, the pressure roller 11 does not have to be recessed. Furthermore, the sensor device 5 here has several, for example three, spur gears 16, each of which serves as sensor wheels 17. This Redundancy is created, which provides protection in the event of a failure or defect of one of the sensor wheels 17. The multiple sensor wheels 17 do not have to be identical, but can, for example, have different numbers of teeth.
  • the bearing unit 9 has, as shown here, a pressure piece 10 and a pressure roller 11, wherein the pressure piece 10 is designed here, for example, as a sliding element and the pressure roller 11 is designed, for example, as a rolling element.
  • both the pressure piece 10 and the pressure roller to be designed as sliding elements, or alternatively, both as rolling elements.
  • the bearing unit 9 it is conceivable for the bearing unit 9 to have further, additional sliding and/or rolling elements.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the steering unit 1 in which the sensor gearing device 4 is designed as a two-stage spur gear 21.
  • the two-stage spur gear 21 comprises a first gear 22 and a second gear 23, which mesh with each other at a predetermined gear ratio.
  • the first gear 22 is further meshed with the sensor toothing 15 of the handlebar 2, and the second gear 23 functions as the sensor wheel 17. Due to the gear ratio between the first gear 22 and the second gear 23, the first gear 22 can, in particular, undergo several 360° rotations over the entire travel path VWL of the handlebar 2, i.e., from the leftmost position of the first gear 22 in Fig.
  • the sensor gearing device 4 designed as a two-stage spur gear 21, it is possible to also straight-toothed.
  • the pressure roller 11 (schematically indicated to the right of the first gear 22) must also be partially recessed to prevent it from rolling on the sensor toothing 15 formed in the rolling surface 14.
  • the second gear 23 is further preloaded by a spiral spring 24 to ensure backlash-free tooth engagement under all operating conditions.
  • the two-stage spur gear 21 requires only a small opening or bulge in a housing 25 of the steering rod 2, in the contact area with the steering rod 2.
  • Fig. 6 and Fig. 7 show an embodiment of the steering unit 1, in which the sensor toothing 15 is designed as spiral or helical grooves 26 that essentially run around the handlebar 2, and the sensor toothing device 4 is designed as an internally toothed ring gear 27.
  • the sensor toothing 15 is designed as spiral or helical grooves 26 that essentially run around the handlebar 2
  • the sensor toothing device 4 is designed as an internally toothed ring gear 27.
  • the sensor toothing 15 is designed as spiral or helical grooves 26 that essentially run around the handlebar 2
  • the sensor toothing device 4 is designed as an internally toothed ring gear 27.
  • teeth of the sensor toothing 15 run parallel to the handlebar 2 up to an angle of approximately 10
  • the internally toothed ring gear 27 engages with the sensor toothing 15 and, due to a comparatively high number of teeth, has a high overlap, which can improve the tooth engagement.
  • the internally toothed ring gear 27 serves here as the sensor wheel 17.
  • the ring gear 27 itself is received in the housing 25 of the handlebar 2 by sliding or rolling bearings and comprises in particular a plastic, such as a single-variety plastic, a plastic mixture, a fiber-reinforced plastic or mixture.
  • the sensor target 18 is designed as a cylindrical target ring made of metal, which serves as the outer surface of the ring gear 27.
  • a disk-shaped sensor target 18 is also possible.
  • the internally toothed ring gear 27 is designed eccentrically to the handlebar 2.
  • the ring gear 27 can, for example, be inserted into the housing 25 of the handlebar from the right or from the left. A housing division would also be conceivable in order to simplify the assembly of the ring gear 27.
  • Fig. 8 to Fig. 11 show an embodiment of the steering unit 1, in which the sensor toothing device 4 is designed as a rack 28, which is arranged at right angles to the sensor toothing 15 of the steering rod 2 and is in meshing engagement with it.
  • the sensor toothing 15 is shown here as an example as a strong helical toothing in the region the bearing unit 9, more precisely, in the area of the pressure piece 10. Due to the tooth engagement between the rack 28 and the sensor toothing 15, the longitudinal movement of the steering rod 2 along its longitudinal axis L is converted into a longitudinal movement of the rack 28 that is essentially orthogonal or tangential thereto.
  • a transmission ratio between the sensor toothing 15 of the steering rod 2 and the toothing of the rack 28 is selected such that the longitudinal movement of the rack 28 is in particular less than one-third of the longitudinal movement of the steering rod 2 and is thus much smaller or shorter and easier to measure.
  • the rack 28 is, in particular, helically toothed and, here, for example, mounted in the pressure piece 10. This means that the rack 28 is in contact with the steering rod 2 via a central region 29 of the pressure piece 10. The function of the pressure piece 10 is not impaired by this, since the pressure piece 10 is only load-bearing in the outer regions 30, but not in the central region 29.
  • the movement of the rack 28 can, for example, be measured or detected by means of moving coil sensors 31 arranged on both sides, as shown in Fig. 8 and Fig. 9.
  • the moving coil sensors 31 are inductive sensors, which means that the rack 28 must have a metallic material, e.g., iron or steel, at least in the region of its axial ends. Otherwise, the rack 28 can also be made predominantly from a plastic or similar material.
  • the plunger coil sensors 31 are connected to the pressure piece 10 so that they follow every movement of the pressure piece 10, e.g. due to external forces on the handlebar 2.
  • the arrangement of the rack 28 within the pressure piece 10 is particularly suitable because the pressure piece is preloaded against the handlebar 2 by a spring element 32 and thus always rests against the handlebar 2. This prevents distortion of the measurement signal generated by the plunger coil sensors 31, even in the event of external force or deflection of the handlebar 2. Furthermore, by positioning the rack 28 in or near the bearing unit 9, combined with the perpendicular orientation to the handlebar 2, distortion of the measured value due to deformation of the handlebar 2 can be virtually eliminated.
  • the rack 28, as shown in Fig. 9, is preloaded both axially and radially in order to achieve a backlash-free state of the rack 28.
  • rolling elements e.g. balls, needles, rollers, etc., can be arranged in the contact area as so-called "arren" (not shown), which can reduce the friction and/or the resistance in the tooth engagement between the rack 28 and the steering rod 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkeinheit (1), insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinheit, für ein Fahrzeug, aufweisend: eine Lenkstange (2), die dazu eingerichtet ist, an ihren axialen Enden jeweils mit einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt zu sein, wobei die Lenkstange (2) zumindest abschnittsweise eine Sensor-Verzahnung (15) aufweist, einen Stellaktor (3), der mit der Lenkstange (2) derart gekoppelt ist, dass eine Rotationsbewegung des Stellaktors (3) eine Translationsbewegung der Lenkstange (2) zur Positionsänderung der Lenkstange (2) entlang eines vorbestimmten Lenkstangen-Verfahrwegs (VWL) bewirkt, eine Sensor-Verzahnungseinrichtung (4), die zumindest abschnittsweise eine zur Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) entsprechende Gegenverzahnung aufweist, die derart mit der Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) in Zahneingriff ist, dass die Translationsbewegung der Lenkstange (2) eine Positionsänderung der Sensor-Verzahnungseinrichtung (4) entlang eines vorbestimmten Sensor-Verfahrwegs bewirkt, wobei im Zahneingriff zwischen der Sensor-Verzahnungseinrichtung (4) und der Sensor- Verzahnung (15) der Lenkstange (2) ein Relativgleiten auftritt, das gleich oder größer als 80% der Translationsbewegung der Lenkstange (2) ist, und eine Sensoreinrichtung (5) zur Positionsbestimmung der Lenkstange (2), die dazu eingerichtet ist, eine Position der Sensor-Verzahnungseinrichtung (4) entlang des vorbestimmten Sensor-Verfahrwegs (15) zu erfassen.

Description

Lenkeinheit für Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkeinheit, insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinheit für ein Fahrzeug.
Stand der Technik
Heutzutage sind sowohl mechanische Lenksysteme bzw. Lenkeinheiten sowie sogenannte steer-by-wire Lenksysteme bzw. Lenkeinheiten bekannt. Dabei können die Lenksysteme in zwei Subsysteme unterteilt werden, das System der Lenkwelle mit einem Lenkelement, wie bspw. ein Lenkrad, das auch als „Hand Wheel Actuator“ (HWA) System bezeichnet wird, und das System des Lenkungsstellers zur Lenkung der Räder, das auch als „Road Wheel Actuator“ (RWA) System bezeichnet wird. Bei den mechanischen Lenksystemen sind diese beiden Subsysteme über die Lenksäule und ggf. ein Lenkgetriebe mechanisch miteinander verbunden. Somit sind die beiden Subsysteme bei den mechanischen Lenksystemen direkt, also physisch, miteinander verbunden. Bei diesen mechanischen Lenksystemen ist somit eine Position des Lenkelements immer eineindeutig einer Position des Lenkungsstellers, insbesondere einer Lenkstange, verknüpft. Das bedeutet, einer bestimmten Position des Lenkelements ist eine bestimmte Position der Lenkstange eineindeutig zugeordnet, sodass jeder Position der Lenkstange jeweils eine bestimmte Position des Lenkelements zugeordnet ist.
Bei den steer-by-wire Lenksystemen wird auf die mechanische Verbindung zwischen den beiden Subsystemen über die Lenksäule verzichtet und die Lenkung der Räder entsprechend einer Bewegung des Lenkelements wird durch Übermittlung entsprechender Signale zwischen den beiden Subsystemen HWA und RWA gesteuert. Anders gesagt, wird mit steer-by-wire Lenksystemen die physische Lenksäule, welche die Lenkbewegung oder Fahrerwünsche vom Lenkrad direkt über Lenkgetriebe und Spurstange sowie Radträger auf das Rad überträgt, durch „by wire“, also Signalübertragung mittels Kabel, elektrisch redundant ersetzt. Dadurch ist eine Position des Lenkelements nicht länger physisch mit einer Position der Lenkstange gekoppelt, und eine solche eineindeutige Kopplung der Position des Lenkelements mit der Position der Lenkstange wird üblicherweise mit einer Sensorik gelöst, die im RWA-System angeordnet ist und dazu dient, die Position der Lenkstange zu ermitteln. Dabei sind verschiedene Sensorik-Anordnungen, wie z.B. aus der WO 2018/073267 A1 , DE 11 2020 002 949 T5, DE 102021 212 470 A1, bekannt.
Es hat sich nunmehr herausgestellt, dass ein weiterer Bedarf besteht, eine bekannte Vorrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange für eine Lenkeinheit, insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinheit, eines Fahrzeugs zu verbessern. Insbesondere besteht ein weiterer Bedarf, eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange bereitzustellen, die es ermöglicht, die Position der Lenkstange absolut zu bestimmen, und weiter insbesondere auch nachdem sich das Fahrzeug in einem abgeschalteten bzw. stromlosen Zustand befand.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Positionsbestimmung einer Lenkstange für eine Lenkeinheit, insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinheit, eines Fahrzeugs bereitzustellen, die insbesondere eine absolute, weiter insbesondere ständige, Bestimmung der Lenkstangenposition ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Lenkeinheit, insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinheit, für ein Fahrzeug weist eine Lenkstange, einen Stellaktor, eine Sensor-Verzahnungseinrichtung und eine Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange. Die Lenkstange ist dazu eingerichtet, an ihren axialen Enden jeweils mit einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt zu sein, und weist zumindest abschnittsweise eine Sensor-Verzahnung auf. Der Stellaktor ist mit der Lenkstange derart gekoppelt, dass eine Rotationsbewegung des Stellaktors eine Translationsbewegung der Lenkstange entlang ihrer Längsachse zur Positionsänderung der Lenkstange entlang eines vorbestimmten Lenkstangen-Verfahrwegs bewirkt. Die Sensor- Verzahnungseinrichtung, weist zumindest abschnittsweise eine zur Sensor-Verzahnung der Lenkstange entsprechende Gegenverzahnung auf, die derart mit der Sensor-Verzahnung der Lenkstange in Zahneingriff ist, dass die Translationsbewegung der Lenkstange entlang ihrer Längsachse eine Positionsänderung der Sensor-Verzahnungseinrichtung entlang eines vorbestimmten Sensor-Verfahrwegs bewirkt. Dabei tritt im Zahneingriff zwischen der Sensor- Verzahnungseinrichtung und der Sensor-Verzahnung ein Relativgleiten auf, das gleich oder größer als 80% des Lenkstangen-Verfahrwegs ist. Die Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange ist dazu eingerichtet, eine Position und/oder eine Positionsänderung des Sensor-Verzahnungseinrichtung entlang des vorbestimmten Sensor- Verfahrwegs zu erfassen.
Die Sensor-Verzahnungseinrichtung und/oder die Sensor-Verzahnung an der Lenkstange weisen insbesondere jeweils eine Zahnhöhe von kleiner als 3 mm, weiter insbesondere von kleiner als 2 mm, auf, wobei die Zahnhöhe von einem Zahnkopf bis zu einem Zahnfuß definiert ist. Darüber hinaus weist der Zahneingriff insbesondere einen Zahneingriffswinkel von größer als 25° auf.
Die Sensor-Verzahnung ist insbesondere nur an lokalen Zonen, also abschnittsweise, an der Lenkstange vorgesehen, insbesondere außerhalb sonstiger, an der Lenkstange vorgesehenen Gleit- und/oder Wälzzonen. In Bezug auf den Umfang der Lenkstange bzw. einer Mantelfläche der Lenkstange gesehen, kann die Sensor-Verzahnung abschnittsweise oder vollständig umlaufend, insbesondere helix-förmig schraubend, vorgesehen sein.
Das Relativgleiten von größer als 80% des vorbestimmten Sensor-Verfahrwegs ermöglicht einen Zahneingriff mit einem geringen Reibwiderstand, weil eine Andruckkraft der Sensor- Verzahnungseinrichtung gering ist. Dadurch können Reibkraft, Reibenergie und/oder Reibverschleiß reduziert werden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die Bewegung der Lenkstange entlang ihrer Längsachse mit einer hohen Genauigkeit erfasst wird. Dabei ist der erforderliche Messweg, hier der maximale Sensor-Verfahrweg, den die Sensor- Verzahnungseinrichtung zurücklegen können muss, um die Position, insbesondere die Absolutposition, der Lenkstange bestimmen zu können, kleiner ist als der maximale Verfahrweg, den die Lenkstange zurücklegen kann. Dabei ist der maximale Verfahrweg als ein Weg definiert, den die Lenkstange zurücklegt, wenn sie von einer maximal ausgelenkten Position der Räder, z.B., maximal mögliche Schrägstellung der Räder nach links, zu einer anderen maximalen ausgelenkten Position der Räder, z.B., maximal mögliche Schrägstellung der Räder nach rechts, entlang ihrer Längsachse bewegt wird. Dadurch ist eine Positionsbestimmung der Lenkstange, insbesondere eine absolute Positionsbestimmung der Lenkstange, mit reduziertem Bauraum, insbesondere im Vergleich zu direkt messenden linearen Wegsensoren, möglich.
Man kann also sagen, dass die Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange, insbesondere der absoluten Position der Lenkstange, im Allgemeinen selbstständig arbeitet und die Position der Lenkstange mit ausreichend hoher Genauigkeit, Auflösung und Ausfallsicherheit im Wesentlichen allein bestimmen und als Ausgabesignal ausgeben kann.
Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, das Ausgabesignal der Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange mit einem weiteren Signal, insbesondere dem Signal eines Rotorlagesensors aus dem Stellaktor, zu kombinieren. Der Rotorlagesensor liefert in der Regel ein hoch präzises Signal entsprechend eines elektrischen oder mechanischen Winkels des Rotors, welches zur Ansteuerung des Stellaktors, insbesondere in Form eines Elektromotors, erforderlich ist. Der Winkel des Rotors verhält sich hochübersetzt proportional zur Position der Lenkstange, insbesondere üblicherweise etwa 2-5 mm/U, lässt aber - für sich allein betrachtet - keine Bestimmung der Absolutposition der Lenkstange zu, da der Winkel des Rotors über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange, der auch als Lenkstangenverfahrweg bezeichnet werden kann, mehrere vollständige Umdrehungen durchführt, z.B. in der Größenordnung von etwa 20-100 Umdrehungen. In Kombination mit der Sensoreinrichtung der vorstehend beschriebenen, insbesondere erfindungsgemäßen, Lenkeinheit ist nun eine genaue Positionsbestimmung der Lenkstange, insbesondere der Absolutposition der Lenkstange möglich, wobei die Sensoreinrichtung hierbei lediglich eine niedrige Auflösung bzw. Genauigkeit aufweisen muss, da die Sensoreinrichtung nur eine grobe Bestimmung der Positionsbestimmung der Lenkstange durchführen muss, während der Rotorlagesensor die hohe Auflösung bzw. Genauigkeit, sozusagen die
Nachkommastellen, liefert. Eine solche Kombination kann es ermöglichen, die Auflösung und die Genauigkeit weiter zu verbessern.
So können die Kosten für die Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange, und somit für die Lenkeinheit, reduziert werden, da die an die Sensoreinrichtung gestellten Anforderungen geringer sind als in einem Fall, in dem die Sensoreinrichtung allein, also selbstständig, die hohe Genauigkeit bzw. Auflösung liefern muss. Selbst in einem Fall, in dem der Rotorlagesensor während des Betriebs ausfällt, ist es möglich, den Stellaktor behelfsmäßig anhand des Signals der Sensoreinrichtung zu regeln, auch wenn die Auflösung bzw. Genauigkeit der Sensoreinrichtung bezogen auf den Winkel des Rotors des Stellaktors eher gering ist. Umgekehrt ist es auch möglich, einen Ausfall der Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange während des Betriebs durch ein inkrementelles „Mitzählen“ des Signals des Rotorlagesensors behelfsmäßig zu kompensieren, insbesondere zumindest so lange, solang eine Bestromung des Rotorlagesensor und ggf. einem zugehörigen Steuergerät, sichergestellt ist.
Darüber hinaus kann eine ständige Überwachung des Signals des Rotorlagesensors und des Signals der Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung der Lenkstange es ermöglichen, unplausible Diskrepanzen in den Signalen zu erkennen, die bspw. auf einen Riemensprung und/oder Verschleiß am Riemen hinweisen können. So kann ein beginnender Ausfall der Mechanik frühzeitig erkannt werden.
Ferner ist es denkbar die Position der Lenkstange, insbesondere die Absolutposition der Lenkstange, mit Hilfe des Nonius-/Vernier-Prinzips zu bestimmen. Hierbei ist es denkbar, die Sensoreinrichtung zur Positionsbestimmung nicht zur Bestimmung der Absolutposition der Lenkstange auszuführen, sondern so, dass sie nur einen kleinen, insbesondere hochaufgelösten, Messbereich auf der Lenkstange abdeckt, der sich über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange periodisch wiederholt. Die Periodenlänge ist insbesondere so zu wählen, dass sie sich nur geringfügig von der des Rotorlagesensors unterscheidet und die Differenz bzw. Phasenverschiebung zwischen den Signalen jederzeit eine eindeutige Bestimmung der Position, insbesondere der Absolutposition, der Lenkstange zulässt. Dadurch können die Anforderungen in Bezug auf die Erfassungsgenauigkeit der Sensoreinrichtung reduziert werden, da ein deutlich kleinerer Messbereich abgedeckt werden muss, dafür diesen aber mehrmals aneinandergereiht. Hierfür eignen sich insbesondere induktive Sensoreinrichtungen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensor-Verzahnung der Lenkstage einen Schrägungswinkel von etwa 45° bis 85°, insbesondere von etwa 65° bis 85°, weiter insbesondere von etwa 80°, auf. Damit ist die Sensor-Verzahnung quasi längs der Lenkstange statt, wie die üblichen Zahnstangenverzahnungen, quer zur Spindel, orientiert. Eine solche Schrägstellung der Zähne unterstützt das Relativgleiten der Sensor- Verzahnungseinrichtung relativ zur Sensor-Verzahnung.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Lenkeinheit ferner eine Lagerungseinheit zur radialen Lagerung der Lenkstange auf. Die Lagerungseinheit ist dazu eingerichtet, ein Durchbiegen der Lenkstange in radialer Richtung und/oder ein Rotieren der Lenkstange um die eigene Längsachse zu reduzieren oder gar zu verhindern, wobei eine Linearbewegung der Lenkstange entlang ihrer Längsachse weiterhin möglich ist. Insbesondere ist die Lagerungseinheit an einem abgeflachten Abschnitt der Lenkstange angeordnet. Die Anordnung an einem abgeflachten Abschnitt der Lenkstange ermöglicht eine einfache, und somit kostengünstige Umsetzung der Lagerungseinheit, da ein abgeflachter Abschnitt insbesondere die Umsetzung einer Verdrehsicherung vereinfacht.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Lagerungseinheit ein Druckstück und eine Andrückrolle, die einander gegenüberliegend, die Lenkstange zwischen sich in Längsrichtung bewegbar führend, angeordnet sind. Das Druckstück dient in der Regel dazu, ein Rotieren der Lenkstange um die eigene Längsachse zu verhindern. Die Andrückrolle ist in der Regel dazu eingerichtet, ein radiales Durchbiegen der Lenkstange, insbesondere im Bereich des Druckstücks zu reduzieren oder gar zu verhindern, um einen die Lenkstange führenden Kontakt mit dem Druckstück sicherzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Senor-Verzahnung der Lenkstange im Wesentlichen eben ausgebildet. Dadurch kann die Herstellung der Sensor-Verzahnung vereinfacht werden, weil die Lenkstange zum Herstellen, insbesondere durch Spanen, nicht rotiert werden muss.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensor-Verzahnungseinrichtung zumindest ein Stirnrad auf, das dazu eingerichtet ist, über den gesamten Lenkstangen-Verfahrweg um einen bestimmten Winkel, insbesondere kleiner als 360°, zu rotieren. Hierbei entspricht die Rotation des Stirnrads dem Sensor-Verfahrweg. Der Rotationswinkel des Stirnrads wird durch die Sensoreinrichtung, bspw. durch Erfassen eines Sensortargets, welches drehfest an dem Stirnrad angebracht ist, erfasst und kann einer Position der Lenkstange eineindeutig zugeordnet werden. Eineindeutig meint hier, dass jeder Winkelposition des Stirnrads nur eine einzige Position der Lenkstange zugeordnet ist, sodass die Position der Lenkstange aus der erfassten Winkelposition einfach bestimmt werden kann. Eine Rotation um weniger als 360° über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange ermöglicht hierbei die Verwendung von einfachen, und somit kostengünstigen Sensoren. Bei Rotationen von gleich oder mehr als 360° über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange werden in der Regel sogenannte Multiturn-Sensoren verwendet, um eine eineindeutige Zuordnung zwischen dem Rotationswinkel und der Position der Lenkstange zu ermöglichen.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Sensor-Verzahnungseinrichtung zwei oder mehr Stirnräder aufweist, die alle mit derselben Sensor-Verzahnung in Zahneingriff sind, oder die Lenkstange mehrere Sensor-Verzahnungsabschnitte aufweist, und die zwei oder mehr Stirnräder jeweils mit einem dieser mehreren Sensor-Verzahnungsabschnitte in Zahneingriff sind. Die Stirnräder können hierbei alle dieselbe Konfiguration oder voneinander verschiedenen Konfigurationen, insbesondere eine Zähnezahl und/oder einen Schrägungswinkel betreffend, aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Stirnrad vorgespannt montiert und/oder eine Verzahnung des Stirnrads weist einen Schrägungswinkel von bis zu etwa 45° auf. Darüber hinaus ist das Stirnrad insbesondere axial und/oder radial gleit- oder wälzgelagert montiert. Das Stirnrad ist insbesondere gegen die Lenkstange vorgespannt, weiter insbesondere mit einer Vorspannkraft, die größer als 100N ist, um sicherzustellen, dass der Zahneingriff zwischen dem Stirnrad und der Sensor-Verzahnung der Lenkstange unter allen Betriebsbedingungen spielfrei ist. Insbesondere sind die Zähne der Verzahnung an dem Stirnrad mit einem Schrägungswinkel von bis zu etwa 45° ferner konisch oder kegelig oder mit einer anderen Zahnradschrägung ausgeführt. Dabei ist eine Rotationsachse des Stirnrads nahezu parallel, insbesondere im Wesentlichen parallel, zur Längsachse der Lenkstange orientiert. Alternativ kann die Rotationsachse des Stirnrads auch in einem Winkel von bis zu 45°, insbesondere von kleiner als 45° gegenüber der Längsachse der Lenkstange geneigt orientiert sein, wodurch ein geradverzahntes Stirnrad verwendet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Sensor-Verzahnungseinrichtung als ein zweistufiges Stirnradgetriebe ausgebildet, das zwei miteinander in Zahneingriff stehende Zahnräder aufweist, wobei ein erstes Zahnrad des zweistufigen Stirnradgetriebes ferner mit der Sensor- Verzahnung der Lenkstange in Zahneingriff ist, und das Stirnradgetriebe ein solches Übersetzungsverhältnis aufweist, dass ein zweites Zahnrad des Stirnradgetriebes über den gesamten Lenkstangen-Verfahrweg um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere kleiner als 360°, rotiert. Mit einem solchen Stirnradgetriebe ist es möglich, die Sensor-Verzahnung an der Lenkstange als eine Geradverzahnung auszuführen, was die Herstellung der Sensor- Verzahnung vereinfacht. Somit können dann auch das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad geradverzahnt ausgeführt sein und die Rotationsbewegung des zweiten Zahnrads über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange wird im Wesentlichen durch ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem ersten Zahnrad und dem zweiten Zahnrad definiert. Das bedeutet, die Rotationsbewegung des zweiten Zahnrads entspricht hier dem Sensor- Verfahrweg. Der Rotationswinkel des zweiten Zahnrads wird - analog zum vorstehend beschriebenen Stirnrad - durch die Sensoreinrichtung, bspw. durch Erfassen eines Sensortargets, welches drehtest an dem zweiten Zahnrad angebracht ist, erfasst und kann einer Position der Lenkstange eineindeutig zugeordnet werden. Eineindeutig meint hier, dass jeder Winkelposition nur eine einzige Position der Lenkstange zugeordnet ist, sodass die Position der Lenkstange aus der erfassten Winkelposition einfach bestimmt werden kann. Eine Rotation um weniger als 360° über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange ermöglicht hierbei die Verwendung von einfachen, und somit kostengünstigen Sensoren. Bei Rotationen von gleich oder mehr als 360° über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange werden in der Regel sogenannte Multiturn-Sensoren verwendet, um eine eineindeutige Zuordnung zwischen dem Rotationswinkel und der Position der Lenkstange zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Stirnradgetriebe, insbesondere abtriebsseitig, vorgespannt montiert. Dadurch kann ein spielfreier Zahneingriff zwischen dem Stirnradgetriebe und der Lenkstange sichergestellt werden. Zum Beispiel kann das zweite Stirnrad mittels einer Spiralfeder vorgespannt sein. Alternativ kann das zweite Zahnrad zweiteilig ausgeführt sein, wobei die beiden Teile des zweiten Zahnrads gegeneinander verspannt montiert werden. Die abtriebsseitige Vorspannung ermöglicht es, dass auch bei einem Richtungswechsel immer die gleiche Flanke in Zahnkontakt bleibt, wodurch die Vorspannung weniger empfindlich gegenüber Toleranzen, insbesondere Fertigungstoleranzen, ist. Mit anderen Worten kann man sagen, dass die Vorspannung rotatorisch, insbesondere über den Drehwinkel des zweiten Zahnrads, oder über den radialen Abstand des zweiten Zahnrads zur Lenkstange erfolgen kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Verzahnung des ersten Zahnrads einen Schrägungswinkel von bis zu etwa 45° aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensor-Verzahnungseinrichtung zumindest ein innenverzahntes Hohlrad auf, das, insbesondere nicht koaxial, um die Lenkstange rotierbar angeordnet ist, wobei eine Innenverzahnung des Hohlrads mit der Sensor-Verzahnung der Lenkstange in Zahneingriff ist, und wobei das Hohlrad dazu eingerichtet ist, über den gesamten Lenkstangen-Verfahrweg um einen vorbestimmten Winkel, insbesondere kleiner als 360°, zu rotieren. Somit entspricht auch in dieser Ausführungsform die Rotationsbewegung des Hohlrads dem Sensor-Verfahrweg. Die Ausführung als ein innenverzahntes Hohlrad ermöglicht die Lagerung innerhalb des Gehäuses, insbesondere gleit- oder wälzgelagert, und somit eine besonders bauraumsparende Umsetzung der Sensor-Verzahnungseinrichtung. Darüber hinaus kann das innenverzahnte Hohlrad eine hohe Zähnezahl aufweisen, wodurch eine hohe Überdeckung umgesetzt wird, die einen sicheren Kontakt zwischen der Sensor-Verzahnungseinrichtung und der Sensor-Verzahnung ermöglicht. Darüber hinaus kann das Hohlrad aus einem Kunststoff, wie einen sortenreinen Kunststoff, einen Kunststoffgemisch oder einem faserverstärkten Kunststoff oder -gemisch, hergestellt sein, wobei das Hohlrad - analog zu den vorstehend beschriebenen Stirnrädern, ein Sensortarget aufweist, das drehfest an dem Hohlrad angeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, von der Sensoreinrichtung erfasst zu werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Sensor-Verzahnung spiralförmig an der Mantelfläche der Lenkstange ausgebildet. Insbesondere ist die Sensor-Verzahnung die Mantelfläche helixförmig schraubend umlaufend ausgebildet. Dabei sind Rillen der Sensor-Verzahnung sehr lang ausgebildet, da sie fast längs der Lenkstange verlaufen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sensor-Verzahnungseinrichtung eine, insbesondere schrägverzahnte, Zahnstange, die mit der Sensor-Verzahnung der Lenkstange in Zahneingriff ist, wobei die Zahnstange im Wesentlichen rechtwinklig bzw. orthogonal zur Lenkstange angeordnet ist. Somit wird eine Bewegung der Lenkstange entlang ihrer Längsachse in eine dazu orthogonal bzw. tangential verlaufende Längsbewegung der Zahnstange umgewandelt. Durch eine Wahl eines Übersetzungsverhältnisses zwischen der Verzahnung der Zahnstange und der Sensor-Verzahnung der Lenkstange kann eine Länge des gesamten Sensor-Verfahrwegs beeinflusst werden. Der Sensor-Verfahrweg entspricht in dieser Ausführungsform der Längsbewegung der Zahnstange. Rein mathematisch ergibt sich bei der rechtwinklig zur Lenkstange angeordneten Zahnstange ein Relativgleiten, also ein Schlupf, von über 100%, welcher durch eine leichte Schrägstellung, also eine nicht senkrechte, insbesondere windschiefe, Orientierung zur Längsachse der Lenkstange, der Zahnstange auf weniger als 100% reduziert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Zahnstange in oder nahe der Lagerungseinheit zur radialen Lagerung der Lenkstange angeordnet. Die Anordnung der Zahnstange in, insbesondere kombiniert mit der im Wesentlichen zur Lenkstangenbewegung rechtwinkligen Orientierung der Zahnstange, kann eine Verfälschung des von der Sensoreinrichtung erfassten Messwerts durch Verformung der Lenkstange nahezu vermieden werden. Bei einer Anordnung der Zahnstange nahe, jedoch neben der Lagerungseinheit, kann eine solche Verfälschung insbesondere gering gehalten werden. Insbesondere kann die Zahnstange im Druckstück der Lagerungseinheit angeordnet bzw. gelagert sein, wobei die Zahnstange im mittleren Bereich des Druckstücks mit der Lenkstange in Kontakt steht. Im mittleren Bereich trägt das Druckstück, insbesondere ein Gleitlager des Druckstücks, nicht, d.h., in diesem Bereich wird keine Last von der Lenkstange aufgenommen, und deshalb kann dieser Bereich ausgespart und zur Lagerung der Zahnstange genutzt werden. Darüber hinaus liegt das Druckstück durch Federkraft immer an der Lenkstange an, wodurch so auch bei äußerer Krafteinwirkung bzw. Durchbiegung der Lenkstange eine Verfälschung des Messwerts bzw. des Messsignals vermieden werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Zahnstange und die Sensor-Verzahnung der Lenkstange derart in Zahneingriff, dass ein gesamter Zahnstangen-Verfahrweg kleiner ist als der gesamte Verfahrweg der Lenkstange. Das bedeutet, dass ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Zahnstange und der Sensor-Verzahnung so gewählt ist, dass der gesamte Zahnstangen-Verfahrweg, also der Sensor-Verfahrweg, kleiner ist als der gesamte Verfahrweg der Lenkstange entlang ihrer Längsachse. Die kleinere bzw. kürzere Bewegung der Zahnstange vereinfacht die Positionsbestimmung der Lenkstange durch die Sensoreinrichtung, da die kleinere Bewegung einfacher messbar ist. Insbesondere beträgt der Zahnstangen-Verfahrweg weniger als ein Drittel des Verfahrwegs der Lenkstange.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Zahnstange relativ zur Lagerungseinheit axial verschiebbar angeordnet. Die axiale Relativbewegung gegenüber der Lagerungseinheit ermöglicht die rechtwinklige Relativbewegung der Zahnstange gegenüber der Lenkstange, wenn die Lenkstange entlang ihrer Längsachse bewegt wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung einen Induktivsensor, einen xMR-Sensor oder einen Hallsensor auf. Die Sensorart kann von den Einsatzbedingungen abhängen, wie bspw. Umweltbeeinflussung, Störungen etc. Die Art des Targets wird im Allgemeinen in Abhängigkeit der Sensorart der Sensoreinrichtung gewählt. Mit der Bezeichnung „xMR-Senor“ sind jegliche magnetoresistive (MR) Sensoren, wie bspw. GMR, TMR, AMR etc. zusammengefasst zu verstehen. Mit anderen Worten kann man sagen, dass das „x“ ein Platzhalter für die verschiedenen Arten der magnetoresistiven Sensoren ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung zumindest einen Tauchspulensensor auf, der an einem axialen Ende der Zahnstange, die Zahnstange umgebend angeordnet ist. Der Tauchspulensensor ist ein Beispiel für einen induktiven Sensor. Insbesondere weist die Sensoreinrichtung zwei Tauchspulensensoren auf, von denen je einer an je einem axialen Ende der Zahnstange, die Zahnstange umgebend angeordnet ist. Hierfür weisen zumindest die axialen Enden der Zahnstange ein metallisches Material, z.B., Eisen oder Stahl auf. Weiter insbesondere sind die außenliegend angeordneten Tauchspulensensoren mit dem Druckstück der Lagerungseinheit verbunden, sodass die Tauchspulensensoren jede Bewegung des Druckstücks, z.B. aufgrund äußerer Kräfte auf die Lenkstange mitmachen, und so Verfälschungen des Messwerts bzw. des Messsignals aufgrund einer Verschiebung der Relativposition der Zahnstange zu den Tauchspulensensoren vermieden werden.
Alternativ, wie vorstehend bereit erwähnt, sind auch andere Sensorarten, z.B. kapazitive, magnetische, resistive, etc. Sensoren, denkbar.
Allgemein kann die Zahnstange zumindest mehrheitlich aus einem Kunststoff, wie einem sortenreinen Kunststoff, einem Kunststoffgemisch oder einem faserverstärkten Kunststoff oder -gemisch, ausgebildet sein, wodurch Kosten und/oder Gewicht der Zahnstange gegenüber einer aus Metall hergestellten Zahnstange reduziert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Zahnstange in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung vorgespannt angeordnet. Dadurch ist die Zahnstange parallel und/oder orthogonal zur Lenkstange vorgespannt und somit spielfrei angeordnet. Insbesondere bei großen Übersetzungsverhältnissen zwischen der Zahnstange und der Sensor-Verzahnung können schon kleine Abweichungen der Zahnstangenbewegung bzw. -position zu großen Messfehlern führen, die durch den spielfreien Zahneingriff zwischen der Zahnstange und der Sensor-Verzahnung der Lenkstange reduziert oder gar verhindert werden können.
Detailbeschreibung anhand Zeichnung
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 schematische Darstellungen einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht (a), einer Seitenansicht (b) einer Ansicht von oben (c), und einer perspektivischen vergrößerten Ausschnittansicht (d), Fig. 2 eine schematische, vergrößerte Darstellung eines Teilausschnitts einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht von vorne,
Fig. 3 schematische, vergrößerte Darstellungen eines Teilausschnitts einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht (a) und einer Ansicht von oben (b),
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 6 schematische Darstellungen einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht (a) und einer Seitenansicht (b),
Fig. 7 eine schematische, vergrößerte Darstellung eines Teilausschnitts einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Ansicht von vorne,
Fig. 8 eine schematische Teildarstellung einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig 9 eine schematische Querschnittdarstellung einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10 eine schematische Teildarstellung einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht, und
Fig. 11 eine schematische Längsschnittdarstellung einer Lenkeinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 bis Fig. 11 zeigen alle schematisch und beispielhaft eine Lenkeinheit 1 oder Teilabschnitte der Lenkeinheit 1 gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. Auch wenn nicht für jede Ausführungsform immer alles gezeigt ist, weist die Lenkeinheit 1 gemäß aller gezeigten, beispielhaften Ausführungsformen eine Lenkstange 2, einen Stellaktor 3 (siehe beispielhaft Fig. 8), eine Sensor-Verzahnungseinrichtung 4, und eine Sensoreinrichtung 5 zur Positionsbestimmung der Lenkstange (siehe beispielhaft Fig. 8 und Fig. 9) auf. Die in den Fig. 1 bis Fig. 11 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich im Wesentlichen in der Ausgestaltung und dem Messprinzip der Sensor- Verzahnungseinrichtung 4. So können die Ausführungsformen grob nach dem Messprinzip zur Positionsbestimmung der Lenkstange 2 in ein rotatives Messprinzip (Fig. 1 bis Fig 7) und ein translatorisches Messprinzip (Fig. 8 bis Fig. 11) unterteilt werden.
Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen eine Lenkeinheit 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Ansichten. Die Lenkstange 2 gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist einen Spindelabschnitt 6 und einen einseitig abgeflachten Abschnitt 7 auf. Der Spindelabschnitt 6 weist eine Schraubkontur 8 mit einer typischen Ganghöhe von etwa 8 mm auf, und ist Teil eines Kugelgewindetriebs (nicht gezeigt), der dazu dient, die Rotationsbewegung des Stellaktors 3 in eine Translationsbewegung der Lenkstange 2 entlang ihrer Längsachse L umzuwandeln. An dem abgeflachten Abschnitt 7 ist eine Lagerungseinheit 9 angeordnet, die ein Druckstück 10 (in Fig. 1(d) nicht dargestellt) und eine Andrückrolle 11 umfasst. Der abgeflachte Abschnitt 7 weist mehrere über den Umfang verteilte Funktionszonen auf. So ist bspw. ein Teilkreisabschnitt 12 der Lenkstange 2, an dem das Druckstück 10 angeordnet ist, als eine Gleitfläche ausgebildet, über die die Lenkstange 2 relativ zum Druckstück 10 entlang ihrer Längsachse L axial verschiebbar angeordnet ist. Ein der Gleitfläche gegenüberliegend angeordneter Abschnitt 13, der hier einseitig abgeflacht ausgeführt ist, dient unter anderem als eine Wälzfläche 14 (siehe insbesondere Fig. 1(d)), an der die Andrückrolle 11 abwälzt, um eine Rotation der Lenkstange 2 um ihre Längsachse L zu verhindern (siehe auch Fig. 2).
Darüber hinaus weist der Abschnitt 13 ferner eine Sensor-Verzahnung 15 auf, die als eine starke Schrägverzahnung mit einem Schrägungswinkel ß von etwa 80° (siehe Fig. 3(b)) ausgebildet ist. Insbesondere kann die Sensor-Verzahnung 15 einen Schrägungswinkel ß von etwa 60° bis etwa 85° aufweisen. Ein solch starke Schrägstellung der Sensor- Verzahnung 15 ermöglicht bzw. bewirkt, dass die Sensor-Verzahnungseinrichtung 4, die mit der Sensor-Verzahnung 15 der Lenkstange 2 in Eingriff ist, in diesem Zahneingriff eher gleitet, statt zu wälzen. Insbesondere ist hier ein Relativgleiten von mehr als 80% möglich, insbesondere sogar erwünscht.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Andrückrolle 11 im Bereich der Sensor- Verzahnung 15 ausgespart, sodass die Sensor-Verzahnung 15 bei einer Bewegung der Lenkstange 2 entlang ihrer Längsachse L sozusagen unter der Andrückrolle 11 hindurchtauchen kann. Damit berührt die Andrückrolle 11 die Sensor-Verzahnung 15 nicht, wodurch eine Abnutzung der Sensor-Verzahnung 15 durch einen Wälzkontakt mit der Andrückrolle 11 vermieden wird. Grundsätzlich kann die Sensor-Verzahnung 15 auch in anderen Bereichen des Abschnitts 13 ausgebildet sein (siehe z.B. Fig. 4 oder Fig. 6). Wie insbesondere in Fig. 1(b) und Fig. 1(c) zu erkennen, ist es möglich, dass eine herstellungsbedingte Auslaufzone 19 eines für die Herstellung der Sensor-Verzahnung 15 erforderlichen Rollwerkzeugs in den Spindelabschnitt 6 hineinragt. Genauer gesagt, können sich eine Auslaufzone 20 der am Spindelabschnitt 6 ausgebildeten Schraubkontur 8 und die Auslaufzone 19 der Sensor-Verzahnung 15 überlappen. Darüber hinaus ist es sogar denkbar, dass sich eine Betriebszone der Sensor-Verzahnung 15 mit der Auslaufzone 20 der Schraubkontur 8 überlappt, vorausgesetzt das Stirnrad 16 ist entsprechend breit, z.B., 20 mm bei etwa 8 mm Ganghöhe, ausgebildet.
Die Sensor-Verzahnungseinrichtung 4 ist in der in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigten Ausführungsform als ein schrägverzahntes Stirnrad 16 ausgebildet, das mit der Sensor- Verzahnung 15 der Lenkstange 2 derart in Zahneingriff ist, dass es bei einer Bewegung der Lenkstange 2 entlang ihrer Längsachse L um eine Rotationsachse R (siehe insbesondere Fig. 3(a)) rotiert. Die Rotationsachse R ist hier nahezu parallel zur Längsachse L der Lenkstange 2 orientiert. Ein Schrägungswinkel der Schrägverzahnung des Stirnrads 16, das auch als Sensorrad 17 bezeichnet werden kann, beträgt hier beispielhaft etwa 45°. An dem Stirnrad 16 ist drehfest ein Sensortarget 18, bspw. ein Magnet, angeordnet. Das Sensortarget 18 ist dazu eingerichtet, von der Sensoreinrichtung 5 (in Fig. 1 bis Fig. 3 nicht dargestellt, aber bspw. als ein Sensor-PCB oder Sensorchip ausgebildet und dem Sensortarget 18 gegenüberliegend angeordnet) erfasst zu werden. Da das Sensortarget 18 zusammen mit dem Stirnrad 16 rotiert, erfasst die Sensoreinrichtung 5 über das Sensortarget 18 eine Drehbewegung bzw. einen Rotationswinkel des Stirnrads 16, basierend auf dem die Position der Lenkstange 2 bestimmt werden kann. Insbesondere ist der Zahneingriff zwischen dem Stirnrad 16 und der Sensor-Verzahnung 15 so gewählt, dass das Stirnrad 16 über den gesamten Verfahrweg der Lenkstange 2 um weniger als 360° rotiert. Dies ermöglicht die Verwendung von einfachen und kostengünstigen Sensoren für die Sensoreinrichtung 5 zur Positionsbestimmung der Lenkstange 2.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Lenkeinheit 1 , in der die Sensor-Verzahnung 15 zwischen dem als Gleitzone für das Druckstück 10 ausgebildeten Teilkreisabschnitt 12 und der Wälzfläche 14 für die Andrückrolle 11 , beidseitig angeordnet bzw. ausgebildet ist. Da die Sensor-Verzahnung 15 nicht an der Wälzfläche 14 angeordnet ist, muss die Andrückrolle 11 auch nicht ausgespart ausgebildet sein. Ferner weist die Sensoreinrichtung 5 hier mehrere, beispielhaft drei, Stirnräder 16 auf, die jeweils als Sensorräder 17 dienen. Dadurch wird eine Redundanz erzeugt, die eine Absicherung im Falle eines Ausfalls oder Defekts eines der Sensorräder 17 ermöglicht. Die mehreren Sensorräder 17 müssen nicht identisch sein, sondern können z.B. unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen.
Die Lagerungseinheit 9 weist, wie hier dargestellt, ein Druckstück 10 und eine Andrückrolle 11 auf, wobei das Druckstück 10 hier beispielhaft als ein Gleitelement und die Andrückrolle 11 beispielhaft als ein Wälzelement ausgebildet sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass sowohl das Druckstück 10 als auch die Andrückrolle als Gleitelemente, oder alternativ, beide als Wälzelemente ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, dass die Lagerungseinheit 9 weitere, zusätzliche Gleit- und oder Wälzelemente aufweist. Außerdem ist es denkbar, die Verdrehsicherung der Lenkstange 2, die hier mittels der Andrückrolle 11, die auf der Wälzfläche 13 wälzt, umgesetzt ist, stattdessen auch durch unrunde Gleitkonturen, sogenannte „V-grooves“ zu realisieren.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Lenkeinheit 1, bei der die Sensor- Verzahnungseinrichtung 4 als ein zweistufiges Stirnradgetriebe 21 ausgebildet ist. Das zweistufige Stirnradgetriebe 21 umfasst ein erstes Zahnrad 22 und ein zweites Zahnrad 23, die miteinander in einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis in Zahneingriff sind. Das erste Zahnrad 22 ist ferner mit der Sensor-Verzahnung 15 der Lenkstange 2 im Zahneingriff und das zweite Zahnrad 23 fungiert als das Sensorrad 17. Aufgrund der Übersetzung zwischen dem ersten Zahnrad 22 und dem zweiten Zahnrad 23 kann das erste Zahnrad 22 über den gesamten Verfahrweg VWL der Lenkstange 2, also von der in Fig. 5 ganz linken Position des ersten Zahnrads 22 (markiert mit 22‘) zu der ganz rechten Position des ersten Zahnrads (markiert mit 22“), insbesondere mehrere 360°-Rotationen durchlaufen, da die Übersetzung zwischen dem ersten Zahnrad 22 und dem zweiten Zahnrad 23 so gewählt werden kann, dass der gesamte Verfahrweg der Lenkstange 2 in eine Rotation des als Sensorrad 17 ausgebildeten zweiten Zahnrads 23 von weniger als 360° übersetzt wird. Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht dies die Verwendung von einfachen und kostengünstigen Sensoren für die Sensoreinrichtung 5 zur Positionsbestimmung der Lenkstange 2. Natürlich ist hier, wie auch in der mit Bezug zu Fig. 1 bis Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform, auch die Verwendung von sogenannten Multiturn-Sensoren möglich, mittels derer die Positionsbestimmung der Lenkstange 2 auch mit einer Rotationsbewegung von 360° oder mehr am Sensorrad 17 eineindeutig möglich ist.
Ferner ist es durch mit der als zweistufiges Stirnradgetriebe 21 ausgebildeten Sensor- Verzahnungseinrichtung 4 möglich, die Sensor-Verzahnung 15 der Lenkstange 2 auch geradverzahnt auszuführen. Auch in Fig. 5 muss die Andrückrolle 11 (schematisch jeweils rechts vom ersten Zahnrad 22 angedeutet) teilweise ausgespart ausgeführt sein, um nicht auf der in der Wälzfläche 14 ausgebildeten Sensor-Verzahnung 15 abzuwälzen. In Fig. 5 ist das zweite Zahnrad 23 ferner mittels einer Spiralfeder 24 vorgespannt, um einen spielfreien Zahneingriff unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Wie in Fig. 5 angedeutet, erfordert das zweistufige Stirnradgetriebe 21 lediglich eine kleine Öffnung bzw. Ausbauchung in einem Gehäuse 25 der Lenkstange 2, im Kontaktbereich mit der Lenkstange 2.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine Ausführungsform der Lenkeinheit 1 , bei der die Sensor- Verzahnung 15 als spiralförmige oder helixförmige, an der Lenkstange 2 im Wesentlichen umlaufende Rillen 26 ausgebildet ist, und die Sensor-Verzahnungseinrichtung 4 als ein innenverzahntes Hohlrad 27 ausgebildet ist. Typischerweise sind insbesondere sechs bis 20 Rillen 26, hier beispielhaft zehn Rillen 26 vorgesehen und weisen eine Steigung von etwa 200-400 mm/U, hier beispielhaft 300 mm/U auf, woraus ein Schrägungswinkel ß von etwa 60° bis etwa 85° resultiert. Das heißt, dass Zähne der Sensor-Verzahnung 15 etwa bis auf 10° parallel zur Lenkstange 2 verlaufen. Das innenverzahnte Hohlrad 27 ist mit der Sensor- Verzahnung 15 in Eingriff, und weist aufgrund einer vergleichsweise hohen Zähnezahl eine hohe Überdeckung auf, womit der Zahneingriff verbessert werden kann. Somit dient das innenverzahnte Hohlrad 27 hier als das Sensorrad 17. Das Hohlrad 27 selbst ist gleit- oder wälzgelagert in dem Gehäuse 25 der Lenkstange 2 aufgenommen und weist insbesondere einen Kunststoff, wie einen sortenreinen Kunststoff, ein Kunststoffgemisch, einen faserverstärkten Kunststoff oder -gemisch, auf.
In der in Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist das Sensortarget 18 als ein zylindrischer Targetring aus Metall ausgebildet, der dem Hohlrad 27 als Mantelfläche dient. Alternativ ist auch ein scheibenförmiges Sensortarget 18 möglich. Wie insbesondere in Fig. 7 erkennbar dargestellt, ist das innenverzahnte Hohlrad 27 exzentrisch zur Lenkstange 2 ausgebildet. Alternativ ist es auch denkbar, eine zur Lenkstange 2 konzentrische Mutter statt des Hohlrads 27 zu verwenden. Das Hohlrad 27 kann bspw. von recht oder von links in das Gehäuse 25 der Lenkstange eingeschoben montiert werden. Auch eine Gehäuseteilung wäre denkbar, um die Montage des Hohlrads 27 zu vereinfachen.
Fig. 8 bis Fig. 11 zeigen eine Ausführungsform der Lenkeinheit 1 , bei der die Sensor- Verzahnungseinrichtung 4 als eine Zahnstange 28 ausgebildet ist, die rechtwinklig zur Sensor-Verzahnung 15 der Lenkstange 2 angeordnet ist und mit dieser in Zahneingriff steht. Die Sensor-Verzahnung 15 ist hier beispielhaft als eine starke Schrägverzahnung im Bereich der Lagerungseinheit 9, genauer gesagt, im Bereich des Druckstücks 10 ausgebildet. Durch den Zahneingriff zwischen der Zahnstange 28 und der Sensor-Verzahnung 15 wird die Längsbewegung der Lenkstange 2 entlang ihrer Längsachse L in eine dazu im Wesentlichen orthogonale bzw. tangential verlaufende Längsbewegung der Zahnstange 28 umgewandelt. Ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Sensor-Verzahnung 15 der Lenkstange 2 und der Verzahnung der Zahnstange 28 ist dabei so gewählt, dass die Längsbewegung der Zahnstange 28 insbesondere weniger als ein Drittel der Längsbewegung der Lenkstange 2 beträgt und somit sehr viel kleiner bzw. kürzer und durch einfacher messbar ist.
Die Zahnstange 28 ist insbesondere schrägverzahnt und hier beispielhaft im Druckstück 10 gelagert. Das bedeutet, die Zahnstange 28 ist mit einem mittleren Bereich 29 des Druckstücks 10 mit der Lenkstange 2 in Kontakt. Die Funktion des Druckstücks 10 wird dadurch nicht beeinträchtigt, da das Druckstück 10 nur in äußeren Bereichen 30, nicht jedoch in dem mittleren Bereich 29 tragend ist. Die Bewegung der Zahnstange 28 kann bspw., wie in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt, mittels beidseitig angeordneten Tauchspulensensoren 31 gemessen bzw. erfasst werden. Die Tauchspulensensoren 31 zählen zu den induktiven Sensoren, was bedeutet, dass die Zahnstange 28 zumindest im Bereich ihrer axialen Enden ein metallisches Material, z.B., Eisen oder Stahl, aufweisen muss. Ansonsten kann die Zahnstange 28 auch mehrheitlich aus einem Kunststoff oder ähnlichem hergestellt sein. Die Tauchspulensensoren 31 sind mit dem Druckstück 10 verbunden, sodass sie jede Bewegung des Druckstücks 10, z.B. aufgrund äußerer Kräfte auf die Lenkstange 2, mitmachen.
Die Anordnung der Zahnstange 28 innerhalb des Druckstücks 10 eignet sich auf besondere Weise, weil das Druckstück durch ein Federelement 32 gegen die Lenkstange 2 vorgespannt ist, und somit immer an der Lenkstange 2 anliegt. Dadurch kann auch bei äußerer Krafteinwirkung bzw. Durchbiegung der Lenkstange 2 eine Verfälschung des durch die Tauchspulensensoren 31 generierten Messsignals vermieden werden. Darüber hinaus kann durch die Positionierung der Zahnstange 28 in oder nahe der Lagerungseinheit 9, kombiniert mit der zur Lenkstange 2 rechtwinkligen Orientierung, eine Verfälschung des Messwertes durch Verformung der Lenkstange 2 nahezu umgangen werden.
Zusätzlich ist die Zahnstange 28, wie in Fig. 9 gezeigt, sowohl axial als auch radial vorgespannt, um eine Spielfreiheit der Zahnstange 28 zu erzielen. Das bedeutet, dass die Zahnstange 28 sowohl parallel zur Lenkstange 2, hier beispielhaft durch ein Federelement 33, das die Zahnstange 28 über einen stempelartige Komponente 34 auf die Lenkstange 2 drückt (siehe Pfeil P1 ), vorgespannt ist, als auch rechtwinklig zu Lenkstange 2, hier beispielhaft durch ein Federelement 34, vorgespannt ist. Um eine Reibung zwischen der stempelartigen Komponente 34 und der Zahnstange 28 zu reduzieren, können in dem Kontaktbereich Wälzkörper, bspw. Kugeln, Nadeln, Rollen etc., als sogenannte „Arren“ (nicht gezeigt) angeordnet sein, die die Reibung und/oder den Widerstand in dem Zahneingriff zwischen der Zahnstange 28 und der Lenkstange 2 reduzieren können.
Bezugszeichenliste
1 Lenkeinheit
2 Lenkstange
3 Stellaktor
4 Sensor-Verzahnungseinrichtung
5 Sensoreinrichtung
6 Spindelabschnitt
7 abgeflachter Abschnitt
8 Schraubkontur
9 Lagerungseinheit
10 Druckstück
11 Andrückrolle
12 Teilkreisabschnitt
13 Abschnitt
14 Wälzfläche
15 Sensor-Verzahnung
16 Stirnrad
17 Sensorrad
18 Sensortarget
19 Auslaufzone
20 Auslaufzone
21 zweistufiges Stirnradgetriebe
22 erstes Zahnrad
23 zweites Zahnrad
24 Spiralfeder
25 Gehäuse
26 Rille
27 Hohlrad
28 Zahnstange
29 mittlerer Bereich
30 äußerer Bereich
31 Tauchspulensensor
32 Federelement
33 Federelement
34 stempelartige Komponente
35 Federelement L Längsachse
VWL Verfahrweg der Lenkstange
P1 Pfeil

Claims

Ansprüche
1. Lenkeinheit (1), insbesondere eine steer-by-wire Lenkeinheit, für ein Fahrzeug, aufweisend: eine Lenkstange (2), die dazu eingerichtet ist, an ihren axialen Enden jeweils mit einem Rad des Fahrzeugs gekoppelt zu sein, wobei die Lenkstange (2) zumindest abschnittsweise eine Sensor-Verzahnung (15) aufweist, einen Stellaktor (3), der mit der Lenkstange (2) derart gekoppelt ist, dass eine Rotationsbewegung des Stellaktors (3) eine Translationsbewegung der Lenkstange (2) zur Positionsänderung der Lenkstange (2) entlang eines vorbestimmten Lenkstangen- Verfahrwegs (VWL) bewirkt, eine Sensor-Verzahnungseinrichtung (4), die zumindest abschnittsweise eine zur Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) entsprechende Gegenverzahnung aufweist, die derart mit der Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) in Zahneingriff ist, dass die Translationsbewegung der Lenkstange (2) eine Positionsänderung der Sensor- Verzahnungseinrichtung (4) entlang eines vorbestimmten Sensor-Verfahrwegs bewirkt, wobei im Zahneingriff zwischen der Sensor-Verzahnungseinrichtung (4) und der Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) ein Relativgleiten auftritt, das gleich oder größer als 80% des Lenkstangen-Verfahrwegs (VWL) der Lenkstange (2) ist, und eine Sensoreinrichtung (5) zur Positionsbestimmung der Lenkstange (2), die dazu eingerichtet ist, eine Position der Sensor-Verzahnungseinrichtung (4) entlang des vorbestimmten Sensor-Verfahrwegs (15) zu erfassen.
2. Lenkeinheit (1) nach Anspruch 1 , wobei die Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) einen Schrägungswinkel (ß) von etwa 45° bis 85°, insbesondere von etwa 65° bis 85°, weiter insbesondere von etwa 80°, aufweist.
3. Lenkeinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend eine Lagerungseinheit (9) zur radialen Lagerung der Lenkstange (2).
4. Lenkeinheit (1) nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensor- Verzahnung (15) der Lenkstange (2) im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
5. Lenkeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensor- Verzahnungseinrichtung (4) als ein Stirnrad (16) ausgebildet ist, das dazu eingerichtet ist, über den gesamten Lenkstangen-Verfahrweg (VWL) um einen vorbestimmten Winkel zu rotieren.
6. Lenkeinheit (1) nach Anspruch 5, wobei das Stirnrad (16) vorgespannt montiert ist, und/oder wobei eine Verzahnung des Stirnrads (16) einen Schrägungswinkel von bis zu etwa 45° aufweist.
7. Lenkeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensor- Verzahnungseinrichtung (4) zumindest ein innenverzahntes Hohlrad (27) aufweist, das um die Lenkstange (2) rotierbar angeordnet ist, wobei eine Innenverzahnung des Hohlrads (27) mit der Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) in Zahneingriff ist, und wobei das Hohlrad (27) dazu eingerichtet ist, über den gesamten Lenkstangen-Verfahrweg (VWL) um einen vorbestimmten Winkel zu rotieren.
8. Lenkeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensor- Verzahnungseinrichtung (4) eine Zahnstange (28) umfasst, die mit der Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) in Zahneingriff ist, wobei die Zahnstange (28) im Wesentlichen rechtwinklig zur Lenkstange (2) angeordnet ist, und wobei die Zahnstange (28) und die Sensor-Verzahnung (15) der Lenkstange (2) derart in Zahneingriff sind, dass ein gesamter Zahnstangen-Verfahrweg weniger als ein Drittel des gesamten Lenkstangen-Verfahrwegs (VWL) der Lenkstange (2) beträgt.
9. Lenkeinheit (1) nach Anspruch 8, wobei die Zahnstange (28) relativ zur Lagereinheit (9) verschiebbar angeordnet ist.
10. Lenkeinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Sensoreinrichtung (5) einen Induktivsensor (31), einen xMR-Sensor oder einen Hallsensor aufweist.
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