WO2025119751A1 - Drehmoment-lenkwinkelsensor für eine lenkung eines fahrzeugs und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

Drehmoment-lenkwinkelsensor für eine lenkung eines fahrzeugs und verfahren zum betreiben desselben Download PDF

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WO2025119751A1
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steering
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Paul Ahrenberg
Jochen Haug
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Robert Bosch GmbH
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    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2451—Incremental encoders
    • G01D5/2452—Incremental encoders incorporating two or more tracks having an (n, n+1, ...) relationship

Definitions

  • Torque steering angle sensor for a steering system of a vehicle
  • the invention relates to a torque steering angle sensor for a steering system of a vehicle, as well as a method for operating such a torque steering angle sensor.
  • a vehicle with a steering assistance device has a detection device for detecting a steering torque steered by a driver of the vehicle in order to be able to determine an assistance torque to be provided by an actuator in addition to the steering torque.
  • the steering torque can be determined by a steering torque sensor.
  • a torsion of a torsion spring caused by the steering torque can be measured in the steering torque sensor, and the steering torque can be calculated from a spring rate of the torsion spring.
  • the torsion spring can be arranged between an input shaft of a steering column of the vehicle and an output shaft of the steering column within the steering torque sensor.
  • a movable part of the steering torque sensor can be arranged on an input side of the torsion spring. The movable part can be rotatable with the input shaft.
  • Another rotatable part of the steering torque sensor can be arranged on an output side of the torsion spring.
  • the further part can be rotatable with the output shaft.
  • Sensor electronics of the steering torque sensor can be arranged in a housing of the steering torque sensor.
  • the steering torque sensor can be based on MMT technology, for example.
  • the first movable part comprises a permanent-magnetic magnetic ring with at least one pole pair consisting of a north pole and an adjacent south pole.
  • the second movable part comprises two ferromagnetic magnetic guide rings, each with at least one coupling finger of a coupling finger pair.
  • the magnetic guide rings can be aligned parallel to one another radially to the steering column.
  • the sensor electronics can be arranged in a gap between the magnetic guide rings and have a ferromagnetic core for establishing a magnetic ring closure.
  • a magnetic field sensor for detecting a magnetic field strength through the core can be arranged on the core.
  • the coupling fingers of the coupling finger pair are arranged next to each other, opposite the magnetic poles of the pole pair, and are moved relative to the pole pair by the torsion of the torsion spring.
  • the maximum magnetic field strength is generated by the magnetic guide plates and the core.
  • the opposing magnetic fields weaken within the respective coupling finger. As a result, the total magnetic field strength coupled into the coupling fingers, magnetic guide rings, and the core decreases proportionally to the torsion.
  • the magnetic guide rings allow the sensor electronics to be fixed to the core.
  • the magnetic field is coupled into the core regardless of the steering column's steering angle. The steering angle cannot be measured with the steering torque sensor.
  • EP 2 433 848 A2 describes a three-part torque sensor system.
  • the torsion or twist of a torsion spring is determined from the difference between absolute angular positions at opposite ends of the torsion spring.
  • the angular positions can also be measured at the ends of a partial section of the torsion spring.
  • the absolute angular positions also represent the current steering angle.
  • the steering angle of a steering wheel can be measured at one end of the torsion spring, and the steering angle of a steering gear can be measured at the other end. Using a gear ratio of the steering gear and kinematic relationships, this steering angle can be converted into a steering angle or toe angle of the steered wheels.
  • the sensor can simultaneously detect the steering torque applied via the steering wheel and the absolute steering angle of the steering gear and/or steering wheel via the spring rate of the torsion spring.
  • separate steering angle sensors and steering torque sensors can be dispensed with.
  • a method for operating a torque steering angle sensor according to the first aspect is presented, wherein an input angle of the input shaft is detected using the input encoder rotatable with the input shaft and the input decoder arranged in the steering housing, and an output angle of the output shaft is detected using the output encoder rotatable with the output shaft and the output decoder arranged in the steering housing, wherein a torsion angle of the torsion spring is determined as the difference between the input angle and the output angle.
  • a torque steering angle sensor based on the approach presented here can be used particularly in vehicles with steering assistance to determine a set steering angle and a steered steering torque.
  • the vehicles can be single-track or multi-track vehicles.
  • the vehicles can cover all classes.
  • the torque steering angle sensor can be installed in everything from bicycles to cars to special-purpose vehicles.
  • the torque steering angle sensor can be referred to as a combined steering angle and steering torque sensor.
  • the torque steering angle sensor can be integrated into a vehicle's steering column.
  • the steering column can be divided into an input shaft and an output shaft at the torque steering angle sensor.
  • the input shaft and the output shaft are connected by a twistable torsion spring.
  • the torsion spring can be designed, for example, as a torsion bar.
  • An input angle of the input shaft represents an angular position or angular setting of a vehicle's steering wheel.
  • An output angle of the output shaft represents an angular position or angular setting of a vehicle's steering gear.
  • the torsion angle represents a steering torque applied to the steering gear via the steering wheel.
  • An encoder is rotatable and provides scannable or measurable angular information over at least one full revolution.
  • the angular information can in particular be absolute, i.e. angular positions of the encoder can be clearly distinguishable over the full 360° or over corresponding partial segments.
  • a decoder receives, reads and/or measures this angular information or at least a section of the angular information and maps the angular position of the encoder represented in the angular information into an electrical signal.
  • the encoder and decoder can in particular work together without contact.
  • the decoder may require electrical energy to be able to provide the electrical signal.
  • the angular information can be transmitted from the encoder to the decoder, for example, optically, magnetically, inductively, or capacitively.
  • An encoder of the input shaft can be referred to as an input encoder.
  • a decoder for the angular position of the input shaft can be referred to as an input decoder.
  • An encoder of the output shaft can be referred to as an output encoder.
  • a decoder for the angular position of the output shaft can be referred to as an output decoder.
  • the input decoder and a section of the torque-steering angle sensor's electronics associated with the input decoder can be housed in a replaceable, pluggable input decoder housing.
  • the output decoder and a section of the electronics associated with the output decoder can be housed in a replaceable, pluggable output decoder housing.
  • the input decoder and the output decoder can be replaced independently of each other. In the event of a defect, only the defective component can be replaced.
  • the input decoder and output decoder can be housed in a common, replaceable, plug-in sensor housing. This common housing can be easily and safely replaced. Additional electronics for the torque/steering angle sensor can also be housed in the housing. A geometric anti-twist device or a pokajoke lock can prevent incorrect installation.
  • the sensor housing can be sealed by at least one circumferential seal on the steering housing.
  • the input encoder and the output encoder can each have at least two magnetic tracks with consecutive pole pairs.
  • the magnetic tracks can have different numbers of pole pairs.
  • the magnetic tracks can have 26 or 28 poles.
  • the magnetic tracks can have five vernier segments, each with a segment length of 72° and 10 or 12 poles. Due to the different number of pole pairs, the encoders can have vernier coding. With vernier coding, the combined magnetic field emitted by the magnetic tracks can be different for each angular position of the encoder and thus unique over the full 360°. Alternatively, the coding can be unique for sub-segments ⁇ 360°.
  • the input decoder and the output decoder can each have at least one sensor element per magnetic track. Having more than one sensor element allows for redundancy in the event of a sensor element failure.
  • error correction can be carried out using multiple sensor elements. By arranging them at an angle, for example offset by 180°, external interference effects can have different effects on the redundant measuring points and can thus be compensated for. External interference effects can result, for example, from radial displacements caused by forces, bearing play, assembly tolerances, tolerances due to service replacement and/or EMC.
  • the torque steering angle sensor can function without restrictions even if one sensor element fails.
  • a sensor element that is detecting incorrectly can be detected and corrected.
  • the sensor elements of the input decoder and the output decoder can each be configured to map a magnetic field direction of a magnetic field emitted by the input encoder or output encoder and penetrating the respective sensor element into an electrical signal.
  • the sensor elements can be AMR, GMR, or TMR sensors.
  • the sensor elements can also be 3D Hall sensors.
  • At least one satellite gear engaging the input shaft or output shaft can be interchangeably inserted radially in the steering housing with a revolution sensor.
  • the satellite gear and the revolution sensor can be arranged or integrated in particular in the common sensor housing of the input decoder and output decoder.
  • the satellite gear can count entire revolutions or entire partial segments of the respective shaft.
  • the satellite gear can extend the measuring range to >360°. This allows even after a If the power supply is interrupted, the absolute steering angle can be measured immediately.
  • a torque steering angle sensor with satellite gear can be described as TPO (True Power On) capable.
  • the input encoder and/or the output encoder can be indexed, i.e., have an additional marking or detectable point via which the complete revolutions can be counted.
  • the torque steering angle sensor can have an additional recording device for indexing. In this case, a count value of the indexing can be stored in the electronics or a connected control unit and overwritten each time the indexing is detected, taking into account the direction of rotation of the steering column.
  • the input decoder and the output decoder can be EMC shielded by a ferromagnetic shield.
  • the shield can be coupled to the input encoder or the output encoder. The shield can therefore rotate with the encoders and the steering column.
  • the shield can be arranged on both sides of the input encoder and the output encoder.
  • the input decoder and the output decoder can be arranged in a space between the shields. This allows the input decoder and the output decoder to be shielded from two sides.
  • the shield can be arranged in the sensor housing and inserted radially into the steering housing so that it can be interchangeable with the sensor housing.
  • the sensor housing can be shielded on several sides. In particular, the sensor housing can be ring-shaped and circumferentially shielded. The rear side of the sensor housing, facing away from the encoders, can also be shielded.
  • At least one sensor element of the input decoder can be arranged on a first side of the input encoder. At least one further sensor element of the input decoder can be arranged on a second side of the input encoder, in particular diametrically opposite the first side. At least one sensor element of the output decoder can be arranged on a first side of the output encoder. At least one further sensor element of the output decoder can be arranged on a second side of the output encoder, in particular diametrically opposite the first side.
  • the encoders can therefore be arranged substantially centrally between the at least two opposing sensor elements.
  • angular tolerances and/or positional tolerances of the input shaft or the output shaft have an amplifying effect on one sensor element and a weakening effect on the opposite sensor element.
  • the effects of angular tolerances and/or positional tolerances can compensate for each other.
  • external disturbances can have different signal effects, which can be compensated for in this way.
  • Conceivable disturbances that can be compensated for include radial movements of the shaft, due to, among other things, lateral forces and/or bearing play, EMC interference, assembly tolerances and/or service replacement tolerances.
  • Fig. 1 shows a representation of a torque steering angle sensor according to an embodiment
  • Fig. 2 shows an illustration of an absolute torque steering angle sensor according to an embodiment
  • Fig. 3 shows a representation of a shielded torque steering angle sensor according to an embodiment
  • Fig. 4 shows a diagram of a split torque steering angle sensor according to an embodiment
  • Fig. 5 shows an illustration of an input and output encoder for a torque steering angle sensor according to an embodiment
  • Fig. 6 shows a representation of a shielded input and output encoder for a torque steering angle sensor according to an embodiment
  • Fig. 7 shows a representation of a segmented input and output encoder for a torque steering angle sensor according to an embodiment.
  • Fig. 1 shows a representation of a torque steering angle sensor 100 according to an exemplary embodiment.
  • the torque steering angle sensor 100 is arranged in the region of a steering housing 102 of a vehicle's steering system.
  • a steering column of the steering system runs through the steering housing 102.
  • the steering column is divided in the region of the steering housing 102 into an input shaft 104 and an output shaft 106.
  • the input shaft 104 comes from a steering wheel of the vehicle.
  • the output shaft 106 leads, for example, to a steering gear of the steering system.
  • the input shaft 104 and the output shaft 106 are rotatably mounted in the steering housing and axially aligned.
  • the input shaft 104 and the output shaft 106 are coupled to one another within the steering housing 102 by a torsion spring 108 of the torque steering angle sensor 100.
  • the torsion spring 108 is arranged coaxially with the input shaft 104 and the output shaft 106.
  • the torsion spring 108 is designed as a torsion bar.
  • the torque steering angle sensor 100 comprises, in addition to the torsion spring 108, an input encoder 110 coupled at an angle to the input shaft 104, an output encoder 112 coupled at an angle to the output shaft 106, and an input decoder 114 coupled to the steering housing 102 for detecting an input angle 116 of the input encoder 110, an output decoder 118 coupled to the steering housing 102 for detecting a Output angle 120 of the output encoder 112 and electronics 122 for processing the signals of the input decoder 114 and the output decoder 118.
  • the input encoder 110 and the output encoder 112 are designed as angular embodiments of the input angle 116 and the output angle 120, respectively.
  • the input angle 116 and the output angle 120 are each uniquely coded over a full rotation or over the full 360°.
  • the input decoder 114 and the output decoder 118 can therefore decode a unique value for each angular position of the input encoder 110 and the output encoder 112, respectively.
  • the input angle 116 and the output angle 120 can be decoded with an accuracy of less than 0.1°.
  • the torsion spring 108 When a torque 124 is applied via the steering wheel and the input shaft 104, the torsion spring 108 transmits this torque 124 to the output shaft 106. The output shaft 106 then transmits the torque 124 to the steering gear.
  • the torque 124 twists the torsion spring 108, i.e., the ends of the torsion spring 108 fixed to the input shaft 104 and output shaft 106 are axially rotated relative to each other.
  • a torsion angle 126 of the torsion spring 108 depends on a spring rate, i.e., an elasticity or stiffness of the torsion spring 108, and the torque 124.
  • the torsion angle 126 is proportional to the torque 124. Since the input encoder 110 and the output encoder 112 are angularly coupled to the input shaft 104 and the output shaft 106, respectively, the input encoder 110 is rotated by an angle greater than the output encoder 112 by the torsion angle 126.
  • the input decoder 114 detects the angular position of the input encoder 110 as input angle 116
  • the output decoder 118 detects the angular position of the output encoder 112 as output angle 120.
  • a difference between the input angle 116 and the output angle 120 is determined. The difference corresponds to the torsion angle 126.
  • the torque 124 is calculated from the torsion angle 126.
  • the input decoder 114, the output decoder 118 and the electronics 122 are integrated together in a radially mounted housing 102 in relation to the steering column.
  • the sensor housing 128 is arranged in a plugged-in sensor housing 128.
  • the sensor housing 128 with the input decoder 114, the output decoder 118, and the electronics 122 is replaceable.
  • the sensor housing 128 has a connector 130 on its outer side for connecting a data line to a control unit.
  • the input encoder 110 and the output encoder 112 are disc-shaped and aligned transversely to the input shaft 104 and the output shaft 106, respectively.
  • the input decoder 114 and the output decoder 118 are arranged radially to the input encoder 110 and the output encoder 112, respectively.
  • the input decoder 114 and the output decoder 118 do not touch the input encoder 110 and the output encoder 112, respectively.
  • the input encoder 110 and/or the output encoder 112 has an indexing in addition to the angle representation.
  • the indexing uniquely marks an angular position of the input encoder 110 or output encoder 112, respectively. This angular position represents a reference point of the steering.
  • the torque steering angle sensor 100 has a detection device arranged in the sensor housing 128. The detection device outputs a signal pulse when the indexing moves past the detection device. Taking into account a direction of rotation of the steering column, revolutions of the steering column can be counted using the indexing and the associated detection device and stored in the control unit in order to store an absolute steering angle of the steering wheel.
  • Fig. 2 shows an illustration of an absolute torque steering angle sensor 100 according to an exemplary embodiment.
  • the torque steering angle sensor 100 essentially corresponds to the torque steering angle sensor in Fig. 1.
  • the torque steering angle sensor 100 has a satellite gear 200.
  • the satellite gear 200 engages with a gear ring 202 on the output shaft 106.
  • the gear ring 202 is connected to the output shaft 106 at a fixed angle.
  • the satellite gear 200 reduces the speed of the output shaft 106 with a defined reduction ratio.
  • a revolution sensor 204 is arranged at an output of the satellite gear 200. The revolution sensor 204 outputs a value indicating how often the output shaft 106 has rotated in one direction.
  • the torque steering angle sensor 100 essentially corresponds to the torque steering angle sensor in Fig. 1.
  • the torque steering angle sensor has a shield 300.
  • the shield is made of a ferromagnetic material and is designed to shield the input decoder 114 and the output decoder 118 from electromagnetic coupling by electromagnetic fields.
  • the shield 300 is arranged in the sensor housing 128. The shield 300 protrudes from the sensor housing 128 and partially overlies the input encoder 110 and the output encoder 112.
  • Fig. 4 shows a representation of a split torque steering angle sensor 100 according to one exemplary embodiment.
  • the torque steering angle sensor 100 essentially corresponds to the torque steering angle sensor in Fig. 1.
  • the input decoder 114 is arranged in an input decoder housing 400.
  • the output decoder 118 is arranged in an output decoder housing 402.
  • the part of the electronics 122 required for evaluating the input decoder 114 and the output decoder 118, respectively, is arranged in the input decoder housing 400 and the output decoder housing 402.
  • the input decoder housing 400 and the output decoder housing 402 are each inserted into the steering housing 102 in the radial direction of the steering column and can be individually replaced.
  • the input decoder housing 400 and the output decoder housing 402 each have a connector 130 for connecting to the control unit.
  • Fig. 5 shows an illustration of an encoder 500 for a torque steering angle sensor according to an embodiment.
  • the encoder 500 essentially corresponds to the input encoder and the output encoder from Figures 1 to 4.
  • the encoder has two parallel, ring-shaped magnetic tracks 502.
  • the magnetic tracks 502 are the same size and have a vernier coding.
  • one magnetic track has 13 pole pairs, each consisting of a north pole and a south pole, or 26 poles.
  • the other magnetic track 502 has 14 pole pairs, or 28 poles. Due to the different numbers of magnetic poles 504, each magnetic pole 504 results in a different lateral displacement of the magnetic poles 504 of the two magnetic tracks 502 relative to one another. The displacement is different for each magnetic pole 504 and thus unique.
  • Both magnetic tracks 502 are are simultaneously sampled by the associated decoder. From the individual displacement of the magnetic poles 504, the decoder can uniquely detect the current angular position of the encoder 500 for each angular position of the encoder 500.
  • Fig. 6 shows a representation of a shielded encoder 500 for a torque steering angle sensor 100 according to an exemplary embodiment.
  • the encoder 500 essentially corresponds to the encoder in Fig. 5.
  • the encoder 500 has a shield 300.
  • the shield 300 is designed here as ferromagnetic rings that run annularly around both sides of the encoder 500.
  • the rings are arranged on a flat upper side of the encoder 500 and a flat lower side of the encoder 500.
  • the shield is arranged parallel to the magnetic tracks 502.
  • the rings have a larger diameter than the magnetic tracks 502.
  • the associated encoder is then arranged between the rings and is thus well protected against the coupling of electromagnetic interference fields.
  • Fig. 7 shows a representation of a segmented encoder 500 for a torque steering angle sensor according to an exemplary embodiment.
  • the encoder 500 essentially corresponds to the encoder in Fig. 5.
  • the encoder 500 is divided into segments 700.
  • the encoder 500 has five segments 700, each with an angle of 72°.
  • the segments 700 are identical.
  • the magnetic tracks 502 have 10 or 12 magnetic poles 504 per segment. The resulting vernier coding of the encoder 500 is therefore repeated five times per revolution. Across the entire circumference, the magnetic tracks 502 thus have 50 magnetic poles 504 or 60 magnetic poles 504. Using a satellite wheel, a uniqueness greater than one segment 700 or over several segments 700 can be achieved.
  • a serviceable magnet-based radial-off-shaft torque angle sensor is presented.
  • Serviceability refers to the possibility of replacing sensors without having to replace the entire steering system.
  • the replaceability of the sensor electronics ensures the functionality of the steering system, reducing the time required for repairs and lowering the repair costs for the end customer. Furthermore, zero-mileage steering failures can be repaired more cost-effectively, as the entire steering system does not need to be replaced. Furthermore, replacing only the defective sensor component of a steering system improves sustainability.
  • the figures show the basic design of the sensor, based on a torsion bar/torsion bar principle.
  • the input and output shafts are connected via a torsion bar/torsion bar; by measuring the relative torsion between the two, the torque can be calculated.
  • Magnetic pole rings are attached to both the input and output shafts, allowing a 360° absolute angle to be calculated.
  • each magnetic pole ring has two differently spaced magnetic pole tracks with 360° vernier coding.
  • One possible implementation of the magnetic pole ring is 26 or 28 poles for 360° vernier coding.
  • the difference between the two absolute angles of the input shaft and output shaft can be used to determine the relative torsion between the two and thus the torque.
  • Individual or redundant 360° magnetic field sensors using AMR, GMR, TMR, or 3D Hall technology are used to scan the magnetic tracks of the magnetic pole rings.
  • the magnetic field sensors are adapted or optimized according to the pole pitch of the magnetic pole rings.
  • a TPO True-Power-On steering angle can be implemented by implementing an additional satellite wheel (or several satellite wheels) on the input and/or preferably on the output shaft.
  • the steering angle range can be extended to a corresponding multiple of 360°.
  • the input shaft or, preferably, the output shaft can have a 360° period (indexing), with which the steering center can be referenced at the steering system level.
  • the steering angle information comes from an evaluating control unit.
  • the ASICs are an essential part of the sensor; they process measurement signals and output the measured variables via an electrical interface to the evaluating control unit.
  • a housing carries all the sensor components, including the ASIC(s).
  • the enclosed design can be mounted radially from the outside into the steering housing, allowing for serviceability—meaning the sensor can be replaced in the field throughout the product's life cycle.
  • the sensors for scanning the pole wheels can be mounted individually from the outside, allowing them to be replaced individually.
  • the sensors for scanning the magnetic tracks are shielded from EMC influences by being arranged between two ferromagnetic elements.
  • the EMC shielding elements can be arranged on the magnetic pole rings and/or in the sensor housing.
  • the approach presented here can be used in electronic steering systems of cars and commercial vehicles (construction, agricultural machinery) for torsion bar-based torque measurement and/or angle measurement and/or linear displacement measurement of all kinds in industry (manufacturing), bicycles and consumer sectors.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) für eine Lenkung eines Fahrzeugs, wobei der Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) einen Eingangsencoder (110), eine Torsionsfeder (108), einen Ausgangsencoder (112), zumindest einen Eingangsdecoder (114), zumindest einen Ausgangsdecoder (118) und eine Elektronik (122) aufweist, wobei der Eingangsencoder (110) mit einem in einem Lenkgehäuse (102) der Lenkung drehbar gelagerten Eingangsschaft (104) der Lenkung gekoppelt ist und der Ausgangsencoder (112) mit einem im Lenkgehäuse (102) axial zum Eingangsschaft (104) drehbar gelagerten Ausgangsschaft (106) der Lenkung gekoppelt ist, wobei der Eingangsschaft (104) und der Ausgangsschaft (106) über die Torsionsfeder (108) tordierbar miteinander gekoppelt sind, wobei der Eingangsdecoder (114), der Ausgangsdecoder (118) und die Elektronik (122) radial zu dem Eingangsencoder (110) und dem Ausgangsencoder (112) im Lenkgehäuse (102) austauschbar drehfest gesteckt sind.

Description

Beschreibung
Drehmoment-Lenkwinkelsensor für eine Lenkung eines Fahrzeugs und
Verfahren zum Betreiben Desselben
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Drehmoment-Lenkwinkelsensor für eine Lenkung eines Fahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Drehmoment-Lenkwinkelsensors.
Stand der Technik
Ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Lenkunterstützung weist eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines durch einen Fahrer des Fahrzeugs gelenkten Lenkmoments auf, um ein zusätzlich zum Lenkmoment durch einen Aktor bereitzustellendes Unterstützungsmoment bestimmen zu können. Das Lenkmoment kann durch einen Lenkmomentsensor bestimmt werden. Insbesondere kann im Lenkmomentsensor eine durch das Lenkmoment verursachte Torsion einer Drehfeder gemessen werden und aus einer Federrate der Drehfeder das Lenkmoment berechnet werden. Die Drehfeder kann zwischen einem Eingangsschaft einer Lenksäule des Fahrzeugs und einem Ausgangsschaft der Lenksäule innerhalb des Lenkmomentsensors angeordnet sein. An einer Eingangsseite der Drehfeder kann ein beweglicher Teil des Lenkmomentsensors angeordnet sein. Der bewegliche Teil kann mit dem Eingangsschaft drehbar sein. Ein weiterer drehbarer Teil des Lenkmomentsensors kann an einer Ausgangsseite der Drehfeder angeordnet sein. Der weitere Teil kann mit dem Ausgangsschaft drehbar sein. Eine Sensorelektronik des Lenkmomentsensors kann in einem Gehäuse des Lenkmomentsensors angeordnet sein. Der Lenkmomentsensor kann beispielsweise auf der MMT-Technologie basieren. Dabei weist der erste bewegliche Teil einen dauermagnetischen Magnetring mit zumindest einem Polpaar aus einem Nordpol und einem benachbarten Südpol auf. Der zweite bewegliche Teil weist zwei ferromagnetische Magnetleitringe mit je zumindest einem Koppelfinger eines Koppelfingerpaars auf. Die Magnetleitringe können parallel zueinander radial zur Lenksäule ausgerichtet sein. Die Sensorelektronik kann in einem Spalt zwischen den Magnetleitringen angeordnet sein und einen ferromagnetischen Kern zum Herstellen eines magnetischen Ringschlusses aufweisen. An dem Kern kann ein Magnetfeldsensor zum Erfassen einer Magnetfeldstärke durch den Kern angeordnet sein.
Die Koppelfinger des Koppelfingerpaars sind gegenüberliegend den Magnetpolen des Polpaars nebeneinander angeordnet und werden durch die Torsion der Drehfeder relativ zu dem Polpaar bewegt. Wenn ein Koppelfinger zentral vor dem Nordpol und der andere Koppelfinger zentral vor den Südpol angeordnet ist, ergibt sich die maximale Magnetfeldstärke durch die Magnetleitbleche und den Kern. Je weiter die Koppelfinger seitlich wegbewegt werden, nimmt die Einkopplung des jeweiligen Magnetpols ab und die Einkopplung des anderen Pols nimmt entsprechend zu. Die gegensätzlichen Magnetfelder schwächen sich innerhalb des jeweiligen Koppelfingers ab. Dadurch sinkt die insgesamt in die Koppelfinger, Magnetleitringe und den Kern eingekoppelte Magnetfeldstärke proportional zur Torsion.
Durch die Magnetleitringe kann die Sensorelektronik mit dem Kern ortsfest sein. Das Magnetfeld wird unabhängig von einem Lenkwinkel der Lenksäule in den Kern eingekoppelt. Der Lenkwinkel kann mit dem Lenkmomentsensor nicht gemessen werden.
Die EP 2 433 848 A2 beschreibt beispielsweise ein dreiteiliges Drehmomentsensorsystem.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Drehmoment-Lenkwinkelsensor für eine Lenkung eines Fahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Drehmoment-Lenkwinkelsensors gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes ergeben sich aus der Beschreibung und sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Vorteile der Erfindung
Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird die Torsion beziehungsweise die Verdrehung einer Torsionsfeder aus einer Differenz von absoluten Winkelstellungen an entgegengesetzten Enden der Torsionsfeder bestimmt. Die Winkelstellungen können auch an Enden eines Teilbereichs der Torsionsfeder erfasst werden. Die absoluten Winkelstellungen bilden bei einer Lenkung zusätzlich aktuelle Lenkwinkel der Lenkung ab. An einem Ende der Torsionsfeder kann der Lenkwinkel eines Lenkrads abgegriffen werden, am anderen Ende kann der Lenkwinkel eines Lenkgetriebes der Lenkung abgegriffen werden. Über ein Getriebeverhältnis des Lenkgetriebes und kinematische Zusammenhänge kann dieser Lenkwinkel in einen Lenkwinkel beziehungsweise Spurwinkel der gelenkten Räder umgerechnet werden.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann der Sensor über eine Federrate der Torsionsfeder ein über das Lenkrad aufgebrachtes Lenkmoment und gleichzeitig den absoluten Lenkwinkel des Lenkgetriebes und/oder des Lenkrads erfassen. Durch die Verwendung des hier vorgestellten Ansatzes kann auf eigenständige Lenkwinkelsensoren und Lenkmomentsensoren verzichtet werden.
Durch eine Austauschbarkeit der Sensorelektronik kann eine Reparatur in einer Fachwerkstatt mit einem Minimalaufwand durchgeführt werden, wodurch Kosten für Material, Montage und Spureinstellung eingespart werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Drehmoment- Lenkwinkelsensor für eine Lenkung eines Fahrzeugs vorgestellt, wobei der Drehmoment-Lenkwinkelsensor zumindest einen Eingangsencoder, eine Torsionsfeder, zumindest einen Ausgangsencoder, zumindest einen Eingangsdecoder und zumindest einen Ausgangsdecoder aufweist, wobei der Eingangsencoder mit einem in einem Lenkgehäuse der Lenkung drehbar gelagerten Eingangsschaft der Lenkung gekoppelt ist und der Ausgangsencoder mit einem im Lenkgehäuse axial zum Eingangsschaft drehbar gelagerten Ausgangsschaft der Lenkung gekoppelt ist, wobei der Eingangsschaft und der Ausgangsschaft über die Torsionsfeder tordierbar miteinander gekoppelt sind, wobei der Eingangsdecoder und der Ausgangsdecoder radial bzw. axial zu dem Eingangsencoder und dem Ausgangsencoder im Lenkgehäuse austauschbar drehtest gesteckt sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Drehmoment-Lenkwinkelsensors gemäß dem ersten Aspekt vorgestellt, wobei unter Verwendung des mit dem Eingangsschaft drehbaren Eingangsencoders und des drehtest im Lenkgehäuse angeordneten Eingangsdecoders ein Eingangswinkel des Eingangsschafts erfasst wird, und unter Verwendung des mit dem Ausgangsschaft drehbaren Ausgangsencoders und des drehtest im Lenkgehäuse angeordneten Ausgangsdecoders ein Ausgangswinkel des Ausgangsschafts erfasst wird, wobei ein Torsionswinkel der Torsionsfeder als Differenz zwischen dem Eingangswinkel und dem Ausgangswinkel bestimmt wird.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Ein Drehmoment-Lenkwinkelsensor nach dem hier vorgestellten Ansatz kann insbesondere bei Fahrzeugen mit einer Lenkunterstützung zum Bestimmen eines eingestellten Lenkwinkels und eines gelenkten Lenkmoments verwendet werden. Die Fahrzeuge können dabei Einspurfahrzeuge oder Mehrspurfahrzeuge sein. Die Fahrzeuge können alle Klassen umfassen. Der Drehmoment- Lenkwinkelsensor kann von Fahrrädern über PKWs bis zu Sonderfahrzeugen verbaut werden. Der Drehmoment-Lenkwinkelsensor kann als kombinierter Lenkwinkel- und Lenkmomentsensor bezeichnet werden. Der Drehmoment- Lenkwinkelsensor kann in eine Lenksäule des Fahrzeugs integriert werden. Die Lenksäule kann am Drehmoment-Lenkwinkelsensor in einen Eingangsschaft und einen Ausgangsschaft unterteilt sein. Der Eingangsschaft und der Ausgangsschaft sind durch eine verwindbare Torsionsfeder verbunden. Die Torsionsfeder kann beispielsweise als Torsionsstab ausgeführt sein. Ein Eingangswinkel des Eingangsschafts bildet eine Winkelposition beziehungsweise Winkelstellung eines Lenkrads des Fahrzeugs ab. Ein Ausgangswinkel des Ausgangsschafts bildet eine Winkelposition beziehungsweise Winkelstellung eines Lenkgetriebes des Fahrzeugs ab. Der Torsionswinkel bildet ein über das Lenkrad auf das Lenkgetriebe aufgebrachtes Lenkmoment ab. Ein Encoder ist drehbar und stellt eine abtastbare beziehungsweise messbare Winkelinformation über zumindest eine volle Umdrehung bereit. Die Winkelinformation kann insbesondere absolut sein, Winkelstellungen des Encoders können also über die vollen 360° bzw. über entsprechende Teil- Segmente eindeutig unterscheidbar sein. Ein Decoder empfängt, liest und/oder misst diese Winkelinformation oder zumindest einen Ausschnitt der Winkelinformation und bildet die in der Winkelinformation abgebildete Winkelstellung des Encoders in einem elektrischen Signal ab. Der Encoder und der Decoder können insbesondere berührungslos Zusammenarbeiten. Der Decoder kann elektrische Energie benötigen, um das elektrische Signal bereitstellen zu können. Die Winkelinformation kann beispielsweise optisch, magnetisch, induktiv oder kapazitiv vom Encoder zum Decoder übertragen werden. Ein Encoder des Eingangsschafts kann als Eingangsencoder bezeichnet werden. Ein Decoder für die Winkelstellung des Eingangsschafts kann als Eingangsdecoder bezeichnet werden. Ein Encoder des Ausgangsschafts kann als Ausgangsencoder bezeichnet werden. Ein Decoder für die Winkelstellung des Ausgangsschafts kann als Ausgangsdecoder bezeichnet werden.
Der Eingangsdecoder und ein dem Eingangsdecoder zugeordneter Teil einer Elektronik des Drehmoment-Lenkwinkelsensors können in einem austauschbar steckbaren Eingangsdecodergehäuse angeordnet sein. Der Ausgangsdecoder und ein dem Ausgangsdecoder zugeordneter Teil der Elektronik können in einem austauschbar steckbaren Ausgangsdecodergehäuse angeordnet sein. Der Eingangsdecoder und der Ausgangsdecoder können unabhängig voneinander ausgetauscht werden. Im Falle eines Defekts kann so lediglich das defekte Bauteil getauscht werden.
Der Eingangsdecoder und der Ausgangsdecoder können in einem gemeinsamen austauschbar steckbaren Sensorgehäuse angeordnet sein. Ein gemeinsames Gehäuse kann einfach und sicher ausgetauscht werden. Im Gehäuse kann auch weitere Elektronik des Drehmoment-Lenkwinkelsensors angeordnet sein. Durch eine geometrische Verdrehsicherung bzw. eine Pokajoke-Sicherung kann ein falscher Einbau verhindert werden. Das Sensorgehäuse kann durch zumindest eine umlaufende Dichtung am Lenkgehäuse abgedichtet werden.
Der Eingangsencoder und der Ausgangsencoder können je zumindest zwei Magnetspuren mit aufeinanderfolgenden Polpaaren aufweisen. Die Magnetspuren können unterschiedliche Polpaarzahlen aufweisen. Beispielsweise können die Magnetspuren 26 Pole und 28 Pole aufweisen. Alternativ können die Magnetspuren fünf Noniussegmente mit jeweils 72° Segmentlänge und 10 bzw. 12 Polen aufweisen. Durch die unterschiedlichen Polpaarzahlen können die Encoder eine Noniuscodierung aufweisen. Durch die Noniuscodierung kann das von den Magnetspuren kombiniert ausgehende Magnetfeld für jede Winkelstellung des Encoders anders und damit über die vollen 360° eindeutig sein. Alternativ kann die Codierung jeweils für Teilsegmente <360° eindeutig sein.
Der Eingangsdecoder und der Ausgangsdecoder können je zumindest ein Sensorelement pro Magnetspur aufweisen. Durch mehr als ein Sensorelement kann eine Redundanz bei einem Defekt eines Sensorelements erreicht werden. Zusätzlich kann durch mehrere Sensorelemente eine Fehlerkorrektur durchgeführt werden. Durch eine winkelversetzte Anordnung, beispielsweise um 180° versetzt, können externe Störeffekte an den redundanten Messstellen unterschiedlich wirken und somit kompensiert werden. Externe Störeffekte können beispielsweise aus radialen Verschiebungen durch Kräfte, Lagerspiel, Aufbautoleranzen, Toleranzen durch Servicetausch und/oder EMV resultieren. Bei zwei oder mehr Sensorelementen pro Magnetspur kann der Drehmoment- Lenkwinkelsensor auch beim Ausfall eines Sensorelements uneingeschränkt funktionieren. Zusätzlich kann ein falsch erfassendes Sensorelement erkannt und korrigiert werden.
Die Sensorelemente des Eingangsdecoders und des Ausgangsdecoders können dazu ausgebildet sein, je eine Magnetfeldrichtung eines von dem Eingangsencoder beziehungsweise Ausgangsencoder emittierten, das jeweilige Sensorelement durchdringenden Magnetfelds in je einem elektrischen Signal abzubilden. Die Sensorelemente können AMR, GMR oder TMR-Sensoren sein. Die Sensorelemente können auch 3D-Hall Sensoren sein.
Zumindest ein am Eingangsschaft oder Ausgangsschaft eingreifendes Satellitengetriebe kann mit einem Umdrehungssensor austauschbar radial im Lenkgehäuse gesteckt sein. Das Satellitengetriebe und der Umdrehungssensor können insbesondere im gemeinsamen Sensorgehäuse von Eingangsdecoder und Ausgangsdecoder angeordnet beziehungsweise integriert sein. Durch das Satellitengetriebe können ganze Umdrehungen bzw. ganze Teilsegmente des betreffenden Schafts gezählt werden. Durch das Satellitengetriebe kann der Messbereich auf >360° erweitert werden. Dadurch kann auch nach einer Unterbrechung der Energiezufuhr unmittelbar der absolute Lenkwinkel gemessen werden. Ein Drehmoment-Lenkwinkelsensor mit Satellitengetriebe kann als TPO- fähig (True-Power-On) bezeichnet werden. Alternativ kann der Eingangsencoder und/oder der Ausgangsencoder indexiert sein, also eine zusätzliche Markierung beziehungsweise erfassbare Stelle aufweisen, über die die ganzen Umdrehungen gezählt werden können. Der Drehmoment-Lenkwinkelsensor kann eine zusätzliche Erfassungseinrichtung für die Indexierung aufweisen. Dann kann ein Zählwert der Indexierung in der Elektronik oder einem angeschlossenen Steuergerät eingespeichert und bei jeder Erfassung der Indexierung unter Berücksichtigung einer Drehrichtung der Lenksäule überschrieben werden.
Der Eingangsdecoder und der Ausgangsdecoder können durch eine ferromagnetische Schirmung EMV geschirmt sein. Dabei kann die Schirmung mit dem Eingangsencoder beziehungsweise dem Ausgangsencoder gekoppelt sein. Die Schirmung kann sich also mit den Encodern und der Lenksäule drehen. Die Schirmung kann auf beiden Seiten des Eingangsencoders und des Ausgangsencoders angeordnet sein. Der Eingangsdecoder und der Ausgangsdecoder können in einem Zwischenraum zwischen den Schirmungen angeordnet sein. Dadurch können der Eingangsdecoder und der Ausgangsdecoder jeweils von zwei Seiten geschirmt sein. Alternativ oder ergänzend kann die Schirmung im Sensorgehäuse angeordnet sein und mit dem Sensorgehäuse austauschbar radial im Lenkgehäuse gesteckt sein. Das Sensorgehäuse kann an mehreren Seiten geschirmt sein. Insbesondere kann das Sensorgehäuse ringförmig umlaufend geschirmt sein. Auch eine von den Encodern abgewandte Rückseite das Sensorgehäuses kann geschirmt sein.
Zumindest ein Sensorelement des Eingangsdecoders kann auf einer ersten Seite des Eingangsencoders angeordnet sein. Zumindest ein weiteres Sensorelement des Eingangsdecoders kann auf einer der ersten Seite insbesondere diametral gegenüberliegenden zweiten Seite des Eingangsencoders angeordnet sein. Zumindest ein Sensorelement des Ausgangsdecoders kann auf einer ersten Seite des Ausgangsencoders angeordnet sein. Zumindest ein weiteres Sensorelement des Ausgangsdecoders kann auf einer der ersten Seite insbesondere diametral gegenüberliegenden zweiten Seite des Ausgangsencoders angeordnet sein. Die Encoder können also im Wesentlichen mittig zwischen den zumindest zwei gegenüberliegenden Sensorelementen angeordnet sein. Durch die gegenüberliegende Anordnung können sich Winkeltoleranzen und/oder Lagetoleranzen des Eingangsschafts beziehungsweise des Ausgangsschafts bei dem einen Sensorelement verstärkend und bei dem gegenüberliegenden Sensorelement abschwächend auswirken. Durch eine gemeinsame Signalverarbeitung für beide Sensorelemente können sich die Auswirkungen der Winkeltoleranzen und/oder Lagetoleranzen gegenseitig kompensieren. Durch die diametrale Anordnung können externe Störungen unterschiedlich Signalauswirkungen haben, welche so kompensiert werden können. Denkbare kompensierbare Störungen sind beispielsweise Radialbewegungen der Welle, aufgrund u.a. Seitenkräften und/oder Lagerspiel, EMV-Störungen, Aufbautoleranzen und/oder Servicetausch Toleranzen.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale des Drehmoment- Lenkwinkelsensors und des Verfahrens in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Drehmoment-Lenkwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines absoluten Drehmoment-Lenkwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines geschirmten Drehmoment-Lenkwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines geteilten Drehmoment-Lenkwinkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Eingangs- bzw. Ausgangsencoders für einen Drehmoment-Lenkwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines geschirmten Eingangs- bzw. Ausgangsencoders für einen Drehmoment-Lenkwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 7 zeigt eine Darstellung eines segmentierten Eingangs- bzw. Ausgangsencoders für einen Drehmoment-Lenkwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Drehmoment-Lenkwinkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 ist im Bereich eines Lenkgehäuses 102 einer Lenkung eines Fahrzeugs angeordnet. Durch das Lenkgehäuse 102 verläuft eine Lenksäule der Lenkung. Die Lenksäule ist im Bereich des Lenkgehäuses 102 in einen Eingangsschaft 104 und einen Ausgangsschaft 106 unterteilt. Der Eingangsschaft 104 kommt von einem Lenkrad des Fahrzeugs. Der Ausgangsschaft 106 führt beispielsweise zu einem Lenkgetriebe der Lenkung. Der Eingangsschaft 104 und der Ausgangsschaft 106 sind im Lenkgehäuse drehbar gelagert und axial in einer Flucht ausgerichtet. Der Eingangsschaft 104 und der Ausgangsschaft 106 sind innerhalb des Lenkgehäuses 102 durch eine Torsionsfeder 108 des Drehmoment-Lenkwinkelsensors 100 miteinander gekoppelt. Die Torsionsfeder 108 ist koaxial zu dem Eingangsschaft 104 und dem Ausgangsschaft 106 angeordnet. Hier ist die Torsionsfeder 108 als Torsionsstab ausgeführt.
Der Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 weist neben der Torsionsfeder 108 einen winkelfest mit dem Eingangsschaft 104 gekoppelten Eingangsencoder 110, einen winkelfest mit dem Ausgangsschaft 106 gekoppelten Ausgangsencoder 112, sowie einen mit dem Lenkgehäuse 102 gekoppelten Eingangsdecoder 114 zum Erfassen eines Eingangswinkels 116 des Eingangsencoders 110, einen mit dem Lenkgehäuse 102 gekoppelten Ausgangsdecoder 118 zum Erfassen eines Ausgangswinkels 120 des Ausgangsencoders 112 und eine Elektronik 122 zum Verarbeiten der Signale des Eingangsdecoders 114 und des Ausgangsdecoders 118 auf.
Der Eingangsencoder 110 und der Ausgangsencoder 112 sind als Winkelverkörperungen des Eingangswinkels 116 beziehungsweise Ausgangswinkels 120 ausgebildet. Der Eingangswinkel 116 und der Ausgangswinkel 120 sind dabei jeweils über eine volle Umdrehung beziehungsweise über die vollen 360° eindeutig codiert. Der Eingangsdecoder 114 und der Ausgangsdecoder 118 können also für jede Winkelstellung des Eingangsencoders 110 beziehungsweise des Ausgangsencoders 112 einen eindeutigen Wert decodieren. Der Eingangswinkel 116 und der Ausgangswinkel 120 können dabei auf weniger als 0,1 ° genau decodiert werden.
Wenn über das Lenkrad und den Eingangsschaft 104 ein Drehmoment 124 ausgeübt wird, überträgt die Torsionsfeder 108 dieses Drehmoment 124 auf den Ausgangsschaft 106. Der Ausgangsschaft 106 überträgt das Drehmoment 124 dann weiter zum Lenkgetriebe. Durch das Drehmoment 124 wird die Torsionsfeder 108 tordiert, also die am Eingangsschaft 104 und Ausgangsschaft 106 fixierten Enden der Torsionsfeder 108 axial gegeneinander verdreht. Ein Torsionswinkel 126 der Torsionsfeder 108 ist dabei abhängig von einer Federrate, also einer Elastizität bzw. einer Steifigkeit der Torsionsfeder 108 und dem Drehmoment 124. Der Torsionswinkel 126 ist proportional zu dem Drehmoment 124. Da der Eingangsencoder 110 und der Ausgangsencoder 112 winkelfest mit dem Eingangsschaft 104 beziehungsweise mit dem Ausgangsschaft 106 gekoppelt sind, wird der Eingangsencoder 110 um einen um den Torsionswinkel 126 größeren Winkel gedreht als der Ausgangsencoder 112.
Der Eingangsdecoder 114 erfasst die Winkelstellung des Eingangsencoders 110 als Eingangswinkel 116 und der Ausgangsdecoder 118 erfasst die Winkelstellung des Ausgangsencoders 112 als Ausgangswinkel 120. In der Elektronik 122 wird eine Differenz zwischen dem Eingangswinkel 116 und dem Ausgangswinkel 120 bestimmt. Die Differenz entspricht dem Torsionswinkel 126. Unter Verwendung der bekannten Federrate der Torsionsfeder 108 wird aus dem Torsionswinkel 126 das Drehmoment 124 berechnet.
Der Eingangsdecoder 114, der Ausgangsdecoder 118 und die Elektronik 122 sind gemeinsam in einem radial zur Lenksäule in das Lenkgehäuse 102 eingesteckten Sensorgehäuse 128 angeordnet. Das Sensorgehäuse 128 mit dem Eingangsdecoder 114, dem Ausgangsdecoder 118 und der Elektronik 122 ist tauschbar. Das Sensorgehäuse 128 weist auf einer Außenseite einen Verbinder 130 zum Anschließen einer Datenleitung zu einem Steuergerät auf.
Der Eingangsencoder 110 und der Ausgangsencoder 112 sind scheibenförmig und quer zu dem Eingangsschaft 104 beziehungsweise dem Ausgangsschaft 106 ausgerichtet. Der Eingangsdecoder 114 und der Ausgangsdecoder 118 sind in radialer Richtung zum Eingangsencoder 110 beziehungsweise Ausgangsencoder 112 angeordnet. Der Eingangsdecoder 114 und der Ausgangsdecoder 118 berühren den Eingangsencoder 110 beziehungsweise Ausgangsencoder 112 nicht.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Eingangsencoder 110 und/oder der Ausgangsencoder 112 zusätzlich zur Winkelverkörperung eine Indexierung auf. Die Indexierung markiert eine Winkelstellung des Eingangsencoders 110 beziehungsweise Ausgangsencoders 112 eindeutig. Diese Winkelstellung repräsentiert einen Bezugspunkt der Lenkung. Zum Erfassen der Indexierung weist der Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 eine Erfassungseinrichtung auf, die im Sensorgehäuse 128 angeordnet ist. Die Erfassungseinrichtung gibt einen Signalimpuls aus, wenn sich die Indexierung an der Erfassungseinrichtung vorbeibewegt. Unter Berücksichtigung einer Drehrichtung der Lenksäule können unter Verwendung der Indexierung und der zugehörigen Erfassungseinrichtung Umdrehungen der Lenksäule gezählt werden und im Steuergerät hinterlegt werden, um einen absoluten Lenkwinkel des Lenkrads zu speichern.
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines absoluten Drehmoment-Lenkwinkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Drehmoment-Lenkwinkelsensor in Fig. 1. Zusätzlich weist der Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 ein Satellitengetriebe 200 auf. Das Satellitengetriebe 200 greift in einen Zahnkranz 202 auf dem Ausgangsschaft 106 ein. Der Zahnkranz 202 ist winkelfest mit dem Ausgangsschaft 106 verbunden. Wenn sich der Ausgangsschaft 106 dreht, wird das Satellitengetriebe 200 ebenfalls gedreht. Das Satellitengetriebe 200 untersetzt eine Drehzahl des Ausgangsschaft 106 mit einem definierten Untersetzungsverhältnis. An einem Ausgang des Satellitengetriebes 200 ist ein Umdrehungssensor 204 angeordnet. Der Umdrehungssensor 204 gibt einen Wert aus, wie oft sich der Ausgangsschaft 106 in eine Richtung gedreht hat. Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines geschirmten Drehmoment-Lenkwinkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Drehmoment-Lenkwinkelsensor in Fig. 1. Zusätzlich weist der Drehmoment-Lenkwinkelsensor eine Schirmung 300 auf. Die Schirmung ist aus einem ferromagnetischen Material und ist dazu ausgebildet, den Eingangsdecoder 114 und den Ausgangsdecoder 118 vor elektromagnetischen Einkopplungen durch elektromagnetische Felder abzuschirmen. Hier ist die Schirmung 300 im Sensorgehäuse 128 angeordnet. Die Schirmung 300 ragt aus dem Sensorgehäuse 128 vor und überlagert den Eingangsencoder 110 sowie den Ausgangsencoder 112 teilweise.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines geteilten Drehmoment-Lenkwinkelsensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 entspricht dabei im Wesentlichen dem Drehmoment-Lenkwinkelsensor in Fig. 1. Im Gegensatz dazu ist der Eingangsdecoder 114 in einem Eingangsdecodergehäuse 400 angeordnet. Der Ausgangsdecoder 118 ist in einem Ausgangsdecodergehäuse 402 angeordnet. Im Eingangsdecodergehäuse 400 und dem Ausgangsdecodergehäuse 402 ist jeweils der zum Auswerten des Eingangsdecoders 114 beziehungsweise Ausgangsdecoders 118 erforderliche Teil der Elektronik 122 angeordnet. Das Eingangsdecodergehäuse 400 und das Ausgangsdecodergehäuse 402 sind jeweils in radialer Richtung zur Lenksäule in das Lenkgehäuse 102 gesteckt und können einzeln ausgetauscht werden. Das Eingangsdecodergehäuse 400 und das Ausgangsdecodergehäuse 402 weisen jeweils einen Verbinder 130 zum Verbinden mit dem Steuergerät auf.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Encoders 500 für einen Drehmoment- Lenkwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Encoder 500 entspricht im Wesentlichen dem Eingangsencoder und dem Ausgangsencoder aus den Figuren 1 bis 4. Hier weist der Encoder zwei parallele, ringförmig umlaufende Magnetspuren 502 auf. Die Magnetspuren 502 sind gleich groß und weisen eine Noniuscodierung auf. Dazu weist die eine Magnetspur 13 Polpaare aus je einem Nordpol und einem Südpol beziehungsweise 26 Pole auf. Die andere Magnetspur 502 weist 14 Polpaare beziehungsweise 28 Pole auf. Durch die unterschiedlichen Anzahlen an Magnetpolen 504 ergibt sich bei jedem Magnetpol 504 eine unterschiedliche seitliche Verschiebung der Magnetpole 504 der beiden Magnetspuren 502 gegeneinander. Die Verschiebung ist bei jedem Magnetpol 504 anders und damit einzigartig. Beide Magnetspuren 502 werden durch den zugehörigen Decoder gleichzeitig abgetastet. Aus der individuellen Verschiebung der Magnetpole 504 kann der Decoder die aktuelle Winkelstellung des Encoders 500 für jede Winkelstellung des Encoders 500 eindeutig erfassen.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines geschirmten Encoders 500 für einen Drehmoment-Lenkwinkelsensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Encoder 500 entspricht im Wesentlichen dem Encoder in Fig. 5. Zusätzlich weist der Encoder 500 eine Schirmung 300 auf. Die Schirmung 300 ist hier als beidseitig des Encoders 500 ringförmig umlaufende ferromagnetische Ringe ausgebildet. Die Ringe sind auf einer flachen Oberseite des Encoders 500 und einer flachen Unterseite des Encoders 500 angeordnet. Die Schirmung ist parallel zu den Magnetspuren 502 angeordnet. Die Ringe weisen einen größeren Durchmesser als die Magnetspuren 502 auf. Der zugehörige Encoder ist dann zwischen den Ringen angeordnet und so vor Einkopplungen elektromagnetischer Störfelder gut geschützt.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung eines segmentierten Encoders 500 für einen Drehmoment-Lenkwinkelsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Encoder 500 entspricht im Wesentlichen dem Encoder in Fig. 5. Zusätzlich ist der Encoder 500 in Segmente 700 unterteilt. Hier weist der Encoder 500 fünf Segmente 700 mit einem Winkel von jeweils 72° auf. Die Segmente 700 sind identisch. Die Magnetspuren 502 weisen pro Segment jeweils 10 beziehungsweise 12 Magnetpole 504 auf. Die daraus resultierende Noniuscodierung des Encoders 500 wiederholt sich also fünf Mal pro Umdrehung. Über den vollen Umfang weisen die Magnetspuren 502 damit 50 Magnetpole 504 beziehungsweise 60 Magnetpole 504 auf. Über ein Satellitenrad kann eine Eindeutigkeit größer als ein Segment 700 beziehungsweise über mehrere Segmente 700 erreicht werden.
Nachfolgend werden mögliche Ausgestaltungen der Erfindung nochmals zusammengefasst bzw. mit einer geringfügig anderen Wortwahl dargestellt.
Es wird ein servicefähiger magnetbasierender Radial-Off-Shaft Drehmoment- Winkelsensor vorgestellt.
Aktuelle Sensorelektroniken in der elektrischen Lenkung können nicht als Einzelkomponente über den Produktlebenszyklus ausgetauscht werden und sind somit nicht servicefähig. Bei Sensordefekten muss die Sensorelektronik im Verbund mit dem kompletten Lenksystem ausgetauscht werden. Dadurch entstehen erhebliche Kosten. Durch die hier vorgestellte tauschbare Sensorelektronik kann die Lebensdauer des Lenkungssystems erhöht werden und durch planbare Serviceabstände die Kosten minimieren. Durch die tauschbare Sensorelektronik kann ein Wartungsprogramm erweitert werden.
Die Servicefähigkeit bezieht sich dabei auf die Möglichkeit zum Sensortausch, ohne die gesamte Lenkung tauschen zu müssen.
Die Tauschbarkeit der Sensorelektronik gewährleistet dabei die Funktion des Lenksystems mit einem geringeren Zeitaufwand der Reparatur sowie geringeren Reparaturkosten für den Endkunden. Weiterhin können 0 km Ausfälle der Lenkung kostengünstiger behoben werden, da nicht die gesamte Lenkung getauscht werden muss. Zusätzlich verbessert der Austausch nur der defekten Sensor Komponente einer Lenkung die Nachhaltigkeit.
In den Abbildungen ist der grundlegende Aufbau des Sensors basierend auf einem Drehstab/Torsionsstab Prinzip dargestellt. Eingangs- und Ausgangs- Schaft sind über einen Drehstab/Torsionsstab verbunden, durch die Messung der relativen Torsion zwischen beiden kann das Drehmoment berechnet werden.
Am Eingangs- sowie am Ausgangs-Schaft sind jeweils Magnetpolringe angebracht, über die ein 360° Absolutwinkel berechnet werden kann. Um dies zu ermöglichen, verfügt ein Magnetpolring dazu über zwei unterschiedlich geteilte Magnetpol-Spuren mit 360° Noniuskodierung. Eine mögliche Umsetzung des Magnetpolrings sind 26 bzw. 28 Pole zur 360° Noniuskodierung. Über die Differenz der beiden Absolutwinkel von Eingangsschaft und Ausgangsschaft kann die relative Torsion zwischen beiden und somit das Drehmoment bestimmt werden. Zur Abtastung der Magnetspuren der Magnetpolringe werden einzelne oder redundante 360° Magnetfeldsensoren der AMR-, GMR-, TMR- oder 3D-Hall Technologie eingesetzt. Die Magnetfeldsensoren sind entsprechend der Polteilung der Magnetpolringe angepasst bzw. optimiert.
Sensorvarianten mit drei oder mehr Spuren sind ebenso denkbar. Dies ermöglicht den Aufbau eines redundantes bzw. fehlertoleranten Sensorsystems.
Ein TPO True-Power-On Lenkwinkel kann umgesetzt werden, indem am Eingangs- und/oder bevorzugt am Ausgangs-Schaft ein zusätzliches Satellitenrad implementiert wird (bzw. mehrere Satellitenräder), hierdurch kann der Lenkwinkelbereich auf ein entsprechend Vielfaches von 360° erweitert werden. Bei einer Nicht-True-Power-On Lenkwinkel Lösung kann der Eingangsoder bevorzugt am Ausgangs- Schaft eine 360° Periode liegen (Indexierung), mit der auf Lenksystemebene die Lenkungsmitte referenziert werden kann, die Lenkwinkelinformation kommt hierbei von einem auswertenden Steuergerät
Sensorvarianten als reiner TPO True Power-On oder Index-basierter Drehmoment-Lenkwinkelsensor sind ebenfalls möglich, hierbei kann auf einen der Magnetpolringe verzichtet werden.
Essenzieller Teil des Sensors sind die ASICs, sie dienen zur Prozessierung von Messsignalen und zur Ausgabe der Messgrößen über eine elektrische Schnittstelle zum auswertenden Steuergerät. Bei dem hier vorgestellten Ansatz trägt ein Gehäuse die gesamten Komponenten des Sensors, sowie den/die ASICs. Das geschlossene Design lässt sich von außen radial in das Lenkgehäuse montieren, mit dem Ziel der Servicefähigkeit, sprich der Sensor ist im Feld über den Produktlebenszyklus tauschbar. Alternativ können die Sensoren zur Abtastung der Polräder einzeln von außen montierbar sein, sie können somit einzeln getauscht werden.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Sensoren zur Abtastung der Magnetspuren durch die Anordnung zwischen zwei ferromagnetischen Elementen gegenüber EMV-Einflüssen abgeschirmt. Die Elemente zur EMV- Abschirmung können an den Magnetpolringen und/oder im Sensorgehäuse angeordnet sein.
Der hier vorgestellte Ansatz kann in elektronischen Lenkungen von KFZ und NFZ (Bau-, Landmaschinen) zur Drehstab-basierenden Drehmomentmessung und/oder Winkelmessung und/oder linearen Wegmessung aller Art in Industrie (Fertigung), Fahrrad und Konsumbereich verwendet werden.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Ansprüche
1 . Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) für eine Lenkung eines Fahrzeugs, wobei der Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) einen Eingangsencoder (110), eine Torsionsfeder (108), einen Ausgangsencoder (112), zumindest einen Eingangsdecoder (114) und zumindest einen Ausgangsdecoder (118) aufweist, wobei der Eingangsencoder (110) mit einem in einem Lenkgehäuse (102) der Lenkung drehbar gelagerten Eingangsschaft (104) der Lenkung gekoppelt ist und der Ausgangsencoder (112) mit einem im Lenkgehäuse (102) axial zum Eingangsschaft (104) drehbar gelagerten Ausgangsschaft (106) der Lenkung gekoppelt ist, wobei der Eingangsschaft (104) und der Ausgangsschaft (106) über die Torsionsfeder (108) tordierbar miteinander gekoppelt sind, wobei der Eingangsdecoder (114) und der Ausgangsdecoder (118) radial zu dem Eingangsencoder (110) und dem Ausgangsencoder (112) im Lenkgehäuse (102) austauschbar drehfest gesteckt sind.
2. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem der Eingangsdecoder (114) in einem austauschbar steckbaren Eingangsdecodergehäuse (400) angeordnet ist, wobei der Ausgangsdecoder (118) in einem austauschbar steckbaren Ausgangsdecodergehäuse (402) angeordnet ist.
3. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem der Eingangsdecoder (114) und der Ausgangsdecoder (118) in einem gemeinsamen austauschbar steckbaren Sensorgehäuse (128) angeordnet sind.
4. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Eingangsencoder (110) und der Ausgangsencoder (112) je zumindest zwei Magnetspuren (502) mit aufeinanderfolgenden Polpaaren aufweisen, wobei die Magnetspuren (502) unterschiedliche Polpaarzahlen aufweisen, wobei der Eingangsdecoder (114) und der Ausgangsdecoder (118) je zumindest ein Sensorelement pro Magnetspur (502) aufweisen.
5. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 4, bei dem die Magnetspuren je zumindest zwei Segmente (700) mit unterschiedlichen Polpaarzahlen aufweisen.
6. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Sensorelemente des Eingangsdecoders (114) und des Ausgangsdecoders (118) dazu ausgebildet sind, je eine Magnetfeldrichtung eines von dem Eingangsencoder (110) beziehungsweise Ausgangsencoder (112) emittierten, das jeweilige Sensorelement durchdringenden Magnetfelds in je einem elektrischen Signal abzubilden.
7. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner zumindest ein Satellitengetriebe (200) mit einem Umdrehungssensor (204) austauschbar radial im Lenkgehäuse (102) gesteckt ist.
8. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Eingangsdecoder (114) und der Ausgangsdecoder (118) durch eine ferromagnetische Schirmung (300) geschirmt sind.
9. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 8, bei dem die Schirmung (300) mit dem Eingangsencoder (110) beziehungsweise dem Ausgangsencoder (112) gekoppelt ist.
10. Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß Anspruch 3 und einem der Ansprüche 8 bis 9, bei dem die Schirmung (300) im Sensorgehäuse (128) angeordnet ist und mit dem Sensorgehäuse (128) austauschbar radial im Lenkgehäuse (102) gesteckt ist.
11 . Drehmoment-Lenkwinkelsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Sensorelement des Eingangsdecoders
(114) auf einer ersten Seite des Eingangsencoders (110) angeordnet ist und zumindest ein weiteres Sensorelement des Eingangsdecoders (114) auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Eingangsencoders (110) angeordnet ist, wobei zumindest ein Sensorelement des Ausgangsdecoders (118) auf einer ersten Seite des Ausgangsencoders (112) angeordnet ist und zumindest ein weiteres Sensorelement des Ausgangsdecoders (118) auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Ausgangsencoders (112) angeordnet ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Drehmoment-Lenkwinkelsensors (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unter Verwendung des mit dem Eingangsschaft (104) drehbaren Eingangsencoders (110) und des drehfest im Lenkgehäuse (102) angeordneten Eingangsdecoders (114) ein Eingangswinkel (116) des Eingangsschafts (104) erfasst wird, und unter Verwendung des mit dem Ausgangsschaft (106) drehbaren Ausgangsencoders (112) und des drehfest im Lenkgehäuse (102) angeordneten Ausgangsdecoders (118) ein Ausgangswinkel (120) des Ausgangsschafts (106) erfasst wird, wobei ein Torsionswinkel (126) der Torsionsfeder (108) als Differenz zwischen dem Eingangswinkel (116) und dem Ausgangswinkel (120) bestimmt wird.
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