WO2026017459A1

WO2026017459A1 - Lenkgetriebe mit einem hochintegrierten lenkwinkelsensor und verfahren zum betreiben desselben

Info

Publication number: WO2026017459A1
Application number: PCT/EP2025/069280
Authority: WO
Inventors: Michael Kleinknecht; Stefan Kuntz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-07-18
Filing date: 2025-07-07
Publication date: 2026-01-22
Anticipated expiration: 2027-01-18
Also published as: DE102024206776A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lenkgetriebe (100) mit einem hochintegrierten Lenkwinkelsensor (102), wobei auf einer Oberfläche (200) eines rotatorischen Bauteils (106) des Lenkgetriebes (100) ein ringförmiger, mehrpoliger magnetischer Geber (136) des Lenkwinkelsensors (102) angeordnet ist und ein Magnetfeldrichtungssensor (140) des Lenkwinkelsensors (102) mit einem Luftspalt (204) zum Geber (136) drehfest im Lenkgetriebe (100) angeordnet ist, wobei der Geber (136) aus zumindest einer auf der Oberfläche (200) angeordneten Schicht magnetisierbaren Materials besteht und Magnetpole des Gebers (136) durch eine Oberflächenmagnetisierung (300) des Materials beim Erstarren des Materials ausgebildet sind, wobei ein Steuergerät (146) des Lenkwinkelsensors (102) dazu konfiguriert ist, unter Verwendung eines Signals (144) des Magnetfeldrichtungssensors (140) eine Winkelposition (104) des rotatorischen Bauteils (106) zu bestimmen und unter Verwendung der Winkelposition (104) und eines Übersetzungsverhältnisses (108) zwischen dem rotatorischen Bauteil (106) und einem translatorischen Bauteil (110) des Lenkgetriebes (100) einen aktuellen Lenkwinkel (116) des Lenkgetriebes (100) zu bestimmen.

Description

Beschreibung

Titel

Lenkgetriebe mit einem hochintegrierten Lenkwinkelsensor und Verfahren zum Betreiben desselben

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe mit einem hochintegrierten Lenkwinkelsensor, ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Lenkgetriebes, sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt

Stand der Technik

Ein Lenkwinkel von gelenkten Rädern eines Fahrzeugs kann über einen Lenkwinkelsensor erfasst werden. Der Lenkwinkelsensor kann an einer Lenksäule des Fahrzeugs angeordnet sein. Der Lenkwinkelsensor kann an der Lenksäule eine Winkelstellung eines Lenkrads des Fahrzeugs erfassen und über ein bekanntes Übersetzungsverhältnis eines Lenkgetriebes des Fahrzeugs kann der eigentliche Lenkwinkel berechnet werden.

Da das Lenkrad in der Regel um mehr als eine ganze Umdrehung gedreht werden kann, um einen Maximaleinschlag der Räder einzustellen, kann die Winkelstellung der Lenksäule insbesondere nach einer Unterbrechung der Stromversorgung nicht eindeutig in den Lenkwinkel umgerechnet werden. Dazu kann der Lenkwinkelsensor einen Umdrehungszähler aufweisen. Der Umdrehungszähler kann eine Zusatzinformation bereitstellen, die eine eindeutige Zuordnung des Lenkwinkels zur Winkelstellung der Lenksäule ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Lenkgetriebe mit einem hochintegrierten Lenkwinkelsensor, ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Lenkgetriebes, sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt 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 einem steer-by-wire Fahrzeug, also einem Fahrzeug ohne Lenksäule beziehungsweise ohne mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem Lenkgetriebe, fehlt die Möglichkeit, über die Winkelstellung der Lenksäule den Lenkwinkel der Lenkung zu bestimmen. Hier kann beispielsweise eine Linearposition einer Spurstange der Lenkung über einen Linearsensor erfasst werden.

Bei dem hier vorgestellten Ansatz wird die Linearposition der Spurstange über eine Winkelstellung einer drehbaren Komponente des Lenkgetriebes und eines rotatorisch-translatorischen Übersetzungsverhältnisses zwischen der Komponente und der Spurstange bestimmt. Zum Erfassen der Winkelstellung wird eine Feldrichtung eines von der Komponente ausgehenden Magnetfelds gemessen und ausgewertet. Das Magnetfeld weist über eine Umdrehung der Komponente mehrere Wechsel zwischen Nord- und Südpolen auf.

Das Magnetfeld wird von einem an der Komponente angeordneten Geber erzeugt. Dieser Geber wird erst bei seiner Herstellung zu einem mehrpoligen Magnet. Dazu werden externe Magnetfelder an ein magnetisierbares Material des Gebers angelegt, sodass sich Partikel im Material an den Magnetfeldern ausrichten. Das Material erstarrt beziehungsweise härtet aus während die Magnetfelder angelegt sind. Beim Erstarren beziehungsweise Aushärten wird so ein Abbild dieser Magnetfelder im Geber „eingefroren“.

Durch den hier vorgestellten Ansatz kann auf einen extra Linearsensor an der Spurstange verzichtet werden. Die drehbare Komponente ist ein sowieso vorhandenes Bauteil der Lenkung und die Winkelstellung der Komponente ist über das rotatorisch-translatorische Übersetzungsverhältnis unmittelbar mit der Linearposition der Spurstange gekoppelt. Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Lenkgetriebe mit einem hochintegrierten Lenkwinkelsensor vorgeschlagen, wobei auf einer Oberfläche eines rotatorischen Bauteils des Lenkgetriebes ein ringförmiger, mehrpoliger magnetischer Geber des Lenkwinkelsensors angeordnet ist und ein Magnetfeldrichtungssensor des Lenkwinkelsensors mit einem Luftspalt zum Geber drehfest im Lenkgetriebe angeordnet ist, wobei der Geber aus zumindest einer auf der Oberfläche angeordneten Schicht magnetisierbaren Materials besteht und Magnetpole des Gebers durch eine Oberflächenmagnetisierung des Materials beim Erstarren des Materials ausgebildet sind, wobei ein Steuergerät des Lenkwinkelsensors dazu konfiguriert ist, unter Verwendung eines Signals des Magnetfeldrichtungssensors eine Winkelposition des rotatorischen Bauteils zu bestimmen und unter Verwendung der Winkelposition und eines Übersetzungsverhältnisses zwischen dem rotatorischen Bauteil und einem translatorischen Bauteil des Lenkgetriebes einen aktuellen Lenkwinkel des Lenkgetriebes zu bestimmen.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Lenkgetriebes gemäß dem ersten Aspekt vorgeschlagen, wobei die Winkelposition des rotatorischen Bauteils des Lenkgetriebes unter Verwendung des Signals des Magnetfeldrichtungssensors bestimmt wird, wobei der Lenkwinkel unter Verwendung der Winkelposition und des Übersetzungsverhältnisses zwischen dem rotatorischen Bauteil und dem translatorischen Bauteil bestimmt wird.

Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.

Ein rotatorisch-translatorisches Übersetzungsverhältnis eines Lenkgetriebes wird beispielsweise durch eine Gewindesteigung eines Gewindes definiert. Das Gewinde kann mit der Spurstange gekoppelt sein oder direkt auf der Spurstange angeordnet sein. Über die Gewindesteigung besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen einer Winkeländerung einer in das Gewinde eingreifenden Mutter und einer Positionsänderung des Gewindes. Die Mutter wird durch einen Antriebsmotor der des Lenkgetriebes angetrieben. Das rotatorisch-translatorische Übersetzungsverhältnis kann ebenso durch Abmessungen eines in eine Zahnstange eingreifenden Ritzels bestimmt sein. Die Zahnstange kann mit der Spurstange gekoppelt sein oder direkt auf der Spurstange ausgebildet sein. Auch hier besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen einer Winkeländerung des Ritzels und einer Positionsänderung der Zahnstange.

Ein Magnetfeldrichtungssensor kann eine Richtung eines den Magnetfeldrichtungsrichtungssensor durchdringenden Magnetfelds in einem elektrischen Signal abbilden. Der Magnetfeldrichtungssensor kann die Richtung als mehrdimensionaler Vektor ausgeben. Vorzugsweise wird der Winkel der (differenziellen) Magnetfeldrichtung bestimmt und als Winkelsignal an ein Steuergerät ausgegeben

Als Luftspalt kann eine Strecke aus einem magnetisch niedrig permeablen Material wie z.B. Luft bezeichnet werden. Dabei kann der Luftspalt auch als eine Trennwand aus Kunststoff ausgeführt sein. Der Luftspallt kann auch über unterschiedliche Materialien verlaufen.

Die Anordnung von ferromagnetischem Material auf der Rückseite des magnetisierten Materials kann eine Verstärkung des Nutzfelds auf der anderen Seite erwirken und sich vorteilhaft auf die Amplitude des Differenzfelds auswirken.

Der Magnetfeldrichtungssensor kann zumindest zwei in einem vordefinierten Abstand zueinander angeordnete Sensorelemente aufweisen. Die Sensorelemente können aufgrund ihres Abstands jeweils eine geringfügig unterschiedliche Magnetfeldrichtung erfassen. Das Steuergerät kann dazu konfiguriert sein, ein homogenes Störfeld an den Sensorelementen durch eine differenzielle Auswertung der erfassten Magnetfeldrichtungen zu kompensieren. Bei einer differenziellen Auswertung kann eine Differenz der von den Sensorelementen ausgegebenen Vektoren gebildet werden. Ein homogenes Magnetfeld kann ein externes Störfeld sein. Das Störfeld verändert die Magnetfeldrichtung an beiden Sensorelementen gleich. Durch die Differenzbildung heben sich die gleichen Anteile der Vektoren auf und nur der Unterschied der Vektoren bleibt übrig. Der Unterschied ist dann direkt abhängig von dem Unterschied der erfassten Magnetfeldrichtungen. Der Unterschied der Magnetfeldrichtungen ist abhängig von der Winkelposition des Gebers. Der Lenkwinkelsensor kann an einem weiteren rotatorischen Bauteil des Lenkgetriebes mit einem festen Drehzahlverhältnis zu dem ersten rotatorischen Bauteil einen Lagegeber mit einem drehfesten Lagesensor aufweisen. Das Steuergerät kann dazu konfiguriert sein, den Lenkwinkel ferner unter Verwendung des Drehzahlverhältnisses und einer Noniuskalkulation zwischen einer Lage des Lagegebers und der Winkelposition des ersten rotatorischen Bauteils zu bestimmen. Das rotatorische Bauteil, also die Mutter auf dem Gewinde oder das Ritzel an der Zahnstange kann über eine Länge des Gewindes beziehungsweise der Zahnstange eine Vielzahl an Umdrehungen ausführen. Ohne Zusatzinformation kann nur eine Änderung des Lenkwinkels, also ein relativer Lenkwinkel erfasst werden. Ein absoluter Lenkwinkel kann beispielsweise durch eine Beobachtung des relativen Lenkwinkels bestimmt werden. Dadurch kann der absolute Lenkwinkel nach einer Unterbrechung der Energieversorgung nicht erfasst werden. Die Energieversorgung wird beispielsweise beim Abschalten des Fahrzeugs unterbrochen. Erst wenn ein Referenzpunkt auf dem Gewinde oder der Zahnstange erfasst wird, kann der absolute Lenkwinkel wieder durch Beobachtung des relativen Lenkwinkels bestimmt werden.

Hier wird als die Zusatzinformation erfasst, in welcher Umdrehung sich die Mutter beziehungsweise das Ritzel gerade befindet. Diese Zusatzinformation steht auch nach einer Unterbrechung der Stromversorgung bereit. Diese Erkennung wird unter Verwendung des Noniusprinzips durchgeführt. Für das Noniusprinzip wird eine Lage eines weiteren drehbaren Bauteils des Lenkgetriebes erfasst. Das weitere Bauteil ist dabei über ein festes Drehzahlverhältnis mit der Mutter beziehungsweise dem Ritzel gekoppelt. Durch das Drehzahlverhältnis ergibt sich aus der Lage des weiteren Bauteils und der Winkelposition eine einzigartige Wertekombination, die eindeutig der jeweiligen Umdrehung der Mutter beziehungsweise des Ritzels zugeordnet werden kann.

Der Lagegeber kann ein Rotorlagegeber eines Antriebsmotors des Lenkgetriebes sein. Der Rotorlagegeber ist zum Betrieb des Antriebsmotors erforderlich und daher sowieso vorhanden. Der Antriebsmotor ist über ein Untersetzungsgetriebe mit dem rotatorischen Bauteil gekoppelt. Das Untersetzungsgetriebe definiert ein Drehzahlverhältnis der beiden Bauteile. Durch eine passende Auslegung des Un- tersetzungsgetriebes ergibt sich eine eindeutige Abfolge von Wertekombinationen, die eine Bestimmung des absoluten Lenkwinkels ermöglicht.

Der Geber kann auf der Oberfläche einer Riemenscheibe zum Antreiben einer in ein Gewinde einer Spurstange des Lenkgetriebes eingreifenden Antriebsmutter der Spurstange angeordnet sein. Eine Riemenscheibe kann Teil eines Untersetzungsgetriebes zwischen dem Antriebsmotor und der Antriebsmutter sein. Die Riemenscheibe kann insbesondere drehfest mit der Antriebsmutter gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Riemenscheibe eine Innenverzahnung aufweisen und in eine entsprechende Außenverzahnung der Antriebsmutter eingreifen. Die Antriebsmutter kann eine Kugelumlaufmutter sein. Dann kann das Gewinde ein Kugelgewinde sein. Die Antriebsmutter und das Gewinde können einen Kugelgewindetrieb ausbilden.

Der Magnetfeldrichtungssensor kann eine erste Sensoranordnung mit zumindest einem Sensorelement und zumindest eine redundante zweite Sensoranordnung mit zumindest einem weiteren Sensorelement aufweisen. Die Sensoranordnungen können räumlich getrennt voneinander angeordnet sein. Eine Sensoranordnung kann in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein. Die Sensoranordnung kann in Form eines Chips beziehungsweise einer integrierten Schaltung vorliegen. Der Magnetfeldrichtungssensor kann auf mehrere redundante Chips beziehungsweise integrierte Schaltungen verteilt sein. Die Sensoranordnungen können beispielsweise so weit voneinander beabstandet sein, dass ein Sensoranordnung über einer Grenze zwischen zwei Magnetpolen des Gebers angeordnet ist, während die andere Sensoranordnung zentral über einem Magnetpol des Gebers angeordnet ist. Dann erfassen die Sensoranordnungen maximal unterschiedliche Magnetfeldrichtungen. Durch einen Vergleich der Signale von beiden Sensoranordnungen kann ein Fehler einfach erkannt werden. Beispielsweise kann ein Fehler erkannt werden, wenn die räumlich getrennten Sensoranordnungen zu ähnliche Magnetfeldrichtungen erfassen.

Das magnetisierbare Material kann ein kunststoffgebundenes Magnetmaterial sein. Das Material kann thermoplastisch sein und unter Verwendung eines Spritzgussverfahrens auf die Oberfläche des Bauteils aufgespritzt sein. Dazu kann das Bauteil beispielsweise in ein Spritzgusswerkzeug mit starken Magneten eingelegt werden. Die Magneten können Elektromagnete oder Permanentmag- nete sein. Die Magnete können das magnetisierbare Material beim Füllen eines Formhohlraums des Spritzgusswerkzeugs zu den abwechselnden Magnetpolen magnetisieren. Wenn das Bauteil mit dem angespritzten Geber aus dem Spritzgusswerkzeug entnommen wird, ist das Magnetmaterial nicht mehr plastisch verformbar und die Magnetpole sind dauerhaft im Magnetmaterial fixiert.

Eine Eindringtiefe der Oberflächenmagnetisierung kann kleiner als eine Schichtdicke des magnetisierbaren Materials sein. Dadurch kann eine große magnetische Amplitude nahe an der den Messelementen zugewandten Seite des Materials erreicht werden. Zusätzlich kann ein Trägermaterial des Bauteils nichtmagnetisch bleiben und durch die Oberflächenmagnetisierung nicht beeinflusst werden.

Alternativ kann die Oberflächenmagnetisierung das magnetisierbare Material näherungsweise vollständig durchdringen. Dann kann das Trägermaterial, das insbesondere ein ferromagnetisches Material ist, einen magnetischen Rückschluss durch das Bauteil ermöglichen. Der magnetische Rückschluss kann die magnetische Flussdichte verstärken.

Das Verfahren ist vorzugsweise computerimplementiert und kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

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 Steuergeräts 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 Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbe- spiel;

Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines Bauteils mit einem Lenkwinkelsensor eines Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Fign. 3 und 4 zeigen Darstellungen von Magnetisierungen eines Gebers für ein Lenkgetriebe gemäß Ausführungsbeispielen.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Lenkgetriebes 100 gemäß einem Ausfüh- rungsbespiel. Das Lenkgetriebe 100 ist also ein rotatorisch-translatorisches Getriebe. Das Lenkgetriebe 100 weist einen hochintegrierten Lenkwinkelsensor 102 auf. Der Lenkwinkelsensor 102 erfasst eine Winkelposition 104 eines rotatorischen Bauteils 106 des Lenkgetriebes 100. Unter Verwendung eines rotatorischtranslatorischen Übersetzungsverhältnisses 108 des Lenkgetriebes 100 wird aus der Winkelposition 104 eine Linearposition 112 eines translatorischen Bauteils 110 des Lenkgetriebes 100 abgeleitet. Unter Verwendung der Linearposition 112 und einer Lenkkinematik 114 einer angeschlossenen Lenkung wird ein Lenkwinkel 116 der Lenkung bestimmt.

Im Lenkgetriebe 100 wird eine Drehbewegung eines Antriebsmotors 118 auf das rotatorische Bauteil 106 übertragen und in eine Linearbewegung des translatorischen Bauteils 110 umgesetzt. Das translatorische Bauteil 110 ist hier direkt eine Spurstange 120 der Lenkung. Alternativ kann das translatorische Bauteil 110 an einer anderen Stelle mit der Spurstange 120 gekoppelt sein. Das Lenkgetriebe 100 weist keine drehbare mechanische Verbindung zu einem Lenkrad des Fahrzeugs auf. Das Lenkgetriebe 100 kann damit als steer-by-wire Lenkgetriebe bezeichnet werden.

Das Lenkgetriebe 100 weist in einem Ausführungsbeispiel eine Mutter 122 als das rotatorische Bauteil 106 auf, die in ein Gewinde 124 des translatorischen Bauteils 110 eingreift. Die Mutter 122 ist hier eine Kugelumlaufmutter und das Gewinde 124 ist ein Kugelgewinde. Die Mutter 122 wird durch ein Ritzel 126 angetrieben. Das Ritzel 126 ist ein weiteres rotatorisches Bauteil 106. Das Ritzel 126 sitzt auf einer Welle 128 des Antriebsmotors 118. Der Antriebsmotor 118 ist hier achsparallel zum translatorischen Bauteil 110 angeordnet.

In einem Ausführungsbeispiel treibt das Ritzel 126 die Mutter 122 indirekt über einen Zahnriemen 130 an. Alternativ kann die Mutter 122 durch das Ritzel 126 direkt angetrieben werden. Hier ist die Mutter 122 mit einer Riemenscheibe 132 gekoppelt. Die Riemenscheibe 132 ist formschlüssig mit der Mutter 122 verbunden. Der Zahnriemen 130 läuft um das Ritzel 126 und die Riemenscheibe 132 um.

Alternativ kann das Lenkgetriebe 100 eine Zahnstange als das translatorische Bauteil 110 aufweisen, in die das Ritzel 126 als das rotatorische Bauteil 106 eingreift. Dann wäre der Antriebmotor 118 quer zur Spurstange 120 angeordnet.

Das Ritzel 126 weist einen geringeren Durchmesser als die Riemenscheibe 132 beziehungsweise die Mutter 122 auf. Ein Verhältnis der Durchmesser definiert ein Drehzahlverhältnis 134 zwischen dem Ritzel 126 und der Mutter 122. Eine Drehzahl des Antriebsmotors 118 wird hier auf eine Drehzahl der Mutter 122 untersetzt.

Auf dem rotatorischen Bauteil 106 ist ein mehrpoliger magnetischer Geber 136 des Lenkwinkelsensors 102 angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel ist der Geber 136 auf der Riemenscheibe 132 angeordnet. Alternativ kann der Geber 136 auch am Ritzel 126 angeordnet sein. An einem Gehäuse 138 des Lenkgetriebes 100 ist ein Magnetfeldrichtungssensor 140 so angeordnet, dass ihn die von dem Geber 136 ausgehenden Magnetfelder durchdringen. Der Magnetfeldrichtungssensor 140 ist drehfest angeordnet. Der Magnetfeldrichtungssensor 140 ist nahe am Geber 136 angeordnet und nur durch einen geringen Luftspalt vom Geber 136 beabstandet Der Magnetfeldrichtungssensor 140 erfasst eine Feldrichtung 142 des ihn durchdringenden Magnetfelds und bildet die Feldrichtung 142 in einem elektrischen Signal 144 ab. Das Signal 144 ist insbesondere ein mindestens zweidimensionaler Vektor, der eine Radialkomponente und eine Tangentialkomponente der Feldrichtung 142 als Zahlenwerte abbildet.

Das Signal 144 wird von einem Steuergerät 146 des Lenkgetriebes 100 eingelesen und ausgewertet. Über einen im Steuergerät 146 hinterlegten Zusammenhang 148 zwischen der gemessenen Feldrichtung 142 und einer Winkelposition 104 des Gebers 136 wird eine Winkelposition 104 der rotatorischen Komponente 106 bestimmt. Über das ebenfalls im Steuergerät 146 hinterlegte rotatorischtranslatorische Übersetzungsverhältnis 108 wird aus der Winkelposition 104 die Linearposition 112 des translatorischen Bauteils 110 abgeleitet. Über die im Steuergerät 146 hinterlegte Lenkkinematik 114 wird aus der Linearposition 112 der Lenkwinkel 116 der Lenkung bestimmt.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Lenkwinkelsensor 102 einen Lagegeber 150 an einer weiteren rotatorischen Komponente 106 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lagegeber 150 mit dem Ritzel 126, beziehungsweise der Welle 128 des Antriebsmotors 118 gekoppelt. Ein Lagesensor 152 erfasst eine Lage 154 des Lagegebers 150 und bildet die Lage 154 in einem weiteren elektrischen Signal 144 ab. Das Steuergerät 146 liest auch das weitere Signal 144 ein. Da die weitere rotatorische Komponente 106 über das Drehzahlverhältnis 134 mit der ersten rotatorischen Komponente 106 gekoppelt ist, ändert sich die Lage 154 schneller als die Winkelposition 104. Es ergeben sich über mehrere Umdrehungen der rotatorischen Komponenten 106 eindeutige Wertepaare 156 aus Lage 154 und Winkelposition 104. Die Wertepaare 156 sind im Steuergerät 146 hinterlegt. Durch einen Vergleich der aktuellen Werte von Lage 154 und Winkelposition 104 mit den hinterlegten Wertepaaren 156 wird hergeleitet, in welcher Umdrehung das erste rotatorische Bauteil 106 sich gerade befindet. So können die Linearposition 112 und der Lenkwinkel 116 unter Verwendung des hinterlegten rotatorisch-translatorischen Übersetzungsverhältnisses 108 und der hinterlegten Lenkkinematik 114 über mehrere Umdrehungen des rotatorischen Bauteils 106 eindeutig bestimmt werden. Diese Bestimmung funktioniert auch nach einer Unterbrechung der Energiezufuhr des Steuergeräts 146 und auch wenn sich der Lenkwinkel 116 bei unterbrochener Energieversorgung beispielsweise durch äußere Kräfte ändert

Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines rotatorischen Bauteils 106 mit einem Lenkwinkelsensor 102 eines Lenkgetriebes gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das rotatorische Bauteil 106 entspricht dabei im Wesentlichen dem ersten rotatorischen Bauteil in Fig. 1. Das rotatorische Bauteil 106 ist hier ebenfalls eine Riemenscheibe 132. Auf einer Oberfläche 200 des rotatorischen Bauteils 106 ist der Geber 136 durch eine Schicht oberflächenmagnetisiertes magnetisierbares Material 202 ausgebildet. Der Geber 136 ist dabei in Umfangsrichtung auf das Bauteil 106 aufgebracht. Der Magnetfeldrichtungssensor 140 ist durch den Luftspalt 204 be- abstandet zum Geber 136 angeordnet.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Magnetfeldrichtungssensor 140 zwei durch einen Abstand 206 voneinander beabstandete Sensorelemente 208 auf. Jedes Sensorelement 208 bildet das durchdringende Magnetfeld des Gebers 136 als Vektor mit zumindest einer tangentialen Komponente 210 und einer radialen Komponente 212 in seinem Signal 144 ab.

Im Steuergerät 146 werden Differenzen 214 der beiden tangentialen Komponenten 210 und der beiden radialen Komponenten 212 gebildet. Die Differenzen 214 ergeben einen neuen Vektor, der nur noch den Unterschied der Magnetfeldrichtungen an den beiden Sensorelementen 208 abbildet. Anteile von Magnetfeldern, die an beiden Sensorelementen 208 gleich in den Signalen 144 abgebildet werden, heben sich durch die Differenzbildung auf und beeinflussen die Messung des Magnetfeldrichtungssensors 140 somit nicht.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer oberflächlichen Magnetisierung 300 eines Gebers 136 für ein Lenkgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Geber 136 entspricht im Wesentlichen dem Geber 136 in Fig. 2. Wie in Fig. 2 ist der Geber 136 auf der Oberfläche 200 des rotatorischen Bauteils 106 des Lenkgetriebes angeordnet, des Der Geber 136 besteht aus einem Kunststoffmaterial, das mit magnetisierbaren beziehungsweise magnetisierten beziehungsweise magnetischen Partikeln gefüllt ist. Das Kunststoffmaterial bildet also eine Matrix für die Partikel. So lange das Kunststoffmaterial plastisch verformbar, also flüssig, zähflüssig, plastifiziert beziehungsweise schmelzflüssig ist können sich die Partikel im Kunststoffmaterial bewegen, also sich beliebig ausrichten. Wenn das Kunststoffmaterial erstarrt ist, also hart und ohne äußere Einflüsse nicht mehr plastisch verformbar ist, sind die Partikel in ihrer vor dem Erstarren eingenommenen Ausrichtung fixiert.

Das Kunststoffmaterial ist im plastisch verformbaren Zustand auf die Oberfläche 200 aufgebracht worden. Dabei sind die Partikel von außen starken Magnetfeldern ausgesetzt worden und die Partikel haben sich an Feldlinien der Magnetfelder ausgerichtet. In dieser Ausrichtung ist das Kunststoffmaterial erstarrt. Durch die Ausrichtung sind die Partikel selbst Magnete geworden und bilden die Magnetisierung 300 des Gebers 136 aus.

Hier haben sich die Partikel entlang im Wesentlichen ununterbrochenen Feldlinien ausgerichtet. Die Feldlinien sind im Wesentlichen nicht in die Oberfläche 200 eingedrungen. Dadurch beeinflusst das Material des rotatorischen Bauteils 106 die Magnetisierung 300 nicht oder nur unwesentlich.

Der Magnetfeldrichtungssensor 140 ist oberhalb des Gebers 136 angeordnet und wird durch die Magnetfelder des Gebers 136 durchdrungen. Die Sensorelemente 208 werden dabei durch Feldlinien mit unterschiedlicher Richtung durchdrungen.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung einer durchgehenden Magnetisierung 300 eines Gebers 136 für ein Lenkgetriebe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Geber 136 entspricht im Wesentlichen dem Geber in Fig. 3. Im Gegensatz dazu ist die Schicht aus dem Kunststoffmaterial wesentlich dünner. Dadurch konnten sich die magnetisierbaren Partikel nicht als durchgehende Feldlinien ausrichten. Die Magnetfelder des Gebers 136 dringen hier in die Oberfläche 200 ein. Im rotatorischen Bauteil 106 erfolgt dadurch ein magnetischer Rückschluss 400.

Nachfolgend werden mögliche Ausgestaltungen der Erfindung nochmals zusammengefasst bzw. mit einer geringfügig anderen Wortwahl dargestellt.

Es wird eine störfeldrobuste, hochintegrierte magnetische Messung der Zahnstangenposition einer steer-by-wire Lenkung vorgestellt. Herkömmlicherweise wird die Position der Zahn- bzw. Lenkstange in einem steer-by-wire (SbW) System mit einem Lenkwinkelsensor gemessen, bei dem mithilfe des Noniusprinzips und einem Zahnradgetriebe im Sensor der über mehrere Umdrehungen eindeutige Absolutlenkwinkel (d.h. Zahnstangenposition) gemessen wird.

Hier wird der Absolutwinkel der Lenkung in einem SbW System hochintegriert mit den sowieso bestehenden Mechanikteilen gemessen. Diese Messung erfolgt störfeldrobust, sodass Fremdfelder von z.B. 4000 A/m ohne Beeinflussung der Messung auftreten können.

Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht insbesondere die Wiederverwendung der sowieso in einem achsparallelen (APA) SbW System vorhandenen Mechanikkomponenten, vor allem der Riemenscheibe als Element zur magnetischen differentiellen Messung.

Da es sich hierbei um ein FE-Sintermetall handelt, wird mithilfe einer Oberflächenmagnetisierung eines aufgespritzten kunststoffgebundenen Magnetmaterials der Einfluss der FE-Metalls minimiert, bzw. sogar nutzend eingesetzt.

Die Messung erfolgt vorzugsweise mithilfe eines Hall- oder XMR-basierten differentiellen ASICs. Dieser kann zur Erhöhung der Verfügbarkeit redundant in einem dual-die Package ausgeführt sein, was zusätzlich Kosten beim Package einspart. Vorzugsweise werden die Magnetfeldkomponenten in Luftspaltrichtung und tangentialer Richtung an je zwei Messelementen eines Dies ausgewertet, wobei die Messelemente in tangentialer Umfangsrichtung beabstandet sind (z.B. 2mm). Die Feldkomponenten der zwei Messelemente werden voneinander abgezogen, um eine Störfeldrobustheit gegenüber homogenen Fremdfeldern zu ermöglichen. Aus den resultierenden differentiellen Feldkomponenten wird ein differentieller Magnetwinkel über die atan2-Operation berechnet.

Zur Erhöhung der funktionalen Sicherheit können auch zwei ASICs eingesetzt werden, welche in Umfangsrichtung in einem vorgegebenen Winkelabstand angeordnet sind. Vorzugsweise wird der Winkel so gewählt, dass zwischen den Signalen des ersten ASICs und des zweiten ASICs eine feste Beziehung besteht z.B. Nulldurchgang beim ersten ASIC und maximales Signal bei zweiten ASIC um die Diagnoseabdeckung für den Vergleich der beiden Kanäle zu Maximieren. Dies wird z.B. notwendig, wenn ein einzelner ASIC nur ASIL-C fähig ist, aber redundante ASIL-D Kanäle gefordert werden.

Vorteilhaft werden bei der Aufmagnetisierung des Magnetmaterials mehrere Magnetpolpaare erzeugt, um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, z.B. 5 bis 15 Polpaare.

Um den absoluten Lenkwinkel zu bestimmen kann eine Kombination mit dem gemessenen Rotorlagewinkel auf der „anderen Seite“ des Riemens mittels Nonius verwendet werden. Hierbei sind das Übersetzungsverhältnis der Riemenscheiben, die Anzahl der Polpaare auf der Riemenscheibe und die Periodizität der Rotorlagemessung aufeinander abgestimmt.

In Fig. 3 ist eine Oberflächenmagnetisierung in vereinfachter linearer Flussliniendarstellung gezeigt, welche nicht in die Tiefe bis zum FE-Metall kommt.

In Fig. 4 ist eine alternative Magnetisierung in vereinfachter linearer Flussliniendarstellung gezeigt, welche durch das FE-Metall verstärkt wird. Grundsätzlich kann bei kunststoffgebundenem isotropem Material bevorzugt mit einer Spule aufmagnetisiert werden, bei anisotropem Material kann bevorzugt mit einem Mastermagnet im Werkzeug aufmagnetisiert 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 . Lenkgetriebe (100) mit einem hochintegrierten Lenkwinkelsensor (102), wobei auf einer Oberfläche (200) eines rotatorischen Bauteils (106) des Lenkgetriebes (100) ein ringförmiger, mehrpoliger magnetischer Geber (136) des Lenkwinkelsensors (102) angeordnet ist und ein Magnetfeldrichtungssensor (140) des Lenkwinkelsensors (102) mit einem Luftspalt (204) zum Geber (136) drehfest im Lenkgetriebe (100) angeordnet ist, wobei der Geber (136) aus zumindest einer auf der Oberfläche (200) angeordneten Schicht magnetisierbaren Materials (202) besteht und Magnetpole des Gebers (136) durch zumindest eine Oberflächenmagnetisierung (300) des Materials ausgebildet sind, wobei ein Steuergerät (146) des Lenkwinkelsensors (102) dazu konfiguriert ist, unter Verwendung eines Signals (144) des Magnetfeldrichtungssensors (140) eine Winkelposition (104) des rotatorischen Bauteils (106) zu bestimmen und unter Verwendung der Winkelposition (104) und eines Übersetzungsverhältnisses (108) zwischen dem rotatorischen Bauteil (106) und einem translatorischen Bauteil (110) des Lenkgetriebes (100) einen aktuellen Lenkwinkel (116) des Lenkgetriebes (100) zu bestimmen.

2. Lenkgetriebe (100) gemäß Anspruch 1 , bei dem der Magnetfeldrichtungssensor (140) zumindest zwei in einem vordefinierten Abstand (206) zueinander angeordnete Sensorelemente (208) aufweist, die aufgrund ihres Abstands (206) jeweils durch ein Magnetfeld mit unterschiedlicher Magnetfeldrichtung (142) durchdrungen werden, wobei das Steuergerät (146) dazu konfiguriert ist, ein homogenes Störfeld an den Sensorelementen (208) durch eine differenzielle Auswertung der erfassten Magnetfeldrichtungen (142) zu kompensieren.

3. Lenkgetriebe (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Lenkwinkelsensor (102) an einem weiteren rotatorischen Bauteil (106) des Lenkgetriebes (100) mit einem festen Drehzahlverhältnis (134) zu dem ersten rotatorischen Bauteil (106) einen Lagegeber (150) mit einem drehfes- ten Lagesensor (152) aufweist, wobei das Steuergerät (146) dazu konfiguriert ist, den Lenkwinkel (116) ferner unter Verwendung des Drehzahlverhältnisses (134) und einer Noniuskalkulation zwischen einer Lage (154) des Lagegebers (150) und der Winkel position (104) des ersten rotatorischen Bauteils (106) zu bestimmen.

4. Lenkgetriebe (100) gemäß Anspruch 3, bei dem der Lagegeber (150) ein Rotorlagegeber eines Antriebsmotors (118) des Lenkgetriebes (100) ist

5. Lenkgetriebe (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Geber (136) auf der Oberfläche (200) einer Riemenscheibe (132) zum Antreiben einer in ein Gewinde (124) einer Spurstange (120) des Lenkgetriebes (100) eingreifenden Antriebsmutter (122) der Spurstange (120) angeordnet ist

6. Lenkgetriebe (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetfeldrichtungssensor (140) eine erste Sensoranordnung mit zumindest einem Sensorelement (208) und zumindest eine redundante zweite Sensoranordnung mit zumindest einem weiteren Sensorelement (208) aufweist, wobei die Sensoranordnungen räumlich getrennt voneinander angeordnet sind.

7. Lenkgetriebe (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das magnetisierbare Material (202) ein kunststoffgebundenes Magnetmaterial ist und auf die Oberfläche (200) des Bauteils (106) aufgespritzt ist.

8. Lenkgetriebe (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Eindringtiefe der Oberflächenmagnetisierung (300) kleiner als eine Schichtdicke des magnetisierbaren Materials (202) ist.

9. Verfahren zum Betreiben eines Lenkgetriebes (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Winkelposition (104) des rotatorischen Bauteils (106) des Lenkgetriebes (100) unter Verwendung des Signals (144) des Magnetfeldrichtungssensors (140) bestimmt wird, wobei der Lenkwinkel (116) unter Verwendung der Winkelposition (104) und des Übersetzungsver- hältnisses (108) zwischen dem rotatorischen Bauteil (106) und dem translatorischen Bauteil (110) bestimmt wird.

10. Computerprogrammprodukt, das dazu eingerichtet ist, einen Prozessor bei Ausführung des Computerprogrammprodukts dazu anzuleiten, das Verfahren gemäß Anspruch 9 auszuführen, umzusetzen und/oder anzusteuern.

11 . Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10 gespeichert ist.