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WO2016050382A1 - Kombiniertes sensorkonzept für lenksysteme von kraftfahrzeugen - Google Patents

Kombiniertes sensorkonzept für lenksysteme von kraftfahrzeugen Download PDF

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Publication number
WO2016050382A1
WO2016050382A1 PCT/EP2015/067248 EP2015067248W WO2016050382A1 WO 2016050382 A1 WO2016050382 A1 WO 2016050382A1 EP 2015067248 W EP2015067248 W EP 2015067248W WO 2016050382 A1 WO2016050382 A1 WO 2016050382A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shaft
sensor
motor
overlay
sensor arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/067248
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Miklos SIKLODI
Robert Galehr
Bernhard Steinkogler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Presta AG filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of WO2016050382A1 publication Critical patent/WO2016050382A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/008—Changing the transfer ratio between the steering wheel and the steering gear by variable supply of energy, e.g. by using a superposition gear

Definitions

  • the present invention relates to an overlay plate for a
  • Superposition plates are known in power steering systems of motor vehicles. They usually have a transmission with two input shafts and one
  • Rack and pinion steering gear is connected, and the second input shaft is connected to an electric or hydraulic drive.
  • a particularly compact design of a superposition actuator has an arrangement in which an input shaft and the output shaft are arranged coaxially to each other, for example by one shaft in the other, designed as a hollow shaft shaft is rotatably mounted.
  • the transmission can be a planetary gear or a wave gear in such an arrangement, so that there is a third wave for the drive in these three-axle transmissions.
  • Output shaft are impressed an additional steering angle when the vehicle is ranked so that the driver perceived
  • Leading angle is impressed by the actuator of the overlay actuator.
  • Other applications include lane departure warning, autonomous driving and ESP systems.
  • the steering angle signal of an otherwise present in the motor vehicle steering wheel angle sensor is used.
  • Such a steering wheel angle sensor for example, directly the
  • Steering be assigned in the region of the steering wheel or the steering column.
  • the overlay plate always requires in the known embodiments, such as in the above-mentioned publication, an external sensor signal and the associated data transmission, which supplies the signal to the controller of the overlay controller.
  • the object of the invention is to provide an improved sensor concept for a
  • An input shaft and an output shaft and a motor shaft driven by an electric motor wherein at least the input shaft and the motor shaft or the output shaft and the motor shaft are arranged coaxially to each other, and with a sensor arrangement for detecting the
  • the overlay plate a Sensor arrangement having first sensor elements and with second sensor elements, and that a first encoder element is provided, which is rotatable relative to the sensor arrangement and with the first
  • Encoder element is provided, which is rotatable relative to the Sensoranordung and is in operative connection with the second sensor elements, wherein the first donor element or the second donor element with the
  • Motor shaft is rotatably connected, and the other one of the first
  • Encoder element and the second encoder element is rotatably connected to the input shaft or the output shaft, a compact device can be presented with an improved sensor concept.
  • the donor element with the input shaft and with a
  • the sensor arrangement as the first sensor elements and the second sensor elements are each arranged in the circumferential direction of the sensor arrangement, the first transmitter element or the second
  • the sensor arrangement in combination with the transmitter element connected to the input shaft is advantageous for detecting the sensor
  • Steering wheel angle are designed as a multi-turn sensor.
  • a multi-turn sensor can detect several full revolutions, ie rotation angles of more than 360 °.
  • a memory element may be provided that counts the number of passes and adds the offset of the complete revolutions to the angle value within one rotation.
  • a particularly compact design is achieved when the sensor arrangement is arranged between the electric motor and the transmission. It is with Advantage of the sensor arrangement is arranged in a space of a motor housing.
  • the sensor arrangement in combination with the encoder element connected to the motor shaft for detecting the rotor angle can be designed as a multi-turn sensor.
  • the sensor arrangement of the overlay actuator is adapted to the differential angle between the rotational position of the
  • the sensor arrangement of the overlay actuator may further comprise the following elements: a) comprises two counting units which count the number of revolutions of the input shaft and the motor shaft, b) a memory unit which stores the number of revolutions of the input shaft and the motor shaft, c) one arithmetic unit , which determines the absolute rotation angle of the input shaft and the motor shaft from the currently measured rotation angles of the input shaft and the motor shaft with the aid of the stored revolution numbers.
  • Fig. 1 an electromechanical vehicle steering system with a
  • FIG. 2 shows an overlay plate according to a first exemplary embodiment in a perspective view
  • Fig. 3 shows the overlay plate from FIG. 2 in a longitudinal section
  • Fig. 4 shows the overlay plate from FIG. 2 in a perspective view
  • Fig. 5 shows the overlay plate from FIG. 2 in a further perspective exploded view
  • FIG. 6 shows an overlay plate according to a second exemplary embodiment in a longitudinal section similar to FIG. 3.
  • an electromechanical steering system for a motor vehicle is shown schematically.
  • the steering has in known manner a steering wheel 1 that is to be operated by the driver.
  • the steering wheel 1 is rotatably connected to a steering shaft 2, which is rotatably be challengede in a vehicle-mounted adjustable steering column 3.
  • the steering shaft 2 is provided with two joints 4 and 5, which allow a pivoting of the steering shaft.
  • an upper steering shaft 6, a middle steering shaft 7 and a lower steering shaft 8 are formed.
  • the upper steering shaft 6 is input shaft of a superposition actuator 9, which is shown here only schematically.
  • the overlay plate 9 finally acts with its output shaft, with the interposition of the lower steering shaft 8 and the two joints 4 and 5 on a pinion 10, which meshes with a rack 11.
  • a rotation of the steering wheel 1 thus leads by rotation of the steering shaft 2 and the pinion 10 to a shift of
  • the rack 11 in the transverse direction of the vehicle.
  • the rack 11 carries tie rods 12, which in turn are connected to steerable vehicle wheels 13. In this way, a rotation of the steering wheel 1 causes a
  • the overlay plate 9 can, with appropriate control, a rotation angle or a
  • an electric power assistance 100 is provided, which additionally supports the steering movement and relieves the driver in his steering work. This is known from the prior art and will not be discussed further here.
  • Overlay plate is arranged in the device 9a between the lower steering shaft 8 and the steering pinion 10, wherein even the steering pinion 10 may be directly coupled to the output shaft of the overlay actuator or formed in one piece.
  • the device 9a is designed as an electrical auxiliary power device to relieve the driver in the steering work.
  • Steering wheel angle sensor for the angular position of the steering wheel 1 are required.
  • Overlap actuator 9 so control that the desired
  • Overlay controller 9 will be further described below.
  • FIG. 2 shows an overlay plate 9 in a perspective view
  • the overlay plate 9 has an electric motor 20, which is coupled to connection lines 102 via an electrical connection 21 to the ECU 101.
  • the electric motor 20 is connected to a transmission 22, which carries a transmission input shaft 18. To the input shaft 18, the
  • Steering shaft 2 are connected from Figure 1. Between the motor 20 and the transmission 22, a board 23 is arranged, which in a space between a motor housing 25 and a ring gear 26 of the
  • Planetary gear running gear 22 is arranged. The exact relative arrangement of the various components to each other will be described in more detail below with reference to Figure 3, which
  • Superposition plate 9 of Figure 2 shows a schematic longitudinal section.
  • the overlay plate 9 has the electric motor 20 with the motor housing 25, in which a stator 27 fixed and a rotor 28 are rotatably arranged.
  • the rotor 28 drives a hollow shaft 29 as a motor shaft.
  • the hollow shaft 29 is rotatably mounted in rolling bearings 30 in the motor housing 25.
  • the hollow shaft 29 protrudes, shown in the figure 3 on the left side into the planetary gear and carries there at a free end a sun gear 31.
  • the sun gear 31 in turn clamped with planet wheels 32 which are held and guided by a planetary carrier 33. Outside surrounds the ring gear 26, the planetary gears and meshes with them.
  • the ring gear 26 is cup-shaped and carries in its axis of rotation a free
  • Stub shaft 34 which can be used as input or output shaft of the planetary gear.
  • the planetary carrier 33 in turn is connected to a shaft 35, which is aligned coaxially with the stub shaft 34 and which passes through the hollow shaft 29 through the electric motor 20 and exits at the side facing away from the transmission 22 of the motor housing 25 from the motor housing 25.
  • the shaft 35 is rotatably mounted in a rolling bearing 36 in the motor housing 25.
  • the shaft 35, the stub shaft 34 and the hollow shaft 29 are characterized by each other and via the planetary gear or
  • Three-shaft gear 22 coupled together.
  • the rotational movement of the stub shaft 34 and thus forcibly coupled ring gear 26 is to be detected for the control as well as the rotational movement of the hollow shaft 29.
  • a first encoder disc 40 inside the open, the motor 20 facing edge of the ring gear 26 is arranged.
  • a second encoder disc 41 is rotatably connected to the hollow shaft 29 and has radially outwardly away from the shaft 29.
  • Axial position of the second encoder disc 41 with respect to the hollow shaft 29 is correct coincide with the axial position of the first encoder shaft 40 in the arrangement.
  • the two encoder discs 40 and 41 rotate in operation in the same plane and have a defined axial distance to the board 23.
  • the motor housing 25 finally carries a sensor arrangement 42 with first sensor elements 43 and second sensor elements 44, wherein the
  • the first sensor elements 43 are located with the interposition of an air gap of the first donor disk 40 directly opposite, wherein the air gap defines an axial distance.
  • the second sensor elements 44 are also opposite with an axial distance of the second encoder disc 41.
  • the second encoder disk 41 moves relative to the second sensor elements 44, which is converted into a rotational angle signal by a suitable known sensor and evaluated as a rotor position signal can be.
  • the first encoder disc 40 passes the first sensor elements 43 and generates a corresponding signal, which can be evaluated as an angle signal (incremental or absolute).
  • this angle signal represents a different physical quantity. If the stub shaft 34 is connected to the steering wheel, then the second signal gives the steering wheel angle signal. If the stub shaft 34 is connected to the pinion 10, then the angle signal represents a steering angle.
  • Rotation angle signals generated and detected by a common sensor array 42 and optionally also can be evaluated, whereby it is possible to determine from the two rotation angle signals, the rotation angle of not equipped with a rotation angle sensor shaft.
  • Overlay controller does not require external transmission of angle signals.
  • FIG. 4 shows the overlay plate 9 from FIG. 2 in a first embodiment
  • Encoder element 40 and the second donor element 41 surrounds such that the two donor elements lie approximately in a plane.
  • the engine 20 and the transmission 22 are separated from each other in this illustration.
  • FIG. 5 shows a further illustration corresponding to FIG. 4, wherein the first transmitter element 40 and the second transmitter element 41 are of the type shown in FIG.
  • Motor housing 25 are shown separately. In this illustration is
  • first donor element 40 is a relatively narrow, large diameter ring with inwardly facing sectors, while the second donor element 41 is a smaller diameter ring with outward
  • the first sensor elements 43 are arranged in an annular manner on the board 23 coaxial to the hollow shaft 29 and fit from the diameter to the first donor element 40.
  • the second sensor elements 44 are coaxially within the first sensor elements 43 and are in diameter to the second arranged above
  • Encoder element 41 is formed.
  • the sensor elements 43, 44 are shown schematically and each consist of a transmitter coil and a
  • the inwardly facing sectors of the first donor element 40 sweep the first sensor elements 43 and generate there an evaluable signal. Accordingly, they paint outwards
  • the encoder elements 40, 41 are made of a ferromagnetic material or in other words, from a steel sheet. The arrangement is well protected due to the location within the overlay actuator 9 against external influences.
  • FIG. 6 shows a structure similar to the overlay plate shown in FIG.
  • the angle sensor is not arranged between the engine and the transmission, but on the transmission far side of the engine.
  • Figure 6 shows the mechanical structure of Figure 3.
  • There are some reference numerals have been omitted for the sake of clarity. Like reference numerals designate like components.
  • a space 50 is provided for the sensor within the motor housing 25, so that they are protected within the
  • the sensor system comprises a first transmitter element 51 in the form of a disk-shaped transmitter element, which is fastened in a rotationally fixed manner to the stub shaft of the hollow shaft 29 ending in the space 50, which is also the motor shaft.
  • a second transmitter element 52 is also fixed in rotation in the form of a disk on the shaft 35. Between the first donor element 51 and the second donor element 52 is a
  • Sensor unit 53 is arranged, with its outer side at the inner
  • the sensor arrangement 53 comprises first sensors 54 and second sensors 55.
  • the first sensors 54 are arranged on the sensor arrangement 53 such that they directly opposite the outer edge region of the first encoder element 51.
  • Sensor elements 55 are arranged so that they lie directly opposite to the edge region of the second transmitter element 52 on the sensor arrangement 53.
  • the first sensor 54 is on the one flat side of the sensor assembly 53 and the second sensor 55 on the other flat side of the
  • Sensor arrangement 53 arranged or in other words, the sensors 54, 55 arranged facing away from each other.
  • the first transmitter element 51 rotates and generates in the first sensor elements 54 a corresponding evaluable signal which is evaluated by the sensor unit 53 and optionally to the ECU 101, for example via control lines 103, forwarded.
  • the second transmitter element 52 is moved relative to the second sensor elements 55, so that there are also scannable signals which can be evaluated by the sensor unit 53 and the controller 51.
  • the detection and evaluation of rotational angles or rotational positions of two waves is independent of each other within the overlay actuator 9 possible.
  • the sensor system is particularly well protected by being accommodated in the space 50.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Steering Mechanism (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Überlagerungssteller (9) für eine Kraftfahrzeuglenkung, mit einem Dreiwellengetriebe (22), welches eine Eingangswelle (8) und eine Ausgangswelle (10) sowie eine von einem Elektromotor (20) angetriebene Motorwelle (29) aufweist, wobei wenigstens die Eingangswelle und die Motorwelle oder die Ausgangswelle und die Motorwelle koaxial zueinander angeordnet sind, und mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Winkelstellung der Motorwelle, wobei der Überlagerungssteller eine Sensoranordnung (42, 53) mit ersten Sensorelementen (43, 54) und mit zweiten Sensorelementen (44, 55) aufweist, und dass ein erstes Geberelement (40, 51) vorgesehen ist, welches gegenüber der Sensoranordung (42, 53) drehbar ist und mit den ersten Sensorelementen (43, 54) in Wirkverbindung steht, und wobei ein zweites Geberelement (41, 52) vorgesehen ist, welches gegenüber der Sensoranordung (42, 53) drehbar ist und mit den zweiten Sensorelementen (44, 55) in Wirkverbindung steht, wobei das erste Geberelement (40, 51) oder das zweite Geberelement (41, 52) mit der Motorwelle (29) drehfest verbunden ist, und das jeweils andere des ersten Geberelements (40, 51) und des zweiten Geberelements (41, 52) mit der Eingangswelle (8) oder der Ausgangswelle (10) drehfest verbunden ist.

Description

Kombiniertes Sensorkonzept für Lenksysteme von Kraftfahrzeugen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Überlagerungssteller für ein
Lenksystem eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Überlagerungssteller sind in Servolenkungen von Kraftfahrzeugen bekannt. Sie weisen üblicherweise ein Getriebe mit zwei Eingangswellen und einer
Ausgangswelle auf, bei denen eine Eingangswelle mit dem Lenkrad über eine Lenkwelle verbunden ist, die Ausgangswelle mit dem Ritzel eines
Zahnstangenlenkgetriebes verbunden ist, und die zweite Eingangswelle mit einem elektrischen oder hydraulischen Antrieb verbunden ist. Eine besonders kompakte Bauform eines Überlagerungsstellers weist eine Anordnung auf, bei der eine Eingangswelle und die Ausgangswelle koaxial zueinander angeordnet sind, beispielsweise indem die eine Welle in der anderen, als Hohlwelle ausgeführten Welle drehbar gelagert ist. Das Getriebe kann bei einer solchen Anordnung ein Planetengetriebe oder ein Wellgetriebe sein, so dass sich bei diesen Dreiachsgetrieben eine dritte Welle für den Antrieb ergibt.
Die Regelung eines solchen Überlagerungsstellers soll den Antrieb des
Überlagerungsgetriebes, der auf die zweite Eingangswelle wirkt, in
Abhängigkeit von der Fahrsituation ansteuern. Beispielsweise soll der
Ausgangswelle ein zusätzlicher Lenkwinkel aufgeprägt werden, wenn das Fahrzeug rangiert wird, damit die vom Fahrer wahrgenommene
Gesamtübersetzung der Lenkung größer und der erforderliche Drehwinkel des Lenkrades zum Erreichen der Lenkanschläge kleiner wird . Es kann auch vorgesehen sein, eine Seitenwindkompensation vorzusehen, bei der der Fahrer mit dem Lenkrad in Geradeausstellung fährt und der zur Kompensation des Seitenwindes erforderliche zusätzliche Lenkwinkel nach Art eines
Vorhaltewinkels von dem Stellantrieb des Überlagerungsstellers aufgeprägt wird. Somit ist es möglich, dass sich die Drehzahl und/oder die Drehrichtungen der ersten Eingangswelle und der zweiten Eingangswelle voneinander unterscheiden. Andere Anwendungen betreffen Spurhalteassistenten, autonomes Fahren und ESP-Systeme.
Für all diese Anwendungen ist es erforderlich, dass die Steuerung stets über die Lage der jeweiligen Wellen des Überlagerungsgetriebes informiert ist. Zu diesem Zweck weisen bekannte Überlagerungsgetriebe wie z. B. der
Überlagerungssteller aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 000 945 AI einen internen Sensor auf, der entweder die Drehwinkellage einer der Wellen oder die Drehwinkellage des Elektromotors erfassen. Im zweiten Fall werden diese Sensoren Rotorpositionssensoren genannt. Der aktuelle Drehwinkel der mit dem Lenkrad verbundenen Eingangswelle wird in bekannten
Überlagerungsstellern nicht erfasst. Hier wird das Lenkwinkelsignal eines anderweitig im Kraftfahrzeug vorhandenen Lenkradwinkelsensors verwendet. Ein solcher Lenkradwinkelsensor kann beispielsweise unmittelbar der
Lenkwelle im Bereich des Lenkrades oder der Lenksäule zugeordnet sein.
Der Überlagerungssteller benötigt bei den bekannten Ausführungsformen, wie beispielsweise in der oben genannten Offenlegungsschrift, stets ein externes Sensorsignal und die dazu gehörige Datenübertragung, die das Signal an die Steuerung des Überlagerungsstellers liefert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Sensorkonzept für ein
Lenksystem bereitzustellen, das einen einfachen Aufbau aufweist und eines geringen Bauraums bedarf.
Gelöst wird die Aufgabe von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt. Weil der Überlagerungssteller für eine
Kraftfahrzeuglenkung, mit einem Dreiwellengetriebe, welches eine
Eingangswelle und eine Ausgangswelle sowie eine von einem Elektromotor angetriebene Motorwelle aufweist, wobei wenigstens die Eingangswelle und die Motorwelle oder die Ausgangswelle und die Motorwelle koaxial zueinander angeordnet sind, und mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der
Winkelstellung der Motorwelle, wobei der Überlagerungssteller eine Sensoranordnung mit ersten Sensorelementen und mit zweiten Sensorelementen aufweist, und dass ein erstes Geberelement vorgesehen ist, welches gegenüber der Sensoranordung drehbar ist und mit den ersten
Sensorelementen in Wirkverbindung steht, und wobei ein zweites
Geberelement vorgesehen ist, welches gegenüber der Sensoranordung drehbar ist und mit den zweiten Sensorelementen in Wirkverbindung steht, wobei das erste Geberelement oder das zweite Geberelement mit der
Motorwelle drehfest verbunden ist, und das jeweils andere des ersten
Geberelements und des zweiten Geberelements mit der Eingangswelle oder der Ausgangswelle drehfest verbunden ist, kann eine kompakte Einrichtung mit einem verbesserten Sensorkonzept dargestellt werden.
Mit Vorteil ist das Geberelement mit der Eingangswelle und mit einem
Lenkrad drehfest verbunden.
Es ist zu bevorzugen, dass die Sensoranordnung als erste Sensorelemente und zweite Sensorelemente jeweils eine in Umfangsrichtung der Sensoranordnung angeordnete, dem ersten Geberelement beziehungsweise dem zweiten
Geberelement zugewandte Sender- und Empfängerspule aufweist. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform erreicht.
Zur Darstellung einer Abtastung des Lenkradwinkels auch bei mehreren Umdrehungen ist mit Vorteil die Sensoranordnung in Kombination mit dem mit der Eingangswelle verbundenen Geberelement zur Detektion des
Lenkradwinkels als Multi-Turn-Sensor ausgeführt sind. Ein Multi-Turn-Sensor kann mehrere volle Umdrehungen erfassen, also Drehwinkel von mehr als 360°. Dabei kann ein Speicherelement vorgesehen sein, dass die Anzahl der Durchläufe zählt und entsprechend den Offset der vollständigen Umdrehungen auf den Winkelwert innerhalb einer Drehung addiert.
Zur Erhöhung der Genauigkeit können für jedes Geberelement in der
Sensoranordnung zwei Sender- und Empfängerspulen vorhanden sein.
Eine besonders kompakte Bauform wird erreicht, wenn die Sensoranordnung zwischen dem Elektromotor und dem Getriebe angeordnet ist. Dabei ist mit Vorteil die Sensoranordnung in einem Raum eines Motorgehäuses angeordnet ist.
Insbesondere zur Darstellung einer Messung des Differenzwinkels zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle kann die Sensoranordnung in Kombination mit der mit der Motorwelle verbundenen Geberelement zur Detektion des Rotorwinkels als Multi-Turn-Sensor ausgeführt sind .
Insbesondere kann die die Sensoranordnung des Überlagerungsstellers dazu ausgebildet ist, den Differenzwinkel zwischen der Rotationsstellung der
Ausgangswelle und der Eingangswelle als Messwert auszugeben.
Mit Vorteil kann die Sensoranordnung des Überlagerungsstellers weiter folgenden Elemente umfassen : a) zwei Zähleinheiten umfasst, die die Umdrehungszahl der Eingangswelle und der Motorwelle zählen, b) eine Speichereinheit umfasst, die die Anzahl der Umdrehungen der Eingangswelle und der Motorwelle speichert, c) eine Recheneinheit, die aus den aktuell gemessenen Drehwinkeln der Eingangswelle und der Motorwelle unter Zuhilfenahme der abgespeicherten Umdrehungszahlen den absoluten Drehwinkel der Eingangswelle und der Motorwelle bestimmt.
Durch diese Ausbildung wird die Steuerung des Lenksystems wesentlich vereinfacht.
Vorteil dieser Lösung ist der geringe Bauraum, da mit einer Steuereinheit zwei Drehbewegungen erfassbar sind .
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen :
Fig . 1 : eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung mit einem
Überlagerungssteller in einer schematischen Darstellung; Fig . 2 : einen Überlagerungssteller nach einem ersten Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Darstellung;
Fig . 3 : den Überlagerungssteller aus Figur 2 in einem Längsschnitt;
Fig . 4: den Überlagerungssteller aus Figur 2 in einer perspektivischen
Explosionsdarstellung;
Fig . 5 : den Überlagerungssteller aus Figur 2 in einer weiteren perspektivischen Explosionsdarstellung; sowie
Fig . 6: einen Überlagerungssteller nach einem zweiten Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt ähnlich Figur 3.
In der Figur 1 ist eine elektromechanische Lenkung für ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt. Die Lenkung weist in bekannter Weise ein Lenkrad 1 auf, dass durch den Fahrer zu betätigen ist. Das Lenkrad 1 ist mit einer Lenkwelle 2 drehfest verbunden, die in einer fahrzeugseitigen verstellbaren Lenksäule 3 drehbar belagert ist. Die Lenkwelle 2 ist mit zwei Gelenken 4 und 5 versehen, die eine Verschwenkung der Lenkwelle erlauben. Dadurch werden eine obere Lenkwelle 6, eine mittlere Lenkwelle 7 und eine untere Lenkwelle 8 gebildet. Die obere Lenkwelle 6 ist Eingangswelle eines Überlagerungsstellers 9, der hier nur schematisch dargestellt ist. Der Überlagerungssteller 9 wirkt schließlich mit seiner Ausgangswelle, unter Zwischenschaltung der unteren Lenkwelle 8 und den beiden Gelenken 4 und 5 auf ein Ritzel 10, welches mit einer Zahnstange 11 kämmt. Eine Drehung des Lenkrades 1 führt damit durch Drehung der Lenkwelle 2 und des Ritzels 10 zu einer Verlagerung der
Zahnstange 11 in Querrichtung des Fahrzeugs. Die Zahnstange 11 trägt Spurstangen 12, die wiederum mit lenkbaren Fahrzeugrädern 13 verbunden sind. Auf diese Weise bewirkt eine Drehung des Lenkrades 1 eine
Verschwenkung der lenkbaren Fahrzeugräder 13. Der Überlagerungssteller 9 kann bei entsprechender Ansteuerung einen Drehwinkel oder eine
Drehwinkelgeschwindigkeit zu der Ritzelwelle 10 hinzuaddieren, also
gegenüber der von dem Lenkrad 1 vorgegebenen Position eine größere oder kleinere Verschwenkung der gelenkten Räder 13 vornehmen. Im dargestellten Beispiel ist eine elektrische Hilfskraftunterstützung 100 vorgesehen, die zusätzlich die Lenkbewegung unterstützt und den Fahrer bei seiner Lenkarbeit entlastet. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt und soll hier nicht weiter diskutiert werden.
Es sind darüber hinaus Anwendungen bekannt, bei denen der
Überlagerungssteller in der Einrichtung 9a zwischen der unteren Lenkwelle 8 und dem Lenkritzel 10 angeordnet ist, wobei sogar das Lenkritzel 10 direkt mit der Ausgangswelle des Überlagerungsstellers gekoppelt oder einteilig ausgebildet sein kann. Es sind auch Anwendungen bekannt, bei denen die Einrichtung 9a als elektrische Hilfskrafteinrichtung ausgebildet ist um den Fahrer bei der Lenkarbeit zu entlasten.
Wichtig ist jedoch, dass für einen sicheren und komfortablen Betrieb des Überlagerungsstellers 9 sowohl ein Rotorpositionssensor des Elektromotors, der in dem Überlagerungssteller 9 integriert ist, als auch ein
Lenkradwinkelsensor für die Winkelposition des Lenkrades 1 erforderlich sind .
Auf Basis dieser Winkelinformationen, sowie weiterer Informationen, kann eine ECU 101 (=elektronische Steuereinheit) den Elektromotor 20 des
Überlagerungsstellers 9 so ansteuern, dass die gewünschte
Winkelüberlagerung der Lenkbewegung erreicht wird.
Die Integration dieser beiden Sensoren in der baulichen Einheit des
Überlagerungsstellers 9 wird nachfolgend weiter beschrieben.
Die Figur 2 zeigt einen Überlagerungssteller 9 in einer perspektivischen
Ansicht. Der Überlagerungssteller 9 weist einen Elektromotor 20 auf, der mit Anschlussleitungen 102 über einen elektrischen Anschluss 21 mit der ECU 101 gekoppelt ist. Der Elektromotor 20 ist mit einem Getriebe 22 verbunden, das eine Getriebeeingangswelle 18 trägt. An die Eingangswelle 18 kann die
Lenkwelle 2 aus Figur 1 angeschlossen werden. Zwischen dem Motor 20 und dem Getriebe 22 ist eine Platine 23 angeordnet, die in einem Zwischenraum zwischen einem Motorgehäuse 25 und einem Hohlrad 26 des als
Planetengetriebe ausgeführten Getriebes 22 angeordnet ist. Die genaue relative Anordnung der verschiedenen Bauteile zueinander wird nachfolgend mit Bezug auf die Figur 3 näher beschrieben, die den
Überlagerungssteller 9 aus Figur 2 in einem schematisierten Längsschnitt zeigt.
Der Überlagerungssteller 9 weist den Elektromotor 20 mit dem Motorgehäuse 25 auf, in dem ein Stator 27 fest und ein Rotor 28 drehbar angeordnet sind . Der Rotor 28 treibt eine Hohlwelle 29 als Motorwelle an. Die Hohlwelle 29 ist in Wälzlagern 30 drehbar in dem Motorgehäuse 25 gelagert.
Die Hohlwelle 29 ragt, in der Figur 3 auf der linken Seite gezeigt, in das Planetengetriebe hinein und trägt dort an einem freien Ende ein Sonnenrad 31. Das Sonnenrad 31 klemmt seinerseits mit Planetenrädern 32, die von einem Planetenträger 33 gehalten und geführt werden. Außen umgibt das Hohlrad 26 die Planetenräder und kämmt mit diesen. Das Hohlrad 26 ist topfförmig ausgebildet und trägt in seiner Drehachse einen freien
Wellenstumpf 34, der als Eingangs- oder Ausgangswelle des Planetengetriebes benutzt werden kann.
Der Planetenträger 33 wiederum ist mit einer Welle 35 verbunden, die koaxial zu dem Wellenstumpf 34 ausgerichtet ist und die durch die Hohlwelle 29 hindurch durch den Elektromotor 20 verläuft und an der dem Getriebe 22 abgewandten Seite des Motorgehäuses 25 aus dem Motorgehäuse 25 austritt. An dieser Stelle ist die Welle 35 in einem Wälzlager 36 in dem Motorgehäuse 25 drehbar gelagert. Die Welle 35, der Wellenstumpf 34 und die Hohlwelle 29 sind dadurch gegeneinander und über das Planetengetriebe oder
Dreiwellengetriebe 22 miteinander gekoppelt.
Die Drehbewegung des Wellenstumpfs 34 und des damit zwangsweise gekoppelten Hohlrades 26 soll für die Steuerung ebenso erfasst werden wie die Drehbewegung der Hohlwelle 29. Hierfür ist eine erste Geberscheibe 40 innen an dem offenen, dem Motor 20 zugewandten Rand des Hohlrades 26 angeordnet. Eine zweite Geberscheibe 41 ist drehfest mit der Hohlwelle 29 verbunden und weist radial nach außen von der Welle 29 weg . Die
Axialposition der zweiten Geberscheibe 41 bezüglich der Hohlwelle 29 stimmt mit der axialen Position der ersten Geberwelle 40 in der Anordnung überein. Die beiden Geberscheiben 40 und 41 drehen sich im Betrieb in derselben Ebene und weisen einen definierten Axialabstand zur Platine 23 auf.
Das Motorgehäuse 25 trägt schließlich eine Sensoranordnung 42 mit ersten Sensorelementen 43 und zweiten Sensorelementen 44, wobei die
Sensoranordnung einen integraler Bestandteil der Platine 23 darstelltDie ersten Sensorelemente 43 liegen unter Zwischenschaltung eines Luftspaltes der ersten Geberscheibe 40 unmittelbar gegenüber, wobei der Luftspalt einen axialen Abstand definiert. Die zweiten Sensorelemente 44 liegen ebenfalls mit einem axialen Abstand der zweiten Geberscheibe 41 gegenüber.
Wenn im Betrieb durch Ansteuerung des Elektromotors 20 die Motorwelle 29 in Drehung gegenüber dem Motorgehäuse 25 versetzt wird, so bewegt sich die zweite Geberscheibe 41 gegenüber den zweiten Sensorelementen 44, was mit einem geeigneten, an sich bekannten Sensor in ein Drehwinkelsignal umgesetzt und als Rotorpositionssignal ausgewertet werden kann. Wenn weiter der Wellenstumpf 34 und das Hohlrad 26 gegenüber dem Motorgehäuse 25 gedreht werden, dann streicht die erste Geberscheibe 40 an den ersten Sensorelementen 43 vorbei und erzeugt ein entsprechendes Signal, welches als Winkelsignal (inkremental oder absolut) ausgewertet werden kann. Je nachdem ob der Wellenstumpf 34 mit dem Lenkrad 1 oder mit dem Ritzel 10 der Lenkung verbunden ist, repräsentiert dieses Winkelsignal eine andere physikalische Größe. Ist der Wellenstumpf 34 mit dem Lenkrad verbunden, dann gibt das zweite Signal das Lenkradwinkelsignal. Ist der Wellenstumpf 34 mit dem Ritzel 10 verbunden, dann stellt das Winkelsignal einen Lenkwinkel dar.
Insgesamt ergibt sich bei diesem Aufbau eine sehr kompakte Anordnung, mit der innerhalb der baulichen Einheit des Überlagerungsstellers 9 zwei
Drehwinkelsignale erzeugt und von einer gemeinsamen Sensoranordnung 42 erfasst und gegebenenfalls auch ausgewertet werden können, wodurch es möglich ist, aus den zwei Drehwinkelsignalen den Drehwinkel der nicht mit einem Drehwinkelsensor ausgerüsteten Welle zu bestimmen. Für die angestrebte, zuverlässige und komfortable Steuerung des
Überlagerungsstellers ist keine externe Übermittlung von Winkelsignalen erforderlich.
Die Figur 4 zeigt den Überlagerungssteller 9 aus Figur 2 in einer ersten
Explosionsdarstellung . Gleiche Bauteile tragen gleiche Bezugsziffern.
In dieser Darstellung ist erkennbar, dass die Platine 23 das erste
Geberelement 40 und das zweite Geberelement 41 derart umgibt, dass die beiden Geberelemente etwa in einer Ebene liegen. Der Motor 20 und das Getriebe 22 sind in dieser Darstellung voneinander getrennt.
Die Figur 5 zeigt eine weitere Darstellung entsprechend Figur 4, wobei das erste Geberelement 40 und das zweite Geberelement 41 von dem
Motorgehäuse 25 getrennt dargestellt sind. In dieser Darstellung ist
ersichtlich, dass das erste Geberelement 40 ein relativ schmaler Ring großen Durchmessers mit nach innen weisende Sektoren ist, während das zweite Geberelement 41 ein im Durchmesser kleinerer Ring mit nach außen
weisenden Sektoren ist. Die in der Darstellung der Figur 4 nicht erkennbaren Sensorelemente, die ersten Sensorelemente 43 und die zweiten
Sensorelemente 44, sind hier sichtbar. Die ersten Sensorelemente 43 sind ringförmig auf der Platine 23 koaxial zu der Hohlwelle 29 angeordnet und passen vom Durchmesser her zu dem ersten Geberelement 40. Die zweiten Sensorelemente 44 liegen koaxial innerhalb der ersten Sensorelemente 43 und sind im Durchmesser passend zu dem darüber angeordneten zweiten
Geberelement 41 ausgebildet. Die Sensorelemente 43, 44 sind schematisch dargestellt und bestehen jeweils aus einer Senderspule und einer
Empfängerspule. Im Betrieb überstreichen die nach innen weisenden Sektoren des ersten Geberelements 40 die ersten Sensorelemente 43 und erzeugen dort ein auswertbares Signal. Entsprechend überstreichen die nach außen
weisenden Sektoren des zweiten Geberelements 41 die zweiten
Sensorelemente 44 und erzeugen dort ebenfalls ein auswertbares Signal . Die Geberelemente 40, 41 bestehen aus einem ferromagnetischen Werkstoff oder mit anderen Wort aus einem Stahlblech. Die Anordnung ist aufgrund der Lage innerhalb des Überlagerungsstellers 9 gut geschützt gegen äußere Einflüsse.
Die Figur 6 zeigt schließlich einen Aufbau, ähnlich dem in Figur 3 dargestellten Überlagerungssteller. Hier ist die Winkelsensorik jedoch nicht zwischen dem Motor und dem Getriebe, sondern auf der getriebefernen Seite des Motors angeordnet. Im Einzelnen zeigt die Figur 6 den mechanischen Aufbau aus Figur 3. Es wurden einige Bezugsziffern wegen der besseren Übersichtlichkeit weggelassen. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen gleiche Bauelemente.
Bei dieser Ausführungsform ist innerhalb des Motorgehäuses 25 ein Raum 50 für die Sensorik vorgesehen, so dass diese geschützt innerhalb des
Motorgehäuses 25 angeordnet werden kann. Die Sensorik umfasst ein erstes Geberelement 51 in Form eines scheibenförmigen Geberelements, das drehfest mit dem in dem Raum 50 endenden Wellenstumpf der Hohlwelle 29, die auch die Motorwelle ist, befestigt ist. Ein zweites Geberelement 52 ist ebenfalls in Form einer Scheibe drehfest auf der Welle 35 befestigt. Zwischen dem ersten Geberelement 51 und dem zweiten Geberelement 52 ist ein
Abstand vorgesehen. In diesem Abstand ist eine Steuerungs- und
Sensoreinheit 53 angeordnet, die mit ihrer Außenseite an der inneren
Umfangswand des Raums 50 befestigt ist. Die Sensoranordnung 53 umfasst erste Sensoren 54 und zweite Sensoren 55. Die ersten Sensoren 54 sind auf der Sensoranordnung 53 so angeordnet, dass sie dem äußeren Randbereich des ersten Geberelements 51 unmittelbar gegenüberliegen. Die zweiten
Sensorelemente 55 sind so angeordnet, dass sie auf der Sensoranordnung 53 dem Randbereich des zweiten Geberelements 52 unmittelbar gegenüberliegen. Der erste Sensor 54 ist auf der einen flächigen Seite der Sensoranordnung 53 und der zweite Sensor 55 auf der anderen flächigen Seite der
Sensoranordnung 53 angeordnet oder mit anderen Worten sind die Sensoren 54, 55 voneinander abgewandt angeordnet. Bei einer Drehung der Motorwelle oder Hohlwelle 29 dreht sich das erste Geberelement 51 mit und erzeugt in den ersten Sensorelementen 54 ein entsprechend auswertbares Signal, das von der Sensoreinheit 53 ausgewertet und gegebenenfalls an die ECU 101, beispielsweise über Steuerleitungen 103, weitergeleitet wird . Entsprechend wird bei einer Drehung der Welle 35 das zweite Geberelement 52 relativ zu den zweiten Senorelementen 55 bewegt, so dass sich auch dort abtastbare Signale ergeben, die von der Sensoreinheit 53 und der Steuerung 51 auswertbar sind . Auch bei dieser Ausführungsform ist deshalb innerhalb des Überlagerungsstellers 9 das Erfassen und Auswerten von Drehwinkeln beziehungsweise Rotationspositionen zweier Wellen unabhänig voneinander möglich. Zudem ist in dieser Anordnung gemäß Figur 6 die Sensorik durch Unterbringung in dem Raum 50 besonders gut geschützt.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
Uberlagerungssteller (9) für eine Kraftfahrzeuglenkung, mit einem
Dreiwellengetriebe (22), welches eine Eingangswelle (18) und eine Ausgangswelle (10) sowie eine von einem Elektromotor (20)
angetriebene Motorwelle (29) aufweist, wobei wenigstens die
Eingangswelle und die Motorwelle oder die Ausgangswelle und die
Motorwelle koaxial zueinander angeordnet sind, und mit einer
Sensoranordnung zur Erfassung der Winkelstellung der Motorwelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungssteller eine
Sensoranordnung (42, 53) mit ersten Sensorelementen (43, 54) und mit zweiten Sensorelementen (44, 55) aufweist, und dass ein erstes
Geberelement (40, 51) vorgesehen ist, welches gegenüber der
Sensoranordung (42, 53) drehbar ist und mit den ersten
Sensorelementen (43, 54) in Wirkverbindung steht, und dass ein zweites Geberelement (41, 52) vorgesehen ist, welches gegenüber der
Sensoranordung (42, 53) drehbar ist und mit den zweiten
Sensorelementen (44, 55) in Wirkverbindung steht, wobei das erste Geberelement (40, 51) oder das zweite Geberelement (41, 52) mit der Motorwelle (29) drehfest verbunden ist, und das jeweils andere des ersten Geberelements (40, 51) und des zweiten Geberelements (41, 52) mit der Eingangswelle (8) oder der Ausgangswelle (10) drehfest verbunden ist.
Überlagerungssteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement mit der Eingangswelle (18) und mit einem Lenkrad (1( drehfest verbunden ist.
Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42, 53) als erste Sensorelemente (43, 54) und zweite Sensorelemente (44, 55) jeweils eine in Umfangsrichtung der Sensoranordnung angeordnete, dem ersten Geberelement (40, 51) beziehungsweise dem zweiten Geberelement (41, 52) zugewandte Sender- und Empfängerspule aufweist.
4. Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42, 53) in Kombination mit dem mit der Eingangswelle (18) verbundenen
Geberelement zur Detektion des Lenkradwinkels als Multi-Turn-Sensor ausgeführt sind.
5. Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Geberelement in der
Sensoranordnung zwei Sender- und Empfängerspulen vorhanden sind .
6. Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42, 53) zwischen dem Elektromotor (20) und dem Getriebe (22) angeordnet ist.
7. Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42, 53) in einem Raum (50) eines Motorgehäuses (25) angeordnet ist.
8. Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42, 53) in Kombination mit dem mit der Motorwelle (29) verbundenen
Geberelement zur Detektion des Rotorwinkels als Multi-Turn-Sensor ausgeführt sind.
9. Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42, 53) dazu ausgebildet ist, den Differenzwinkel zwischen der Rotationsstellung der Ausgangswelle (35) und der Eingangswelle (18) als Messwert
auszugeben.
10. Überlagerungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42, 53) weiter folgenden Elemente umfasst: a) zwei Zähleinheiten umfasst, die die Umdrehungszahl der
Eingangswelle (18) und der Motorwelle (29) zählen, b) eine Speichereinheit umfasst, die die Anzahl der Umdrehungen der Eingangswelle (18) und der Motorwelle (29) speichert, c) eine Recheneinheit, die aus den aktuell gemessenen Drehwinkeln der Eingangswelle (18) und der Motorwelle (29) unter Zuhilfenahme der abgespeicherten Umdrehungszahlen den absoluten Drehwinkel der Eingangswelle (18) und der Motorwelle (29) bestimmt.
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