DE10150305B4

DE10150305B4 - Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung

Info

Publication number: DE10150305B4
Application number: DE10150305A
Authority: DE
Inventors: Johann Jungbecker; Oliver Hoffmann; Andreas Schirling; Sighard Dr. Schräbler; Thomas Rath
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: DE10150305A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung, die eine Lenkbetätigungseinrichtung und eine damit wirkverbundene Lenkstange aufweist, die linear bewegbar ist und über weitere Elemente, wie Spurstange und Spurstangenhebel, die Räder in eine gewünschte Stellung verschwenkt, wobei im Bereich der Lenkstange ein oder mehrere Felderzeugungsmittel vorgesehen sind, die einen permanentmagnetischen Werkstoff aufweisen, und wobei benachbart zu der Lenkstange ein oder mehrere Sensormodule ortsfest angeordnet sind, die mindestens einen Magnetfeldsensor und mindestens einen Sensorschaltkreis aufweisen und die einen Magnetfeldlinienverlauf und/oder einen Magnetfeldstärkeverlauf ganz oder teilweise in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformen, die eine lineare Wegänderung und/oder die Stellung der Lenkstange in Richtung ihrer Längsachse anzeigen, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Felderzeugungsmittel mit einem in Längsrichtung der Lenkstange sich erstreckenden, zirkularen Magnetfeldlinienverlauf und/oder Magnetfeldstärkeverlauf versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung, die eine Lenkbetätigungseinrichtung und eine damit wirkverbundene Lenkstange aufweist, die linear bewegbar ist und über weitere Elemente, wie Spurstange und Spurstangenhebel, die Räder in eine gewünschte Stellung verschwenkt, wobei im Bereich der Lenkstange ein oder mehrere Felderzeugungsmittel vorgesehen sind, die einen permanentmagnetischen Werkstoff aufweisen, und wobei benachbart zu der Lenkstange ein oder mehrere Sensormodule ortsfest angeordnet sind, die mindestens einen Magnetfeldsensor und mindestens einen Sensorschaltkreis aufweisen und die einen Magnetfeldlinienverlauf und/oder einen Magnetfeldstärkeverlauf ganz oder teilweise in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformen, die eine lineare Wegänderung und/oder die Stellung der Lenkstange in Richtung ihrer Längsachse anzeigen.
Heutige Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, sind in der Regel mit hydraulischen Servolenkungen ausgestattet, bei denen ein Lenkhandrad mechanisch mit den lenkbaren Fahrzeugrädern zwangsgekoppelt ist. Die Lenkstange ist hier meist als eine Zahnstange ausgebildet (Zahnstangen-Servolenkung).
Ferner sind Fahrzeuglenkungen bekannt, bei denen die Lenkbetätigungseinrichtung und die gelenkten Fahrzeugräder nur über eine Regelstrecke gekoppelt sind und wobei eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkhandrad und den Fahrzeugrädern nicht mehr vorliegt. Die lenkbaren Fahrzeugräder werden dann durch ein elektromechanisches Stellaggregat verstellt, welches die Lenkstange linear bewegt und über weitere Elemente, wie Spurstange und Spurstangenhebel, die Räder in die gewünschte Stellung verschwenkt (elektromechanische Lenkung).
Zur Messung der Stellung der Fahrzeugräder kann die Lage der Lenkstange bzw. der Lenkstangenteile – bei einer geteilten Lenkstange – im Stellaggregat oder Achslenkmodul ermittelt werden.
Aus der gattungsbildenden DE 197 44 722 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung der eingangs genannten Gattung bekannt. Bei der vorbekannten Vorrichtung wird ein Dauermagnet mechanisch fest mit der Lenksäule verbunden der mit einem Feinsignal-Sensor und einer Grobsignal-Sensoreinrichtung zusammenwirkt.
Die DE 199 15 105 A1 offenbart eine Lenkvorrichtung für Fahrzeuge bekannt, bei der auf der Lenkwelee oder einer mit der Lenkwelle kraftschlüssig verbundenen Einrichtung kodierte Mikrostrukturen vorgesehen sind, die von einem Sensor detektiert werden. Die Mikrostrukturen sind dabei in axialer Richtung auf der Lenkwelle angeordnet.
Aus der US 5,314,036 A ist ein Lenkwinkelsensor bekannt, der Lenkstangengehäuse bei der Bewegung ein Signalmuster erzeugt, indem einzelne Bereiche mit elektromagnetischem Material versehen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung bereitzustellen, der sicher und zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Begriff „Lenkstange” ist erfindungsgemäß sehr weit aufzufassen und umfasst z. B. einteilige Lenkstangen sowie die Teile von mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen, Lenkstangen.
Nach der Erfindung ist es demnach wesentlich, dass im Bereich der Lenkstange, z. B. in oder an der Lenkstange, ein oder mehrere Felderzeugungsmittel vorgesehen sind, die einen permanentmagnetischen Werkstoff mit einem in Längsrichtung der Lenkstange sich erstreckenden, zirkularen Magnetfeldlinienverlauf und/oder Magnetfeldstärkeverlauf aufweisen. Mit anderen Worten weist die Lenkstange Mittel auf, um einen im wesentlichen in Längsrichtung der Lenkstange sich erstreckenden, zirkular magnetisierten Bereich zu erzeugen, der sich dabei zumindest über den Teilbereich der Lenkstange erstreckt. Vorteilhaft wird die Richtung des Magnetfelds über die gesamte Länge des magnetisierten Bereichs um ca. 180° gedreht. In Nachbarschaft zu der Lenkstange, d. h. direkt neben oder um die Lenkstange herum mit einem bestimmten Abstand, vorzugsweise 0 bis ca. 2 mm, sind ein oder mehrere Sensormodule ortsfest angeordnet. Damit ist eine sichere, aber berührungslose Sensierung gewährleistet.
Der Begriff „zirkularer Magnetfeldlinienverlauf und/oder Magnetfeldstärkeverlauf” bedeutet hier ein schraubenförmiges Magnetisierungsmuster, vorzugsweise mit linearer Steigerungsperiode. „Ortsfest” bedeutet hier, dass die Sensormodule – auch bei einer Lenkbewegung – immer am selben Ort bleiben, während die Lenkstange eine Linearbewegung bei einer Lenkungsbetätigung durchführt. Ein Sensormodul weist mindestens einen Magnetfeldsensor und ggf. mindestens einen Sensorschaltkreis auf, um den Magnetfeldlinienverlauf bzw. Magnetfeldstärkeverlauf ganz oder teilweise in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umzuformen, die eine lineare Wegänderung bzw. die Stellung der Lenkstange in Richtung ihrer Längsachse anzeigen.
Es wird bei der Messung die durch eine Linearbewegung der Lenkstange verursachte Drehung des Magnetfeldes sensiert, wodurch die Lage der Lenkstange relativ zur Lage des Magnetfeldsensors relativ sicher und genau festgestellt werden kann. Das Magnetfeld kann entweder ganz oder nur teilweise erfasst werden, wobei unter einer teilweisen Erfassung des Magnetfeldes im Sinne der Erfindung verstanden wird, wenn von den das Magnetfeld vollständig beschreibenden Messgrößen wie Feldstärke und Richtung des Feldvektors nicht alle Größen durch den oder die Sensormodule erfasst werden, sondern beispielsweise nur die Feldstärke und zwei Richtungskoordinaten des Feldvektors in der x-y-Ebene eines geeignet gewählten Koordinatensystems. Vorzugsweise werden ausschließlich Sensoren eingesetzt, die nach dem AMR-Prinzip arbeiten. Das bedeutet, dass der Sensor den anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzt.
Das Sensormodul gemäß der Erfindung enthält mindestens einen magnetfeldempfindlichen Sensor und ggf. eine elektronische Schaltung zur Weiterverarbeitung des Sensorsignals.
Erfindungsgemäß ist das sich entlang der Längsachse der Lenkstange erstreckende Felderzeugungsmittel formschlüssig mit der Lenkstange verbunden.
Es ist vorgesehen, dass die formschlüssige Verbindung hergestellt ist durch Einpassen eines länglichen Felderzeugungsmittels mit vorzugsweise einem zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt in eine axiale Ausnehmung oder Bohrung mit vorzugsweise einem zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt im Innern der Lenkstange. Mit anderen Worten ist die Lenkstange ein im wesentlichen hohlzylinderförmiges Rohr und das Felderzeugungsmittel ist eine im wesentlichen zylinderförmige Stange, die innerhalb der Lenkstange angeordnet ist und die sich vorzugsweise mindestens über die Länge erstreckt, die die Lenkstange bei Vollausschlag in beide Richtungen bewegt wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die im wesentlichen zylinderförmige Lenkstange von einem im wesentlichen hohlzylinderförmigen Felderzeugungsmittel umgeben, wobei das Felderzeugungsmittel sich vorzugsweise mindestens über die bewegte Länge der Lenkstange erstreckt. Nach der Erfindung wird die formschlüssige Verbindung dann vorzugsweise hergestellt durch Umgeben, vorzugsweise Umspritzen bzw. Aufspritzen einer Schicht oder Umwickeln, der Lenkstange mit dem Felderzeugungsmittel. Das „Umspritzen” oder „Aufspritzen” bedeutet hier einen Vorgang, bei dem der permanentmagnetische Werkstoff als Felderzeugungsmittel auf die Oberfläche der Lenkstange aufgebracht wird durch ein Verfahren, bei dem durch einen anisotropen Spritzprozess ein permanentmagnetischer Werkstoff aufgebracht und entweder gleichzeitig oder anschließend magnetisiert wird. Durch diese Maßnahme kann der permanentmagnetische Werkstoff technisch relativ einfach auf die Lenkstange aufgebracht und aufmagnetisiert werden, wobei eine sichere Verbindung zwischen Werkstoff und Lenkstange möglich ist.
Vorzugsweise weist das Felderzeugungsmittel ein kunststoffgebundenes magnetisches Material bzw. Magneten als permanentmagnetischen Werkstoff auf. Dieser Werkstoff ist insbesondere für ein Umspritzen der Lenkstange mit diesem Material sehr gut geeignet.
Erfindungsgemäß wird ein magnetoresistiver Magnetfeldsensor eingesetzt.
Nach der Erfindung ist das Sensormodul ortsfest an einem Achslenkmodul oder einem an ein Achslenkmodul angeordneten Träger angeordnet, wobei das Sensormodul vorzugsweise mechanisch lösbar mit dem Achslenkmodul bzw. dem Träger verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass mindestens zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen sind, wodurch eine redundante Funktion gewährleistet wird und wobei die mindestens zwei Magnetfeldsensoren entweder das Magnetfeld eines gemeinsamen Felderzeugungsmittel abgreifen oder einige bzw. alle Sensoren das Magnetfeld eines jeweils einem Magnetfeldsensor eigens zugeordneten Felderzeugungsmittel abgreifen. Die redundante Funktion kann entweder vollredundant, teilredundant oder auch zwei- bzw. mehrfach redundant sein, so dass bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion eines Sensors oder eines Sensorschaltkreises ein doppelt vorhandenes Element die Funktion des ausgefallenen oder fehlerhaften Elementes übernimmt oder dessen Fehlfunktion erkennt und ggf. an eine Überwachungseinrichtung weitermeldet.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass der permanentmagnetische Werkstoff einen Magnetfeldlinienverlauf und/oder Magnetfeldstärkeverlauf nach dem Nonius-Prinzip aufweist. Das bedeutet es wird vorzugsweise ein Nonius zur Absolutmessung des Wegs auf den magnetisierbaren Bereich aufgebracht, d. h. aufmagnetisiert. Hiermit ist gemeint, dass das Felderzeugungsmittel mit zwei oder mehr Spuren magnetisiert wird, die aus magnetischen Polen in einem festen Abstand zueinander bestehen. Durch die Wahl unterschiedlicher Polabstände der mehreren Spuren, kann das Produkt der Polabstände als messbare Länge ermittelt werden. Die Auswertung erfolgt vorteilhaft durch mindestens einen Sensor pro Spur. Durch geeignete Polabstände und Spurenanzahl wird der gesamte Spurstangenweg analog erfasst.
Nach der Erfindung ist die Lenkstange – bzw. das Antriebsmodul der Lenkstange zum Verschwenken der Räder – mit dem Lenkhandrad nicht hydraulisch und/oder mechanisch verbunden, sondern nur durch eine elektrische Verbindungsleitung (Steer-by-wire-Lenkung). Vorzugsweise ist insbesondere im Fall einer Steer-by-wire-Lenkung für jedes lenkbare Rad jeweils eine unabhängige erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist, die vorzugsweise selbst redundant ausgeführt ist.
Die Erfindung wird vorzugsweise für eine elektromechanische Lenkung verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges ist anhand von Abbildungen (1 bis 4) beispielhaft näher dargestellt.
Es zeigen:
1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung
2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung mit einem Schnitt durch eine vergrößerte schematische Darstellung der Lenkstange
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die Lenkstange
4 eine schematische Darstellung der Lenkstange und des Sensormoduls
1 zeigt eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges in schematischer Darstellung. Der Fahrer betätigt das Lenkhandrad 1 oder ein ähnliches Bedienelement, z. B. einen Sidestick, mit dem er seinen Fahrtrichtungswunsch vorgeben kann. Der Fahrtrichtungswunsch wird durch Sensoren 2, 3 redundant erfasst und auf elektronischem Wege einer Zentralsteuereinheit 4 mitgeteilt mittels der Datenübertragungsleitungen 5, 6. Über einen ersten, passiven Betätigungskraftsimulator 7 erhält der Fahrer eine haptische Rückwirkung bei der Lenkbetätigung. Über einer zweiten, elektromechanischen Betätigungskraftsimulator 8 kann diese Rückwirkung bei Bedarf verstärkt oder geschwächt werden. Der zweite, elektromechanische Betätigungskraftsimulator 8 wird über die Datenübertragungsleitung 9 von der Zentralsteuereinheit 4 gesteuert. Der Zentralsteuereinheit 4 werden vorzugsweise auch Signale einer Fahrzeuggeschwindigkeits-Erfassungseinrichtung 10 über eine Datenübertragungsleitung 11 übermittelt. Dann werden in der Zentralsteuereinheit 4 Algorithmen umgesetzt, die das Lenkmoment in Abhängigkeit der Geschwindigkeit verändern. Der Fahrerwunsch wird in der Zentralsteuereinheit 4 ausgewertet, in einen Lenkwinkel (Sollwert) für zwei Stellaggregate 12, 13 umgerechnet und den Stellaggregaten 12, 13 über eine Datenübertragungsleitung 14, 15 zugeführt. Es sind pro lenkbarem Rad 16, 17 hier jeweils ein Stellaggregat 12, 13 vorgesehen, so dass im Grundsatz auch eine radindividuelle Steuerung des rechten Rades 16 und des linken Rades 17 möglich ist.
Der aktuelle Istwert der Radstellung der lenkbaren Räder 16, 17 wird durch mindestens ein Magnetfeldsensormodul 19, 20 pro Stellaggregat 12, 13 ermittelt, das einen in Längsrichtung einer Lenkstange 21 sich erstreckenden, zirkularen Magnetfeldlinienverlauf 22 bzw. zwei oder mehreren Nonius-Spuren eines permanentmagnetischen Werkstoffs 23 in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformt. Die Ausgangssignale, die eine lineare Wegänderung bzw. die Stellung der Lenkstange 21 in Richtung ihrer Längsachse anzeigen, werden über die Datenübertragungsleitung 25, 26 der Zentralsteuereinheit 4 zugeführt. Vorzugsweise wird bei dieser Art von Lenkung ein redundantes Systemkonzept realisiert. Im Fehlerfall, wenn ein Stellaggregat 12, 13 ausfällt, übernimmt das noch auch die Elektronikeinheiten der Stellaggregate 12, 13 redundant ausgeführt. Der Lenkstangenweg wird dann vorzugsweise redundant durch zwei ihrerseits redundante Magnetfeldsensormodule 19, 20 erfasst.
In der 2 ist ein Schnitt durch eine vergrößerte Darstellung der Lenkstange und eines Stellaggregats 13 schematisch gezeigt, wobei dieselben Teile der Lenkung wie in 1 hier sowie in den weiteren Abbildungen auch mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Die Lenkstange 21 weist einen äußeren permanentmagnetischen Werkstoff 23 auf, der das in Längsrichtung sich erstreckendes zirkulares Magnetfeld 22 aufbaut. Eine Längsbewegung 24 der Lenkstange 21 wird durch die Sensormodule 19, 20 bzw. deren Magnetfeldsensoren 27, 28 sensiert und über die Übertragungsleitungen 25, 26 der Zentralsteuereinheit 4 zugeführt.
3 zeigt einen Querschnitt (Schnittfläche A der 2). Die Lenkstange 21 ist umgeben von einem kunststoffgebundenen magnetischen Material 23, in diesem Beispiel ein Material, das unter der Bezeichnung „Tromadur” erhältlich ist.
Die Messanordnung eines Sensormoduls an der Lenkstange 21 zeigt 4. Wird zum Beispiel eine von einem permanentmagnetischen Werkstoff 23 umgebende Lenkstange 21 um einen Weg x in Bewegungsrichtung B verschoben, erzeugt der Magnetfeldsensor 27 mit zugehöriger Sensorelektronik 28 ein Ausgangssignal entsprechend der Änderung des zirkularen Magnetfeldes 22. Durch den schraubenförmigen, mit vorzugsweise linearer Steigerungsperiode versehenen, Magnetfeldlinienverlauf 22 über die Länge L des magnetisierten Bereichs 22 rotiert das Magnetfeld bei Bewegung der Spurstange 21 durch den Sensor 27. Der Sensor 27 reagiert abhängig von der Bewegungsrichtung entweder mit einem Anstieg oder mit einer Absenkung eines Ausgangssignals. Diese Analogsignal wird der Sensorelektronik 28 zugeführt, die daraus ein ortsabhängiges Signal S(x) ausgibt. Das Signal kann z. B. über einen Analog-Digital-Umsetzer quantisiert werden, um eine hohe Wegauflösung zu erreichen.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung, die eine Lenkbetätigungseinrichtung und eine damit wirkverbundene Lenkstange aufweist, die linear bewegbar ist und über weitere Elemente, wie Spurstange und Spurstangenhebel, die Räder in eine gewünschte Stellung verschwenkt, wobei im Bereich der Lenkstange ein oder mehrere Felderzeugungsmittel vorgesehen sind, die einen permanentmagnetischen Werkstoff aufweisen, und wobei benachbart zu der Lenkstange ein oder mehrere Sensormodule ortsfest angeordnet sind, die mindestens einen Magnetfeldsensor und mindestens einen Sensorschaltkreis aufweisen und die einen Magnetfeldlinienverlauf und/oder einen Magnetfeldstärkeverlauf ganz oder teilweise in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformen, die eine lineare Wegänderung und/oder die Stellung der Lenkstange in Richtung ihrer Längsachse anzeigen, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Felderzeugungsmittel mit einem in Längsrichtung der Lenkstange sich erstreckenden, zirkularen Magnetfeldlinienverlauf und/oder Magnetfeldstärkeverlauf versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Felderzeugungsmittel sich entlang der Längsachse der Lenkstange erstrecken und formschlüssig mit der Lenkstange verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung hergestellt ist durch Einpassen eines länglichen Felderzeugungsmittels mit vorzugsweise einem zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt in eine axiale Ausnehmung oder Bohrung mit vorzugsweise einem zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt im Innern der Lenkstange.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung hergestellt ist durch Umgeben, vorzugsweise Umspritzen oder Umwickeln, der Lenkstange mit dem Felderzeugungsmittel.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Felderzeugungsmittel ein kunststoffgebundenes magnetisches Material oder Magneten als permanentmagnetischen Werkstoff aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor magnetoresistiv ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormoduls ortsfest an einem Achslenkmodul oder einem an ein Achslenkmodul angeordneten Träger angeordnet ist, wobei das Sensormodul vorzugsweise mechanisch lösbar mit dem Achslenkmodul oder dem Träger verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen sind, wodurch eine redundante Funktion gewährleistet wird und wobei die mindestens zwei Magnetfeldsensoren entweder das Magnetfeld eines gemeinsamen Felderzeugungsmittel abgreifen oder einige oder alle Sensoren das Magnetfeld eines jeweils einem Magnetfeldsensor eigens zugeordneten Felderzeugungsmittel abgreifen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der permanentmagnetische Werkstoff einen Magnetfeldlinienverlauf und/oder Magnetfeldstärkeverlauf nach dem Nonius-Prinzip aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkstange mit dem Lenkhandrad nicht hydraulisch und/oder mechanisch verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkung eine elektromechanische Lenkung ist.