DE19703903A1

DE19703903A1 - Lenkwinkelsensor

Info

Publication number: DE19703903A1
Application number: DE1997103903
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Zabler; Anton Dukart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 1998-08-13
Also published as: EP0856720A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor zur Detek tierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerungen am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs

Für eine Vielzahl von, in der Regel elektronischen, Steu er- und Regelsystemen in einem Kraftfahrzeug ist eine Be stimmung des Drehwinkels des Lenkrades von großer Bedeu tung. Beispielsweise für Regelungssysteme für das Fahr werk bzw. die Fahrdynamik sollte ein Istsignal über die Lenkradstellung oder eine Drehwinkeländerung des Lenkra des zur Verfügung stehen. Ein solches Istsignal ist auch für elektronisch gesteuerte Servolenksysteme von Bedeu tung.

Bei einem bekannten Lenkwinkelsensor der eingangs angege benen Art ist beispielsweise ein Rotor in der Nähe des Lenkrades mit der Lenkspindel verbunden, wobei der Stator dieses Sensors am Chassis des Kraftfahrzeugs fest ange bracht ist. Bei diesem bekannten Sensor treten im Betrieb erhebliche Toleranzen in der Lage zwischen dem Rotor und dem Stator auf, so daß zur Erhöhung der Genauigkeit zu sätzliche Kompensationsmittel, zum Beispiel eine elasti sche Anbindung des Rotors an die Lenkspindel, eingebaut werden müssen. Hierdurch entstehen zusätzliche Kosten und es wird wertvoller Bauraum benötigt.

Weiterhin werden bei bekannten Systemen Lenkwinkelsenso ren mit Drehpotentiometern aufgebaut, die über eine Ver änderung der Schleiferstellung beim Drehpotentiometer ein elektrisches Signal durch eine auswertbare Widerstandsän derung erzeugen. Hierbei besteht die Gefahr eines Ver schleißes der Widerstandsbahn und eine Störanfälligkeit des Schleifkontakts. Nach langem Betrieb kann sich hier auch eine zu Signalverfälschungen führende Erhöhung des Übergangswiderstandes zwischen dem Schleifkontakt und der Widerstandsbahn ergebenen. Ebenfalls besteht die prinzi pielle Möglichkeit eines Abhebens des Schleifkontakts bei schneller Drehung des Lenkrades.

Vorteile der Erfindung

Der Lenkwinkelsensor zur Detektierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerungen am Lenkrades eines Kraft fahrzeugs nach der eingangs beschriebenen Art ist in der erfindungsgemäßen Weiterbildung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch vorteilhaft, daß ein verschleißfreier Sensor geschaffen ist, der berührungslos den Drehwinkel des Lenkrades detektiert. Außerdem ist der erfindungsgemäße Lenkwinkelsensor einfach an die vorhan denen Baugruppen der Lenkanlage anbaubar und damit ko stengünstiger und zuverlässiger als die bekannten Lösun gen. Er kann in vorteilhafter Weise mit dem Gehäuse des Lenkgetriebes vereinigt werden, wobei er bei günstigen Betriebsbedingungen (Schutz vor Ölen, Fetten etc.) direkt beim Dauermagneten oder auch in einem Sensorgehäuse sit zen kann.

Auch für die Erfassung von Mehrfachumdrehungen eines Lenkrades kann hier ohne zusätzliche Detektionsmittel, wie zum Beispiel ein Untersetzungsgetriebe mit einem zu sätzlichen Winkelabgriff, ein eindeutiges Signal erzeugt werden.

Der in einem der Unteransprüche angegebene Anbau eines Sensorgehäuses am Gehäuse eines Lenkgetriebemoduls bietet ohne viel Aufwand eine hochgenaue, nahezu toleranzfreie Lagerung von drehendem und feststehendem Teil des Winkel sensors. Eine Eigenlagerung des Sensors ist somit nicht erforderlich; ebenso entfallen Mittel zum Ausgleich der Lagerungs- und Montagetoleranzen.

Eine elektronische Auswertung des Sensorausgangssignals ist auf einfache Weise möglich, da entweder ein Aufbau des Lenkwinkelsensors mit diskreten elektronischen Bau teilen oder als integrierte Schaltung in vorteilhafter Weise ein digitales oder zumindest quasidigitales bzw. analoges Ausgangssignal (z. B. pulsdauermoduliert) mit sehr hoher Übertragungssicherheit liefert. In einer inte grierten Schaltung können die Hallelemente sog. Vertical Hall Devices oder auch Magnetotransistoren sein, die im gleichen Chip mit der Auswerteelektronik untergebracht werden können.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Lenkwinkelsensors ist ein Aufbau als Hallsensor, wie er für sich gesehen in der DE 44 41 504 A1 beschrieben ist. Der Sensor besteht im wesentlichen aus zwei orthogonal zueinander ausgerichte ten Hallelementen, mit denen sowohl die x- als auch die y-Komponente des mit dem Lenkradwinkel sich drehenden Ma gnetfelds erfaßt wird. Hierbei liegen die genannten, vom Sensor erfaßten Feldkomponenten in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Lenkspindel. Dieses Meßprinzip ermög licht eine genaue Winkelmessung über einen ganzen Voll winkel von 360° und auch Mehrfachumdrehungen können auf einfache Weise detektiert und in der elektronischen Aus werteeinheit als solche erfaßt werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lenkwin kelsensors zur Detektierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerungen am Lenkrad eines Kraftfahrzeugs wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Lenkgetrie bes für ein Kraftfahrzeug;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Lagerung für die Lenkspindel des Lenkgetriebes mit einem Hallsensor als Lenkwinkelsensor;

Fig. 3 eine Ansicht einer prinzipiellen Anordnung von Dauermagnet und Hallelementen des Lenkwinkelsen sors mit diskreten Bauelementen;

Fig. 4 eine Bauform der Hallelemente in einer inte grierten Schaltung und

Fig. 5 Diagramme der Ausgangssignale der Hallele mente nach den Fig. 3 und 4.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die schematisierte Darstellung eines hier nur beispiel haft aufgeführten Lenkgetriebes nach Fig. 1 zeigt ein Lenkrad 1, mittels dem eine Lenkspindel 2 drehbar ist. Am unteren Ende 3 der Lenkspindel 2 wird die Drehung in her kömmlich bekannter Weise mittels eines schrägverzahnten, auf eine Zahnstange 4 antreibendes Ritzel 5 in eine Line arbewegung umgesetzt. Die vom Fahrer des hier nicht dar gestellten Fahrzeugs ausgeführten Lenkbewegungen verstel len somit über die Linearbewegung der Zahnstange 4 den Einschlag bzw. die Rollrichtung der Räder des Fahrzeugs.

Fig. 2 zeigt das untere Ende 3 der Lenkspindel 2 als Schnitt im Detail, wobei auf die mechanische Funktion dieser Bewegungsübertragung durch Verzahnungen hier nicht eingegangen werden braucht, da es für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung ist. Ein Zapfen 6 der Lenk spindel 2 ist im Gehäuse 7 des Lenkgetriebes präzise ge lagert. Hierbei werden die axialen Kräfte von einem Ku gellager 8 aufgenommen, welches zusammen mit einem Rol len- oder Nadellager 9 auch die radiale Führung der Lenk spindel 2 übernimmt.

Der Zapfen 6 ragt hierbei kräfte- und berührungsfrei in einen kleinen Hohlraum des Gehäuses 7 hinein, wobei die ser Hohlraum so bemessen ist, daß am Zapfen 6 ein klei ner Dauermagnet 10 angebracht werden kann, dessen Magne tisierungsrichtung senkrecht zur Lenkspindelachse gerich tet ist. Das sich zur Wand des Gehäuses 7 ausdehnende ma gnetische Streufeld des fest auf dem Zapfen 6 angebrach ten Dauermagneten 10 ändert so seine Richtung analog zur Drehung der Lenkspindel 2.

Da das Gehäuse 7 im allgemeinen aus Aluminium oder Druck guß besteht, kann sich das Streufeld ungehindert auch durch die Wand des Gehäuses 7 in ein außen aufgesetztes Sensorgehäuse 11 ausbreiten. Auch dieses Sensorgehäuse 11 besteht im allgemeinen aus Nichteisen-Material wie z. B. Kunststoff und beinhaltet den magnetfeldempfindlichen Sensor 12, der in seiner bevorzugten Ausführungsform aus Hallelementen aufgebaut ist. Weiterhin kann in diesem Sensorgehäuse 11 eine elektronische und insbesondere in tegrierte Schaltung zur Signalauswertung untergebracht werden, welche sogar mit den Hallelementen auf einem Sen sorchip vereinigt sein kann.

In Fig. 3 und Fig. 4 sind Ausführungsformen eines Lenk winkelsensors mit Hallelementen 13 und 14 gezeigt. Die magnetischen Feldlinien B des Dauermagneten 10 (vgl. Fig. 2) verlaufen hierbei durch das Sensorgehäuse 11, wobei sich in diesem die Hallelemente 13 und 14 befinden, die gegeneinander um 90° versetzt sind. Die Darstellung der Hallelemente 13 und 14 ist hier nur schematisch, da diese auch gemäß der Fig. 4 in eine Schicht aus Halbleiterma terial integriert sein können und dadurch sichtbar nicht mehr in Erscheinung treten müssen.

Die Richtungskomponenten der Feldlinien B verursachen hier spezifische Ausgangssignale der beiden Hallelemente 13 und 14, wodurch sowohl die absolute Drehlage als auch eine Änderung des Drehwinkels der Lenkspindel 2 um eine beliebige Winkeländerung ϕ mit einer elektronischen Schaltung ausgewertet werden kann.

In der Fig. 3 ist die Lage und die Beschaltung der zwei Hallelemente 13 und 14 als Bestandteil des Lenkwinkelsen sors gemäß Fig. 2 in prinzipieller Weise räumlich darge stellt, wobei zur näheren funktionellen Erläuterung auf den eingangs genannten Stand der Technik DE 44 41 504 A1 Bezug genommen wird. Das Hallelement 13 weist Stroman schlüsse 17 und 18 und das Hallelement 14 weist Stroman schlüsse 19 und 20 auf, durch die jeweils ein Strom I in der gezeigten Richtung hindurch fließt. Quer zu der Stromflußrichtung des Stromes I sind Hallspannungen U_y und U_x an den Hallelementen 13 und 14 abnehmbar.

Die magnetischen Feldlinien B weisen nach der Darstellung in der Fig. 3 hierbei jeweils Feldkomponenten B_y und B_x auf, die in der als Halleffekt bekannten Weise zu einer Ablenkung der Ladungsträger des Stromes I und zu Poten tialunterschieden führen, die als Hallspannungen U_y und U_x ausgewertet werden können. Eine Änderung der Richtung der Feldlinien B durch eine Drehung der Lenkspindel 2 um den Winkel ϕ führt demgemäß zu einer unterschiedlichen Beeinflussung des Halleffekts in den Hallelementen 13 und 14; dies kann über die elektronische Auswertung der Hallspannungen in ein entsprechendes Ausgangssignal umge wandelt werden.

Im linken Teil der Fig. 3 ist als alternatives Beispiel eine hier nicht näher erläuterte prinzipielle Lösung mit einem integrierten Chip mit Hallelementen nur schematisch gezeigt.

In Fig. 5 ist der Verlauf der Hallspannungen U_y und U_x in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ dargestellt. Der Verlauf der Hallspannung U_x in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ er folgt hierbei nach einem Sinusgesetz und der der Hallspannung U_y nach einem Cosinusgesetz. Durch eine, in einer elektronischen Auswerteschaltung herzustellende Verknüpfung der Hallspannungen U_x und U_y wird eine Aus gangsspannung U_A (vgl. rechtes Diagramm der Fig. 5) oder eine äquivalente Größe analoger oder digitaler Art er zeugt, die in großer Näherung proportional zum Drehwinkel ϕ der Lenkspindel 2 ist oder zumindest linear mit diesem zusammenhängt.

Claims

1. Lenkwinkelsensor zur Detektierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerungen des Lenkrades eines Kraftfahr zeugs, bei dem

- mittels eines elektromechanischen Bauteils ein vom Drehwinkel oder einer Drehwinkeländerung abhängiges elek trisches Signal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- am, dem Lenkrad (1) gegenüberliegenden Ende (3) einer Lenkspindel (2) ein Dauermagnet (10) angebracht ist, des sen Magnetisierungsachse senkrecht zur Achse der Lenk spindel (2) liegt und daß
- sich im Bereich des Dauermagneten (10) ein feststehen der magnetfeldempfindlicher Sensor (12) befindet.

2. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß

- die Lenkspindel (2) am gegenüberliegenden Ende (3) des Lenkrades (1) im Bereich der Lagerung (9) mit einem Zap fen (6) in einen Hohlraum eines Gehäuses (7) hineinragt, in dem der Dauermagnet (10) auf diesem Zapfen (6) drehbar ist und daß sich der magnetfeldempfindliche Sensor (12) in diesem Hohlraum befindet.

3. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß

- die Lenkspindel (2) am gegenüberliegenden Ende (3) des Lenkrades (1) im Bereich der Lagerung (9) mit einem Zap fen (6) in einen Hohlraum eines Gehäuses (7) hineinragt, in dem der Dauermagnet (10) auf diesem Zapfen (6) drehbar ist und daß sich der magnetfeldempfindliche Sensor (12) in einem auf die Wand des Gehäuses (7) aufgesetzten Sen sorgehäuse (11) befindet.

4. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß

- das Gehäuse (7) für das Lenkgetriebe aus nichtmagneti schem Metall und das Sensorgehäuse (11) aus nichtmagneti schem Metall oder Kunststoff besteht.

5. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß

- der magnetfeldempfindliche Sensor (12) ein Hallsensor ist, der aus diskret aufgebauten Hallelementen (13,14) mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik besteht.

6. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- der magnetfeldempfindliche Sensor (12) ein integrierter Schaltkreis (10) ist, dessen Hallelemente Bestandteile einer integrierten elektronische Schaltung sind, die auch im gleichen Schaltkreis (IC) die Auswerteelektronik bein haltet.

7. Lenkwinkelsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß

- die Hallelemente Vertical Hall Devices oder Magne totransistoren sind.

8. Lenkwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Sensorgehäuse (11) und das Gehäuse (7) Bestandteil eines Gehäuses für ein kompaktes Lenkgetriebemoduls sind.