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Die Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung des vom Fahrer eines Fahrzeugs mit einem Lenkrad vorgegebenen Lenkwinkels in einer Fahrzeug-Lenkanlage, in der der Fahrer-Lenkwunsch auf hydraulischem und/oder elektronischem Weg an einen die lenkbaren Fahrzeug-Räder bewegenden Aktuator übermittelt wird, wobei an das Lenkrad mittels eines einen Motorlagesensor mit mehreren Magnetpol-Paaren aufweisenden Elektromotors unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes ein Drehmoment anlegbar ist, und wobei das vom Fahrer an das Lenkrad angelegte Drehmoment mittels einer Torsionsstab-Messvorrichtung messbar ist. Zum Stand der Technik wird neben der
DE 198 42 624 B4 auf die
DE 195 06 938 A1 oder die
DE 600 11 684 T2 verwiesen.
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Eine Fahrzeug-Lenkanlage, in der viele dieser genannten Merkmale gezeigt sind und bei der ebenso wie bei einer erfindungsgemäßen Lenkanlage keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad des Fahrers und einem die lenkbaren Fahrzeug-Räder verschwenkenden Lenk-Getriebe vorgesehen ist, ist in der erstgenannten
DE 198 42 624 B4 beschrieben. In dieser beschriebenen Fahrzeug-Lenkanlage ist für die Ermittlung des vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkels ein eigenständiger Lenkwinkelsensor am Lenkrad bzw. an einer mit diesem drehfest verbundenen sog. Lenksäule vorgesehen.
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In der
DE 600 11 684 T2 ist ein multiturnfähiges Messprinzip für den vom Fahrer mit seinem Lenkrad vorgegebenen Lenkwinkel an einer elektrischen Servolenkanlage beschrieben, wobei auf eine Sensiereinrichtung für die Winkelstellung der dort sog. Lenkwelle und auf den dort sog. Winkelstellungssensor des Motorrotors des ein unterstützendes Lenkmoment bereit stellenden Elektromotors zugegriffen wird. Wenngleich in dieser Schrift das Wort „Noniusprinzip” nicht verwendet wird, so benutzt doch das in dieser Schrift beschriebene Messprinzip dieses Noniusprinzip, welches im übrigen auch in der o. g.
DE 195 06 938 A1 beschrieben ist und es ermöglicht, mit zwei Messvorrichtungen, die jeweils um mehr als eine vollständige Umdrehung, d. g. um mehr als 360° um ihre Drehachse verdrehbar sind, einen Absolut-Lenkwinkel zu bestimmen, d. h. festzustellen, ob am Lenkrad bspw. ausgehend von seiner Mittenstellung bereits mehr als eine vollständige Umdrehung durchgeführt wurde oder nicht.
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Vorliegend soll nun für eine Fahrzeug-Lenkanlage mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ein System zur Ermittlung des vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkels aufgezeigt werden, welches keinen eigenständigen Lenkwinkelsensor am Lenkrad bzw. an der mit diesem drehfest verbundenen Lenksäule benötigt (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel multiturnfähig aus dem Signal des Motorlagesensors des (im Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs genannten) Elektromotors und einer an der Torsionsstab-Messvorrichtung vorgesehenen, ebenfalls mehrere Magnetpol-Paare aufweisenden Winkelmessvorrichtung unter Anwendung des Noniusprinzips ermittelt wird, wobei die Zahl der Magnetpol-Paare des Motorlagesensors sowie der Winkelmessvorrichtung an der Torsionsstab-Messvorrichtung und weiterhin das Übersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes solchermaßen gewählt ist oder sind, dass ein Lenkrad-Drehwinkelbereich zumindest in der Größenordnung von 1440° abgedeckt ist.
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Näher erläutert wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren, wobei 1 eine entsprechende Fahrzeug-Lenkanlage zeigt, während in 2 ein Beispiel für die Anordnung der Magnetpol-Paare am Motorlagesensor sowie an der Torsionsstab-Messvorrichtung zeigt.
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Zunächst auf 1 Bezug nehmend trägt ein vom Fahrer des Fahrzeugs zu betätigendes Lenkrad die Bezugsziffer 1. In die mit diesem verdrehfest verbundene Lenksäule 2 ist ein Drehmomentsensor 4 in Form einer dem Fachmann bekannten Torsionsstab-Messvorrichtung (für diese wird ebenfalls die Bezugsziffer 4 verwendet) integriert, mit der das vom Fahrer am Lenkrad 1 vorgegebene Lenkmoment bzw. sog. Handmoment erfasst werden kann. Im weiteren kann auf die Lenksäule 2 über ein Untersetzungsgetriebe 5, welches hier in Form eines Riementriebs ausgebildet ist, ein Elektromotor 6 einwirken, falls dieser entsprechend angesteuert wird. Über diesen Elektromotor 6 kann dabei an das Lenkrad 1 gezielt ein Drehmoment angelegt werden, welches der Fahrer als Gegenmoment beim Lenken verspürt.
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Anschließend an das genannte Untersetzungsgetriebe 5 ist am dem Lenkrad 1 gegenüberliegenden Ende der Lenksäule 2 eine Hydraulik-Fördereinheit 7 in Form einer Gleichgang-Zylinder-Kolben-Einheit vorgesehen, die mit einer Drehbewegung des Lenkrads 1 je nach Drehrichtung ein Hydraulikmedium in einen Hydraulikkreis 8 nach der einen oder anderen Seite fördert, d. h. in eine der beiden mit der Bezugsziffer 8a, 8b gekennzeichneten Hydraulik-Leitungen.
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Die beiden lenkbaren Räder 20 (= Vorderräder 20) des zweispurigen Fahrzeugs sind in grundsätzlich bekannter Weise über Spurhebel und Spurstangen 18 verschwenkbar und somit lenkbar, wobei diese Spurstangen 18 an eine quer zur Fahrzeuglängsrichtung verlagerbare Stange 17 eines Lenk-Getriebes 19 angelenkt sind. Dieses Lenk-Getriebe 19 ist unter anderem mittels eines elektromotorischen Aktuators 9 derart betätigbar bzw. beaufschlagbar, dass dieses Lenk-Getriebe 19 die gewünschte Verschwenkbewegung der lenkbaren Räder 20 initiiert. Dabei wirkt ein Elektromotor 9a des elektromotorischen Aktuators 9 über einen Riementrieb 9b auf einen Kugelgewindetrieb 9c des Lenk-Getriebes 19 ein.
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Zusätzlich ist am Lenk-Getriebe 19 ein hydraulischer Aktuator 10 in Form einer Gleichgang-Zylinder-Kolben-Einheit vorgesehen, der bzw. die über die Hydraulikleitungen 8a, 8b mit der Hydraulik-Fördereinheit 7 geeignet hydraulisch verbunden ist. Zwischen diesen beiden Hydraulikleitungen 8a, 8b sind mit Rückschlagventilen versehene sog. Überdruck-Kurzschlussleitungen 11a, 11b vorgesehen, die jedoch nur bei sehr hohen Druckwerten öffnen und daher im Regelfall geschlossen sind. Zu diesen parallel ist eine Druckmessvorrichtung 12 zur Ermittlung des Differenzdrucks zwischen den beiden Hydraulikleitungen 8a, 8b vorgesehen, der neben weiteren Größen einer elektronischen Steuereinheit 15 übermittelt wird. Vorgesehen ist ferner ein sog. Lenkventil 13 in einer diese beiden Hydraulikleitungen 8a, 8b verbindenden Leitung 14, welches gezielt von dieser elektronischen Steuereinheit 15 ansteuerbar ist.
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Nimmt dieses Lenkventil 13 die in 1 dargestellte Geschlossen-Position ein, so wird eine durch eine Drehbewegung des Lenkrads 1 ausgelöste Verlagerung des Kolbens der Hydraulik-Fördereinheit 7 beispielsweise in der Figurendarstellung nach unten vollständig auf den hydraulischen Aktuator 10 übertragen, dessen Kolben hierdurch nach rechts (in der Figurendarstellung) verlagert wird, wonach über das Lenk-Getriebe 19 und die Spurstangen 18 die lenkbaren Räder 20 entsprechend geschwenkt, d. h. eingeschlagen werden. Wird hingegen durch eine entgegen gesetzte Drehbewegung am Lenkrad 1 der Kolben der Hydraulik-Fördereinheit 7 in der Figurendarstellung (1) nach oben verlagert, so wird in der figürlich gezeigten Geschlossen-Position des Lenkventils 13 der Kolben des hydraulischen Aktuators 10 nach links (in der Figurendarstellung) verlagert, wonach über das Lenk-Getriebe 19 und die Spurstangen 18 die lenkbaren Räder 20 entgegengesetzt verschwenkt, d. h. eingeschlagen werden.
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Kommt als Lenkventil 13 ein nur zwei diskrete Schaltpositionen aufweisendes Ventil zum Einsatz und nimmt dieses die andere als die figürlich dargestellte Geschlossen-Position, nämlich seine Offen-Position ein, so sind die beiden Hydraulik-Leitungen 8a, 8b über die Leitung 14 kurzgeschlossen, woraufhin mit einer Drehbewegung des Lenkrads 1 keine Verlagerung des Kolbens des hydraulischen Aktuators 10 erfolgt. Mit dieser Offen-Position des Lenkventils 13 wird ein mit dem Lenkrad 1 vorgegebenes Verschwenken der Räder 20 alleine durch den elektromotorischen Aktuator 9 veranlasst, der hierzu von der bereits genannten elektronischen Steuereinheit 15 geeignet angesteuert wird. Hierauf wird an späterer Stelle weiter eingegangen; zunächst sei der Vollständigkeit halber jedoch noch erwähnt, dass das Lenkventil 13 auch als sog. Stetigventil ausgebildet sein kann, welches Zwischenpositionen zwischen „geschlossen” und „vollständig offen” einnehmen kann, so dass dann mit unterschiedlichen Positionen des Lenkventils 13 im Zusammenwirken mit einer angepassten Ansteuerung des elektromotorischen Aktuators 9 die lenkbaren Räder 20 des Fahrzeugs bei gleichen Drehbewegungen am Lenkrad 1 gezielt unterschiedlich positioniert werden können, jedoch ist dies nicht Inhalt der vorliegenden Anmeldung. Wesentlich ist jedoch, dass das Lenkrad 1 mit dem Lenk-Getriebe 19 nicht mechanisch verbunden ist, so dass der vom Fahrer vorgegebene Lenkwunsch wie beschrieben auf hydraulischem Weg (nämlich über den hydraulischen Aktuator 10) und/oder auf elektronischem Weg (nämlich über die genannte Steuereinheit 15 und den hier elektromotorischen Aktuator 9 – letzterer kann jedoch auf andersartig arbeiten) letztlich in das Lenk-Getriebe 19 gelangt.
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Inhalt der vorliegenden Anmeldung ist es nun, dass an einer Fahrzeug-Lenkanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 aus den Signalen eines Motorlagesensors des mit dem Lenkrad 1 zusammenwirkenden Elektromotors 6 sowie aus einer an der Torsionsstab-Messvorrichtung 4 vorgesehenen Winkelmessvorrichtung der Lenkwinkel bzw. der sog. Absolut-Lenkwinkel, der vom Fahrer am Lenkrad 1 eingestellt wird, ermittelt wird, ohne dass hierfür ein eigenständiger Lenkwinkelsensor am Lenkrad 1 oder an der Lenksäule 2 benötigt wird. Dieser am Lenkrad 1 eingestellte und wie im folgenden beschrieben ermittelte Lenkwinkel 1 wird dann in der bereits genannten elektronischen Steuereinheit 15 berücksichtigt bzw. verarbeitet, um zusammen mit weiteren Signalen, so auch mit dem mit dem Drehmomentsensor 4 ermittelten Drehmoment-Wert, den elektromotorischen Aktuator 9 (und gegebenenfalls das Lenkventil 13) geeignet anzusteuern.
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Was den üblichen Motorlagesensor des Elektromotors 6, mit welchem an das Lenkrad 1 unter Zwischenschaltung des Untersetzungsgetriebes 5 ein Drehmoment anlegbar ist, betrifft, so weist ein solcher üblicherweise mehrere Magnetpol-Paare (N, S) auf, so wie dies in 2 dargestellt ist, in der unter der Bezugsziffer 21 schematisch ein solcher Motorlagesensor dargestellt ist. Dabei sind diese Magnetpol-Paare (N, S) (N = Nordpol, S = Südpol auf einer zusammen mit dem Rotor des Elektromotors (6) um deren Drehmittelpunkt rotierenden Kreisringscheibe 21a angeordnet, deren Magnetfelder dann von einem zugehörigen ortsfesten bzw. am Stator des Elektromotors (6) montierten Hall-Sensor 21b, der Bestandteil des Motorlagesensors 21 ist, erfasst werden. Aus den Signalen des Hall-Sensors 21b kann auf eine entsprechende Drehbewegung des Rotors des besagten Elektromotors (6) geschlossen werden.
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Im Zusammenhang mit 1 wurde bereits ein an der Lenksäule 2 vorgesehener Drehmomentsensor 4 erwähnt, der in üblicher Weise in Form einer dem Fachmann bekannten Torsionsstab-Messvorrichtung 4 ausgebildet ist. In dieser in 2 nur teilweise dargestellten Torsionsstab-Messvorrichtung (4) wird über eine Relativ-Winkelverdrehung einer ebenfalls mit Magnetpol-Paaren (N, S) versehenen und in der 2 mit der Bezugsziffer 22a gekennzeichneten Kreisringscheibe 22a gegenüber Flussleitblechen 22c auf das eingeleitete Drehmoment geschlossen, wobei wie bekannt diese Kreisringscheibe 22a mit einer Drehbewegung des Lenkrads 1 um ihre Achse verdreht wird. Hier ist nun neben den Flussleitleitblechen 22c zusätzlich ein gegenüber der Lenksäule 2 feststehender (d. h. sich mit einer Verdrehbewegung des Lenkrads 1 nicht bewegender) Hall-Sensor 22b vorgesehen, der ebenfalls mit den Magnetpol-Paaren (N, S) der Kreisringscheibe 22a zusammenwirkt, so dass aus den Signalen dieses Hall-Sensors 22b auf eine entsprechende Drehbewegung der Lenksäule 2 geschlossen werden kann.
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Der Hall-Sensor 22b an der Torsionsstab-Messvorrichtung 4 bildet zusammen mit deren mehrere Magnetpol-Paare (N, S) aufweisenden Kreisringscheibe 22a somit grundsätzlich eine Winkelmess-Vorrichtung 22 bezüglich des mit dem Lenkrad 1 einstellbaren Lenkwinkels.
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Allerdings ist weder die Winkelmess-Vorrichtung 22 der Torsionsstab-Messvorrichtung 4 bzw. des Drehmomentsensors 4 noch der Motorlagesensor 21 des Elektromotors 6 jeweils für sich muliturnfähig, so dass mit keiner dieser beiden Messvorrichtungen jeweils für sich alleine der sog. Absolut-Winkel der jeweiligen Kreisringscheibe 22a bzw. 21a festgestellt werden, da beide mehrere vollständige Umdrehungen ausführen können. Letzteres gilt nämlich nicht nur für den Rotor des Elektromotors 6, sondern auch für die die Kreisringscheibe 22a tragende Lenksäule 2 sowie das mit dieser drehfest verbundene Lenkrad 1. Wenn also dessen Absolut-Drehwinkel ermittelt werden soll, der üblicherweise in einem Winkelbereich von –720° bis +720° liegt, d. h. es kann das Lenkrad 1 ausgehend von seiner Mittenstellung jeweils um zwei volle Umdrehungen im oder gegen den Uhrzeigersinn und somit insgesamt um 1440° verdreht werden, so kann dies nicht alleine über die Ermittlung der Winkelposition der Kreisringscheibe 22a des Drehmomentsensors 4 erfolgen. Jedoch kann der genannte Absolut-Drehwinkel des Lenkrads 1 aus einer sinnvollen Zusammenschau der Winkelposition der Kreisringscheibe 22a des Drehmomentsensors 4 sowie der Winkelposition der Kreisringscheibe 21a des Motorlagesensors 21 des Elektromotors 6 ermittelt werden, und zwar unter Anwendung des hierfür bereits grundsätzlich bekannten Noniusprinzips, wenn die Übersetzung im Untersetzungsgetriebe 5 zwischen der Rotorwelle des Elektromotors 6 und der Lenksäule 2 geeignet gewählt ist.
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Beispielsweise besitzt – wie figürlich dargestellt – der Motorlagesensor 21 sechs Magnetpol-Paare (N, S), von denen folglich jedes 60° (= 360°/6) abdeckt, während die Kreisringscheibe 22a der Winkelmessvorrichtung 22 des Drehmomentsensors 4 fünf solche Magnetpol-Paare (N, S) aufweist, von denen dann jedes 72° (= 360°/5) abdeckt. Das Übersetzungsverhältnis im Untersetzungsgetriebe 5 besitze beispielsweise den Wert (2,4:1), so dass ein 60°-Segment am Motorlagesensor 21 einem Winkelsegment von 25° an der Lenksäule 2 entspricht. Der unter Anwendung des (bekannten) Nonius-Prinzips ermittelbare Drehwinkelbereich der Lenksäule 2 ergibt sich dann als das kleinste gemeinsame Vielfache von 25° und 72° und beträgt somit 1800°. Damit kann der Absolut-Drehwinkel der Lenksäule 2 bzw. des Lenkrads 1 also optimal mit diesen beiden Messvorrichtungen, nämlich dem Motorlagesensor 21 des Elektromotors 6 sowie einer ähnlichen Winkelmessvorrichtung 22 am Drehwinkelsensor 4 ermittelt werden, ohne dass hierfür ein eigenständiger Drehwinkelsensor am Lenkrad 1 oder an der mit diesem drehfest verbundenen Lenksäule 2 benötigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19842624 B4 [0001, 0002]
- DE 19506938 A1 [0001, 0003]
- DE 60011684 T2 [0001, 0003]