DE102022102104A1

DE102022102104A1 - Positionsmessvorrichtung und Lenkungsaktuator

Info

Publication number: DE102022102104A1
Application number: DE102022102104.1A
Authority: DE
Inventors: Björn Präg
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-01-31
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2042-02-01
Also published as: DE102022102104B4

Abstract

Eine Positionsmessvorrichtung, insbesondere einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeugs, umfasst einen Permanentmagneten (10) sowie einen Hall-Sensor (11). Hierbei ist ein Hallsensor (11) fest mit einem Gehäuse (3) verbunden, in welchem eine Stange (4), das heißt Schubstange, verschiebbar geführt ist, während mit der Stange (4) ein einziger Permanentmagnet (10) verbunden ist, welcher zur Detektion der Position der Stange (4) über deren gesamten Verschiebebereich ausgebildet ist. Der Permanentmagnet (10) ist zur Längsachse, das heißt der durch die Verschieberichtung der Stange (4) vorgegebenen Achse, und/oder zur Querachse, das heißt zur Verschieberichtung orthogonalen Achse, unsymmetrisch ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine einen Permanentmagneten sowie einen Hall-Sensor aufweisende Positionsmessvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Lenkungsaktuator, welcher eine Schubstange sowie eine zur Detektion der Position der Schubstange ausgebildete Sensorik umfasst.
Eine gattungsgemäße Positionsmessvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 24 760 A1 bekannt. Die bekannte Positionsmessvorrichtung umfasst zwei linear gegeneinander bewegbare Bauteile, wobei sich an einem der Bauteile ein Magnetsensor und am anderen Bauteil ein Permanentmagnet befindet. Der Magnetsensor soll in der Lage sein, einen Maximalwert, einen Minimalwert, oder einen beliebigen Zwischenwert auszugeben. Als Signalhub ist nach der DE 101 24 760 A1 die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert definiert. Aus einem vom Magnetsensor ausgegebenen Signal ist mittels Division durch den Signalhub ein normiertes Signal berechenbar, welches zur kontaktlosen, linearen Positionsmessung auswertbar ist. Der in der Vorrichtung nach der DE 101 24 760 A1 zum Einsatz kommende Permanentmagnet ist mit seiner Magnetisierungsachse parallel zur Längsrichtung der Vorrichtung, das heißt zur Verschieberichtung eines der Bauteile, ausgerichtet. Soweit es von der Größe des Arbeitsbereiches, das heißt Verschiebebereiches, her erforderlich ist, können mehrere Magnetfeldsensoren, nämlichen Hall-Sensoren, in Längsrichtung hintereinander angeordnet werden.
Die DE 10 2016 106 779 A1 offenbart eine Wegsensorvorrichtung, welche zusätzlich zu einem Magneten und einem Sensor ein Referenzleitblech und zwei Messleitbleche aufweist. Hiermit werden zwei magnetische Kreise, nämlich ein erster magnetischer Kreis als Referenzkreis und ein zweiter magnetischer Kreis als Messkreis, gebildet.
Aus der DE 10 2017 104 875 A1 ist eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Verschiebeposition eines Kraftfahrzeugsitzes bekannt. Diese Sensoreinrichtung umfasst einen Hall-Sensor und einen Vorspannmagneten. Abschirmbleche sind dagegen nicht vorgesehen.
Was die Verwendung von Hall-Sensoren in Fahrzeuglenkungen betrifft, wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2011 017 335 A1 und DE 103 58 009 B3 hingewiesen.
Die DE 10 2015 115 247 A1 beschreibt eine Messanordnung, welche mehrere Hall-Sensoren und ein zugehöriges magnetisches Target umfasst. Das magnetische Target ist hierbei als magnetischer Multipol ausgebildet. Mit Hilfe der Mehrzahl an Hall-Sensoren soll es möglich sein, radiale, axiale und tangentiale Feldkomponenten zu erfassen.
Ein in der DE 10 2013 203 388 B3 beschriebener Rotorlagegeber ist zur Verwendung in einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine vorgesehen. An einem Rotor der elektrischen Maschine befindet sich eine Vielzahl an Permanentmagneten. Der Rotorlagegeber umfasst einen als Hall-Sensor ausgebildeten Rotorlagesensor sowie einen Referenzgeber, bei welchem es sich ebenfalls um einen Hall-Sensor handelt. Der Referenzgeber ist insbesondere zum Erfassen eines Nulldurchgangs der Flussdichte oder zur Erfassung von Minima und Maxima vorgesehen.
Die DE 10 2011 115 566 A1 beschreibt einen Hall-Sensor, welcher aus einer Mehrzahl einzelner Hall-Sensorelemente aufgebaut ist. Hierbei sind die Hall-Sensorelemente innerhalb einer definierten Flächenform angeordnet, bei welcher es sich unter anderem um eine Rechteckform, eine Kreuzform, eine Kreisform oder die Form eines geraden Vielecks, insbesondere eines Sechsecks oder eines Achtecks, handeln kann.
Die EP 3 559 602 B1 beschreibt eine Absolutwert-Messvorrichtung, welche mit einem Array von Hall-Effekt-Sensoren arbeitet. Die Hall-Effekt-Sensoren wirken mit einer Referenzspur und einer hochauflösenden Spur zusammen, wobei jede Spur eine Vielzahl von Nord-/Süd-Polpaaren aufweist. Zusätzlich kann eine dritte Spur vorhanden sein, welche nur ein einziges Nord-/Süd-Polpaar aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auf Hall-Sensoren basierende, insbesondere für einen Lenkungsaktuator geeignete Positionssensorik gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand, Messgenauigkeit und Funktionssicherheit angestrebt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Positionsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Positionsmessvorrichtung ist insbesondere zur Verwendung in einem Lenkungsaktuator eines Kraftfahrzeugs geeignet, wobei der Lenkungsaktuator Teil einer Hinterachslenkung sein kann. Ebenso kann der Lenkungsaktuator zum Lenken der Vorderräder eines Fahrzeugs vorgesehen sein.
Die Positionsmessvorrichtung ist zur Detektion der relativen Positionierung zweier gegeneinander verschiebbarer Elemente vorgesehen, wobei die Längsrichtung der Vorrichtung durch die Verschieberichtung gegeben ist. Bei den relativ zueinander linear beweglichen Elementen handelt es sich zum einen um ein Gehäuse und zum anderen um eine Stange, insbesondere Schubstange, welche in dem Gehäuse linear beweglich geführt ist. Die Mittelachse der Stange ist in Längsrichtung der Positionsmessvorrichtung ausgerichtet. Ein Hall-Sensor der Positionsmessvorrichtung ist fest mit dem Gehäuse verbunden, während mit der verschiebbaren Stange ein mit dem Hall-Sensor zusammenwirkender Permanentmagnet verbunden ist. Statt eines gesonderten Permanentmagneten kann auch eine Magnetisierung der längs ihrer eigenen Mittelachse, das heißt in Axialrichtung der gesamten Vorrichtung, verschiebbaren Stange vorgesehen sein.
Im einfachsten Fall weist die Positionsmessvorrichtung lediglich einen einzigen Hallsensor auf. Ebenso sind Ausführungsformen mit einem zweiten Hall-Sensor möglich, welcher eine zweite Spur im Sinne einer redundanten Lösung darstellt. Der zweite Hall-Sensor ist dabei zur Erhöhung der Sicherheit, nicht zur Verbesserung der Auflösung der Positionsmessvorrichtung vorgesehen.
In jedem Fall ist es mit Hilfe des Permanentmagneten möglich, die Position der Stange über deren gesamten Verschiebebereich zu detektieren. Der Permanentmagnet ist zu der durch die Verschieberichtung vorgegebenen Längsachse und/oder zu der hierzu orthogonalen Querachse unsymmetrisch ausgebildet. Hiermit verbunden ist eine Asymmetrie der magnetischen Feldlinien, welche von wesentlicher Bedeutung für die gewünschte Ortsauflösung ist. Durch die Längsachse und die Querachse wird eine Ebene aufgespannt, zu welcher die Mittelachse der verschiebbaren Stange parallel angeordnet ist.
In Längsrichtung der Positionsmessvorrichtung ist der Permanentmagnet, welcher allgemein auch als magnetisches Target bezeichnet wird, gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen ausgedehnter als der Hall-Sensor. Insbesondere wird durch den Permanentmagneten mindestens ein Dreieck beschrieben. In Querrichtung kann dagegen der Hall-Sensor ausgedehnter als der Permanentmagnet sein.
Durch den Permanentmagneten kann ein Dreieck oder eine Mehrzahl an Dreiecken beschrieben sein. Gemäß einer ersten möglichen Bauform ist der Permanentmagnet insgesamt als Dreieck geformt. Hierbei kann der Permanentmagnet die Grundform eines gleichschenklig-spitzwinkligen Dreiecks haben, dessen Symmetrieachse in Axialrichtung der Positionsmessvorrichtung ausgerichtet ist. Die beiden Pole des Permanentmagneten befinden sich in diesem Fall an der Basis beziehungsweise Spitze des Dreiecks.
Gemäß einer alternativen Bauform ist der Permanentmagnet als Ganzes rechteckig, wobei durch die Pole des Magneten Dreiecke beschrieben sind. Eine Asymmetrie ist hierbei sowohl zur Längsachse als auch zur Querachse der Positionsmessvorrichtung gegeben.
Ein nach Anspruch 7 ausgebildeter Lenkungsaktuator für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Antriebseinheit, eine mittels der Antriebseinheit verschiebbare Stange, das heißt eine Schubstange, sowie einen zur Detektion der Position der Stange ausgebildete Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1. Bei der Antriebseinheit kann es sich insbesondere um eine elektromechanische Antriebseinheit handeln, wobei diese ein mehrstufiges Getriebe, insbesondere eine Kombination aus einem Rotativ-Rotativ-Getriebe und einem Rotativ-Linear-Getriebe, umfassen kann. Prinzipiell ist die Positionsmessvorrichtung auch bei einer hydraulisch unterstützen Lenkung verwendbar.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Lenkungsaktuators in vereinfachter, teilweise geschnittener Darstellung,
2 Komponenten einer Positionsmessvorrichtung des Lenkungsaktuators nach 1,
3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lenkungsaktuators mit Positionsmessvorrichtung in Darstellungen analog 1 und 2.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Hinterachslenkung eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs arbeitet mit einem elektromechanischen Lenkungsaktuator 2. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion der Hinterachslenkung 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Der Lenkungsaktuator 2 umfasst eine Schubstange 4, welche in einem Gehäuse 3 verschiebbar ist. Die Verschieberichtung der Schubstange 4, welche kurz auch als Stange bezeichnet wird, ist als Längsrichtung LR des Aktuators 2 definiert. Die Aktuatorlängsrichtung LR entspricht somit der Fahrzeugquerrichtung. Mit der Schubstange 4 sind gabelförmige Anschlusselemente 5 verbunden, die in an sich bekannter Weise zur Kopplung mit nicht dargestellten Fahrwerkselementen vorgesehen sind, um eine Lenkung der Hinterräder des Fahrzeugs zu ermöglichen. Faltenbälge zwischen den Anschlusselementen 5 und dem Gehäuse 3 sind mit 6 bezeichnet.
Die Welle eines mit 7 bezeichneten Elektromotors des Lenkungsaktuators 2 ist parallel zur Schubstange 4 angeordnet, wobei der Elektromotor 7 im vorliegenden Fall an das Gehäuse 3 angebaut ist. Der Elektromotor 7 ist über eine mehrstufige Getriebeanordnung 8 mit der Schubstange 4 wirkverbunden. Die insgesamt als Antriebseinheit 18 bezeichnete Anordnung umfasst den Elektromotor 7 sowie die Getriebeanordnung 8. In den vorliegenden Fällen ist die Getriebeanordnung 8 aus einem Riementrieb oder Kettentrieb, das heißt Umschlingungsgetriebe, als Rotativ-Rotativ-Getriebe und einem diesem nachgeschalteten Rotativ-Linear-Getriebe in Form eines Planetenwälzgewindetriebes, eines Kugelgewindetriebs oder einer anderen Gewindetriebs aufgebaut.
Zur Erfassung der Position der Schubstange 4 ist eine Positionsmessvorrichtung 9 vorgesehen, welche einen Permanentmagneten 10 sowie einen Hall-Sensor 11 umfasst. Hierbei ist der Permanentmagnet 10 fest mit der Schubstange 4 und der Hall-Sensor 11 fest mit dem Gehäuse 3, welches in den 1 und 3 teilweise geöffnet dargestellt ist, verbunden. Der einzige Hall-Sensor 11 ist in Zusammenwirkung mit dem einzigen Permanentmagneten 10 in der Lage, die Einstellung des Lenkungsaktuators 2 im gesamten Stellbereich der Schubstange 4 zu detektieren. Der Permanentmagnet 10 weist in beiden Ausführungsbeispielen eine langgestreckte, sich in Längsrichtung LR erstreckende Grundform auf. Die hierzu orthogonale Querrichtung ist mit QR bezeichnet. MA bezeichnet die Magnetquerrichtung des Permanentmagneten 10. Der Hall-Sensor 11 erstreckt sich, wie aus den 2 und 4 hervorgeht, im Wesentlichen in Querrichtung QR. Die Ausdehnung des Hall-Sensors 11 in Längsrichtung LR ist geringer als der maximale Verschiebeweg der Schubstange 4.
Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 weist der Permanentmagnet 10 in der dargestellten Draufsicht, mit Blickrichtung orthogonal zur Schubstange 4, die Form eines gleichschenkligen, spitzwinkligen Dreiecks 12 auf, dessen Spitze mit 13 und dessen Basis mit 14 bezeichnet ist. Hierbei ist eine Dreiecksform des Nordpols N gegeben, während der Südpol S desselben Magneten 10 ein Trapez beschreibt. Die Magnetquerrichtung MA entspricht im Fall von 1 und 2 der Querrichtung QR. Bezüglich einer zwischen den Südpol S und den Nordpol N gelegten Spiegelebene, zu welcher die Mittelachse der Stange 4 eine Flächennormale darstellt, ist der Permanentmagnet 10 asymmetrisch geformt. Diese Asymmetrie wirkt sich direkt auf die magnetischen Feldlinien aus und erleichtert die präzise Detektion der Lage der Schubstange 4 im gesamten Stellbereich des Lenkungsaktuators 2, ohne irgendeinen weiteren Magneten oder Sensor zu benötigen. Optional ist eine nicht dargestellte zusätzliche Sensorik am Elektromotor 7 vorhanden, mit welcher die Winkellage des Rotors der Elektromotors 7 erfassbar ist.
Das Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 durch die Form des Permanentmagneten 10. Im Fall von 3 und 4 beschreibt der Permanentmagnet 10 insgesamt die Form eines Rechtecks 17. Die Magnetquerrichtung MA ist in diesem Fall durch eine Diagonale des Rechtecks 17 gegeben, welche die Grenze zwischen zwei rechtwinkligen Dreiecken 16 darstellt. Die Magnetquerrichtung MA ist hierbei um den Winkel gegenüber der Längsrichtung LR schräggestellt. Im Fall von 3 und 4 ist damit eine Asymmetrie des Permanentmagneten 10 sowohl gegenüber einer durch die Mittelachse der Schubstange 4 gelegten Spiegelebene als auch gegenüber einer hierzu orthogonalen Spiegelebene, das heißt einer Ebene, zu welcher die Schubstange 4 eine Flächennormale darstellt, gegeben.
Sowohl im Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 als auch im Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 handelt es sich bei dem Permanentmagneten 10 jeweils um ein gesondertes Bauteil. Alternativ ist die entsprechende Funktion der Positionsmessvorrichtung 9 auch mit einer Magnetisierung der Schubstange 4 realisierbar.
Bezugszeichenliste

1: Hinterachslenkung
2: Lenkungsaktuator
3: Gehäuse
4: Schubstange
5: Anschlusselement
6: Faltenbalg
7: Elektromotor
8: Getriebeanordnung
9: Positionsmessvorrichtung
10: Permanentmagnet
11: Hall-Sensor
12: Dreieck, gleichschenklig-spitzwinklig
13: Spitze
14: Basis
15: Trapez
16: Dreieck, rechtwinklig
17: Rechteck
18: Antriebseinheit

Winkel

LR: Längsrichtung, Verschieberichtung
MA: Magnetquerrichtung
N: Nordpol
QR: Querrichtung der Positionsmessvorrichtung
S: Südpol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10124760 A1 [0002]
DE 102016106779 A1 [0003]
DE 102017104875 A1 [0004]
DE 102011017335 A1 [0005]
DE 10358009 B3 [0005]
DE 102015115247 A1 [0006]
DE 102013203388 B3 [0007]
DE 102011115566 A1 [0008]
EP 3559602 B1 [0009]

Claims

Positionsmessvorrichtung, umfassend einen Permanentmagneten (10) sowie einen mit diesem zusammenwirkenden, relativ zum Permanentmagneten (10) verschiebbaren Hall-Sensor (11), dadurch gekennzeichnet, dass ein Hallsensor (11) fest mit einem Gehäuse (3) verbunden ist, in welchem eine Stange (4) verschiebbar geführt ist, wobei mit der Stange (4) ein einziger Permanentmagnet (10) verbunden ist, welcher zur Detektion der Position der Stange (4) über deren gesamten Verschiebebereich ausgebildet ist, und wobei der Permanentmagnet (10) zu mindestens einer der Achsen Längsachse, das heißt der durch die Verschieberichtung der Stange (4) vorgegebenen Achse, und Querachse, das heißt zur Verschieberichtung orthogonalen Achse, unsymmetrisch ausgebildet ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (10) mindestens ein Dreieck (12, 16) beschreibt.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (10) insgesamt als Dreieck (12) geformt ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (10) die Grundform eines gleichschenklig-spitzwinkligen Dreiecks (12) hat, dessen Symmetrieachse parallel zur Mittelachse der verschiebbaren Stange (4) angeordnet ist.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Pole (S, N) des Permanentmagneten (10) an der Basis (14) beziehungsweise Spitze (13) des Dreiecks (12) befinden.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (10) als Ganzes rechteckig ist, wobei durch die Pole (S, N) des Magneten (10) rechtwinklige Dreiecke (16) beschrieben sind.
Lenkungsaktuator, umfassend eine Antriebseinheit (18), eine mittels der Antriebseinheit (18) verschiebbare Stange (4), das heißt Schubstange, sowie eine zur Detektion der Position der Stange (4) ausgebildete Positionsmessvorrichtung (9) nach Anspruch 1.
Lenkungsaktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebseinheit (18) eine elektromechanische Einheit vorgesehen ist.
Lenkungsaktuator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als Aktuator einer Hinterachslenkung (1) eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.