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WO2024160442A1 - Steer-by-wire lenksystem für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Steer-by-wire lenksystem für ein kraftfahrzeug Download PDF

Info

Publication number
WO2024160442A1
WO2024160442A1 PCT/EP2023/085968 EP2023085968W WO2024160442A1 WO 2024160442 A1 WO2024160442 A1 WO 2024160442A1 EP 2023085968 W EP2023085968 W EP 2023085968W WO 2024160442 A1 WO2024160442 A1 WO 2024160442A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
steering
gear
rack
angle
steer
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/085968
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mirko TRAUE
Thomas Knopp
Heiko Schumann
Eckbert Schäfer
Original Assignee
Volkswagen Aktiengesellschaft
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 Volkswagen Aktiengesellschaft filed Critical Volkswagen Aktiengesellschaft
Publication of WO2024160442A1 publication Critical patent/WO2024160442A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0225—Determination of steering angle by measuring on a steering gear element, e.g. on a rack bar
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0245—Means or methods for determination of the central position of the steering system, e.g. straight ahead position
    • 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
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0421—Electric motor acting on or near steering gear

Definitions

  • the present invention relates to a steer-by-wire steering system for a motor vehicle, a method for determining a position of a rack of a steer-by-wire steering system and a motor vehicle with such a steer-by-wire steering system.
  • Steer-by-wire steering systems which can be used in large-scale production in the automotive sector in the future, do not have a mechanical connection between the steering wheel and the steering gear. As a result, the relationship between the steering wheel angle and the rack position is not fixed and can change during operation. It is therefore no longer possible to determine the current rack position using the steering wheel angle. In order to ensure operational safety in steer-by-wire steering systems, it is therefore necessary to know the rack position at all times.
  • Conventional angle sensors which are similar in design to known torque sensors, are not suitable for determining a rack position in a steer-by-wire steering system because the sensors do not measure absolutely and are also expensive. In addition, these sensors do not measure "true power-on". This means that they lose their position as soon as the steering system has been de-energized, so that the sensors must be re-trained in such a case.
  • the object of the present invention is to provide a steer-by-wire steering system for a motor vehicle which can be produced in a simple and cost-effective manner and which guarantees a reliable and precise determination of a current rack position, thus enabling increased operational reliability of the steer-by-wire steering system.
  • the above object is solved by the patent claims. Accordingly, the object is solved by a steer-by-wire steering system with the features of independent claim 1, by a method with the features of the independent claim 10 and a motor vehicle according to claim 11. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings.
  • a steer-by-wire steering system for a motor vehicle.
  • the steer-by-wire steering system comprises a rack for transmitting a steering movement to wheels of the motor vehicle, a steering motor for controlling a steering movement, a steering gear with a steering angle pinion for transmitting the steering movement of the steering motor to the rack and a gear coupled to the steering angle pinion for determining an initial position of the rack when the motor vehicle is started, wherein the gear is designed relative to the steering angle pinion and arranged within the steer-by-wire steering system in such a way that the gear covers a complete steering stroke of the rack (with less than one revolution around its axis of rotation) when the rack moves via the steering angle pinion.
  • the steer-by-wire steering system in question is designed to enable a reliable and precise determination of a current rack position in a simple and cost-effective manner, in particular by arranging a gear that is designed relative to a steering angle pinion and arranged within the steer-by-wire steering system in such a way that the gear covers a complete steering stroke of the rack (with an angle of rotation of ⁇ 360°) when the rack moves over the steering angle pinion, and in this way to ensure increased operational reliability.
  • the arrangement according to the invention makes it possible to dispense with the use of various angle sensors as multi-turn sensors or multi-stage methods for determining a rack position.
  • the method according to the invention can advantageously be carried out in motor vehicles, such as cars or trucks. However, it is understood that the method can also be used in commercial vehicles, ships, trains or even flying objects.
  • the motor vehicle's rack in question can be used in particular to transmit a Steering movement to the wheels of the motor vehicle can be provided.
  • An initial position of a rack of a motor vehicle can preferably be understood as the initial position of a rack determined before a start-up process and/or a steering process is carried out.
  • a current position of a rack of a motor vehicle can preferably be understood as the current position of a rack determined after a start-up process and/or a steering process is carried out.
  • a steering motor can preferably be understood as an actuator or an electric machine for driving a steering movement.
  • Covering the entire steering stroke as provided according to the invention can in particular be understood to mean that the gear coupled to the steering angle pinion rotates less than once around its axis (angle of rotation ⁇ 360°) due to a movement of the steering angle pinion to drive the rack when the rack is moved from one steering stop to the opposite steering stop driven by the steering angle pinion.
  • the gearwheel can have a reduction ratio due to its diameter such that it rotates less than once around its axis during a complete steering stroke of the rack from one steering stop to the opposite steering stop.
  • the angle of rotation can preferably even be ⁇ 340° in order to be able to provide a reserve in every direction in the event of misuse (oversteering the end stop), for example.
  • the steer-by-wire steering system in question can preferably be designed in the form of a "single-pinion steering system".
  • the gearwheel and the steering angle pinion can preferably form a gear depending on their coupling.
  • An angle sensor transmitter attached to the gearwheel can thus give a clear angle signal along the entire steering stroke of the rack without the need for multiple signals from multiple angle sensors that have to be offset against one another.
  • an angle sensor is provided for detecting a rotation angle of the gear, wherein the angle sensor is preferably designed such that data acquisition can be carried out in ASIL-D quality.
  • a redundant or doubly redundant power supply and/or a redundant or doubly redundant communication connection can be provided, for example.
  • the angle sensor can be designed, for example, in the form of a circuit board or the like.
  • the angle sensor is designed in the form of a magnetic sensor, whereby for the detection of a A magnet is arranged on the gear to measure the angle of rotation, the magnet preferably being arranged between the angle sensor and the gear.
  • the magnet can preferably be arranged on a shaft on which the gear is mounted, preferably on a bearing of the shaft.
  • the magnet can also cover the entire stroke of the rack, or make one revolution over the entire stroke of the rack.
  • a two-pole magnet on the driven gear is used as a sensor transmitter, for example.
  • any form of inductive or optical transmitter is also conceivable.
  • a cover is provided for accommodating the gear and/or the angle sensor, wherein the gear is preferably arranged between an upper side of the cover and the angle sensor.
  • the angle sensor is arranged between an upper side of the cover and the gear.
  • the cover can preferably be designed in the form of a plastic cover.
  • the cover can have an integrated plug or an integrated cable tail.
  • the electronics with the sensor receiver can advantageously be integrated into the sensor cover in such a way that it is optimally protected from external influences such as dirt and moisture during assembly and operation.
  • the transmission between the steering angle pinion and the gearwheel is designed in such a way that a complete steering stroke of the rack can be carried out by means of one rotation of the gearwheel around its axis of rotation with an angle of rotation of ⁇ 360°, preferably with an angle of rotation of ⁇ 340°.
  • the gearwheel is made of a plastic, for example.
  • the gearwheel can be connected to a bearing, for example by warm caulking or hot caulking, and arranged on a shaft.
  • an engine position sensor is provided for determining a current position of a rack after a start-up process of the motor vehicle on the basis of the initial position of the rack, wherein the motor position sensor is designed in the form of a magnetic sensor.
  • the angle sensor for detecting the angular position of the gear is preferably not in operation, which not only saves energy, but also promotes the electromagnetic compatibility of the electrical components involved, in particular the electromagnetic sensors involved.
  • the gearwheel and/or the angle sensor can be moved in the direction of the steering angle pinion, preferably at least 3 mm in the direction of the steering angle pinion. In this way, in particular, a material-friendly, play-free arrangement between the gearwheel and the steering angle pinion can be achieved.
  • the gear is mounted eccentrically on a shaft.
  • the gear with the angle sensor can be mounted in the steering gear housing, for example, and can be adjusted radially to the steering angle pinion using the eccentric shaft so that the play of the gearing can be adjusted.
  • a spring element is provided for presetting a radial play between the gear and the steering angle pinion, wherein the spring element is preferably arranged fixedly on a housing of the steering gear.
  • the spring element can be attached, for example, to the shaft of the gear and/or a bearing of the steering angle pinion and thus minimize play between the gear and the steering angle pinion.
  • the invention also relates to a method for determining a position of a rack of a steer-by-wire steering system of a motor vehicle, preferably a steer-by-wire steering system as described above.
  • the method according to the invention comprises the steps of driving a steering angle pinion for moving a rack between a first steering stop and an opposite second steering stop and at the same time a gear for determining an initial position of the rack, moving the rack between the first steering stop and the second opposite steering stop by means of the steering angle pinion, moving the gear about an axis of rotation with an angle of rotation of ⁇ 360° and determining an initial position of the rack via the angle of rotation of the gear about the axis of rotation.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising a steer-by-wire steering system as described above.
  • the motor vehicle according to the invention therefore offers the same advantages as have already been described in detail with regard to the steer-by-wire steering system according to the invention or the method according to the invention.
  • Figure 1 shows a steer-by-wire steering system according to the invention for a motor vehicle according to a first embodiment in a sectional view
  • Figure 2 shows a part of the steer-by-wire steering system according to the invention for a motor vehicle according to the first embodiment in a sectional view
  • Figure 3 shows a first (top) and second (bottom) partial sectional view of the steer-by-wire steering system according to the invention according to the first embodiment
  • Figure 4 shows a first (top) and second (bottom) partial sectional view of the steer-by-wire steering system according to the invention according to a second embodiment
  • Figure 5 shows a first (top) and second (bottom) partial sectional view of the steer-by-wire steering system according to the invention according to a third embodiment
  • Figure 6 shows the individual steps of a method according to the invention for determining the position of a rack of a steer-by-wire steering system of a motor vehicle.
  • Figure 1 shows a steer-by-wire steering system 2 according to the invention for a motor vehicle according to a first embodiment in a sectional view.
  • the steer-by-wire steering system 2 comprises a rack 4 for transmitting a steering movement to wheels of the motor vehicle, a steering motor 6 for controlling a steering movement, a steering gear 12 with a steering angle pinion 14 for transmitting the steering movement of the steering motor 6 to the rack 4, a gear 8 coupled to the steering angle pinion 14 for determining an initial position of the rack 4 when starting the motor vehicle, wherein the gear 8 is designed relative to the steering angle pinion 14 and arranged within the steer-by-wire steering system 2 such that the gear 8 covers a complete steering stroke of the rack 4 when the rack 4 moves via the steering angle pinion 14.
  • Figure 2 shows the part of the steer-by-wire steering system 2 according to the invention arranged in the dashed box in Figure 1 in a slightly enlarged view.
  • the steering angle pinion 14 is driven via the worm gear 22 driven by the steering motor 6.
  • Figure 3 shows a first (top) and second (bottom) partial sectional view of the part of the steer-by-wire steering system 2 according to the invention according to the first embodiment arranged in the dashed box of Figure 2, wherein the lower illustration represents a partial sectional view of the upper illustration along the section line A-A.
  • the steer-by-wire steering system 2 additionally comprises an angle sensor 10 for detecting a rotation angle a of the gear 8 coupled to the steering angle pinion 14, wherein the angle sensor 10 is designed in this case for data acquisition in ASIL-D quality.
  • the gear 8 is rotatably mounted on the shaft 20 via the bearing 26.
  • the angle sensor 10 is designed in the form of a magnetic sensor, wherein a magnet 18 is arranged on the gear 8 for detecting a rotation angle a between the angle sensor 10 and the gear 8.
  • a cover 16 is provided for receiving the gear 8 and the angle sensor 10, wherein the gear 8 is arranged between an upper side 16a of the cover 16 and the angle sensor 10.
  • the transmission ratio between the steering angle pinion 14 and the gear 8 is designed such that a complete steering stroke of the rack 4 can be carried out by means of a rotation of the gear 8 about its axis of rotation X with a rotation angle a of ⁇ 360°, preferably with a rotation angle a of ⁇ 340°.
  • the gear 8 and/or the angle sensor 10 are movable in the direction of the steering angle pinion 14, preferably by at least 3 mm, in order to set a play-free coupling between the gear 8 and the steering angle pinion 14.
  • Figure 4 shows a first (top) and second (bottom) partial sectional view of the part of the steer-by-wire steering system 2 according to the invention arranged in the dashed box of Figure 2 according to a second embodiment, wherein the lower illustration represents a partial sectional view of the upper illustration along the section line A-A.
  • the angle sensor 10 is arranged between the top side 16a of the cover 16 and the gear 8, wherein the gear 8 is mounted eccentrically on the shaft 20 and thus ensures or creates a play-free coupling to the steering angle pinion 14.
  • the steering angle pinion 14 is also provided with a magnet 18.
  • Figure 5 shows a first (top) and second (bottom) partial sectional view of the part of the steer-by-wire steering system 2 according to the invention arranged in the dashed box of Figure 2 according to a third embodiment, wherein the lower illustration represents a partial sectional view of the upper illustration along the section line A-A.
  • the third embodiment additionally has a spring element 24 for presetting a radial play between the gear 8 and the steering angle pinion 14, which in the present case is fixedly arranged on the housing of the steering gear 12.
  • Figure 6 finally shows the individual steps of a method according to the invention for determining the position of a rack 4 of a steer-by-wire steering system 2 of a motor vehicle.
  • the method according to the invention comprises the steps of driving 100 a steering angle pinion 14 for moving a rack 4 between a first steering stop and an opposite second steering stop and at the same time a gear 8 for determining an initial position of the rack 4, moving 200 the rack 4 between the first steering stop and the second opposite steering stop by means of the steering angle pinion 14, moving 300 the gear 8 about an axis of rotation X with an angle of rotation a of ⁇ 360° and determining 400 an initial position of the rack 4 via the angle of rotation a of the gear 8 about the axis of rotation X.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire Lenksystem (2) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: eine Zahnstange (4) zur Übertragung einer Lenkbewegung auf Räder des Kraftfahrzeugs, einen Lenkmotor (6) zur Ansteuerung einer Lenkbewegung, ein Lenkgetriebe (12) mit einem Lenkwinkelritzel (14) zur Übertragung der Lenkbewegung des Lenkmotors (6) auf die Zahnstange (4), ein an das Lenkwinkelritzel (14) gekoppeltes Zahnrad (8) zur Bestimmung einer initialen Position der Zahnstange (4) bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs, wobei das Zahnrad (8) relativ zu dem Lenkwinkelritzel (14) derart ausgebildet und innerhalb des Steer-by-Wire Lenksystems (2) angeordnet ist, dass das Zahnrad (8) bei einer Bewegung der Zahnstange (4) über das Lenkwinkelritzel (14) einen kompletten Lenkhub der Zahnstage (4) abdeckt.

Description

Beschreibung
Steer-by-Wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steer-by-Wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position einer Zahnstange eines Steer-by-Wire Lenksystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Steer-by-Wire Lenksystem.
Steer-by-Wire Lenksysteme, welche zukünftig im Automobilbereich in Großserie eingesetzt werden können, verfügen über keine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkgetriebe. Dadurch ist die Zuordnung zwischen Lenkradwinkel und Zahnstangenposition nicht fest und kann sich im Laufe des Betriebes ändern. Eine Bestimmung der aktuellen Zahnstangenposition mit Hilfe des Lenkradwinkels ist somit nicht mehr möglich. Daher ist es bei Steer-by-Wire Lenksystemen zur Gewährleistung einer Betriebssicherheit erforderlich, zu jedem Zeitpunkt die Zahnstangenpostion zu kennen.
Konventionelle Winkelsensoren, die in ihrem Aufbau ähnlich zu bekannten Drehmomentsensoren ausgebildet sind, eignen sich nicht zur Bestimmung einer Zahnstangenpostion in einem Steer-by-Wire Lenksystem, da die Sensoren nicht absolut messen und darüber hinaus kostenintensiv sind. Außerdem messen diese Sensoren nicht „true- power-on“. Das bedeutet, dass sie ihre Position verlieren, sobald das Lenksystem stromlos gewesen ist, sodass die Sensoren in einem solchen Fall neu angelernt werden müssen.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die diese Probleme zumindest teilweise zu lösen versuchen. So ist es bekannt, eine Zahnstangenposition bzw. einen Lenkwinkel mittels verschiedener Winkelgeber - als Multiturnsensor - aus einer Relativbewegung zwischen dem Lenkwinkelritzel und dem Lenkgetriebegehäuse zu errechnen. Eine derartige Ausführung benötigt nachteiliger Weise jedoch zumindest zwei Sensorgeber und zwei Sensornehmer, sodass neben einer großen Anzahl von Bauteilen auch eine größere Platinenfläche benötigt wird. Eine solche Ausführung ist somit sowohl kostenintensiv, als auch fehleranfällig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steer-by-Wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, das auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist und eine zuverlässige und präzise Bestimmung einer aktuellen Zahnstangenposition garantiert, sodass eine erhöhte Betriebssicherheit des Steer-by- Wire Lenksystems ermöglicht wird. Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Steer-by-Wire Lenksystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Erfindungsgemäß ist ein Steer-by-Wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Steer-by-Wire Lenksystem eine Zahnstange zur Übertragung einer Lenkbewegung auf Räder des Kraftfahrzeugs, einen Lenkmotor zur Ansteuerung einer Lenkbewegung, ein Lenkgetriebe mit einem Lenkwinkelritzel zur Übertragung der Lenkbewegung des Lenkmotors auf die Zahnstange und ein an das Lenkwinkelritzel gekoppeltes Zahnrad zur Bestimmung einer initialen Position der Zahnstange bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs, wobei das Zahnrad relativ zu dem Lenkwinkelritzel derart ausgebildet und innerhalb des Steer-by-Wire Lenksystems angeordnet ist, dass das Zahnrad bei einer Bewegung der Zahnstange über das Lenkwinkelritzel einen kompletten Lenkhub der Zahnstage (mit weniger als einer Umdrehung um seine Drehachse) abdeckt.
Erfindungsgemäß ist also das gegenständliche Steer-by-Wire Lenksystem, insbesondere durch die Anordnung eines Zahnrads, das relativ zu einem Lenkwinkelritzel derart ausgebildet und innerhalb des Steer-by-Wire Lenksystems angeordnet ist, dass das Zahnrad bei einer Bewegung der Zahnstange über das Lenkwinkelritzel einen kompletten Lenkhub der Zahnstage (mit einem Drehwinkel von < 360°) abdeckt, dazu ausgelegt, auf einfache und kostengünstige Weise eine zuverlässige und präzise Bestimmung einer aktuellen Zahnstangenposition zu ermöglichen und auf diese Weise eine erhöhte Betriebssicherheit zu gewährleisten. Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann insbesondere auf die Verwendung verschiedener Winkelgeber als Multiturnsensoren oder mehrstufige Verfahren zur Bestimmung einer Position einer Zahnstange verzichtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise in Kraftfahrzeugen, wie PKWs oder LKWs, ausgeführt werden. Es versteht sich jedoch, dass das Verfahren ebenso bei Nutzfahrzeugen, Schiffen, Zügen oder auch Flugobjekten angewendet werden kann. Die gegenständliche Zahnstange des Kraftfahrzeugs kann insbesondere zur Übertragung einer Lenkbewegung auf die Räder des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Unter einer initialen Position einer Zahnstange eines Kraftfahrzeugs kann vorzugsweise die vor Durchführung eines Startvorgangs und/oder eines Lenkvorgangs ermittelte anfängliche Position einer Zahnstange verstanden werden. Demgegenüber kann unter einer aktuellen Position einer Zahnstange eines Kraftfahrzeugs dagegen vorzugsweise die nach Durchführung eines Startvorgangs und/oder eines Lenkvorgangs ermittelte gegenwärtige Position einer Zahnstange verstanden werden. Unter einem Lenkmotor kann gegenständlich vorzugsweise ein Aktuator bzw. eine elektrische Maschine zum Antreiben einer Lenkbewegung verstanden werden. Unter einem erfindungsgemäß vorgesehenen Abdecken des kompletten Lenkhubs kann dabei insbesondere verstanden werden, dass sich das an das Lenkwinkelritzel gekoppelte Zahnrad bedingt durch eine Bewegung des Lenkwinkelritzels zum Antreiben der Zahnstange weniger als einmal um seine Achse dreht (Drehwinkel < 360°), wenn die Zahnstange angetrieben durch das Lenkwinkelritzel von dem einen Lenkanschlag in den entgegengesetzten Lenkanschlag bewegt wird. Insbesondere kann das Zahnrad bedingt durch seinen Durchmesser eine solche Untersetzung aufweisen, dass es sich während eines kompletten Lenkhubes der Zahnstange vom einen Lenkanschlag in den entgegengesetzten Lenkanschlag weniger als einmal um seine Achse dreht. Vorzugsweise kann der Drehwinkel sogar < 340° betragen, um für Missbrauchsfälle (Überlenken des Endanschlages) bspw. eine Reserve in jede Richtung bereitstellen zu können. Das gegenständliche Steer-by-Wire Lenksystem kann vorzugsweise in Form eines „Single-Pinion Lenksystems“ ausgebildet sein. Das Zahnrad und das Lenkwinkelritzel können dabei entsprechend ihrer Kopplung vorzugsweise ein Getriebe ausbilden. Ein an dem Zahnrad angebrachter Winkelsensorgeber kann somit entlang des gesamten Lenkhubs der Zahnstange ein eindeutiges Winkelsignal geben, ohne dass es mehrerer, miteinander zu verrechnender Signale von mehreren Winkelgebern bedarf.
Im Hinblick auf eine einfache Detektion eines Drehwinkels sowie zur Gewährleistung einer besonders sicheren Ausführung des gegenständlichen Steer-by-Wire Lenksystems kann erfindungsgemäß vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass ein Winkelsensor zur Erfassung eines Drehwinkels des Zahnrads vorgesehen ist, wobei der Winkelsensor vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass eine Datenerfassung in ASIL-D-Qualität durchführbar ist. Zur Gewährleistung einer entsprechend hohen Ausfallsicherheit gemäß ASIL-D-Qualität kann bspw. eine redundante oder doppelt redundante Spannungsversorgung und/oder eine redundante oder doppelt redundante Kommunikationsverbindung vorgesehen sein. Der Winkelsensor kann bspw. in Form einer Leiterkarte oder dergleichen ausgebildet sein.
Im Rahmen einer konstruktiv einfach herstellbaren und unanfälligen Ausführung eines gegenständlichen Steer-by-Wire Lenksystems kann hierbei bspw. vorgesehen sein, dass der Winkelsensor in Form eines magnetischen Sensors ausgebildet ist, wobei zur Erfassung eines Drehwinkels ein Magnet an dem Zahnrad angeordnet ist, wobei der Magnet vorzugsweise zwischen dem Winkelsensor und dem Zahnrad angeordnet ist. Der Magnet kann hierbei vorzugsweise an einer Welle angeordnet sein, auf der das Zahnrad gelagert ist, vorzugsweise an einem Lager der Welle. Der Magnet kann hierbei ebenfalls den gesamten Hub der Zahnstange abdecken, bzw. über den gesamten Hub der Zahnstange eine Umdrehung ausführen. Als Sensorgeber befindet sich beispielsweise ein zweipoliger Magnet auf dem angetriebenen Zahnrad. Es ist aber auch jede Form von induktiven oder optischen Gebern denkbar.
Im Rahmen einer stabilen und kompakten Anordnung sowie der Gewährleistung einer besonders exakten Bestimmung einer Zahnstangenposition kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass ein Deckel zur Aufnahme des Zahnrads und/oder des Winkelsensors vorgesehen ist, wobei das Zahnrad vorzugsweise zwischen einer Oberseite des Deckels und dem Winkelsensor angeordnet ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Winkelsensor zwischen einer Oberseite des Deckels und dem Zahnrad angeordnet ist. Der Deckel kann vorzugsweise in Form eines Kunststoffdeckels ausgebildet sein. Zudem kann der Deckel einen integrierten Stecker oder einen intergierten Kabelschwanz aufweisen. Die Elektronik mit dem Sensornehmer kann vorteilhafte Weise so in den Sensordeckel integriert sein, dass sie bei der Montage und im Betrieb bestmöglich vor äußeren Einflüssen wie Schmutz und Feuchtigkeit geschützt ist.
Zur Gewährleistung des erfindungsgemäß vorgesehenen Abdeckens des gesamten Lenkhubs der Zahnstange durch das Zahnrad kann gegenständlich vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Übersetzung zwischen dem Lenkwinkelritzel und dem Zahnrad derart ausgebildet ist, dass ein kompletter Lenkhub der Zahnstange mittels einer Umdrehung des Zahnrads um seine Drehachse mit einem Drehwinkel von < 360°, vorzugsweise mit einem Drehwinkel von < 340° ausführbar ist. Zwischen dem Lenkwinkelritzel und dem Zahnrad kann dabei eine Übersetzung mit einem Übersetzungsverhältnis von > 2, vorzugsweise von > 3, insbesondere von 3,25 vorliegen. Im Rahmen einer kostengünstigen sowie geräusch- und abriebarmen Ausführung kann ferner vorgesehen sein, dass das Zahnrad bspw. aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Das Zahnrad kann bspw. durch ein Warm verstemmen bzw. Heißverstemmen mit einem Lager verbunden werden und auf einer Welle angeordnet werden.
Im Rahmen einer einfachen und energiesparenden Bestimmung einer aktuellen Position einer Zahnstange nach einer Bestimmung einer initialen Position einer Zahnstange bei einem Aufstarten eines Kraftfahrzeugs kann vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass ein Motorlagesensor zur Bestimmung einer aktuellen Position einer Zahnstange nach einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs auf Basis der initialen Position der Zahnstange vorgesehen ist, wobei der Motorlagesensor in Form eines magnetischen Sensors ausgebildet ist. Hier ist dann der Winkelsensor zur Erfassung der Winkelposition des Zahnrads vorzugsweise nicht in Betrieb, was nicht nur Energie spart, sondern auch die elektromagnetische Verträglichkeit der beteiligten elektrischen Komponenten, insbesondere der beteiligten elektromagnetischen Sensorik fördert.
Zur Gewährleistung einer langlebigen, vorzugsweise abriebfreien Anordnung eines Getriebes aus einem Zahnrad und einem Lenkwinkelritzel kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass das Zahnrad und/oder der Winkelsensor in Richtung des Lenkwinkelritzels bewegbar sind, vorzugsweise zumindest um 3 mm in Richtung des Lenkwinkelritzels bewegbar sind. Auf diese Weise ist insbesondere eine materialschonende, spielfreie Anordnung zwischen dem Zahnrad und dem Lenkwinkelritzel erreichbar.
Um eine spielfreie Anordnung zwischen dem Zahnrad und dem Lenkwinkelritzel zu erreichen, kann alternativ ebenso vorgesehen sein, dass das Zahnrad exzentrisch auf einer Welle gelagert ist. Das Zahnrad mit dem Drehwinkelsensor kann hierbei bspw. im Lenkgetriebegehäuse gelagert sein und mit Hilfe der exzentrischen Welle radial zum Lenkwinkelritzel verstellt werden, sodass das Spiel der Verzahnung eingestellt werden kann.
Zur Gewährleistung einer spielfreien Anordnung zwischen dem Zahnrad und dem Lenkwinkelritzel, ist es alternativ ferner denkbar, dass ein Federelement zur Voreinstellung eines Radialspiels zwischen dem Zahnrad und dem Lenkwinkelritzel vorgesehen ist, wobei das Federelement vorzugsweise fest an einem Gehäuse des Lenkgetriebes angeordnet ist. Das Federelement kann hierbei bspw. an der Welle des Zahnrads und/oder einem Lager des Lenkwinkelritzels befestigt sein und so ein Spiel zwischen dem Zahnrad und dem Lenkwinkelritzel minimieren.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer Position einer Zahnstange eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines voranstehend beschriebenen Steer-by-Wire Lenksystems. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Antreibens eines Lenkwinkelritzels zum Bewegen einer Zahnstange zwischen einem ersten Lenkanschlag und einem entgegengesetzten zweiten Lenkanschlag und gleichzeitig eines Zahnrads zur Bestimmung einer initialen Position der Zahnstange, eines Bewegens der Zahnstange zwischen dem ersten Lenkanschlag und dem zweiten entgegengesetzten Lenkanschlag mittels des Lenkwinkelritzels, eines Bewegens des Zahnrads um eine Drehachse mit einem Drehwinkel von < 360° sowie eines Bestimmens einer initialen Position der Zahnstange über den Drehwinkel des Zahnrads um die Drehachse. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Steer-by-Wire Lenksystem beschrieben worden sind.
Es versteht sich vorliegend zudem, dass einzelne, mehrere oder alle obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in der vorgeschlagenen Reihenfolge, aber auch abweichend von der vorgeschlagenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Hierbei können einzelne, mehrere oder alle obligatorischen und/oder optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere wiederholt, bspw. zyklisch wiederholt ausgeführt werden. Es versteht sich ferner, dass einzelne, mehrere oder alle der obligatorischen und optionalen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenständlich auch zumindest teilweise automatisch bzw. automatisiert und/oder selbstlernend ausgeführt werden können, insbesondere durch einen Computer implementiert werden können, vorzugsweise über computerimplementierte Simulationsverfahren ausgeführt werden können.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes Steer-by-Wire Lenksystem. Damit bringt das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Steer-by-Wire Lenksystem bzw. das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire Lenksystem für ein Kraftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht,
Figur 2 einen Teil des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems für ein Kraftfahrzeug gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht,
Figur 3 eine erste (oben) und zweite (unten) Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine erste (oben) und zweite (unten) Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Figur 5 eine erste (oben) und zweite (unten) Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 6 die einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Position einer Zahnstange eines Steer-by-Wire Lenksystems eines Kraftfahrzeugs.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Steer-by-Wire Lenksystem 2 für ein Kraftfahrzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht.
Wie gemäß Figur 1 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße Steer-by-Wire Lenksystem 2 eine Zahnstange 4 zur Übertragung einer Lenkbewegung auf Räder des Kraftfahrzeugs, einen Lenkmotor 6 zur Ansteuerung einer Lenkbewegung, ein Lenkgetriebe 12 mit einem Lenkwinkelritzel 14 zur Übertragung der Lenkbewegung des Lenkmotors 6 auf die Zahnstange 4, ein an das Lenkwinkelritzel 14 gekoppeltes Zahnrad 8 zur Bestimmung einer initialen Position der Zahnstange 4 bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs, wobei das Zahnrad 8 relativ zu dem Lenkwinkelritzel 14 derart ausgebildet und innerhalb des Steer-by-Wire Lenksystems 2 angeordnet ist, dass das Zahnrad 8 bei einer Bewegung der Zahnstange 4 über das Lenkwinkelritzel 14 einen kompletten Lenkhub der Zahnstage 4 abdeckt.
Figur 2 zeigt den in Figur 1 in dem gestrichelten Kästchen angeordneten Teil des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems 2 in einer etwas vergrößerten Darstellung.
Wie gemäß Figur 2 zu erkennen ist, wird das Lenkwinkelritzel 14 über das von dem Lenkmotor 6 angetriebene Schneckengetriebe 22 angetrieben.
Figur 3 zeigt eine erste (oben) und zweite (unten) Teilschnittansicht des in dem gestrichelten Kästchen von Figur 2 angeordneten Teils des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems 2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die untere Darstellung eine Teilschnittansicht der oberen Darstellung entlang der Schnittlinie A-A darstellt.
Wie gemäß Figur 3 zu erkennen ist, umfasst das Steer-by-Wire Lenksystem 2 zusätzlich einen Winkelsensor 10 zur Erfassung eines Drehwinkels a des an das Lenkwinkelritzel 14 gekoppelten Zahnrads 8, wobei der Winkelsensor 10 vorliegend zur Datenerfassung in ASIL-D-Qualität ausgebildet ist. Das Zahnrad 8 ist dabei über das Lager 26 auf der Welle 20 drehbar gelagert. Der Winkelsensor 10 ist dabei in Form eines magnetischen Sensors ausgebildet, wobei zur Erfassung eines Drehwinkels a zwischen dem Winkelsensor 10 und dem Zahnrad 8 ein Magnet 18 an dem Zahnrad 8 angeordnet ist.
Ferner ist ein Deckel 16 zur Aufnahme des Zahnrads 8 und des Winkelsensors 10 vorgesehen, wobei das Zahnrad 8 vorliegend zwischen einer Oberseite 16a des Deckels 16 und dem Winkelsensor 10 angeordnet ist.
Zwischen dem Lenkwinkelritzel 14 und dem Zahnrad 8 ist die Übersetzung vorliegend derart ausgebildet, dass ein kompletter Lenkhub der Zahnstange 4 mittels einer Umdrehung des Zahnrads 8 um seine Drehachse X mit einem Drehwinkel a von < 360°, vorzugsweise mit einem Drehwinkel a von < 340° ausführbar ist.
Das Zahnrad 8 und/oder der Winkelsensor 10 sind dabei in Richtung des Lenkwinkelritzels 14 bewegbar, vorzugsweise um zumindest 3 mm, um eine spielfreie Kopplung zwischen dem Zahnrad 8 und dem Lenkwinkelritzel 14 einzustellen.
Figur 4 zeigt eine erste (oben) und zweite (unten) Teilschnittansicht des in dem gestrichelten Kästchen von Figur 2 angeordneten Teils des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die untere Darstellung eine Teilschnittansicht der oberen Darstellung entlang der Schnittlinie A-A darstellt.
Wie gemäß Figur 4 zu erkennen ist, ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Winkelsensor 10 zwischen der Oberseite 16a des Deckels 16 und dem Zahnrad 8 angeordnet, wobei das Zahnrad 8 vorliegend exzentrisch auf der Welle 20 gelagert ist und so eine spielfreie Kopplung zu dem Lenkwinkelritzel 14 gewährleistet bzw. schafft. Zusätzlich ist auch das Lenkwinkelritzel 14 mit einem Magneten 18 versehen.
Figur 5 zeigt eine erste (oben) und zweite (unten) Teilschnittansicht des in dem gestrichelten Kästchen von Figur 2 angeordneten Teils des erfindungsgemäßen Steer-by-Wire Lenksystems 2 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei die untere Darstellung eine Teilschnittansicht der oberen Darstellung entlang der Schnittlinie A-A darstellt.
Wie gemäß Figur 5 zu erkennen ist, weist die dritte Ausführungsform zusätzlich ein Federelement 24 zur Voreinstellung eines Radialspiels zwischen dem Zahnrad 8 und dem Lenkwinkelritzel 14 auf, das vorliegend fest an dem Gehäuse des Lenkgetriebes 12 angeordnet ist. Figur 6 zeigt schließlich die einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Position einer Zahnstange 4 eines Steer-by-Wire Lenksystems 2 eines Kraftfahrzeugs.
Wie gemäß Figur 6 zu erkennen ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Antreibens 100 eines Lenkwinkelritzels 14 zum Bewegen einer Zahnstange 4 zwischen einem ersten Lenkanschlag und einem entgegengesetzten zweiten Lenkanschlag und gleichzeitig eines Zahnrads 8 zur Bestimmung einer initialen Position der Zahnstange 4, eines Bewegens 200 der Zahnstange 4 zwischen dem ersten Lenkanschlag und dem zweiten entgegengesetzten Lenkanschlag mittels des Lenkwinkelritzels 14, eines Bewegens 300 des Zahnrads 8 um eine Drehachse X mit einem Drehwinkel a von < 360° sowie eines Bestimmens 400 einer initialen Position der Zahnstange 4 über den Drehwinkel a des Zahnrads 8 um die Drehachse X.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
2 Steer-by-Wire Lenksystem
4 Zahnstange
6 Lenkmotor
8 Zahnrad
10 Winkelsensor
12 Lenkgetriebe
14 Lenkwinkelritzel
16 Deckel
16a Oberseite
18 Magnet
20 Welle
22 Schneckengetriebe
24 Federelement
26 Lager
X Drehachse a Drehwinkel i Übersetzungsverhältnis
100 Antreiben eines Lenkwinkelritzels zum Bewegen einer Zahnstange zwischen einem ersten Lenkanschlag und einem entgegengesetzten zweiten Lenkanschlag
200 Bewegen der Zahnstange zwischen dem ersten Lenkanschlag und dem zweiten entgegengesetzten Lenkanschlag
300 Bewegen des Zahnrads um eine Drehachse mit einem Drehwinkel von < 360° 400 Bestimmen einer initialen Position der Zahnstange über den Drehwinkel des Zahnrads um die Drehachse

Claims

Patentansprüche
1. Steer-by-Wire Lenksystem (2) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend: eine Zahnstange (4) zur Übertragung einer Lenkbewegung auf Räder des Kraftfahrzeugs, einen Lenkmotor (6) zur Ansteuerung einer Lenkbewegung, ein Lenkgetriebe (12) mit einem Lenkwinkelritzel (14) zur Übertragung der Lenkbewegung des Lenkmotors (6) auf die Zahnstange (4), ein an das Lenkwinkelritzel (14) gekoppeltes Zahnrad (8) zur Bestimmung einer initialen Position der Zahnstange (4) bei einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs, wobei das Zahnrad (8) relativ zu dem Lenkwinkelritzel (14) derart ausgebildet und innerhalb des Steer-by-Wire Lenksystems (2) angeordnet ist, dass das Zahnrad (8) bei einer Bewegung der Zahnstange (4) über das Lenkwinkelritzel (14) einen kompletten Lenkhub der Zahnstage (4) abdeckt.
2. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelsensor (10) zur Erfassung eines Drehwinkels (a) des Zahnrads (8) vorgesehen ist, wobei der Winkelsensor (10) vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass eine Datenerfassung in ASIL-D-Qualität durchführbar ist.
3. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (10) in Form eines magnetischen Sensors ausgebildet ist, wobei zur Erfassung eines Drehwinkels (a) ein Magnet (18) an dem Zahnrad (8) angeordnet ist, wobei der Magnet (18) vorzugsweise zwischen dem Winkelsensor (10) und dem Zahnrad (8) angeordnet ist.
4. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckel (16) zur Aufnahme des Zahnrads (8) und/oder des Winkelsensors (10) vorgesehen ist, wobei das Zahnrad (8) vorzugsweise zwischen einer Oberseite (16a) des Deckels (16) und dem Winkelsensor (10) angeordnet ist.
5. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lenkwinkel ritzel (14) und dem Zahnrad (8) eine Übersetzung vorliegt, die derart ausgebildet ist, dass ein kompletter Lenkhub der Zahnstange (4) mittels einer Umdrehung des Zahnrads (8) um seine Drehachse (X) mit einem Drehwinkel (a) von < 360°, vorzugsweise mit einem Drehwinkel (a) von < 340° ausführbar ist.
6. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorlagesensor zur Bestimmung einer aktuellen Position einer Zahnstange (4) nach einem Startvorgang des Kraftfahrzeugs auf Basis der initialen Position der Zahnstange (4) vorgesehen ist, wobei der Motorlagesensor in Form eines magnetischen Sensors ausgebildet ist.
7. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (8) und/oder der Winkelsensor (10) in Richtung des Lenkwinkelritzels (14) bewegbar sind, vorzugsweise zumindest um 3 mm in Richtung des Lenkwinkelritzels (14) bewegbar sind.
8. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (8) exzentrisch auf einer Welle (20) gelagert ist.
9. Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (24) zur Voreinstellung eines Radialspiels zwischen dem Zahnrad (8) und dem Lenkwinkelritzel (14) vorgesehen ist, wobei das Federelement (24) vorzugsweise fest an einem Gehäuse des Lenkgetriebes (12) angeordnet ist.
10. Verfahren zur Bestimmung einer Position einer Zahnstange (4) eines Steer-by-Wire Lenksystems (2) eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines Steer-by-Wire Lenksystems (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend die Schritte:
Antreiben (100) eines Lenkwinkelritzels (14) zum Bewegen einer Zahnstange (4) zwischen einem ersten Lenkanschlag und einem entgegengesetzten zweiten Lenkanschlag und gleichzeitig eines Zahnrads (8) zur Bestimmung einer initialen Position der Zahnstange (4),
Bewegen (200) der Zahnstange (4) zwischen dem ersten Lenkanschlag und dem zweiten entgegengesetzten Lenkanschlag mittels des Lenkwinkelritzels (14), Bewegen (300) des Zahnrads (8) um eine Drehachse (X) mit einem Drehwinkel (a) von < 360°,
Bestimmen (400) einer initialen Position der Zahnstange (4) über den Drehwinkel (a) des Zahnrads (8) um die Drehachse (X).
11. Kraftfahrzeug, umfassend ein Steer-by-Wire Lenksystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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