DE102021112380A1

DE102021112380A1 - Steering actuator for a vehicle and method of operating the same

Info

Publication number: DE102021112380A1
Application number: DE102021112380.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lindenmayr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lenkaktuator zum Schwenken mindestens eines Lenkhebels eines Fahrzeuges. Der Lenkaktuator ist insbesondere für eine Hinterachslenkung des Fahrzeuges ausgebildet. Der Lenkaktuator umfasst einen Elektromotor (01) mit einer Motorwelle sowie einen Drehwinkelsensor (02) zur Bestimmung eines Drehwinkels der Motorwelle innerhalb einer Umdrehung der Motorwelle. Der Lenkaktuator umfasst zudem ein an die Motorwelle gekoppeltes Getriebe (03), welches ein Übersetzungsverhältnis aufweist, welches größer als Eins ist. Weiterhin umfasst der Lenkaktuator eine durch das Getriebe (03) antreibbare Spindelmutter und einen Multiturnsensor (06) zur Bestimmung eines sich über mehrere Umdrehungen erstreckenden Drehwinkels der Spindelmutter sowie eine in der Spindelmutter laufende Spindel (07). Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Lenkaktuators.The present invention relates to a steering actuator for pivoting at least one steering lever of a vehicle. The steering actuator is designed in particular for rear-axle steering of the vehicle. The steering actuator comprises an electric motor (01) with a motor shaft and a rotation angle sensor (02) for determining a rotation angle of the motor shaft within one revolution of the motor shaft. The steering actuator also includes a gear (03) that is coupled to the motor shaft and has a transmission ratio that is greater than one. The steering actuator also includes a spindle nut that can be driven by the gear (03) and a multiturn sensor (06) for determining a rotation angle of the spindle nut extending over several revolutions, as well as a spindle (07) running in the spindle nut. Furthermore, the invention relates to a method for operating the steering actuator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lenkaktuator zum Schwenken mindestens eines Lenkhebels eines Fahrzeuges. Der Lenkaktuator ist insbesondere für eine Hinterachslenkung des Fahrzeuges ausgebildet und umfasst eine Linearverstellung. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Lenkaktuators.The present invention relates to a steering actuator for pivoting at least one steering lever of a vehicle. The steering actuator is designed in particular for rear-axle steering of the vehicle and includes a linear adjustment. Furthermore, the invention relates to a method for operating the steering actuator.

Die DE 10 2019 125 309 A1 zeigt ein Sensorsystem mit einem ersten Targetelement zur Erfassung einer Winkellage und mit einem zweiten Targetelement zur Erfassung eines Linearweges. Das erste Targetelement ist um eine Drehachse rotierbar angeordnet. Das zweite Targetelement ist entlang der Drehachse linear bewegbar angeordnet. Das Sensorsystem umfasst zudem ein parallel zu der Drehachse zwischen den Targetelementen angeordnetes Sensorelement.the DE 10 2019 125 309 A1 shows a sensor system with a first target element for detecting an angular position and with a second target element for detecting a linear path. The first target element is arranged to be rotatable about an axis of rotation. The second target element is arranged to be linearly movable along the axis of rotation. The sensor system also includes a sensor element arranged parallel to the axis of rotation between the target elements.

Aus der DE 10 2019 118 397 A1 ist eine Positionsmesseinrichtung zur Ermittlung einer Drehstellung eines drehbaren Objektes, wie beispielsweise eine Welle bekannt. Die Positionsmesseinrichtung umfasst eine erste Maßverkörperung, die drehfest mit dem Objekt verbindbar ist, und einen ersten Sensor zur Erfassung einer Drehstellung der ersten Maßverkörperung. Die Positionsmesseinrichtung umfasst zudem eine zweite Maßverkörperung, die gegenüber der ersten Maßverkörperung drehbar gelagert ist, und einen zweiten Sensor zur Erfassung einer Drehstellung der zweiten Maßverkörperung. Die erste Maßverkörperung umfasst einen Mitnehmer, der mit der zweiten Maßverkörperung derart zusammenwirkt, dass die zweite Maßverkörperung durch den Mitnehmer in eine Drehbewegung versetzbar ist. Die Positionsmesseinrichtung kann in einer Lenkvorrichtung, insbesondere in einem Servo-Lenksystem für ein Fahrzeug verwendet werden.From the DE 10 2019 118 397 A1 is a position measuring device for determining a rotational position of a rotatable object, such as a shaft. The position measuring device comprises a first scale, which can be connected to the object in a rotationally fixed manner, and a first sensor for detecting a rotational position of the first scale. The position measuring device also includes a second scale, which is rotatably mounted relative to the first scale, and a second sensor for detecting a rotational position of the second scale. The first scale comprises a driver, which interacts with the second scale in such a way that the second scale can be set in rotary motion by the driver. The position measuring device can be used in a steering device, in particular in a power steering system for a vehicle.

Ein Verfahren zur Drehwinkelbestimmung ist aus der DE 195 06 938 A1 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren dient insbesondere zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges, welche üblicherweise um mehr als 360° drehbar ist. Die Lenkwelle stellt einen ersten drehbaren Körper dar, der mit wenigstens zwei weiteren drehbaren Körpern zusammenwirkt, die beispielsweise als Zahnräder oder Zahnkränze gebildet sind. Die Winkelstellung der drehbaren Körper wird mit zwei Sensoren ermittelt, welche mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind, die mit einem Algorithmus die tatsächliche Winkelstellung der Lenkwelle bestimmt.A method for determining the angle of rotation is from DE 195 06 938 A1 famous. The method described there is used in particular to determine the rotational angle position of a steering shaft of a motor vehicle, which can usually be rotated through more than 360°. The steering shaft represents a first rotatable body which interacts with at least two other rotatable bodies which are formed, for example, as gear wheels or ring gears. The angular position of the rotatable body is determined using two sensors which are connected to an electronic evaluation circuit which uses an algorithm to determine the actual angular position of the steering shaft.

Die DE 10 2019 127 297 A1 lehrt eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle. Die Sensorvorrichtung umfasst ein Hauptzahnrad, welches an die drehbewegliche Welle koaxial gekoppelt wird, und ein Nebenzahnrad, welches drehgekoppelt am Hauptzahnrad angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung zwei Targets, die jeweils an einer Seitenfläche des Hauptzahnrads bzw. des Nebenzahnrads angeordnet sind, und zwei Drehwinkelsensoren, welche in unmittelbarer Nähe zum Hauptzahnrad und zum Nebenzahnrad an einer Platine angeordnet sind. Es werden die Winkel des Hauptzahnrads und des Nebenzahnrads ermittelt und als Winkelsignal an eine auf der Platine angeordnete Auswerteeinheit weitergeleitet. Die Sensorvorrichtung kann in einer Lenkungsanordnung verwendet werden.the DE 10 2019 127 297 A1 teaches a sensor device for determining a rotational angular position of a rotatable shaft. The sensor device includes a main gear coaxially coupled to the rotatable shaft and a sub gear rotatably coupled to the main gear. Furthermore, the sensor device comprises two targets, which are each arranged on a side surface of the main gear and the sub-gear, and two rotation angle sensors, which are arranged in the immediate vicinity of the main gear and the sub-gear on a circuit board. The angles of the main gear and the secondary gear are determined and forwarded as an angle signal to an evaluation unit arranged on the circuit board. The sensor device can be used in a steering arrangement.

Die DE 10 2016 212 173 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Umdrehungszahl und einer Winkelposition eines um eine Drehachse drehenden Bauteiles mit einem Magnetelement mit einem gemäß dem GMR-Prinzip arbeitenden Multiturnsensor. Der Multiturnsensor umfasst einen spiralförmig entlang der oder um die Drehachse angeordneten elektrischen Leiter mit bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelements zwei unterscheidbaren Halbbrückensignalen. Zur Erfassung der Umdrehungszahl wird der Widerstand des Leiters über den Verdrehwinkel erfasst und anhand der Halbbrückensignale wird jeweils eine Umdrehung ermittelt. Um eine Winkelposition über jeweils eine Umdrehung durchgängig bestimmen zu können, wird mit einem gemäß dem AMR-Prinzip arbeitenden Magnetsensor die Winkelposition des Bauteiles in jeweils zwei Halbkreisen ermittelt, und mit dem Multiturnsensor wird ermittelt, in welchem der Halbkreise die Ermittlung der Winkelposition erfolgt.the DE 10 2016 212 173 A1 shows a device for determining a number of revolutions and an angular position of a component rotating about an axis of rotation with a magnetic element with a multiturn sensor operating according to the GMR principle. The multiturn sensor comprises an electrical conductor arranged spirally along or around the axis of rotation with two distinguishable half-bridge signals related to one revolution of the magnetic element. In order to record the number of revolutions, the resistance of the conductor is determined via the angle of twist and one revolution is determined on the basis of the half-bridge signals. In order to be able to continuously determine an angular position over one revolution, the angular position of the component is determined in two semicircles with a magnetic sensor working according to the AMR principle, and the multiturn sensor is used to determine in which of the semicircles the angular position is determined.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine durch einen Lenkaktuator bewirkte Lenkposition eines Fahrzeuges sicher und genau messen zu können. Insbesondere sollen Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung eines sich über mehrere Umdrehungen erstreckenden Drehwinkels einer Spindelmutter des Lenkaktuators vermieden werden.Based on the prior art, the object of the present invention is to be able to reliably and precisely measure a steering position of a vehicle caused by a steering actuator. In particular, ambiguities should be avoided when determining an angle of rotation of a spindle nut of the steering actuator that extends over several revolutions.

Die genannte Aufgabe wird gelöst durch einen Lenkaktuator gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.Said object is achieved by a steering actuator according to appended claim 1 and by a method according to appended independent claim 10.

Der erfindungsgemäße Lenkaktuator dient zum Lenken von Rädern eines Fahrzeuges. Bei dem Fahrzeug handelt es sich bevorzugt um ein Kraftfahrzeug, insbesondere um einen Personenkraftwagen. Der Lenkaktuator dient bevorzugt zum Lenken von Rädern einer Hinterachse des Fahrzeuges. Somit ist der Lenkaktuator bevorzugt für eine Hinterachslenkung ausgebildet und bildet daher eine Komponente der Hinterachslenkung. Der Lenkaktuator dient zum Schwenken mindestens eines Lenkhebels des Fahrzeuges. Der Lenkaktuator ist bevorzugt zwischen zwei Lenkhebeln eingespannt, die jeweils mit einem Rad der Hinterachse verbunden sind, sodass die beiden Räder der Hinterachse gemeinsam mit dem Lenkaktuator gelenkt werden. Über den mindestens einen Lenkhebel wird eine lineare Lenkantriebsbewegung des Lenkaktuators in eine rotative Lenkbewegung zum Lenken der Räder gewandelt. Der Lenkaktuator umfasst eine Linearverstellung zum Erzeugen der linearen Lenkantriebsbewegung.The steering actuator according to the invention serves to steer wheels of a vehicle. The vehicle is preferably a motor vehicle, in particular a passenger car. The steering actuator is preferably used to steer wheels on a rear axle of the vehicle. The steering actuator is thus preferably designed for rear-axle steering and therefore forms a component of the rear-axle steering. The steering actuator is used to pivot at least one steering lever of the vehicle. The steering actuator is preferably clamped between two steering levers, each of which is connected to a wheel on the rear axle, so that the two wheels on the rear axle are steered together with the steering actuator. A linear steering drive movement of the steering actuator is converted into a rotary steering movement for steering the wheels via the at least one steering lever. The steering actuator includes a linear adjustment for generating the linear steering drive movement.

Der Lenkaktuator umfasst zunächst einen rotativen Elektromotor mit einer darin angetriebenen Motorwelle. Durch den Elektromotor wird die mechanische Arbeit zum Lenken der Räder geleistet.The steering actuator initially includes a rotary electric motor with a motor shaft driven therein. The electric motor does the mechanical work to steer the wheels.

Der Lenkaktuator umfasst weiterhin einen Drehwinkelsensor zur Bestimmung eines Drehwinkels der Motorwelle zumindest innerhalb einer Umdrehung der Motorwelle. Hierdurch kann die rotative Lage der Motorwelle jederzeit gemessen werden. Der Drehwinkelsensor erlaubt die Bestimmung eines absoluten Drehwinkels der Motorwelle innerhalb einer Umdrehung der Motorwelle. Somit misst der Drehwinkelsensor zumindest denjenigen Anteil des Drehwinkels der Motorwelle, welcher über ein ganzzahliges Vielfaches von 360° hinausgeht und höchstens 360° groß ist. Bei dem Drehwinkelsensor handelt es sich bevorzugt um einen Rotorpositionssensor, welcher originär im Elektromotor vorhanden ist und zum Betrieb des Elektromotors ohnehin notwendig ist. Der Rotorpositionssensor, welcher auch als Winkellagegeber oder als Drehgeber bezeichnet wird, ist insbesondere dann vorhanden, wenn der Elektromotor als ein Schrittmotor oder als ein geschalteter Reluktanzmotor ausgebildet ist. Insoweit erfolgt eine doppelte Nutzung dieses Rotorpositionssensors, nämlich zum Betrieb des Elektromotors und zum mittelbaren Bestimmen der Lenkposition.The steering actuator also includes a rotation angle sensor for determining a rotation angle of the motor shaft at least within one revolution of the motor shaft. This allows the rotary position of the motor shaft to be measured at any time. The angle of rotation sensor allows the determination of an absolute angle of rotation of the motor shaft within one revolution of the motor shaft. The angle of rotation sensor thus measures at least that portion of the angle of rotation of the motor shaft which is an integer multiple of 360° and is at most 360°. The angle of rotation sensor is preferably a rotor position sensor, which is originally present in the electric motor and is necessary in any case for the operation of the electric motor. The rotor position sensor, which is also referred to as an angular position encoder or as a rotary encoder, is present in particular when the electric motor is designed as a stepping motor or as a switched reluctance motor. In this respect, this rotor position sensor is used twice, namely for operating the electric motor and for indirectly determining the steering position.

Der Lenkaktuator umfasst weiterhin ein an die Motorwelle gekoppeltes Getriebe. Das Getriebe weist ein Übersetzungsverhältnis auf, welches größer als Eins ist. Das Übersetzungsverhältnis ist der Quotient aus der Drehzahl eines Antriebes des Getriebes und der Drehzahl eines Abtriebes des Getriebes. Da dieser Quotient hier größer als Eins ist, ist das Getriebe zur Untersetzung von Umdrehungen der Motorwelle ausgebildet, sodass es eine Drehzahl des Elektromotors verringert und ein Drehmoment des Elektromotors erhöht. Bei dem Getriebe handelt es sich entsprechend um ein Untersetzungsgetriebe. Der Elektromotor bildet einen Antrieb des Getriebes.The steering actuator also includes a gearbox coupled to the motor shaft. The transmission has a gear ratio greater than one. The transmission ratio is the quotient of the speed of a drive of the transmission and the speed of an output of the transmission. Since this quotient is greater than one here, the gearing is designed to reduce revolutions of the motor shaft, so that it reduces the speed of the electric motor and increases the torque of the electric motor. The gear is accordingly a reduction gear. The electric motor forms a drive of the transmission.

Der Lenkaktuator umfasst zudem eine durch das Getriebe antreibbare Spindelmutter. Die Spindelmutter bildet somit einen Abtrieb des Getriebes. Die Spindelmutter ist bevorzugt als eine Hohlwelle ausgebildet.The steering actuator also includes a spindle nut that can be driven by the gearbox. The spindle nut thus forms an output of the transmission. The spindle nut is preferably designed as a hollow shaft.

Der Lenkaktuator umfasst zudem einen Multiturnsensor zur Bestimmung eines sich über mehrere Umdrehungen erstreckenden Drehwinkels der Spindelmutter. Der Multiturnsensor ist zur absoluten Messung des Drehwinkels der Spindelmutter nicht lediglich zwischen 0° und 360° sondern des sich über mehrere Umdrehungen erstreckenden Drehwinkels der Spindelmutter ausgebildet. Der Multiturnsensor muss zumindest auf Vielfache von 360° genau messen können, d. h. dass er muss die Anzahl der Umdrehungen genau bestimmen können, sodass er insoweit zumindest einen Umdrehungsmesser darstellt. Der Multiturnsensor weist aber bevorzugt eine Genauigkeit bei der Bestimmung des Drehwinkels von ±10° oder besser auf. Der Multiturnsensor beruht bevorzugt auf einem magnetoresistiven Messprinzip. The steering actuator also includes a multiturn sensor for determining an angle of rotation of the spindle nut extending over several revolutions. The multiturn sensor is designed for the absolute measurement of the angle of rotation of the spindle nut not only between 0° and 360° but of the angle of rotation of the spindle nut extending over several revolutions. The multiturn sensor must be able to measure at least multiples of 360°, i. H. that he must be able to determine the number of revolutions precisely, so that in this respect he at least represents a revolution meter. However, the multiturn sensor preferably has an accuracy of ±10° or better when determining the angle of rotation. The multiturn sensor is preferably based on a magnetoresistive measuring principle.

Weiterhin umfasst der Lenkaktuator eine in der Spindelmutter laufende Spindel. Die Spindel und die Spindelmutter bilden einen Gewindetrieb bzw. Spindeltrieb. Der Elektromotor, das Getriebe, die Spindel und die Spindelmutter bilden die Linearverstellung, welche auf den mindestens einen Lenkhebel wirkt. Die Motorwelle und die Spindel sind bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Eine mittlere Achse der Spindel bildet eine Drehachse der Spindelmutter. Entsprechend sind die Drehachse der Spindelmutter und die Motorwelle bzw. eine Drehachse der Motorwelle bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Die Spindel sitzt in der bevorzugt als Hohlwelle ausgebildeten Spindelmutter.Furthermore, the steering actuator includes a spindle running in the spindle nut. The spindle and the spindle nut form a screw drive or spindle drive. The electric motor, the gear, the spindle and the spindle nut form the linear adjustment, which acts on the at least one steering lever. The motor shaft and the spindle are preferably aligned parallel to one another. A central axis of the spindle forms an axis of rotation of the spindle nut. Correspondingly, the axis of rotation of the spindle nut and the motor shaft or an axis of rotation of the motor shaft are preferably arranged parallel to one another. The spindle sits in the spindle nut, which is preferably designed as a hollow shaft.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Lenkaktuators besteht darin, dass durch die Kombination des den Drehwinkel der Motorwelle messenden Drehwinkelsensors und des mehrere Umdrehungen der Spindelmutter messenden Multiturnsensors eine eindeutige und genaue Bestimmung des Drehwinkels der Spindelmutter und somit eine genaue Bestimmung eines linearen Verschiebeweges der Spindel möglich sind. Da das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis größer als Eins aufweist, ist die Genauigkeit der Messung des Drehwinkelsensors bezogen auf den Drehwinkel der Spindelmutter grundsätzlich erhöht und höher als die Genauigkeit, mit welcher der Drehwinkel der Spindelmutter mit dem Multiturnsensor messbar ist.A particular advantage of the steering actuator according to the invention is that the combination of the angle of rotation sensor measuring the angle of rotation of the motor shaft and the multiturn sensor measuring several revolutions of the spindle nut allows a clear and precise determination of the angle of rotation of the spindle nut and thus an exact determination of a linear displacement path of the spindle. Since the gearbox has a transmission ratio greater than one, the accuracy of the measurement of the angle of rotation sensor in relation to the angle of rotation of the spindle nut is generally higher and higher than the accuracy with which the angle of rotation of the spindle nut can be measured with the multiturn sensor.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Drehwinkelsensor zur Bestimmung eines Drehwinkels der Motorwelle von höchstens 360° ausgebildet, sodass der Drehwinkelsensor als Singleturnsensor ausgeführt ist. Somit kann der absolute Drehwinkel innerhalb einer der Umdrehungen der Motorwelle bestimmt werden. Bei einer weiteren Umdrehung der Motorwelle beginnt die Messung mit dem Drehwinkelsensor wieder bei 0°. Somit bestimmt der Drehwinkelsensor den um ein ganzzahliges Vielfaches von 360° reduzierten Drehwinkel der Motorwelle im Bereich zwischen 0° und 360°. Da der Drehwinkelsensor als ein einfacher Singleturnsensor ausgeführt werden kann, kann er ohne hohen Aufwand besonders genau ausgeführt werden, sodass zusätzlich zu der durch das Getriebe mit dem Übersetzungsverhältnis größer als Eins bewirkten Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung des Drehwinkels der Spindelmutter eine weitere Erhöhung dieser Genauigkeit erzielt werden kann.In preferred embodiments, the angle of rotation sensor is designed to determine an angle of rotation of the motor shaft of at most 360°, so that the angle of rotation sensor is designed as a single-turn sensor. Thus, the absolute angle of rotation can be determined within one of the revolutions of the motor shaft. With a further rotation of the motor shaft, the measurement starts with the rotation angle sensor again at 0°. The angle of rotation sensor thus determines the angle of rotation of the motor shaft reduced by an integer multiple of 360° in the range between 0° and 360°. Since the angle of rotation sensor can be designed as a simple single-turn sensor, it can be made particularly accurate without great effort, so that in addition to the increase in the accuracy of determining the angle of rotation of the spindle nut caused by the gear with the transmission ratio greater than one, this accuracy is further increased can be.

Der Drehwinkelsensor beruht bevorzugt auf einem Hall-Messprinzip, auf einem induktiven Messprinzip oder auf einem magnetoresistiven Messprinzip. Diese Messprinzipien erlauben eine genaue Messung von Drehwinkeln zwischen 0° und 360°.The angle of rotation sensor is preferably based on a Hall measuring principle, on an inductive measuring principle or on a magnetoresistive measuring principle. These measuring principles allow precise measurement of angles of rotation between 0° and 360°.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist mit dem Drehwinkelsensor eine Drehwinkeldifferenz der Motorwelle minimal messbar, welche über das Getriebe und über die Spindelmutter zu einer Linearverschiebung der Spindel führt, welche höchstens 1 mm und weiter bevorzugt höchstens 0,5 mm groß ist. Somit erlaubt der Drehwinkelsensor eine Genauigkeit bei der mittelbaren Bestimmung der Linearverschiebung der Spindel von 0,5 mm oder besser. Die Genauigkeit der Bestimmung der Linearverschiebung der Spindel stellt die Genauigkeit der Bestimmung eines Lenkung beschreibenden Maßes dar.In preferred embodiments, the rotary angle sensor can be used to measure a minimum rotary angle difference of the motor shaft, which leads to a linear displacement of the spindle via the gear and via the spindle nut, which is at most 1 mm and more preferably at most 0.5 mm. The angle of rotation sensor thus allows an accuracy of 0.5 mm or better for the indirect determination of the linear displacement of the spindle. The accuracy of determining the linear displacement of the spindle represents the accuracy of determining a measure describing the steering.

Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt das Übersetzungsverhältnis des Getriebes mindestens 2 zu 1, sodass die Untersetzung des Getriebes mindestens 2 beträgt. Folglich bedarf es für eine Umdrehung der Spindelmutter mindestens zwei Umdrehungen der Motorwelle. Bei weiter bevorzugten Ausführungsformen beträgt das Übersetzungsverhältnis des Getriebes mindestens 5 zu 1, sodass die Untersetzung des Getriebes mindestens 5 beträgt.In preferred embodiments, the gear ratio of the gearbox is at least 2 to 1, so the reduction ratio of the gearbox is at least 2. Consequently, one rotation of the spindle nut requires at least two rotations of the motor shaft. In more preferred embodiments, the gear ratio of the gearbox is at least 5 to 1, so that the reduction ratio of the gearbox is at least 5.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Getriebe durch ein Riemengetriebe gebildet. Eine antreibende Riemenscheibe ist auf der Motorwelle ausgebildet. Eine abtreibende Riemenscheibe ist auf der Spindelmutter ausgebildet. Die abtreibende Riemenscheibe ist bevorzugt unmittelbar auf der als Hohlwelle ausgebildeten Spindelmutter ausgeformt. Das Getriebe kann aber auch durch eine andere Getriebeart, wie beispielsweise ein Zahnradgetriebe gebildet sein.In preferred embodiments, the transmission is formed by a belt transmission. A driving pulley is formed on the motor shaft. A driven pulley is formed on the spindle nut. The driving belt pulley is preferably formed directly on the spindle nut, which is designed as a hollow shaft. However, the transmission can also be formed by another type of transmission, such as a toothed wheel transmission.

Der Multiturnsensor ist bevorzugt zur Bestimmung eines sich über mindestens 16 Umdrehungen erstreckenden Drehwinkels der Spindelmutter ausgebildet. Somit erlaubt der Multiturnsensor die Bestimmung des Drehwinkels der Spindelmutter von 0° bis mindestens 16 . 360°. Der Multiturnsensor ist weiter bevorzugt zur Bestimmung eines sich über mindestens 30 Umdrehungen erstreckenden Drehwinkels der Spindelmutter ausgebildet.The multiturn sensor is preferably designed to determine an angle of rotation of the spindle nut extending over at least 16 revolutions. The multiturn sensor thus allows the angle of rotation of the spindle nut to be determined from 0° to at least 16°. 360°. The multiturn sensor is further preferably designed to determine a rotation angle of the spindle nut extending over at least 30 revolutions.

Der Multiturnsensor beruht bevorzugt nicht auf einem Nonius-Prinzip oder auf einem Zählverfahren. Stattdessen beruht der Multiturnsensor bevorzugt auf einem magnetoresistiven Messprinzip. Das Messprinzip nutzt bevorzugt den GMR-Effekt (giant magnetoresistance Effekt) oder den AMR-Effekt (anisotrope magnetoresistive Effekt) oder einen anderen magnetoresistiven Effekt, sodass allgemein ein XMR-Effekt genutzt wird.The multiturn sensor is preferably not based on a vernier principle or on a counting method. Instead, the multiturn sensor is preferably based on a magnetoresistive measuring principle. The measuring principle preferably uses the GMR effect (giant magnetoresistance effect) or the AMR effect (anisotropic magnetoresistive effect) or another magnetoresistive effect, so that an XMR effect is generally used.

Der auf dem GMR-Effekt beruhende Multiturnsensor umfasst bevorzugt ein Magnetelement und einen spiralförmig entlang der oder um die Drehachse der Spindelmutter angeordneten elektrischen Leiter mit abwechselnd magnetisch und nicht magnetisch im Nanobereich ausgebildeten Abschnitten. Weiterhin umfasst der Multiturnsensor bevorzugt einen mit dem spiralförmigen Leiter verbundenen Domänenwandgenerator, auf welchen das Magnetelement einwirkt. Bei einer Drehung des Magnetelementes gegenüber dem Domänenwandgenerator werden durch den spiralförmigen Leiter bezogen auf eine Umdrehung des Magnetelementes zwei unterscheidbare Halbbrückensignale erzeugt. Das Magnetelement ist bevorzugt an der Spindelmutter befestigt und rotiert mit der Spindelmutter. Der Leiter mit dem Domänenwandgenerator ruht gegenüber der rotierenden Spindelmutter. Zur Erfassung des Drehwinkels bzw. der Umdrehungszahl wird der Widerstand des Leiters über den Drehwinkel erfasst und anhand der Halbbrückensignale jeweils eine Umdrehung ermittelt.The multiturn sensor based on the GMR effect preferably comprises a magnetic element and an electrical conductor arranged spirally along or around the axis of rotation of the spindle nut, with sections that are alternately magnetic and non-magnetic in the nano range. Furthermore, the multiturn sensor preferably includes a domain wall generator connected to the spiral conductor, on which the magnetic element acts. When the magnetic element rotates in relation to the domain wall generator, two distinguishable half-bridge signals are generated by the spiral conductor in relation to one revolution of the magnetic element. The magnetic element is preferably attached to the spindle nut and rotates with the spindle nut. The conductor with the domain wall generator rests opposite the rotating spindle nut. To record the angle of rotation or the number of revolutions, the resistance of the conductor is recorded via the angle of rotation and one revolution is determined on the basis of the half-bridge signals.

Bevorzugte Ausführungsformen des Lenkaktuators umfassen weiterhin einen Linearwegsensor zur Bestimmung der linearen Verschiebung der Spindel. Da die Kombination aus dem Drehwinkelsensor und dem Multiturnsensor bereits zur genauen und eindeutigen mittelbaren Bestimmung der linearen Verschiebung der Spindel hinreichend sind, kann der Linearwegsensor zur redundanten Bestimmung dieser Verschiebung genutzt werden und beispielsweise bei einem Ausfall des Drehwinkelsensors oder des Multiturnsensors verwendet werden. Auch kann der Linearwegsensor zur Validierung der mit dem Drehwinkelsensor und dem Multiturnsensor ermittelten Werte der Verschiebung der Spindel genutzt werden.Preferred embodiments of the steering actuator also include a linear displacement sensor for determining the linear displacement of the spindle. Since the combination of the angle of rotation sensor and the multiturn sensor is already sufficient for the precise and unambiguous indirect determination of the linear displacement of the spindle, the linear displacement sensor can be used for the redundant determination of this displacement and can be used, for example, in the event of a failure of the angle of rotation sensor or the multiturn sensor. The linear displacement sensor can also be used to validate the spindle displacement values determined with the rotary angle sensor and the multiturn sensor.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb des erfindungsgemäßen Lenkaktuators, sodass es während des Betriebes des Fahrzeuges ausgeführt wird, um das Fahrzeug zu lenken. Gemäß diesem Verfahren wird ein Drehwinkel der Spindelmutter mit dem Multiturnsensor gemessen, wodurch ein Spindelmutterdrehwinkelmesswert erhalten wird. Der Spindelmutterdrehwinkelmesswert ist nicht auf eine Umdrehung der Spindelmutter beschränkt. Wie oben bereits ausgeführt wurde, muss der Spindelmutterdrehwinkelmesswert zumindest auf ein Vielfaches von 360° genau sein, sodass die Anzahl der Umdrehungen der Spindelmutter genau gemessen wird. Bevorzugt weist der Spindelmutterdrehwinkelmesswert aber eine Genauigkeit von ±10° oder besser auf. Weiterhin wird ein Drehwinkel der Motorwelle innerhalb einer Umdrehung der Motorwelle gemessen, wodurch ein Motorwellendrehwinkelmesswert erhalten wird. Da der Motorwellendrehwinkelmesswert innerhalb einer Umdrehung der Motorwelle gemessen wird, beträgt er zwischen 0° und 360°. Der Motorwellendrehwinkelmesswert wird verwendet, um den Spindelmutterdrehwinkelmesswert zu präzisieren, wodurch ein Spindelmutterdrehwinkelergebniswert erhalten wird. Hierzu ist das Übersetzungsverhältnis des Getriebes zu berücksichtigen. Da das Übersetzungsverhältnis größer als Eins ist, weist der Spindelmutterdrehwinkelergebniswert eine Genauigkeit auf, welche grundsätzlich besser als die Genauigkeit des Motorwellendrehwinkelmesswertes ist und welche viel besser als die Genauigkeit des Spindelmutterdrehwinkelmesswertes ist. Bevorzugt wird ausgehend vom Spindelmutterdrehwinkelergebniswert die lineare Verschiebung der Spindel bestimmt, wofür eine Steigung der Spindelmutter bzw. eine Steigung der Spindel zu berücksichtigen ist. Der ermittelte Wert für die lineare Verschiebung der Spindel repräsentiert die Auslenkung der Räder des Fahrzuges und wird bevorzugt für eine Regelung der Lenkung genutzt. Der Motorwellendrehwinkelmesswert kann auch derart zur Präzisierung des Spindelmutterdrehwinkelmesswertes genutzt werden, dass zunächst anhand des Spindelmutterdrehwinkelmesswertes ein Intervall für die lineare Verschiebung der Spindel bestimmt wird und anhand des Motorwellendrehwinkelmesswertes unmittelbar der genaue Wert der linearen Verschiebung der Spindel in dem zuvor bestimmten Intervall ermittelt wird.The method according to the invention serves to operate the steering actuator according to the invention, so that it is carried out during operation of the vehicle in order to steer the vehicle. According to this method, a rotation angle of the spindle nut is measured with the multiturn sensor, resulting in a spindle nut rotation angle measured value is obtained. The spindle nut rotation angle measurement is not limited to one rotation of the spindle nut. As already explained above, the spindle nut rotation angle measurement value must be accurate to at least a multiple of 360° so that the number of rotations of the spindle nut is measured accurately. However, the measured value for the spindle nut angle of rotation preferably has an accuracy of ±10° or better. Furthermore, a rotation angle of the motor shaft is measured within one revolution of the motor shaft, whereby a motor shaft rotation angle measured value is obtained. Since the motor shaft rotation angle measured value is measured within one revolution of the motor shaft, it is between 0° and 360°. The motor shaft rotation angle measurement is used to refine the spindle nut rotation angle measurement, thereby yielding a spindle nut rotation angle result value. The transmission ratio of the gearbox must be taken into account for this. Since the gear ratio is greater than one, the spindle nut rotation angle result value has an accuracy which is generally better than the accuracy of the motor shaft rotation angle measurement value and which is much better than the accuracy of the spindle nut rotation angle measurement value. The linear displacement of the spindle is preferably determined on the basis of the spindle nut angle of rotation result value, for which purpose a pitch of the spindle nut or a pitch of the spindle must be taken into account. The value determined for the linear displacement of the spindle represents the deflection of the wheels of the vehicle and is preferably used for controlling the steering. The measured value of the motor shaft rotation angle can also be used to specify the measured value of the spindle nut rotation angle in such a way that first an interval for the linear displacement of the spindle is determined on the basis of the measured value of the spindle nut rotation angle and the exact value of the linear displacement of the spindle in the previously determined interval is determined directly on the basis of the measured value of the motor shaft rotation angle.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient bevorzugt zum Betrieb einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lenkaktuators. Im Übrigen umfasst das Verfahren bevorzugt auch Merkmale, welche im Zusammenhang mit dem Lenkaktuator beschrieben sind.The method according to the invention preferably serves to operate one of the preferred embodiments of the steering actuator according to the invention described above. Otherwise, the method preferably also includes features that are described in connection with the steering actuator.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkaktuators;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhanges zwischen Umdrehungen einer Spindelmutter und einer Verschiebung einer Spindel des in 1 gezeigten Lenkaktuators; und
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhanges zwischen einem Drehwinkel einer Spindelmutter und einer Verschiebung einer Spindel des in 1 gezeigten Lenkaktuators.

Further details, advantages and developments of the invention result from the following description of a preferred embodiment of the invention, with reference to the drawing. Show it:

1 a schematic view of a preferred embodiment of a steering actuator according to the invention;
2 a diagram to illustrate a relationship between revolutions of a spindle nut and a displacement of a spindle of the in 1 shown steering actuator; and
3 a diagram to illustrate a relationship between a rotation angle of a spindle nut and a displacement of a spindle in 1 shown steering actuator.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lenkaktuators, bei welchem es sich insbesondere um eine Komponente einer Hinterachslenkung eines Kraftfahrzeuges handelt. Der Lenkaktuator umfasst einen Elektromotor 01 mit einer Motorwelle (nicht dargestellt) sowie mit einem Drehwinkelsensor 02 zur Bestimmung eines Drehwinkels der Motorwelle (nicht dargestellt) innerhalb einer Umdrehung der Motorwelle (nicht dargestellt). An die Motorwelle (nicht dargestellt) ist ein Getriebe 03 gekoppelt, welches ein Übersetzungsverhältnis aufweist, welches größer als Eins ist und bevorzugt 5 zu 1 beträgt. Das Getriebe 03 ist bevorzugt als ein Riemengetriebe ausgebildet. In einem Spindelgehäuse 04 befindet sich eine Spindelmutter (nicht dargestellt), welche einen Abtrieb des Getriebes 03 bildet. Der Lenkaktuator umfasst zudem einen Multiturnsensor 06 zur Bestimmung eines sich über mehrere Umdrehungen erstreckenden Drehwinkels der Spindelmutter (nicht dargestellt). Die Spindelmutter (nicht dargestellt) sitzt auf einer Spindel 07. Durch ein Betreiben des Elektromotors 01 kann die Spindel 07 linear in beide Richtungen verschoben werden. Die lineare Verschiebung der Spindel 07 kann mittelbar mit dem Multiturnsensor 06 und dem Drehwinkelsensor 02 genau und eindeutig bestimmt werden. Die lineare Verschiebung der Spindel 07 ist zusätzlich mit einem optionalen Linearwegsensor 08 messbar. An der Spindel 07 sind Stangen 09 befestigt, welche an Lenkhebel (nicht gezeigt) des Fahrzeuges gekoppelt sind. 1 shows a schematic view of a preferred embodiment of a steering actuator according to the invention, which is in particular a component of a rear-axle steering system of a motor vehicle. The steering actuator includes an electric motor 01 with a motor shaft (not shown) and with a rotation angle sensor 02 for determining a rotation angle of the motor shaft (not shown) within one revolution of the motor shaft (not shown). A gear 03 is coupled to the motor shaft (not shown), which has a gear ratio which is greater than one and is preferably 5:1. Transmission 03 is preferably designed as a belt transmission. A spindle nut (not shown) is located in a spindle housing 04 and forms an output of the transmission 03 . The steering actuator also includes a multiturn sensor 06 for determining an angle of rotation of the spindle nut (not shown) extending over several revolutions. The spindle nut (not shown) sits on a spindle 07. By operating the electric motor 01, the spindle 07 can be linearly displaced in both directions. The linear displacement of the spindle 07 can be determined directly and precisely using the multiturn sensor 06 and the angle of rotation sensor 02. The linear displacement of the spindle 07 can also be measured with an optional linear displacement sensor 08. Rods 09 are fastened to the spindle 07 and are coupled to steering levers (not shown) of the vehicle.

2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhanges zwischen Umdrehungen n der Spindelmutter (nicht dargestellt) und einer Verschiebung s der Spindel 07 des in 1 gezeigten Lenkaktuators. Jeder ganzzahligen Umdrehung n der Spindelmutter (nicht dargestellt) ist ein Abschnitt der Verschiebung s der Spindel 07 (gezeigt in 1) zugeordnet. Somit kann bei einer Auswertung eines Ausgangssignals des Multiturnsensors 06 (gezeigt in 1) davon ausgegangen werden, dass die Verschiebung s in dem jeweiligen der dargestellten Abschnitte liegt, wenn der mit dem Multiturnsensor 06 (gezeigt in 1) gemessene Drehwinkel innerhalb der entsprechenden Umdrehung n liegt. Die dargestellten Abschnitte bzw. Intervalle stellen Verfahrbereiche der Spindel 07 (gezeigt in 1) dar. 2 shows a diagram to illustrate a relationship between revolutions n of the spindle nut (not shown) and a displacement s of the spindle 07 of the in 1 shown steering actuator. Each integer revolution n of the spindle nut (not shown) is a portion of the displacement s of the spindle 07 (shown in 1 ) assigned. Thus, when evaluating an output signal of the multiturn sensor 06 (shown in 1 ) it can be assumed that the displacement s is in the respective sections shown if the multiturn sensor 06 (shown in 1 ) measured angle of rotation is within the corresponding revolution n. The sections shown or Inter valle represent traversing ranges of the spindle 07 (shown in 1 )

3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhanges zwischen einem auf jeweils eine Umdrehung bezogenen Drehwinkel φ der Spindelmutter (nicht dargestellt) und der Verschiebung s der Spindel 07 des in 1 gezeigten Lenkaktuators. Der auf jeweils eine Umdrehung bezogene Drehwinkel φ der Spindelmutter (nicht dargestellt) steht mit dem vom Drehwinkelsensor 02 (gezeigt in 1) ermittelten Wert des Drehwinkels der Motorwelle (nicht dargestellt) in einem Verhältnis, welches durch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 03 (gezeigt in 1) bestimmt wird. Hierdurch kann der auf jeweils eine Umdrehung bezogene Drehwinkel φ der Spindelmutter (nicht dargestellt) ausgehend von dem vom Drehwinkelsensor 02 (gezeigt in 1) ermittelten Wert des Drehwinkels der Motorwelle (nicht dargestellt) ermittelt werden, um die Verschiebung s der Spindel 07 (gezeigt in 1) innerhalb der in 2 dargestellten Verfahrbereiche exakt bestimmen zu können. Der zugrunde liegende mathematische Zusammenhang wird mit der folgenden Formel beschrieben, in welcher s_{verfahrbereich} für die Länge der einzelnen Verfahrbereiche steht: $s = s_{v e r f a h r b e r e i c h} \cdot n + φ \cdot s_{v e r f a h r b e r e i c h} / 360 °$

3 shows a diagram to illustrate a relationship between a rotation angle φ of the spindle nut (not shown) related to one revolution and the displacement s of the spindle 07 of the in 1 shown steering actuator. The angle of rotation φ of the spindle nut (not shown) related to one revolution is related to the angle of rotation sensor 02 (shown in 1 ) determined value of the angle of rotation of the motor shaft (not shown) in a ratio which is determined by the transmission ratio of the gearbox 03 (shown in 1 ) is determined. As a result, the angle of rotation φ of the spindle nut (not shown) related to one revolution can be calculated based on the angle of rotation sensor 02 (shown in 1 ) determined value of the angle of rotation of the motor shaft (not shown) to calculate the displacement s of the spindle 07 (shown in 1 ) within the in 2 to be able to precisely determine the travel ranges shown. The underlying mathematical relationship is described with the following formula, in which s _traversing range stands for the length of the individual traversing ranges:

s = s_{v e right f a H right b e right e i c H} \cdot n + φ \cdot s_{v e right f a H right b e right e i c H} / 360 °

BezugszeichenlisteReference List

0101: Elektromotorelectric motor
0202: Drehwinkelsensorangle of rotation sensor
0303: Getriebetransmission
0404: Spindelgehäusespindle housing
0505: --
0606: Multiturnsensormultiturn sensor
0707: Spindelspindle
0808: Linearwegsensorlinear displacement sensor
0909: Stangepole

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102019125309 A1 [0002]
DE 102019118397 A1 [0003]
DE 19506938 A1 [0004]
DE 102019127297 A1 [0005]
DE 102016212173 A1 [0006]

Claims

Steering actuator for pivoting at least one steering lever of a vehicle, comprising: - An electric motor (01) with a motor shaft; - A rotation angle sensor (02) for determining a rotation angle of the motor shaft within one revolution of the motor shaft; - A gear (03) coupled to the motor shaft and having a transmission ratio which is greater than one; - A through the gear (03) drivable spindle nut; - a multi-turn sensor (06) for determining an angle of rotation of the spindle nut extending over several revolutions; and - a spindle (07) running in the spindle nut.

steering actuator claim 1 , characterized in that the rotation angle sensor (02) is designed to determine a rotation angle of at most 360 °.

steering actuator claim 1 or 2 , characterized in that the angle of rotation sensor (02) is based on a Hall measuring principle, on an inductive measuring principle or on a magnetoresistive measuring principle.

Steering actuator according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the angle of rotation sensor (02) can be used to measure a difference in the angle of rotation of the motor shaft, which leads to a maximum linear displacement of the spindle (07) of 0.5 mm via the gear (03) and via the spindle nut.

Steering actuator according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the transmission ratio of the transmission (03) is at least 2 to 1.

Steering actuator according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the gear (03) is formed by a belt drive.

Steering actuator according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the multiturn sensor (06) is designed to determine an angle of rotation of the spindle nut extending over at least 16 revolutions.

Steering actuator according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the multiturn sensor (06) is based on a magnetoresistive measuring principle.

Steering actuator according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that it further comprises a linear displacement sensor (08) for determining a linear displacement of the spindle (07).

Method for operating a steering actuator according to one of Claims 1 until 9 , comprising the following steps: - measuring a rotation angle of the spindle nut with the multiturn sensor (06), whereby a spindle nut rotation angle measured value is obtained; - measuring a rotation angle of the motor shaft within one revolution of the motor shaft, whereby a motor shaft rotation angle measured value is obtained; and - using the motor shaft rotation angle measurement to refine the spindle nut rotation angle measurement.