Heutige Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, sind in der Regel mit hydraulischen Servolenkungen ausgestattet, bei denen ein Lenkhandrad mechanisch mit den lenkbaren Fahrzeugrädern zwangsgekoppelt ist. Die Lenkstange ist hier meist als eine Zahnstange ausgebildet (Zahnstangen-Servolenkung).

Ferner sind Fahrzeuglenkungen bekannt, bei denen die Lenkbetätigungseinrichtung und die gelenkten Fahrzeugräder nur über eine Regelstrecke gekoppelt sind und wobei eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkhandrad und den Fahrzeugrädern nicht mehr vorliegt. Die lenkbaren Fahrzeugräder werden dann durch ein elektromechanisches Stellaggregat verstellt, welches die Lenkstange linear bewegt und über weitere Elemente, wie Spurstange und Spurstangenhebel, die Räder in die gewünschte Stellung verschwenkt (elektromechanische Lenkung).

Zur Messung der Stellung der Fahrzeugräder kann die Lage der Lenkstange bzw. der Lenkstangenteile-bei einer geteilten Lenkstange-im Stellaggregat oder Achslenkmodul ermittelt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer Kraftfahrzeuglenkung bereitzustellen, der sicher und zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Begriff"Lenkstange"ist erfindungsgemäß sehr weit aufzufassen und umfasst z. B. einteilige Lenkstangen sowie die Teile von mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen, Lenkstangen.

Nach der Erfindung ist es demnach wesentlich, dass im Bereich der Lenkstange ein oder mehrere Felderzeugungsmittel vorgesehen sind, die ein kunststoffgebundenes permanentmagnetisches Material als Werkstoff und einen Magnetfeldlinienverlauf und/oder Magnetfeldstärkeverlauf nach dem Nonius-Prinzip aufweisen.

Benachbart zu der Lenkstange ist mindestens ein Sensormodul ortsfest angeordnet, das mindestens einen Magnetfeldsensor und mindestens einen Sensorschaltkreis aufweist und das den Magnetfeldlinienverlauf bzw. Magnetfeldstärkeverlauf in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformt, die eine lineare Wegänderung bzw. die Stellung der Lenkstange in Richtung ihrer Längsachse anzeigen.

In Nachbarschaft zu der Lenkstange bedeutet hier direkt neben oder um die Lenkstange herum mit einem bestimmten Abstand. Vorzugsweise ist das Sensormodul in einem Abstand von 0 bis ca. 2 mm ortsfest angeordnet. Damit ist eine sichere, aber berührungslose Sensierung gewährleistet. Der Begriff"ortsfest"bedeutet hier, dass das Sensormodul- auch bei einer Lenkbewegung-immer am selben Ort bleibt, während die Lenkstange eine Linearbewegung bei einer Lenkungsbetätigung durchführt.

Der Nonius wird zur Absolutmessung des Wegs auf dem kunststoffgebundenen permanentmagnetischen Material aufgebracht, d. h. aufmagnetisiert. Hiermit ist gemeint, dass das Felderzeugungsmittel mit zwei oder mehr Spuren magnetisiert wird, die aus magnetischen Polen in einem festen Abstand zueinander bestehen. Durch die Wahl unterschiedlicher Polabstände der mehreren Spuren, kann das Produkt der Polabstände als messbare Länge ermittelt werden.

Die Auswertung dieser Spuren erfolgt vorteilhaft durch mindestens einen Sensor pro Spur. Durch geeignete Polabstände und Spurenanzahl wird der gesamte Spurstangenweg analog erfasst.

Erfindungsgemäß erstrecken sich das oder die Felderzeugungsmittel entlang der Längsachse der Lenkstange und sind formschlüssig mit der Lenkstange verbunden.

Es ist vorgesehen, dass die formschlüssige Verbindung hergestellt ist durch Anpassen eines länglichen Felderzeugungsmittels an einem zumindest annähernd kreisförmigen Querschnitt der Lenkstange. Dazu wird das Felderzeugungsmittel mit vorzugsweise einem zumindest annähernd hohlzylinderförmigen Querschnitt in eine axiale Ausnehmung der Lenkstange eingepasst. Mit anderen Worten ist die Lenkstange eine im wesentlichen zylinderförmige Stange und das Felderzeugungsmittel ein im wesentlichen hohlzylinderförmiges Rohr, das außerhalb der Lenkstange angeordnet ist und die sich vorzugsweise mindestens über die Länge erstreckt, die die Lenkstange bei Vollausschlag in beide Richtungen bewegt wird.

Nach der Erfindung wird die formschlüssige Verbindung mit dem Felderzeugungsmittel dann vorzugsweise hergestellt durch Umgeben, insbesondere Umspritzen bzw. Aufspritzen einer Schicht oder Umwickeln, der Lenkstange mit dem Felderzeugungsmittel in Form eines pulverförmigen, kunststoffgebundenen permanentmagnetischen Werkstoffs. Das "Umspritzen"oder"Aufspritzen"bedeutet hier einen Vorgang, bei dem der pulverförmige, kunststoffgebundene permanentmagnetische Werkstoff auf die Oberfläche der Lenkstange aufgebracht wird mittels eines anisotropen Spritzprozesses und einer entweder gleichzeitigen oder anschließenden Magnetisierung. Durch diese Maßnahme kann der permanentmagnetische Werkstoff technisch relativ einfach auf die Lenkstange aufgebracht und aufmagnetisiert werden, wobei eine sichere Verbindung zwischen Werkstoff und Lenkstange möglich ist.

Erfindungsgemäß wird mindestens ein magnetoresistiver Magnetfeldsensor eingesetzt. Es werden demnach Sensoren verwendet, die nach dem AMR-Prinzip arbeiten und den anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzen.

Nach der Erfindung ist das Sensormodul ortsfest an einem Achslenkmodul oder einem an ein Achslenkmodul angeordneten Träger angeordnet, wobei das Sensormodul vorzugsweise mechanisch lösbar mit dem Achslenkmodul bzw. dem Träger verbunden ist.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass mindestens zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen sind, wodurch eine redundante Funktion gewährleistet wird und wobei die mindestens zwei Magnetfeldsensoren entweder das Magnetfeld eines gemeinsamen Felderzeugungsmittel abgreifen oder einige bzw. alle Sensoren das Magnetfeld eines jeweils. einem Magnetfeldsensor eigens zugeordneten Felderzeugungsmittel abgreifen. Die redundante Funktion kann entweder vollredundant, teilredundant oder auch zwei-bzw. mehrfach redundant sein, so dass bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion eines Sensors oder eines Sensorschaltkreises ein doppelt vorhandenes Element die Funktion des ausgefallenen oder fehlerhaften Elementes übernimmt oder dessen Fehlfunktion erkennt und ggf. an eine Überwachungseinrichtung weitermeldet.

ES ist nach der Erfindung vorgesehen, dass das Sensormodul ringförmig um die Lenkstange angeordnet ist.

Nach der Erfindung ist die Lenkstange-bzw. das Antriebsmodul der Lenkstange zum Verschwenken der Räder- mit dem Lenkhandrad nicht hydraulisch und/oder mechanisch verbunden, sondern nur durch eine elektrische Verbindungsleitung (Steer-by-wire-Lenkung). Vorzugsweise ist insbesondere im Fall einer Steer-by-wire-Lenkung für jedes lenkbare Rad jeweils eine unabhängige erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist, die vorzugsweise selbst redundant ausgeführt ist.

Die Erfindung wird vorzugsweise für eine elektromechanische Lenkung verwendet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges ist anhand von Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 4 beispielhaft näher dargestellt.

Es zeigen : Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges einer elektromechanischen Fahrzeuglenkung in einer schematischen Darstellung, Fig. 2 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Längsschnitts durch die Lenkstange im Bereich des Sensormoduls, Fig. 3 das in Fig. 2 gezeigte Sensormodul in einer vergrößerten Darstellung, und Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch die Lenkstange im Bereich des Sensormoduls in einer vergrößerten Darstellung.

Fig. 1 zeigt eine elektromechanische Fahrzeuglenkung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges in schematischer Darstellung. Der Fahrer betätigt das Lenkhandrad 23 oder ein ähnliches Bedienelement, z. B. einen Sidestick, mit dem er seinen Fahrtrichtungswunsch vorgeben kann. Der Fahrtrichtungswunsch wird durch Sensoren redundant erfasst und einer Zentralsteuereinheit 14 mitgeteilt. Über einen Betätigungskraftsimulator 18 erhält der Fahrer eine haptische Rückwirkung bei der Lenkbetätigung. Dieser vorzugsweise elektromechanische Betätigungskraftsimulator 18 wird von der Zentralsteuereinheit 14 gesteuert. Der Fahrerwunsch wird in der Zentralsteuereinheit 14 ausgewertet, in einen Lenkwinkel (Sollwert) für ein Stellaggregat 13 umgerechnet und dem Stellaggregat über Datenübertragungsleitungen 16,17 zugeführt. Das Stellaggregat 13 verschwenkt dann durch eine Bewegung der Lenkstange 15 die Räder 19a, 19b nach Maßgabe des Fahrerwunsches.

Der aktuelle Istwert der Radstellung der lenkbaren Räder wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges mit einem Sensormodul 22 ermittelt, das magnetisch wirksame Bereiche in einem der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeordneten, auf oder in der Lenkstange 15 angeordneten, kunststoffgebundenen Magnetpulver abtastet und in weiterverarbeitbare Ausgangssignale umformt. Die Ausgangssignale, die eine lineare Wegänderung dx 20 bzw. die Stellung der Lenkstange 15 innerhalb des elektromechanischen Achslenkmoduls 13 in Richtung ihrer Längsachse anzeigen, werden über die Datenübertragungsleitung 21 der Zentralsteuereinheit 4 zugeführt. Vorzugsweise wird bei dieser Art der Messung ein redundantes Systemkonzept realisiert. Daher weist auch das Achslenkmodul 13 zwei unabhängige Motormodule zur Längsverstellung der Lenkstange 15 auf. Auch die Elektronikeinheiten der Motormodule sind redundant ausgeführt. Fällt ein Stellaggregat und/oder Elektronikeinheit aus, so übernimmt das noch intakte Motormodul/Elektronikeinheit die Lenkfunktion. Der Lenkstangenweg wird dabei redundant durch das Sensormodul 22 erfasst.

In den Fig. 2 bis Fig. 4 ist die Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges dargestellt. Fig. 2 zeigt die Lenkstange im Bereich des Sensormoduls in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 3 das Sensormodul und Fig. 4 die Lenkstange im Bereich des Sensormoduls in einem Längsschnitt.

Hier wie in den folgenden Abbildungen sind dieselben Bauteile auch mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Vorrichtung zum Messen des Lenkstangenweges nach der Erfindung weist ein Sensormodul 2, eine Elektronikeinheit 6, und ein die Lenkstange 3 umgebendes kunststoffgebundenes Magnetpulver 4 auf, das innerhalb eines Schutzrohres 5 angeordnet ist. Dabei ist die Elektronikeinheit 6 in das Sensormodul 2 direkt integriert. Das kunststoffgebundene Magnetpulver 4 ist vorteilhaft in die Lenkstange 3 eingearbeitet.

Die Wegmessung erfolgt über eine Relativbewegung zwischen Sensoren, vorzugsweise MR-Sensoren 7, und Magnetstreifen 8, die auf dem kunststoffgebundenen Magnetpulver 4 aufgebracht sind.

Die Lenkstange 3 ist so ausgeführt, dass das kunststoffgebundene Magnetpulver 4 in ihr integriert werden kann. Vorzugsweise wird das kunststoffgebundene Magnetpulver 4 in Form einer Matte um die Lenkstange 3 gelegt und mit ihr verklebt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Lenkstange von einem Käfig umgeben ist, der mit dem kunststoffgebundenen Magnetpulver 4 ausgespritzt wird.

Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Magneten, insbesondere MTS-Magneten, wird der Querschnitt der Lenkstange 3 nur geringfügig verändert. Dadurch kann die Lenkstange 3 in kleineren Dimensionen ausgeführt werden bzw. sie bietet mehr Sicherheit.

Das Sensormodul 2 besteht aus einer ringförmigen Platine 9, die radial zur Lenkstange 3 positioniert wird. Vorzugsweise werden die MR-Sensoren 7 direkt (senkrecht) auf die Platine 9 aufgebracht. Um einen auftretenden Fehler eindeutig zu erkennen und dabei das Messsystem funktionsfähig zu erhalten, werden pro aufgebrachten Magnetstreifen-Nonius 10 zwei MR-Sensoren benötigt. Vorzugsweise sind die beiden Sensoren zu einem zusammengefasst. Dadurch ergeben sich Bauraumvorteile.

Die für die MR-Sensoren 7 benötigte Elektronik 6 ist vorzugsweise auf derselben Platine 9 aufgebracht. Dies kann zwischen den Sensoren 7 und/oder auf der Rückseite der Platine 9 geschehen.

Vorzugsweise wird die Platine 9 mit den darauf aufgebrachten MR-Sensoren 7 und der Elektronik 6 von einem Kunststoffgehäuse 11 umgeben. In dem Kunststoffgehäuse 11 sind zwei Schnittstellen vorzusehen, um eine redundante Kontaktierung der MR-Sensoren 7 bzw. deren Elektronik 6 zu ermöglichen. Dies geschieht vorzugsweise über zwei Steckerleisten 12, die radial um 180° versetzt angeordnet sind. Das Sensormodul wird vorzugsweise mit einem Klemmmechanismus zu versehen. Dadurch wird eine axiale Arretierung des Sensormoduls 2 in der EML ermöglicht.

Auf das Kunststoffgebundene Magnetpulver 4 werden Magnetstreifen 8 in Form von Nonien mit unterschiedlichem Magnetpolarisierungsabstand aufgebracht. Vorzugsweise wird dies mit einem Aufmagnetisierungskopf erreicht, der einmal über die komplette Lenkstange 3 hinwegfährt.

Für ein absolutes Wegmesssystem und einen Hub von 160 mm werden vorteilhaft 3 Nonien aufgebracht. Dadurch kann an jeder Stelle die Position eindeutig festgestellt werden.

Durch Aufbringung von insgesamt vorzugsweise 6 Nonien wird das Messsystem redundant ausgeführt. Das bedeutet, das bei einer eventuell auftretenden Störung das Wegmesssystem funktionsbereit bleibt.

Vorzugsweise ist nach der Aufmagnetisierung die Lenkstange 3 und das kunststoffgebundene Magnetpulver 4 mit einem Schutz zu versehen. Dies kann in Form eines Schutzrohres 5 geschehen, das über die Lenkstange 3 geschoben und mir ihr verklebt wird.

Durch die Verwendung von kunststoffgebundenem Magnetpulver 4 gegenüber bisher verwendeten vier MTS-Magneten, wird der Querschnitt der Lenkstange 3 nur geringfügig verändert.

Durch die Erfindung kann vorteilhaft eine höhere Sicherheit erlangt werden bei gleichzeitig einem vergleichsweise geringem Gewicht der Vorrichtung.

Durch die Kalibrierung der Nulllage des Wegmesssystems über eine Software kann das System ferner mit relativ großen Fertigungstoleranzen und ohne Einstellmöglichkeiten gefertigt werden. Zudem kann die elektromechanische Lenkung zuerst gefügt und verbaut werden. Denn eine Kalibrierung der Nulllage ist zu jeder Zeit ohne großen Aufwand möglich.

Durch Integration der Elektronik 6 in das Sensormodul 2 entfallen externe Elektronikeinheiten. Hierdurch ergeben sich Bauraumvorteile.

Durch die kompakte Bauform des Sensormoduls mit radial zur Lenkstange angeordneten Sensoren sind keine Überstände am Sensorgehäuse nötig, die z. B. durch eine Verwendung von axial eingebauten MTS-Sensoren entstehen. Hierdurch ergeben sich weitere Bauraumvorteile.

Bei einer radialen Anordnung der MR-Sensoren 7 sind deren Sensorköpfe vorzugsweiseauf die Rotationsachse der Lenkstange ausgerichtet. Dadurch ist das Wegmesssystem gegen äußere Störeinflüsse unempfindlich.

Durch doppelt redundant ausgeführte MR-Sensoren 7 ist eine Fehlererkennung möglich. Zudem bleibt das System bei einem auftretenden Fehler funktionsbereit.

Es ist ebenso denkbar, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Bewegung der Lenkstange zu messen und dieses Signal als ein die Stellung der Lenkbetätigungseinrichtung, insbesondere des Lenkrades, repräsentierendes Eingangssignal für eine Fahrzeugregelungsanlage, insbesondere eine Fahrdynamikregelung ESP, zu verwenden.