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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus der
DE 10 2007 022 282 A1 ist eine Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem bekannt, die als Geberelement einen ringförmigen Magneten und ein Sensorelement zum induktiven Erfassen des sich ändernden Magnetfeldes aufweist. Der ringförmige Magnet sitzt auf einem Eingangswellenabschnitt der Lenkwelle, das Sensorelement auf einem weiteren Wellenabschnitt der Lenkwelle mit axialem Abstand zum Magneten. Bei einer Lenkbewegung führen der Magnet und das Sensorelement eine Relativdrehbewegung zueinander aus, die hiermit einhergehende Magnetfeldänderung wird von dem Sensorelement registriert.
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Für eine hinreichend präzise Messung muss das Sensorelement in der Lage sein, die Änderung des Magnetfelds zu registrieren, welches von dem Magneten erzeugt wird. Hierbei kann es zweckmäßig sein, Statorbleche am Magneten sowie Sammlerbleche am Sensorelement vorzusehen, welche aus weichmagnetischem Material bestehen und magnetische Feldlinien zu leiten in der Lage sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem anzugeben, das sich bei einem einfachen Aufbau durch eine hohe Präzision auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die Drehmomentsensoreinrichtung kann in Lenksystemen eingesetzt werden, um das bei einer Lenkbewegung vom Fahrer erzeugte Lenkmoment zu ermitteln. Die Drehmomentsensoreinrichtung weist als Gebersystem einen Magneten auf, der mit einem ersten Wellenabschnitt der Lenkwelle verbunden ist, sowie als Empfängersystem ein Sensorelement, das mit einem zweiten Wellenabschnitt der Lenkwelle verbunden ist. Bei einer Lenkbewegung führen die Wellenabschnitte eine Relativdrehbewegung zueinander aus, welche sensiert wird und aus der auf das wirksame Drehmoment in der Lenkwelle geschlossen werden kann. Auch der Lenkwinkel selbst kann über die Drehmomentsensoreinrichtung ermittelt werden. Bei der Drehbewegung der Welle führt die Relativdrehbewegung zwischen den beiden Wellenabschnitten zu einer Magnetfeldänderung im Bereich des Sensorelementes, was dort registriert werden kann.
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Dem Magneten ist ein Statorring aus einem weichmagnetischen Material zugeordnet, der ebenso wie der Magnet mit einem Wellenabschnitt der Lenkwelle bzw. einem mit dem Wellenabschnitt verbundenen Bauteil verbunden ist. Des Weiteren ist dem Sensorelement ein Sammlerblech zugeordnet, welches ebenfalls aus einem weichmagnetischen Material besteht und somit wie der Statorring in der Lage ist, Magnetfelder zu leiten. Das Sammlerblech ist gemeinsam mit dem Sensorelement am zweiten Wellenabschnitt der Lenkwelle bzw. einem damit verbundenen Bauteil verbunden. Sowohl der Statorring als auch das Sammlerblech haben die Funktion, das vom Magneten ausgehende Magnetfeld in Richtung des Sensorelementes zu leiten bzw. dort zu konzentrieren, um am Sensorelement eine höhere Magnetfelddichte zu erhalten und die Präzision bei der Drehmomentmessung zu verbessern.
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Für eine vereinfachte konstruktive Ausführung ist vorgesehen, dass das Sammlerblech, das mit dem Sensorelement verbunden ist, kreisbogenförmig ausgebildet und benachbart zum Außenumfang des Statorrings angeordnet ist. Zwischen dem Außenumfang des Statorrings und dem Sammlerblech besteht ein schmaler Luftspalt, so dass eine relative Drehbewegung zwischen dem Statorring und dem Sammlerblech möglich ist. Aufgrund der Anordnung des kreisbogenförmigen Sammlerblechs am Außenumfang des Statorrings genügen geringere Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit der Drehmomentsensoreinrichtung bei der Montage und insbesondere im Hinblick auf die relative Anordnung zwischen dem Statorring und dem Sammlerblech. Die axiale Relativposition zwischen dem Statorring und dem Sammlerblech kann ohne signifikante Einschränkung der Messgenauigkeit mit einer höheren Toleranz behaftet sein.
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Der Statorring kann im radial außenliegenden Abschnitt axial abgekröpft sein, insbesondere gegenüber der Ebene des Statorrings in einem 90°-Winkel umgebogen sein, wodurch die radial außen liegende Mantelfläche streifenförmig ausgeführt ist, die mit dem Sammlerblech zusammenwirkt. Aufgrund der streifenförmigen Mantelfläche des Statorrings erhält man eine größere Fläche am Statorring zum Leiten des Magnetfelds.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung liegt das Sammlerblech ausschließlich am Außenumfang des Statorringes, ohne den Statorring axial an einer Seite zu übergreifen. Aufgrund der kreisbogenförmigen Ausführung des Sammlerblechs und der konzentrischen Anordnung des Sammlerblechs zum Außenumfang des Statorrings besteht über die Länge des Sammlerblechs – in Umfangsrichtung gesehen – ein konstanter radialer Abstand zum Außenumfang des Statorrings, was das Weiterleiten des Magnetfeldes vom Statorring zum Sammlerblech bis zum Sensorelement unterstützt und verbessert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind zwei parallele Statorringe vorgesehen, denen jeweils ein kreisbogenförmiges und konzentrisch zum Außenumfang des Statorrings angeordnetes Sammlerblech zugeordnet ist. Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, zwei Sensorelemente vorzusehen, welche insbesondere in Umfangsrichtung beabstandet zueinander, jedoch axial in gleicher Höhe angeordnet sind. Das Sammlerblech bzw. die Sammlerbleche sind vorzugsweise mit beiden Sensorelementen verbunden. Beide Statorringe können im radial außenliegenden Abschnitt axial abgekröpft sein, insbesondere in axial entgegengesetzte Richtungen.
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Am Sensorelement bzw. den Sensorelementen kann eine Platine mit elektronischen Bauteilen angeordnet sein, um die sensierten Daten auszuwerten und aus der Lenkwinkeländerung zwischen den beiden Wellenabschnitten das wirksame Drehmoment zu ermitteln. Sammlerblech, Sensorelement und Platine bilden eine zusammengehörende Einheit, die gegebenenfalls in einem Trägerelement aufgenommen sein kann, beispielsweise einem Kunststoff-Trägerelement, welches zum Beispiel im Spritzgießverfahren hergestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung erstreckt sich das Sammlerblech über ein Winkelsegment kleiner als 45°, insbesondere 30°.
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Die Drehmomentsensoreinrichtung kann mit einem Gehäusetopf versehen sein, der zur Aufnahme des Sensorelementes dient und insbesondere mit einem Lenkgehäuse verbunden, jedoch als separates Bauteil ausgeführt ist. Der Gehäusetopf ist von einem Deckel verschließbar. Gehäusetopf und Deckel weisen zweckmäßigerweise jeweils eine Ausnehmung für die Lenkwelle bzw. einen der Lenkwellenabschnitte auf. Auch der bzw. die Statorringe sind zweckmäßigerweise um einen Lenkwellenabschnitt gelegt. Das Sensorelement der Drehmomentsensoreinrichtung ist entweder im Gehäusetopf aufgenommen oder befindet sich an der Innenseite des Deckels, mit dem der Gehäusetopf verschließbar ist. Soweit das Sensorelement mit dem Sammlerblech und der Platine eine Einheit bildet, insbesondere in Verbindung mit dem Trägerelement, ist diese Einheit insgesamt in den Gehäusetopf eingesetzt bzw. an der Deckelinnenseite befestigt. Zur Montage kann die Einheit entweder radial über eine Öffnung in den Gehäusetopf eingeführt oder axial in den Gehäusetopf eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug,
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2 eine Baueinheit einer Drehmomentsensoreinrichtung für das Lenksystem zum Ermitteln des in der Lenkwelle wirkenden Drehmomentes, mit zwei Sensorelementen, zwei Sammlerblechen und einer Elektronikplatine,
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3 die Drehmomentsensoreinrichtung mit der Baueinheit, welche die Sensorelemente umfasst, sowie zwei Statorringen, welche Magnetfeldlinien eines Magneten zu den Sammlerblechen leiten,
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4 eine Schnittdarstellung der Drehmomentsensoreinrichtung,
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5 ein Kunststoff-Trägerelement zur Aufnahme der Baueinheit, bestehend aus Sensorelementen, Sammlerblechen und Elektronikplatine,
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6 in perspektivischer Darstellung die Lenkwelle des Lenksystems mit einem Gehäusetopf zur Aufnahme der Drehmomentsensoreinrichtung,
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7 der Gehäusetopf der Drehmomentsensoreinrichtung mit aufgesetztem Deckel,
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8 einen Schnitt längs durch die Drehmomentsensoreinrichtung im montierten Zustand,
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9 einen montierten Gehäusetopf der Drehmomentsensoreinrichtung in einer weiteren Ausführung, bei der das Sensorelement radial einsetzbar ist,
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10 einen Schnitt längs durch die Ausführung gemäß 9,
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11 in perspektivischer Ansicht eine Drehmomentsensoreinrichtung in einer weiteren Ausführung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Lenksystem 1 in einem Fahrzeug dargestellt, mit einem Lenkrad 2, einer Lenkwelle 3, einem Lenkgetriebe 4 und einem Lenkgestänge 5 zum Lenken der Vorderräder 6. Das Lenksystem 1 ist mit einer elektrischen Servoeinrichtung 7 (Electric Power Steering – EPS) ausgestattet, die einen elektrischen Servomotor umfasst. Die Servoeinrichtung 7 erzeugt ein die Lenkbewegung des Fahrers unterstützendes Drehmoment. Bei einer Lenkbewegung gibt der Fahrer über das Lenkrad 2 einen Lenkradwinkel δL vor, der über das Lenkgetriebe 4 und das Lenkgestänge 5 in einen Radlenkwinkel δV an den lenkbaren Vorderrädern 6 umgesetzt wird.
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In die Lenkwelle 3 ist eine Drehmomentsensoreinrichtung 7 integriert, die dazu dient, die Höhe des Lenkmomentes zu ermitteln, welches der Fahrer bei Betätigung des Lenkrades 2 vorgibt. Die Drehmomentsensoreinrichtung 7 weist zwischen zwei Wellenabschnitten der Lenkwelle, beispielsweise einem Drehstab sowie einem weiteren Abschnitt der Lenkwelle einen Signalgeber sowie einen Signalempfänger auf, so dass der Relativ-Verdrehwinkel zwischen den Wellenabschnitten gemessen und daraus das aktuelle Lenkmoment bestimmt werden kann. Der Signalgeber ist vorzugsweise als ein Magnet ausgebildet, der Signalempfänger ein das Magnetfeld registrierender Sensor, beispielsweise ein MR-Sensor oder ein Hall-Sensor.
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In 2 ist eine Empfängereinheit 8, in den 3 und 4 die Drehmomentsensoreinrichtung 7 einschließlich der Empfängereinheit 8 dargestellt. Die Empfängereinheit 8 umfasst zwei Sensorelemente 9, vorzugsweise Hall-Sensoren, zwei Sammlerbleche 10 aus weichmagnetischem Material und eine Elektronikplatine 11, an der die Sensorelemente 9 angeordnet sind. Über die Elektronikplatine werden die sensorisch ermittelten Daten ausgewertet. Die Sammlerbleche 10 aus weichmagnetischem Material leiten das Magnetfeld, welches von einem Magneten 12 der Drehmomentsensoreinrichtung 7 generiert wird, zu den Sensorelementen 9.
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Die Drehmomentsensoreinrichtung 7 umfasst neben der Empfängereinheit 8 auch die Gebereinheit mit dem Magneten 12 sowie zwei Statorringen 13, die ebenso wie die Sammlerbleche 10 aus weichmagnetischem Material bestehen und in der Lage sind, das vom Magneten 12 generierte Magnetfeld zu leiten. Die Statorringe 13 sind spiegelsymmetrisch sowie koaxial zueinander ausgerichtet und liegen parallel zueinander versetzt. Die Statorringe 13 einschließlich dem Magneten 12 sowie die Empfängereinheit 8 befinden sich auf unterschiedlichen Wellenabschnitten der Lenkwelle und führen im Falle einer Lenkbewegung eine Relativdrehbewegung zueinander aus, welche über die Empfängereinheit 8 sensiert wird und aus der das in der Lenkwelle wirksame Drehmoment ermittelt werden kann. Die Statorringe 13 sind koaxial zu der Lenkwelle angeordnet.
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Die beiden Sammlerbleche 10 der Empfängereinheit 8 sind jeweils kreisbogenförmig ausgebildet und konzentrisch zum Außenumfang der Statorringe 13 angeordnet. Die Statorringe 13 weisen einen nach außen umgebogenen Stirnabschnitt 14 auf, der von den kreisbogenförmigen Sammlerblechen 10 übergriffen wird, wobei zwischen dem Außenumfang der Stirnabschnitt 14 und der Innenseite der Sammlerbleche 10 ein schmaler Luftspalt bestehen kann. Möglich ist aber auch ein Kontakt zwischen den Stirnabschnitten 14 und den Sammlerblechen 10, solange eine Relativdrehbewegung zwischen diesen Bauteilen möglich ist. Die Sammlerbleche 10 liegen bündig über den Stirnabschnitten 14 und schließen axial nach außen jeweils mit den Stirnabschnitten 14 ab. In Umfangsrichtung erstrecken sich die Sammlerbleche 10 über ein Winkelsegment von beispielsweise 30°.
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Die Statorringe 13 sind im radial außenliegenden Abschnitt axial abgekröpft, insbesondere gegenüber der Ebene des Statorrings in einem 90°-Winkel umgebogen, wodurch die radial außen liegende Mantelfläche streifenförmig ausgeführt ist. Die Sammlerbleche weisen jeweils in Umfangsrichtung verlängerte Abschnitte auf, die zumindest annähernd die gleiche axiale Erstreckung wie die streifenförmigen Mantelflächen der Statorringe aufweisen und konzentrisch sowie mit geringem radialem Abstand zu diesen angeordnet sind. Beide Statorringe 13 sind im radial außenliegenden Abschnitt in Achsrichtung um 90° umgebogen, und zwar in entgegengesetzte Richtungen. Aufgrund der streifenförmigen Mantelfläche des Statorrings erhält man eine größere Fläche am Statorring zum Leiten des Magnetfelds.
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In 5 ist ein Trägerelement 15 aus Kunststoff dargestellt, das zur Aufnahme der Empfängereinheit 8 dient. Das Trägerelement 15 kann im Kunststoff-Spritzgießverfahren hergestellt werden, die Bauteile der Empfängereinheit 8, also die Sensorelemente 9, die Sammlerbleche 10 sowie die Elektronikplatine 11 werden von dem Kunststoffmaterial des Trägerelementes 15 umspritzt. Die Empfängereinheit 8 einschließlich Trägerelement 15 kann als vorgefertigte Einheit in die Drehmomentsensoreinrichtung 7 integriert werden.
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Die Empfängereinheit 8 einschließlich Trägerelement 15 wird in einen Gehäusetopf 16 der Drehmomentsensoreinrichtung 7 eingesetzt, wobei der Gehäusetopf 16 an einem Lenkgehäuse gehalten bzw. angeordnet ist und die Lenkwelle 3 umgreift. Der Gehäusetopf 16 ist mit einem radialen Steckerschacht 18 versehen, über den die Platine 11 der Empfängereinheit 8 kontaktiert werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß den 6 und 7 befindet sich die Empfängereinheit 8 im Gehäusetopf 16 und wird axial in den offenen Gehäusetopf 16 eingesetzt, der daraufhin von dem Deckel 17 verschlossen wird.
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Der Gehäusetopf 16 und der Deckel 17 können auch einteilig ausgebildet sein, wobei Gehäusetopf mitsamt Deckel auf eine Grundplatte der Drehmomentsensoreinrichtung 7 aufsetzbar sind, welche auch Träger der Empfängereinheit 8 ist.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 sind Gehäusetopf 16 und Deckel 17 ebenfalls einteilig ausgebildet. Die Empfängereinheit 8 ist an der Innenseite des Deckels 17 angeordnet. In das Kunststoff-Trägerelement 15, welches Träger der Bauteile der Empfängereinheit 8 ist, kann ein elektrisch leitendes Stanzgitter integriert sein, mit dem eine Flexfolie 19 verbunden ist, beispielsweise mittels Lötens, welche in den Steckerschacht 18 einragt. An die Flexfolie 19, die enthält elektrisch leitende Kabel enthält, kann ein Steckelement angeschlossen werden, das in den Steckerschacht einsteckbar ist.
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In den 9 und 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Gehäusetopf 16 mit einem radialen Stutzen 20 versehen ist, in dessen Öffnung radial die Empfängereinheit 8 einsteckbar ist. Das Trägerelement der Empfängereinheit 8 ist rund bzw. scheibenförmig ausgebildet und in den Stutzen 20 eingesetzt. Das Trägerelement der Empfängereinheit 8 ist mit einem Steckerstutzen 21 versehen, über den die Elektronikplatine elektrisch anschließbar ist.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 11 entspricht im Wesentlichen demjenigen nach 9, jedoch mit dem Unterschied, dass in das Trägerelement der Empfängereinheit 8, die radial in den Stutzen 20 im Gehäusetopf 16 einsetzbar ist, ein Kabelschwanz 22 eingebracht ist für die elektrische Kontaktierung der Platine.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Lenkgetriebe
- 5
- Lenkgestänge
- 6
- Vorderrad
- 7
- Drehmomentsensoreinrichtung
- 8
- Empfängereinheit
- 9
- Sensorelement
- 10
- Sammlerblech
- 11
- Elektronikplatine
- 12
- Magnet
- 13
- Statorring
- 14
- Stirnabschnitt
- 15
- Trägerelement
- 16
- Gehäusetopf
- 17
- Deckel
- 18
- Steckerschacht
- 19
- Flexfolie
- 20
- Stutzen
- 21
- Steckerstutzen
- 22
- Kabelschwanz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007022282 A1 [0002]
