Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung sowie Verfahren zur Herstellung eines Speichenrades für ein Torsionsmodul
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Torsionsmodul für eine Drehmoment- erfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungs- systems, umfassend ein Speichenrad mit einem an der Lenkspindel befestigbaren inneren Kranz und einem über Biegespeichen mit dem inneren Kranz verbundenen und konzentrisch zu diesem angeordneten äußeren Kranz, welche Biegespeichen bei einem Drehwinkelversatz zwischen dem inneren und dem äußeren Kranz zumindest bereichsweise einer Biegung unterworfen sind, und wobei zusätzlich zumindest ein biegesteifes, in eine zugeordnete Anschlaganordnung eingreifendes Anschlagelement vorhanden ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Speichenrades für ein solches Torsionsmodul.
Drehmomenterfassungseinrichtungen der betreffenden Art werden in
Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment zu erfassen, welches als Eingangsgröße für elektrische Lenkkraftunterstützungssysteme benötigt wird. Zur Drehmomenterfassung wird dabei ein Torsionsmodul benötigt, das einen Drehwinkelversatz zwischen zwei miteinander kooperierenden Bauteilen - Lenkspindel und Lenkrad - bei Anlegen eines Drehmoments gestattet. Als Torsionsmodul für eine Lenkdrehmomenterfassungseinrichtung wird bei der DE 27 34 182 ein Körper eingesetzt, der aus zwei in axialer Richtung voneinander beabstandeten Ringen gebildet ist, die mit mehreren im gleichen Winkelabstand zueinander angeordneten Metallstreifen verbunden sind. Während der obere Ring
drehfest mit dem Lenkrad verbunden ist, ist der untere Ring drehfest mit der Lenkspindel verbunden. Bei Anlegen eines Drehmoments am Lenkrad und somit am dem oberen Ring unterliegen die Metallstreifen einer Torsion und sind daher einer Biegung unterworfen. Das Maß der Biegung der Metallstreifen gibt Aufschluß über das anliegende Drehmoment. Zur Erfassung dieser Größe sind an einigen Metallstreifen Dehnungsmeßstreifen angebracht, die an eine Auswerteeinheit angeschlossen sind. Ein Torsionsmodul dieser Art bietet jedoch zum einen keinen Schutz gegen Fehlmessungen durch Belastungen, die in axialer Richtung auftreten, da auch solche zu einer Biegung der Metallstreifen führen können, zum anderen weist es eine relativ große Bauhöhe in axialer Richtung auf.
Ein dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1 entsprechendes Torsionsmodul, bei dem zwei Elemente konzentrisch zueinander angeordnet sind, ist durch die DE 37 37 696 A1 bekannt geworden. Beim Gegenstand dieses Torsionsmoduls ist ein innenliegender Kranz über als Biegestäbe ausgebildetete Speichen mit einem außenliegenden Kranz verbunden. Wechselweise zu den Biegespeichen sind biegesteife Speichen angeordnet, welche den inneren und den äußeren Kranz jeweils mitteis eines in eine Anschlaganordnung eingreifenden Anschlagelements in Eingriff bringen.
Die Herstellung eines solchen Torsionsmodul erfolgt in der Regel als Schmiedeteil, das wegen der erforderlichen Präzision seiner Abmessungen eine aufwendige mechanische Nachbearbeitung erfordert. Dies ist sowohl bei einstückig mit dem inneren und äußeren Kranz ausgeführten Speichen der Fall als auch bei eine Ausführung mit separaten Speichen, wobei im letzteren Falle zusätzlich die Problematik einer geeigneten Befestigung der Speichen an den Kränzen auftritt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Torsionsmodul der genannten Art bereitzustellen, bei dem eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit bei gleichzeitiger Gewährleistung der erforderlichen Präzision möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Speichenrad als Metall-Druckgußteil ausgeführt ist, wobei die Biegespeichen als separate Einlegeteile durch den Druckgußprozeß mit dem inneren und dem äußeren Kranz jeweils formschlüssig verbunden sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Anschlagelement oder die zum Eingriff des Anschlagelements diesem zugeordnete Anschlaganordnung durch einen Kunststoffrahmen gebildet, der das Ende eines biegesteifen Speichenabschnitts umfaßt bzw. in einer übermaßigen Öffnung des äußeren Kranzes gehalten ist.
Weitere besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstands sowie des zu seiner Herstellung geeigneten Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben und werden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 : ein Torsionsmodul gemäß der o.a. bevorzugten Weiterbildung in einer perspektivischen Explosions-Ansicht
Fig. 2: das Torsionsmodul der Fig. 1 im Querschnitt
Fig. 3: einen tangentialen Schnitt durch eine Anschlaganordnung des Torsionsmoduls der Fig. 1 als Detail
Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, umfaßt ein erfindungsgemäßes Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems ein Speichenrad 1 mit vier Biegespeichen 3.1 - 3.4, die einen an der Lenkspindel befestigbaren inneren Kranz 2 mit einem konzentrisch zu diesem angeordneten, zur Befestigung an einem Lenkrad vorgesehenenen äußeren Kranz 4 verbinden, und welche bei einem Drehwinkelversatz zwischen dem inneren 2 und dem äußeren Kranz 4 zumindest bereichsweise einer Biegung unterworfen sind. Der innere Kranz 2 ist zur Befestigung an der Lenkspindel mit einem Vielzahn profil 2' versehen, der äußere Kranz 4 weist zur Befestigung an dem Lenkrad in axialer Richtung sich erstreckende Bohrungen 4' auf.
In drei der vier Zwischenräume zwischen den Biegespeichen 3.1 - 3.4 des Speichenrades 1 sind jeweils biegesteife Speichenabschnitte 5.1 - 5.3 angeordnet, welche einstückig mit dem inneren Kranz 2 ausgeführt sind. Sie erstrecken sich von diesem bis nahe an den äußeren Rand des äußeren Kranzes 4, wobei sie zugeordnete radiale Öffnungen 4.1 - 4.3 des äußeren Kranzes 4 durchgreifen. Sie bilden im Bereich ihres Durchgriffs durch den äußeren Kranz 4 Anschlagelemente 6.1 - 6.3 aus, die in Kooperation mit in den radialen Öffnungen 4.1 - 4.3 des äußeren Kranzes 4 gebildeten Anschlageinrichtungen 7.1 - 7.3 das Maß des Drehwinkelversatzes zwischen dem inneren 2 und dem äußeren Kranz 4 auf einen Maximalbetrag begrenzen. Dabei können sowohl - wie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel - die Anschlageinrichtungen 7.1 -7.3 als auch alternativ hierzu die
Anschlagelemente 6.1 - 6.3 durch separate Teile gebildet sein. Es ist aber auch möglich, völlig ohne weitere separate Teile auszukommen, wobei dann die Anschlagelemente 6.1 - 6.3 und die Anschlageinrichtungen 7.1 -7.3 direkt durch die Metallteile des inneren 2 bzw. die Öffnungen 4.1 - 4.3 des äußeren Kranzes 4 selbst gebildet sind.
Das Speichenrad 1 mit seinem äußeren Kranz 4, seinem inneren Kranz 2 sowie den mit diesem einstückig ausgeführten biegesteifen Speichenabschnitten 5.1 - 5.3 wird in einem Metall-Druckgußprozeß hergestellt. Die Biegespeichen 3.1 - 3.4 werden dabei als sogenannte
Einlegeteile in dem Formwerkzeug für das Speichenrad 1 gehalten und durch ihre dazu ausgelegte Geometrie an ihren jeweiligen Enden formschlüssig mit dem inneren 2 und äußeren Kranz 4 des Speichenrades 1 verbunden. Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, diesen Metall- Druckgußprozeß in zwei Schritte zu zerlegen, wobei in einem ersten Schritt der äußere Kranz 4 hergestellt und seinerseits mit den im Werkzeug eingelegten Biegespeichen 3.1 - 3.4 verbunden wird. In einer zweiten Form wird dann der bereits mit den Biegespeichen 3.1 - 3.4 verbundene äußere Kranz 4 eingelegt und der innere Kranz 2 gegossen und dabei ebenfalls mit den Biegespeichen 3.1 - 3.4 verbunden. Bei der mit der nachfolgenden Abkühlung des inneren Kranzes 2 verbundenen Schrumpfung desselben werden die Biegespeichen 3.1 - 3.4 unter eine leichte Zugspannung gesetzt, was für die Stabilität und die Funktion des Torsionsmoduls vorteilhaft ist.
Die Biegespeichen 3.1 - 3.4 bestehen aus Federstahl-Elementen, und sind in ihrer Geometrie so gestaltet, daß zum einen eine einwandfreie, insbesondere formschlüssige Verbindung mit den beiden Kränzen 2, 4 möglich ist, zum anderen eine definierte Verformung der Speichen 3.1 - 3.4 bei einer Biegebeanspruchung gegeben ist.
Die radialen Öffnungen 4.1 - 4.3 im äußeren Kranz 4 sowie die Außenkontur der Enden der Speichenabschnitte 5.1 - 5.3 werden durch in radialer Richtung zum Speichenrad bewegliche Kerne im Formwerkzeug für dasselbe geformt.
Die Öffnungen 4.1 - 4.3 im äußeren Kranz 4 können dann direkt als Anschlaganordnungen 7.1 - 7.3 für die die Anschlagelemente 6.1 - 6.3 bildenden Enden der Speichenabschnitte 5.1 - 5.3 fungieren.
Zur Erreichung einer besonders hohen Präzision bezüglich des Spaltmaßes zwischen den Anschlagelementen 6.1 - 6.3 und den diesen zugeordneten Anschlaganordnungen 7.1 - 7.3 werden die Anschlaganordnungen 7.1 - 7.3 in einem an die Fertigung des Metall-Gußkörpers anschließenden Kunststoff- Spritzgußvorgang als separate Kunststoff-Rahmen 8.1 - 8.3 in die Öffnungen 4.1 - 4.3 eingespritzt. Dabei werden sie in ihrer äußeren, d.h. den Öffnungen 4.1 - 4.3 zugewandten Kontur formschlüssig mit der Kontur der Öffnungen 4.1 - 4.3 verbunden, während ihre innere, den Anschlagelementen 6.1 - 6.3 zugewandte Kontur durch während des Kunststoff-Spritzgußvorgangs die Anschlagelemente 6.1 -6.3 paßgenau umfassende, durch ihre Wandstärken die gewünschten Spaltmaße vorgebende Werkzeug-Kappen geformt wird. Der im Metall-Gußkörpers möglicherweise nicht ganz zentrische Sitz eines der Anschlagelementen 6.1 - 6.3 bezüglich der diesem zugeordneten Öffnung 4.1 - 4.3 kann dabei durch eine unterschiedliche Wandstärke des jeweiligen Kunststoff-Rahmens 8.1 -8.3 ausgeglichen werden, so daß danach alle Anschlagelemente 6.1 - 6.3 genau zentrisch und mit dem richtigen Spaltmaß bezüglich der jetzt durch die Innenwände der Kunststoff-Rahmen 8.1 - 8.3 gebildeten Anschlaganordnungen 7.1 - 7.3 positioniert sind.
In analoger Weise kann das genaue Spaltmaß auch durch Kunststoff rahmen erzielt werden, die die Enden der Speichenabschnitte 5.1 - 5.3 umfassen und so die Anschlagelemente 6.1 - 6.3 bilden, die wiederum in die nun direkt durch die Öffnungen 4.1 - 4.3 gebildeten Anschlaganordnungen 7.1 - 7.3 eingreifen. Die Außenkontur dieser Rahmen wird analog zur zuvor beschriebenen Vorgehensweise durch Werkzeugeinsätze bestimmt, die in diesem Falle in die Öffnungen 4.1 - 4.3 im äußeren Kranz 4 eingesetzt sind.
Als Sensorelemente zur Erfassung des Drehwinkelversatzes zwischen dem inneren und dem äußeren Kranz sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel optoelektronische bzw. magnetoresistive Sensorelemente
9, 9' vorgesehen, die wie hier gezeigt drehfest z.B. mit dem inneren Kranz 2 verbunden sind und mit jeweils einer mit dem äußeren Kranz 4 verbundenen zur Kooperation mit dem jeweiligen Sensor 9, 9' geeigneten Maßverkörperung
10, 10' zur Generierung eines den Drehwinkelversatz zwischen den beiden Kränzen 2, 4 repräsentierenden Sensorausgangssignals zusammenwirken.
Sebstverständlich ist auch bei diesem Torsionsmodul der Einsatz etwa von Dehnungsmeßstreifen oder ähnlichen Sensoren, die wie bei bereits bekannten Torsionsmodulen z.B. auf den Biegespeichen angeordnet werden können, möglich.