DE102011056899B4

DE102011056899B4 - Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem

Info

Publication number: DE102011056899B4
Application number: DE102011056899.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Abele; Thomas Schliesch
Original assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH; Baermann Max GmbH; Max Baermann GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH; Max Baermann GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE102011056899A1

Abstract

Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem (1), mit einer auf einen Wellenabschnitt (16) der Lenkwelle (3) aufsetzbaren Trägerhülse (9), die einen Magneten (12) trägt, dem ein auf einem weiteren Wellenabschnitt (18) aufsitzendes Sensorelement (15) zugeordnet ist, wobei
der Magnet (12) segmentförmig ausgebildet ist und die Trägerhülse (9) mindestens ein überstehendes, einteilig mit der Trägerhülse (9) ausgebildetes Verbindungselement (11) aufweist, auf dem der segmentförmige Magnet (12) aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verbindungselement (11) hakenförmig ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 als auch auf ein Lenksystem, ausgestattet mit einer solchen Drehmomentsensoreinrichtung.
In der DE 10 2007 022 282 A1 wird eine Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem beschrieben, wobei die Drehmomentsensoreinrichtung ein Geberelement in Form eines ringförmigen Magneten und ein Sensorelement zum induktiven Erfassen des sich ändernden Magnetfeldes umfasst. Der ringförmige Magnet ist mit einem hülsenförmigen Kragen versehen, der auf einen Eingangswellenabschnitt der Lenkwelle des Lenksystems aufschiebbar ist. Das Empfängerelement sitzt auf einem weiteren Wellenabschnitt der Lenkwelle mit axialem Abstand zum ringförmigen Magneten. Bei einer Lenkbewegung führen der Magnet und das Empfängerelement eine Relativdrehbewegung zueinander aus, wobei die hiermit einhergehende Magnetfeldänderung von dem Empfängerelement registriert wird.
Der Kragen kann als eine separat ausgebildete Stahlhülse ausgeführt sein, welche auf der Lenkwelle befestigt wird. Der Magnetring ist auf der Stahlhülse befestigt, gegebenenfalls über einen zwischenliegenden Kunststoffring, welcher in der Lage ist, die unterschiedlichen Wärmedehnungen von Stahlhülse und Magnetring zu kompensieren. Dies stellt jedoch eine verhältnismäßig aufwändige Ausführung dar.
In der DE 10 2005 038 516 A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Umdrehungen einer Lenkwelle offenbart, bei der ein mit der Bewegung der Lenkwelle gekoppelter Dauermagnet durch ortsfeste Magnetfeldsensoren abgefühlt wird. Der Dauermagnet weist entgegengesetzte Pole auf. Benachbart zum Dauermagnet befindet sich ein ferromagnetisches Element, welches die Magnetfeldlinien räumlich begrenzt und damit besser detektierbar macht. In der Anordnung ist auch ein weiterer Magnetfeldsensor vorgesehen, der einem Drehmomentsensor zur Erfassung eines in der Lenkwelle herrschenden Drehmoments zugeordnet ist, wobei der Magnetfeldsensor durch das ferromagnetische Element von den Einflüssen des Dauermagneten abgeschirmt ist.
Die DE 198 36 451 A1 offenbart eine Struktur mit einem kunststoffgebunden Dauermagnet, der an einem Grundkörper ringförmig befestigt ist. Um ein Abreißen des Kunststoffteils vom Grundkörper zu verhindern, sind laschenförmige Teile des Grundkörpers derart angeordnet, dass sie die Schrumpfspannungen des Kunststoffes nach der Herstellung aufnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfach aufgebaute Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Drehmomentsensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Drehmomentsensoreinrichtung wird in Lenksystemen eingesetzt, um das bei einer Lenkbewegung vom Fahrer erzeugte Lenkmoment zu ermitteln. Die Drehmomentsensoreinrichtung weist als Gebersystem einen Magneten auf, der auf einer Trägerhülse sitzt, welche auf einen Wellenabschnitt des Lenksystems, insbesondere einen Wellenabschnitt der Lenkwelle aufgeschoben ist. Des Weiteren umfasst die Drehmomentsensoreinrichtung ein Empfängersystem, das ein Sensorelement umfasst, vorzugsweise zum Messen einer Induktivität, und auf einem weiteren Wellenabschnitt mit Abstand zur Trägerhülse mit dem Magneten aufsitzt. Bei einer Drehbewegung der Welle führen die beiden Wellenabschnitte und damit auch der Magnet gegenüber dem Sensorelement eine Relativdrehbewegung zueinander aus, was zu einer Magnetfeldänderung führt, welche im Sensorelement detektiert werden kann.
Bei der beanspruchten Drehmomentsensoreinrichtung ist der Magnet segmentförmig ausgebildet und erstreckt sich somit über einen definierten, begrenzten Winkelbereich; der segmentförmige Magnet ist im Unterschied zu Ausführungen aus dem Stand der Technik nicht ringförmig ausgebildet. Dies stellt eine signifikante Vereinfachung dar, es wird insbesondere im Vergleich zu einer ringförmigen Ausführung Magnetmaterial eingespart.
Des Weiteren ist der segmentförmige Magnet über ein Verbindungselement sicher mit der Trägerhülse verbunden. Das Verbindungselement ist einteilig mit der Trägerhülse ausgeführt.
Das Verbindungselement — bzw. die Verbindungselemente, sofern mehr als ein Verbindungselement vorgesehen ist, ist hakenförmig ausgebildet. Dadurch ist eine formschlüssige Verbindung zwischen dem segmentförmigen Magneten und der Trägerhülse möglich.
Der segmentförmige Magnet erstreckt sich beispielsweise über ein Winkelsegment, das maximal 90° beträgt, beispielsweise 75°. Es kann zweckmäßig sein, dass der Magnet in Umfangsrichtung mehr als zwei Pole aufweist, wobei der Messpol in der Mitte des Magneten zweckmäßigerweise zumindest eine Breite von 15° besitzt.
Vorteilhaft ist es auch, dass aufgrund der segmentförmigen Ausführung des Magneten sowie der Verbindung über das Verbindungselement zur Trägerhülse unterschiedlich hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten von Magnet und Trägerhülse keine negative Auswirkung haben. Aufgrund der segmentförmigen Ausführung kann die Wärme vom Magneten besser an die Umgebung abgegeben werden, so dass die Wärmeleitung zur Trägerhülse reduziert ist. Umgekehrt ist die Trägerhülse lediglich über das Verbindungselement mit dem Magneten verbunden, so dass auch von der Trägerhülse zum Magneten nur eine geringe Wärmeleitung stattfindet und stattdessen die Wärme von der Trägerhülse an die Umgebung abgegeben wird. Der verhältnismäßig geringe Wärmefluss zwischen dem segmentförmigen Magneten und der Trägerhülse ermöglicht es, den Magneten unmittelbar über das Verbindungselement mit der Trägerhülse ohne zwischenliegendes Kunststoffelement zu verbinden. Insgesamt wird dadurch die Konstruktion der Drehmomentsensoreinrichtung erheblich vereinfacht.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement am Außenumfang der Trägerhülse angeordnet ist und radial über den Außenumfang übersteht. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Stirnseiten der Trägerhülse nicht von dem segmentförmigen Magneten überdeckt werden, so dass über die Stirnseiten der Trägerhülse eine wirkungsvolle Wärmeabstrahlung an die Umgebung möglich ist. In gleicher Weise kann auch von dem segmentförmigen Magneten Wärme über die Stirnseiten an die Umgebung abgestrahlt werden.
Zweckmäßigerweise sind zumindest zwei Verbindungselemente einteilig mit der Trägerhülse ausgeführt, wobei der segmentförmige Magnet auf beiden Verbindungselementen aufsitzt.
Die Trägerhülse besteht beispielsweise aus einem Stahlblech wie zum Beispiel einem Edelstahlblech oder DC04.
Der segmentförmige Magnet ist gegebenenfalls auf das Verbindungselement bzw. die Verbindungselemente an der Trägerhülse aufgespritzt. Dies ermöglicht es, den Magneten im Spritzgießprozess herzustellen und unmittelbar mit der Trägerhülse zu verbinden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug,
2 in perspektivischer Darstellung das Gebersystem einer Drehmomentsensoreinrichtung, über die das Lenkmoment in der Lenkwelle des Lenksystems ermittelt wird, wobei das Gebersystem eine Trägerhülse sowie einen mit der Trägerhülse verbundenen, segmentförmigen Magneten aufweist,
3 die Trägerhülse in stirnseitiger Ansicht mit zwei hakenförmigen Verbindungselementen zur Halterung des segmentförmigen Magneten,
4 in stirnseitiger Ansicht die Drehmomentsensoreinrichtung,
5 die Lenkwelle mit Drehmomentsensoreinrichtung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Lenksystem 1 in einem Fahrzeug, wobei das Lenksystem 1 ein Lenkrad 2, eine Lenkwelle 3, ein Lenkgetriebe 4 und ein Lenkgestänge 5 zum Lenken der Vorderräder 6 aufweist. Des Weiteren ist das Lenksystem 1 mit einer Servoeinrichtung 7 ausgestattet, bei der es sich beispielsweise um einen elektrischen Servomotor handelt. Die Servoeinrichtung 7 erzeugt ein die Lenkbewegung des Fahrers unterstützendes Moment. Der Fahrer gibt bei der Lenkbewegung über das Lenkrad 2 einen Lenkradwinkel δ_L vor, der über das Lenkgetriebe 4 und das Lenkgestänge 5 in einen Radlenkwinkel δ_V an den lenkbaren Vorderrädern 6 umgesetzt wird.
2 zeigt ein Gebersystem 8 als Bestandteil einer Drehmomentsensoreinrichtung, welche im Bereich der Lenkwelle des Lenksystems verbaut ist, um das in der Lenkwelle wirkende Lenkmoment zu ermitteln. Das Gebersystem 8 weist eine Trägerhülse 9 auf, die auf einen Wellenabschnitt der Lenkwelle 3 aufgeschoben wird und mit einem radial überstehenden Kragen 10 versehen ist, an dem ein Verbindungselement 11 angeformt ist, das sich in Radialrichtung nach außen am Umfang des Kragens 10 erstreckt. Auf das Verbindungselement 11 ist ein segmentförmiger Magnet 12 als Signalgeber aufgesetzt. Wie 2 in Verbindung mit 3 zu entnehmen, sind an dem Kragen 10 zweckmäßigerweise zwei Verbindungselemente 11 angeformt, die jeweils hakenförmig ausgebildet sind, wobei die freien Stirnseiten der Haken einander zugewandt sind. Die beiden Verbindungselemente 11 weisen einen Winkelabstand zueinander auf, der zumindest annähernd dem Winkelsegment entspricht, über das sich der segmentförmige Magnet 12 erstreckt. Der Magnet 12 ist somit über beide Verbindungselemente 11 mit der Trägerhülse 9 verbunden. Der Magnet 12 kann formschlüssig mit den Verbindungselementen 11 verbunden sein.
Die Trägerhülse 9 einschließlich Kragen 10 und Verbindungselement 11 ist insbesondere aus Stahlblech gefertigt und besteht beispielsweise aus DC04. Der segmentförmige Magnet 12 kann im Spritzgießverfahren hergestellt und auf die beiden Verbindungselemente 11 aufgespritzt sein.
Der Magnet 12 erstreckt sich vorzugsweise über ein Winkelsegment, welches nicht mehr als 90° beträgt und beispielsweise bei 75° liegt. Der Messpol in der Mitte des Magneten 12 erstreckt sich in Umfangsrichtung beispielsweise über eine Breite von 15°.
In 4 ist die Drehmomentsensoreinrichtung 13 mit dem Gebersystem 8 sowie dem zugeordneten Empfängersystem 14 dargestellt. Das Empfängersystem 14 weist in einer Halterung ein Sensorelement 15 auf, welches in der Lage ist, Magnetfeldänderungen bei einer Relativbewegung zwischen Gebersystem 8 und Empfängersystem 14 zu detektieren.
Der segmentförmige Magnet 12 kann in Umfangsrichtung mehrere Pole aufweisen. Der Messpol in der Mitte des Magneten erstreckt sich jedoch nur über ein verhältnismäßig kleines Winkelsegment, das, wie oben dargestellt, beispielsweise 15° betragen kann.
In 5 ist die Drehmomentsensoreinrichtung 13 im montierten Zustand auf der Lenkwelle 3 dargestellt. Das Gebersystem 8 mit dem Magneten 12 auf der Trägerhülse 9 ist drehfest mit einem Eingangswellenabschnitt 16 der Lenkwelle 3 verbunden. Das Empfängersystem 14 mit dem Sensorelement 15 ist drehfest mit einem Ausgangswellenabschnitt 18 verbunden, welcher über einen Drehstab 17 mit dem Eingangswellenabschnitt 16 gekoppelt ist. Der Ausgangswellenabschnitt 18 weist ein Ritzel 19 auf, das Bestandteil des Lenkgetriebes ist, über das die Lenkbewegung auf das Lenkgestänge und die lenkbaren Räder des Fahrzeuges übertragen wird.
Bezugszeichenliste

1: Lenksystem
2: Lenkrad
3: Lenkwelle
4: Lenkgetriebe
5: Lenkgestänge
6: Vorderrad
7: Servoeinrichtung
8: Gebersystem
9: Trägerhülse
10: Kragen
11: Verbindungselement
12: Magnet
13: Drehmomentsensoreinrichtung
14: Empfängersystem
15: Sensorelement
16: Eingangswellenabschnitt
17: Drehstab
18: Ausgangswellenabschnitt
19: Ritzel

Claims

Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem (1), mit einer auf einen Wellenabschnitt (16) der Lenkwelle (3) aufsetzbaren Trägerhülse (9), die einen Magneten (12) trägt, dem ein auf einem weiteren Wellenabschnitt (18) aufsitzendes Sensorelement (15) zugeordnet ist, wobei der Magnet (12) segmentförmig ausgebildet ist und die Trägerhülse (9) mindestens ein überstehendes, einteilig mit der Trägerhülse (9) ausgebildetes Verbindungselement (11) aufweist, auf dem der segmentförmige Magnet (12) aufsitzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) hakenförmig ausgebildet ist.
Drehmomentsensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) am Außenumfang der Trägerhülse (12) angeordnet ist und radial über den Außenumfang übersteht.
Drehmomentsensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verbindungselemente (11) an der Trägerhülse (9) angeordnet sind, auf denen der Magnet (12) aufsitzt.
Drehmomentsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11) hakenförmig mit einem Hinterschnitt ausgebildet ist.
Drehmomentsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der segmentförmige Magnet (12) sich über ein Winkelsegment kleiner als 90° erstreckt.
Drehmomentsensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der segmentförmige Magnet (12) sich über ein Winkelsegment von zumindest annähernd 75° erstreckt.
Drehmomentsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der segmentförmige Magnet (12) in Umfangrichtung mehr als zwei Pole aufweist.
Drehmomentsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerhülse (9) aus Stahlblech besteht, insbesondere aus DC04.
Drehmomentsensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der segmentförmige Magnet (12) auf das Verbindungselement (11) aufgespritzt ist.
Lenksystem mit einer Drehmomentsensoreinrichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.