CN107250731A - 用于扭矩传感器和/或角度传感器的换能器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于扭矩传感器和/或角度传感器的换能器组件(1)，该换能器组件(1)具有管部段状的磁环(2)，该磁环(2)经由中间元件(4、4’)紧固至承载器套筒(3)，其中，中间元件(4)与磁环(2)经由彼此指向的接合表面(22、42)一体地结合至彼此，并且中间元件(4、4’)至少在接合表面(42)的区域中由塑料形成。根据本发明，为了提供能够更容易地生产及组装且具有高可靠性的换能器组件(1)，磁环(2)形成为由填充有磁性颗粒的塑料材料制成的结合塑料的磁体，该结合塑料的磁体一体地结合至中间元件(4、4’)的塑料。

Description

用于扭矩传感器和/或角度传感器的换能器组件

技术领域

本发明涉及用于扭矩传感器和/或角度传感器的换能器组件，该换能器组件包括管部段状的磁环，该磁环经由中间元件紧固至承载器套筒，其中，中间元件与磁环经由彼此指向的接合表面一体地结合至彼此，并且该中间元件至少在接合表面的区域中由塑料形成。

背景技术

在机动车辆的动力助力转向系统中，检测到由驾驶员通过方向盘引入到转向轴中的转向扭矩，并且以此获得的辅助扭矩被施加到转向系统中。通过测量转向轴的由扭力杆联接的两个部段之间的相对旋转角度、即与扭矩有关的扭转来确定扭矩。相对旋转角度可以借助于磁传感器的旋转角度来检测，其中，转向轴的一个部段上布置有一开始所提及类型的换能器元件，并该换能器元件旋转地固定至同轴的磁环，并且转向轴的另一部段上布置有磁场感测装置，该磁场感测装置在所述磁环进行相对扭转期间检测磁场的变化，并将磁场的变化作为控制变量转送至动力辅助系统。此外，转向角度的总的大小可以通过估计磁环相对于固定车身的磁场的变化来确定。

在现有技术中，从DE 10 2008 047 466 A1已知呈磁体组件形式的换能器组件。转向轴借助于管部段状的承载器套筒来紧固，该管部段状的承载器套筒以旋转地固定的方式布置并布置成与同样是管部段状的磁环同轴。为了防止例如在通常由金属制成的承载器套筒的温度变化期间机械应力施加在磁环上，在承载器套筒与磁环之间布置有中间元件，使得磁环仅机械地联接至中间元件并且与承载器套筒断开联接。提出了在注射模制过程中将磁环和由塑料制成的中间元件一起铸造，使得磁环与由塑料制成的中间元件借助于互相啮合或根切的几何形状而以形状配合和/或一体地结合的方式连接。

尽管在注射模制过程中通过将磁环插入到注射铸模中的连接是可靠的，但在制造技术方面是复杂且不灵活的。现有技术的这种过程是由于通常用于磁环的铁磁烧结材料相对较脆并且因此对机械应力敏感的事实引起的。考虑到烧结材料在与塑料制中间元件的连接方面的材料性能，需要在磁环上的接合表面——上述互相啮合或根切的几何形状——中额外地设置形状配合元件，所述形状配合元件带来大量的磁环制造费用。

从EP 1 123 794 B1已知的是，将磁环设计为呈高度填充有磁粉的塑料部的形式的结合塑料的磁体。以这种方式实现的磁体的更大的机械加载能力应当用于与中间元件的力传递连接和/或形状配合连接，该中间元件以已知方式连接至承载器套筒。像上述DE 102008 047 466 A1中那样，同样必须实现形状配合元件，从而导致对应的更高的制造费用和组装费用。

现有技术中已知的磁换能器组件的缺点在于实现这些磁换能器组件需要高成本的制造过程和组装过程。

鉴于上述问题，本发明的问题在于指出一种更容易制造及组装以及具有高可靠性的换能器组件。

发明内容

为了解决上述问题，根据本发明提出了磁环形成为由填充有磁性颗粒的塑料材料制成的结合塑料的磁体，该结合塑料的磁体一体地结合至中间元件的塑料。

根据本发明的换能器元件的磁环包括复合材料，其中，铁磁性磁粉、优选地硬铁素体或稀土磁粉嵌入在塑料基质中。磁性能由可磁化材料和填充度来确定，填充度给出了磁粉相对于塑料基质的塑料材料的重量百分率。由于磁性颗粒粘附地且粘结地结合在塑料基质中，因此产生了磁环的有利性能，即产生了更高的机械稳定性和热稳定性以及断裂强度。如在现有技术中所述的那样，这种情况用于磁环的形状配合固定以及力传递固定。

本发明首次通过在彼此指向、即靠着彼此的磁环的接合表面与中间元件的接合表面之间产生代替形状配合连接或力传递连接的耐用的一体地结合式连接而使磁环在中间元件上的先前高成本的布置大大地简化。与现有技术相比，在现有技术中，需要高成本的组合接合技术来遵守针对将磁环固定在承载器套筒上的规定的安全标准，根据本发明，通过一体地结合可以获得特别牢固、永久坚固且可靠的连接。

本发明的特殊益处基于以下事实：在两个接合件至少在其接合表面的区域中包括能够兼容、即尽可能最适合的材料以用于一体地结合式连接的情况下，坚固的一体地结合式连接才可能以足够耐用的方式实现，此处，所述两个接合件为磁环和中间元件。这由于磁环的塑料基质和制成中间元件的塑料选自在限定了一体地结合式连接的强度的参数方面彼此能够兼容的塑料材料而在本发明中是可以实现的，所述参数为例如材料特定的粘合行为的强度、以及表面织构等。具体地，为了实现本发明，嵌入有磁性材料的塑料基质与制成中间元件的塑料适当地匹配。

在合理生产根据本发明的换能器组件方面，有利的是，磁环和中间元件可以单独准备，并且仅在承载器套筒的组装期间一体地接合至彼此。与现有技术中已知的换能器组件相比，这使制造成本能够更低且灵活性更高。

本发明的特定优选实施方式要求中间元件的塑料和磁环的塑料材料是在一体地结合式连接方面能够兼容的热塑性聚合物。热塑性聚合物可以适合于对于机械性能、热性能和化学材料性能而言最多样化的需求，并且热塑性聚合物可以借助于热生产过程例如塑料注射模制而容易地加工。如此以来，中间元件和磁环两者均可以以低成本经济地制造为注射模制部件。对于磁环的塑料基质而言，认为充分高度地填充有磁性颗粒并且借助于所建立的热塑性加工方法例如注射模制、热成形等进行加工是可能的。中间元件的塑料材料优选地包括与磁环的聚合物基质类似或相同的聚合物基质。如此以来，特别牢固的一体地结合式连接可以借助于热接合技术产生，其中，在整个接合部位上具有均匀的材料结构，即，接合部位中的塑料具有与接合部件内部的塑料相同的材料性能。当所使用的粘合剂能够最佳地适用于磁环和中间元件两者所使用的单种塑料材料或者能够最佳地适用于能够兼容并且因此类似的塑料材料时，还可以借助于粘合来实现特别牢固且耐用的一体地结合式连接。这同样确保了磁环的接合表面与中间元件的接合表面的稳固且牢固的粘附。

例如聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)或其他热塑性塑料可以用作热塑性聚合物。

有利地，中间元件和/或磁环形成为注射模制部件。塑料的注射模制生产可以合理地具有所需的性能。替代性地，磁环可以形成为压制部件，由此可以实现磁性颗粒的高度填充。

优选地，制成磁环的塑料材料高度填充有磁性颗粒，优选地其填充度以重量计在80％与97％之间。对于通过注射模制进行的制造而言，84％至94％的范围特别适用，对于压制部件而言，该范围高达97％。

在本发明的一个有利研究中，中间元件与磁环被焊接，优选地被超声波焊接。在焊接期间，塑料材料在两个接合表面的区域中由于被加热而局部地熔化并且所述两个接合表面彼此接触，使得在熔体凝固时，整个接合表面都产生均匀的材料织构。对于塑料部件的一体地结合式连接而言，摩擦焊接方法、此处通常被称为超声波焊接特别适用。在该过程中，在由所谓的超声波发生器进行超声波焊接的情况下，振动通过焊接冲压器施加到接合部位中，并且接合表面局部地熔化并通过引起内部分子和边界表面摩擦来接合至彼此。在凝固之后，磁环和中间元件一起形成单个结构元件，该单个结构元件由于所包含的塑料的一体地结合式连接或紧密的材料连接而不再能被非破坏性地分开。作为超声波焊接的替代性方案，还可以采用借助于激光束的焊接。

此外，为了改进超声波焊接，有利的是，在中间元件上和/或磁环上相对于接合表面形成了突起的焊接材料贮存部。这些贮存部还称为焊接准备部并且可以由形成在一个接合件或多个接合件的相应接合表面上的肋部或突出部形成。当接合表面放置在一起时，焊接准备部首先接触、熔化以及以一体地结合的方式填充接合间隙。这确保了在相对较大的尺寸公差范围内的焊接质量。

一体地结合式连接的替代性形式要求中间元件和磁环被粘合在一起。粘合是用粘合剂完成的，该粘合剂以最佳方式粘附至磁环和中间元件两者的塑料材料。在本发明中，在借助于粘合剂进行一体地结合式连接方面，可以通过使用能够兼容的塑料来实现，该能够兼容的塑料包括相同或至少非常类似的粘合性能。粘合剂可以以本身已知的方式施加至一个或两个接合表面，然后使所述一个或两个接合表面接触。磁环和中间元件通过承载器套筒组装在一起可以以这种方式有效地实现。

优选地，磁环以大致轴向的端面连接至中间元件的轴向端面。在大致管部段状的磁环的端面上可以形成与中间元件上对应的接合表面对应的圆环状接合表面或圆环部段状接合表面。

对于相对取向或固定而言，形状配合元件可以布置在磁环上的接合表面和/或中间元件上的接合表面的区域中。形状配合元件可以包括彼此对应的突出部和凹陷部，例如，在将接合表面放置在一起时，该突出部与该凹陷部啮合在一起。替代性地，可以想到的是，定位销以形状配合的方式穿过位于磁环中以及位于中间元件中的孔口或凹部。如此以来，在将磁环安装在中间元件上时可以确保最佳的相对定位。在一体地结合式连接被组装之后，定位销可以被再次移除，或者留在结构部件中。

承载器套筒可以形成为管部段并且承载器套筒在一个端部区域中包括向外突出的固定元件。固定元件可以是凸缘状的，其中，完全环绕在外部的环圈或凸缘环、或者多个突出部或多个凸缘区段从管部段径向地突出。凸缘环或凸缘区段可以例如通过一体地结合式连接和/或形状配合连接而连接至中间元件。固定元件可以布置在端面处或远离端部的间距处。

为了进行轴向固定，固定元件可以在轴向上以形状配合的方式布置在彼此指向的磁环的端面与中间元件的端面之间。如以上已描述的，根据本发明，被连接的磁环和中间元件形成单个结构部件。如果在磁环中和/或中间元件中的接合平面的区域中设置接纳承载器套筒的固定元件的轴向敞开的凹部，则该固定元件在根据本发明的接合之后将在轴向上以形状配合的方式保持在磁环的端面与中间元件的端面之间。径向方向上可能存在游隙，使得通常由金属、优选地由钢制成的承载器套筒的热膨胀不会向磁环传递任何应力。

替代性地，中间元件可以轴向布置在彼此指向的磁环的端面与固定元件的端面之间。为此，中间元件可以设计为连续环或者包括布置为部段的多个中间元件，而根据本发明，磁环的端面以一体地结合的方式固定于环的轴向端面或中间元件的轴向端面，以及承载器套筒的一个固定元件或多个固定元件被固定于相反的轴向端面。优选地，固定元件可以包括至少部分地与中间元件配合的至少一个轴向孔口。如此以来，可以实现形状配合连接，从而确保包括塑料的中间元件与金属制承载器套筒之间的牢固连接。

一种生产根据本发明的换能器组件的方法，该方法包括以下步骤：

-提供结合塑料的磁环；

-将磁环一体地结合式连接至由塑料制成的中间元件；

-将中间元件固定至承载器套筒。

如上所述，将磁环一体地结合式连接至中间元件可以在将承载器套筒放置在中间元件上之前完成，或者在磁环与中间元件之间进行一体地结合式连接期间将承载器套筒以形状配合的方式封装或夹紧。

在每种上述情况下，根据本发明的一体地结合式连接确保了相对较低的制造成本以及对承载器套筒而言简单且因此牢固的安装。

附图说明

下面将借助于附图更详细地说明本发明的有利实施方式。具体地，示出了：

图1是根据本发明的换能器组件的立体图；

图2是穿过根据图1的换能器组件的纵向截面图；

图3是根据图1的换能器组件的分解图；

图4是在安装之前穿过如图2中的换能器组件的元件的纵向截面图；

图5是图2的截面图的详细视图；

图6是穿过根据本发明的第二实施方式的换能器组件的局部纵向截面图；

图7是穿过根据本发明的第三实施方式的换能器组件的局部纵向截面图；

图8是穿过根据本发明的第四实施方式的换能器组件的局部纵向截面图；

图9是穿过根据本发明的第五实施方式的换能器组件的局部纵向截面图；

图10是穿过根据本发明的第六实施方式的换能器组件的局部纵向截面图。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的部件总是设置有相同的附图标记，并且因此相同的部件通常将仅被指示或提及一次。

图1以相对于纵向轴线A倾斜的立体图的形式描绘了根据本发明的换能器组件1。该换能器组件1由磁环2和承载器套筒3形成，该承载器套筒3经由大致环状的中间元件4布置于磁环2。

中间元件4具有基本环形的形状，并且中间元件4在其指向磁环2的轴向端面41上包括接合表面42。中间元件4由塑料制成、优选地被制成为由第一热塑性塑料制成的注射模制部件。

磁环2具有下述筒形管部段的基本形状：该筒形管部段具有指向中间元件4的轴向端面21，在轴向端面21上形成有与中间元件4的接合表面42对应的接合表面22。磁环1设计为由高度填充有磁粉的塑料材料制成的结合塑料的磁体。塑料材料还优选地为热塑性塑料，其中，在热塑性塑料的塑料基质中嵌入磁粉的铁磁性颗粒。

根据本发明，形成中间元件4的塑料材料和形成磁环2的塑料基质的塑料材料在一体地结合式连接、此处优选地为热焊接方面能够彼此兼容。可以设想的是，第一塑料材料和第二塑料材料由相同的聚合物例如聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)或其他形成，或者至少由类似的、能够兼容的聚合物材料形成，使得在熔化时由于热焊接性而能够进行一体地结合式连接，或者第一塑料材料和第二塑料材料针对借助于放置在接合表面22与42之间的粘合剂而进行一体地结合式连接的表面性能方面是能够兼容的。

承载器套筒3具有由金属、优选地为钢制成的筒形管状基体，该筒形管状基体在磁环2内同轴地布置有径向游隙，并且该筒形管状基体在其面向中间元件4的端部上包括径向向外凸起的环绕的环形凸缘31，该环形凸缘31形成承载器套筒3的固定元件。凸缘31的一个轴向端面32轴向地指向中间元件4，另一轴向端面33朝向磁环2。凸缘31可以包括形状配合元件34，该形状配合元件34在示出的示例中形成为位于外周中的径向凹部。

为了生产换能器组件1，磁环2、中间元件4和承载器套筒3从图3和图4中示出的初始安装位置沿轴向方向朝向彼此设置并移动，其中，承载器套筒3的凸缘31在轴向上定位在磁环2与中间元件4之间，如图2中所示。

如从图5中的放大图可以看出，中间元件4包括在径向上位于接合表面42内的轴向凹部43，在该轴向凹部43中接纳承载器套筒3的凸缘31，如所示出的。由于中间元件4与磁环2在接合表面22和42处的一体地结合式连接，因此形成单个组合件，其中，承载器套筒3的凸缘31通过轴向形状配合而保持在此时被轴向地覆盖的凹部43中。在承载器套筒3与磁环2之间没有产生一体地结合式连接或形状配合连接，使得排除了机械应力、例如由不同的热膨胀引起的机械应力从金属承载器套筒3传递至磁环2。

轴向上靠着彼此的接合表面22与42之间的一体地结合式连接可以通过热焊接方法、优选地通过摩擦焊接或超声波焊接产生。为此，磁环2被轴向地支撑住，而焊接冲压器5、优选地为超声波焊接套件的超声波发生器5被从外部即从接合表面42的区域中的自由端面轴向地按压成轴向地抵靠中间元件4，如由图5中的箭头所示。因此，接合表面42被按压成靠着磁环2上的对应的接合表面22，并且振动能量被施加在接合表面22和42中，而接合表面22和42通过该振动能量被加热并部分地熔化。

磁环2的接合表面22包括轴向突起的突出部23，该突出部23在所描绘的实施方式中形成为具有刀片状横截面的环绕肋部。如此以来，当突出部23首先与接合表面42接触时，提供了焊接材料贮存部，该焊接材料贮存部在焊接开始时已被熔化。流体或至少粘稠的熔融塑料分布在接合表面22与42之间的接合间隙中，从而导致磁环2的塑料材料与承载器套筒4的塑料材料在边界表面区域中进行扩散或混合。

在接合表面42的区域中，还可以形成呈轴向凸起的环形环绕肋部形状的形状配合元件44。该形状配合元件44可以接合在接合表面22中的对应的凹陷部24中。如此以来，中间元件4可以相对于磁环2容易地定位。

在超声波激励结束后，塑料在接合区域中凝固，使得产生一体地结合式连接，并且由中间元件4和磁环2形成单个组合的塑料部件。在由凹部43和端面21定界的径向凹部中，凸缘31通过轴向方向上的形状配合被紧固。

替代性地，可以在接合表面22与42之间引入最佳地适用于磁环2的塑料材料与中间元件4的塑料材料的一体地结合式连接的流体粘合剂或糊状粘合剂。

图6示出了另一实施方式的详细视图，在图6中，中间元件4’形成为环件并且布置在磁环2的端面21与凸缘31的后端面33之间。端面41在接合表面的区域中一体地结合至端面21，其中，所述接合表面在此处未单独示出并且可以以类似于上述实施方式的方式形成。中间元件4通过中间元件4的轴向相反端面45稳固地接合至承载器套筒3的端面33。

在根据图7的实施方式中，凸缘31和中间元件4’包括对准的轴向孔口或开口35和46，轴向孔口或开口35和46与磁环2的端面21中的凹部25齐平。定位销6可以穿过孔口35和46插入到凹部25中，以在安装过程期间将部件2、3和4’相对于彼此精确地定位。在安装之后，定位销6可以被再次沿轴向方向拉出，如双箭头所示。

图8示出了与图6类似的实施方式，其中，中间元件4在端面41上还包括以形状配合的方式对应于磁环2中的凹陷部24的形状配合元件44。

图9示出了与根据图6的实施方式非常类似的又一实施方式。然而，一体地结合式连接是通过使用激光器7的激光焊接来实现的。在这种情况下，激光束71的频率需要针对承载器套筒3的材料来选择并调整，使得激光束71穿透承载器套筒3。至少在磁环2的端面21处发生与中间元件4’的端面41的焊接72。然而，还可以通过适当地选择承载器套筒的材料而在中间元件的端面45与承载器套筒3的凸缘31的端面33之间提供焊接73。

图10示出了与根据图6的实施方式非常类似的再一实施方式。然而，如在根据图9的实施方式中已经发生的那样，通过使用激光器7的激光焊接发生形状配合连接。并非必须要确保激光束71的频率被选择成使得激光束71穿透承载器套筒3的材料。至少在磁环2的端面21处发生与中间元件4’的端面41的焊接72。然而，还可以通过适当地选择承载器套筒的材料而在中间元件的端面45与承载器套筒3的凸缘31的端面33之间提供焊接73。如果可能，还可以进行其他焊接74和75。

在不背离本发明的范围的情况下，只要可实行，本发明的单独描述的实施方式的特征可以彼此组合或彼此交换。

附图标记列表

1：换能器组件

2：磁环

21：端面

22：接合表面

23：突出部

24：凹陷部

25：凹部

3：承载器套筒

31：凸缘

32：端面

33：端面

34：形状配合元件

35：孔口

4、4’：中间元件

41：端面

42：接合表面

43：凹部

44：形状配合元件

45：端面

46：孔口

5：焊接冲压器(超声波发生器)

6：定位销

7：激光器

71：激光束

72、73、74、75：激光焊接

Claims (12)

1.一种用于扭矩传感器和/或角度传感器的换能器组件(1)，所述换能器组件(1)包括管部段状的磁环(2)，所述磁环(2)经由中间元件(4、4’)紧固至承载器套筒(3)，其中，所述中间元件(4)与所述磁环(2)经由彼此指向的接合表面(22、42)一体地结合至彼此，并且所述中间元件(4、4’)至少在所述接合表面(42)的区域中由塑料形成，

其特征在于，

所述磁环(2)形成为由填充有磁性颗粒的塑料材料制成的结合塑料的磁体，其中所述结合塑料的磁体一体地结合至所述中间元件(4、4’)的塑料。

2.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述中间元件(4、4’)的塑料和所述磁环(2)的塑料材料是在一体地结合式连接方面能够兼容的热塑性聚合物。

3.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述中间元件(4、4’)和/或所述磁环(2)形成为注射模制部件。

4.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述磁环(2)形成为压制部件。

5.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述磁环(2)的塑料材料被高度填充有磁性颗粒，其填充度以重量计在80％与97％之间。

6.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述中间元件(4、4’)与所述磁环(2)被焊接、优选地被超声波焊接或被激光焊接。

7.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述中间元件(4、4’)与所述磁环(2)被粘合在一起。

8.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述磁环(2)以大致轴向的端面(21)连接至所述中间元件(4、4’)的轴向端面(41)。

9.根据权利要求1所述的换能器组件，其特征在于，所述承载器套筒(3)形成为管部段，并且所述承载器套筒(3)在一个端部区域中包括径向向外突出的固定元件(31)。

10.根据权利要求10所述的换能器组件，其特征在于，所述固定元件(31)在轴向上以形状配合的方式布置在彼此指向的所述磁环(2)的端面(21)与所述中间元件(4、4’)的端面(41)之间。

11.根据权利要求10所述的换能器组件，其特征在于，所述中间元件(4、4’)轴向地布置在彼此指向的所述磁环(2)的端面(21)与所述固定元件(31)的端面(41)之间。

12.一种生产根据权利要求1所述的换能器组件(1)的方法，其特征在于包括以下步骤：

-提供结合塑料的磁环(2)；

-将所述磁环(2)一体地结合式连接至由塑料制成的中间元件(4、4’)；

-将所述中间元件(4、4’)固定至承载器套筒(3)。