CN110234963A - 用于利用超声波焊接式编码器磁体来捕获旋转轴的旋转位置的传感器装置 - Google Patents

用于利用超声波焊接式编码器磁体来捕获旋转轴的旋转位置的传感器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于记录旋转轴的旋转位置的传感器装置，该旋转轴被以可旋转的方式安装在壳体中，其中，在连接至轴(12)的承载部件(14)上紧固有编码器磁体(13)，其中，承载部件(14)借助于超声波焊接而连接至磁体(12)。

Description

用于利用超声波焊接式编码器磁体来捕获旋转轴的旋转位置 的传感器装置
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的用于对旋转轴的角度位置进行检测的传感器装置、一种具有权利要求8的前序部分的特征的用于对这种传感器装置进行组装的方法、以及一种机电式动力转向系统。
背景技术
用于对旋转轴的角度位置进行检测的传感器装置通常包括环形磁体，所述环形磁体例如用作马达磁体，其中，对磁体进行保持的基体通过压配合而附接至发动机轴。在可能的情况下，不应向环形磁体传递机械应力，使得环形磁体不会从基体中撕裂或脱离。将环形磁体用作马达磁体需要确保抗扭转和抗轴向移位。将环形磁体用作马达磁体需要力锁定连接或形状锁定连接，因为粘合剂粘结不能保证永久地牢固附接。
从EP 2 350 573 B1已知了一种用于对旋转轴的角度位置进行检测的传感器装置，该传感器装置具有坐置于支承杆上的环形形状的换能器磁体，其中，该换能器磁体被实施为注塑成型部件并且被模制到支承杆上。还提供的是，支承杆与换能器磁体之间的形状配合式接合将借助于径向凹陷部和径向凸起部而进行。这允许在支承杆与换能器磁体之间建立特别良好的接合。
发明内容
本发明的目的是详述一种用于对下述旋转轴的角度位置进行检测的传感器装置：该旋转轴包括环形磁体与对环形磁体进行支承的基体之间的抗扭连接。
该目的通过具有权利要求1的特征的用于对旋转轴的角度位置进行检测的传感器装置、并且通过具有权利要求8的特征的用于组装这种传感器装置的方法、以及通过具有权利要求15和权利要求16的特征的机电式动力转向系统而实现。
因此，提供了一种用于对旋转轴的角度位置进行检测的传感器装置，该旋转轴被以可旋转的方式支承在壳体中，其中，在接合至该轴的支承部件上附接有换能器磁体，其中，该支承部件通过超声波焊接而接合至磁体。超声波焊接在支承部件与磁体之间创建了牢固的接合。优选地，所述接合是结合且形状锁定式的。在超声波焊接期间，如果支承部件用作超声波发生器，则这是优选的。
在一个实施方式中，支承部件是支承杆。此外，能够设想到且可能的是，支承部件是套筒或旋转轴。如果换能器磁体具有环形形状并且换能器磁体封围支承杆，则这是优选的。
优选地，支承部件在外部具有滚花。该滚花可以例如是交叉滚花或纵向滚花。此外，该滚花可以被实施为直滚花和/或横向滚花和/或斜滚花。这改善了换能器磁体与支承杆之间的接合。
此外，提供了一种用于组装传感器装置的方法，该传感器装置用于检测旋转轴的角度位置，该旋转轴被以可旋转的方式支承在壳体中，其中，换能器磁体可以被紧固至支承部件，该支承部件可以接合至轴，其中，该方法具有以下步骤：
-以规定的接触压力将支承部件部分地插入到磁体中；
-将超声波范围内的高频振动引入到承载部件中；
-以规定的接触压力将支承部件压入到磁体中，这优选地完全地执行；
-将支承部件插入到轴中。
优选地，该高频振动在20kHz至40kHz的范围内、特别地为约35kHz。
当高频机械振动被引入到承载部件中时，如果磁体在其组成中具有塑料并且磁体被部分地加热并增塑，则这是更优选的。
在一个实施方式中，支承部件是支承杆。在这种情况下，如果换能器磁体以环形形状形成并且换能器磁体封围支承杆，则这是优选的。
优选地，支承部件在外部具有滚花，使得当支承部件被完全压入到磁体中时，已增塑的磁体绕滚花的底切部流动。因此，在冷却之后，在磁体与支承杆之间存在形状锁定且结合式的接合。
环形磁体可以具有中央凹部，该中央凹部优选地为环形开口或钻孔，支承部件的连接部段被固定在该中央凹部中。该凹部的内径至少在截面中可以比支承部件的连接部段的外径略小，该支承部件可以被实施为支承杆。环形磁体在轴向方向上的宽度对应于凹部的轴向范围，环形磁体利用凹部而在支承杆的连接部段的区域中坐置于支承杆上。
在连接部段中，支承部件可以具有增厚部，该增厚部的外径大于凹部的内径。优选地，增厚部在连接部段的一部分上轴向地延伸，换句话说，增厚部的宽度小于环形磁体的宽度。
优选地，增厚部的沿轴向方向测量的宽度为环形磁体的宽度的10％与80％之间、特别优选地为环形磁体的宽度的30％与50％之间。
支承杆的的连接部段的外径优选地小于位于增厚部外部的凹部的内径。直径间隙被测量成使得：具有连接部段的支承部件可以在不变形的情况下被轴向地插入到凹部中。在增厚部的区域中，所述直径大于或等于凹部的内径，使得当连接部段被特别紧密地插入到凹部中时，增厚部与凹部发生特别更紧密的接触，这可以通过局部塑性变形而实现，而不是在连接部段的位于增厚部外部的区域中发生。因此，在超声波焊接期间，在增厚部的区域中局部地出现能量输入的增加，从而在增厚部的该区域中产生稳固的接合。
优选地，连接部段在增厚部外部的自由端部的区域中包括插入部段。由于插入部段的外径小于凹部的内径的事实，因此连接部段可以被容易地插入到凹部中，其中，支承杆以无间隙的方式被导引并定位在环形磁体中。然后，在引入超声波范围内的高频机械振动的同时，增厚部可以被进一步插入到凹部中，从而产生了确保增厚部的区域中的可靠焊接的更大的力效应。
从端部观察，增厚部可以连接有下述导引部段：该导引部段可以具有与前述插入部段的外径一样的外径。
增厚部、插入部段和导引部段的在轴向方向上所测量的宽度的总和优选地至少对应于环形磁体的宽度。增厚部的宽度与插入部段的宽度的比优选地为约0.8:1至约1.5:1，特别优选地为1:1。插入部段的宽度比导引部段的宽度可以为约1:1。
增厚部的外径相对于内径可以具有加大了0.1mm至0.4mm的尺寸，优选为加大了0.1mm至0.2mm的尺寸。
增厚部优选地被实施为滚花。滚花是塑性材料变形件，其中，在连接部段的外表面中形成有交替的径向压痕和径向突起。因此，由凸起区域的包络部形成的滚花的区域的外径增大以形成增厚部。
由于滚花的包络部具有较大的外径的事实，因此在插入期间材料的凸起区域被径向地压靠于凹部的内壁并且材料的凸起区域在引入的超声波范围内的高频机械振动的影响下被焊接至环形磁体。滚花的一个优点在于，滚花允许以所需的宽度生产增厚部而不用费力并且在尺寸方面灵活。
还能够设想到并且可能的是，支承部件将被插入到位于旋转轴中的凹部中并且通过超声波焊接而连接至该凹部。在此，支承部件还在面向换能器磁体的区域上具有滚花，使得在支承杆与旋转轴之间存在结合且形状配合式的接合。
还存在一种用于机动车辆的机电式动力转向系统，该机电式动力转向系统包括前述的传感器装置，其中，轴是动力转向装置的转向轴或者是电动马达的转子轴。
附图说明
下面基于附图对本发明的示例性实施方式进行描述。相同部件或具有相同功能的部件带有相同的附图标记。在附图中：
图1示出了已知的机电式动力转向系统的示意图；
图2示出了根据图1的转向系统的转向齿轮箱；
图3示出了对用于检测旋转轴的角度位置的传感器装置的部件进行组装的第一步骤的示意图；
图4示出了组装的第二步骤的示意图；
图5示出了组装的第三步骤的示意图；
图6示出了作为传感器装置的部件的杆的第一实施方式的示意图；以及
图7示出了杆的第二实施方式的示意图。
具体实施方式
在图1中，机动车辆机电式动力转向系统1被示意性地示出具有方向盘2，该方向盘2以可旋转的方式牢固联接至转向轴3。驾驶员根据转向指令借助于方向盘2向方向盘3施加适当的扭矩。然后，扭矩经由转向轴3被传递至转向小齿轮5。该小齿轮5与齿条6的齿部60以公知的方式啮合。转向小齿轮5与齿条6一起形成转向齿轮箱，在图2中单独地示出了该转向齿轮箱。齿条6被支承在转向壳体中以便能够沿转向壳体的纵向轴线移动。齿条6在其自由端部处借助于未被示出的球形接头而接合至横拉杆7。横拉杆7本身经由车轴以公知的方式连接至机动车辆的转向轮8。方向盘2的旋转经由转向轴3和小齿轮5的连接而导致齿条6纵向移动，并且因此导致转向轮8枢转。转向轮8经由道路80经受了抵消转向运动的反作用力。因此，为了使车轮8枢转，要求在方向盘2上需要适当扭矩的力。提供了具有伺服单元10的转子位置传感器(RPS)的电动马达9，以辅助驾驶员进行该转向运动。
转向轴3包括连接至方向盘2的输入轴30以及连接至转向小齿轮5的输出轴31。输入轴30和输出轴31通过未示出的扭杆以可旋转的方式弹性地联接在一起。如在图2中所描绘的扭矩传感器单元11检测输入轴30相对于输出轴31的扭转，以作为手动施加至转向轴3或方向盘2的扭矩的量度。输入轴30与输出轴31之间的该扭转可以利用旋转角度传感器而被确定。所述旋转角度传感器也被称为扭矩传感器。扭矩传感器单元11包括以可旋转的方式牢固连接至上部转向轴3的环形磁体(永磁体)以及磁通量导体。根据由扭矩传感器单元11所测量的扭矩，伺服单元10向驾驶员提供转向辅助。伺服单元10可以作为辅助力支撑装置10、100、101而被联接至转向轴3、转向小齿轮5或齿条6。相应的辅助力支撑装置10、100、101将辅助力矩引入到转向轴3、转向小齿轮5和/或齿条6中，这有助于驾驶员进行转向工作。图1中所呈现的三个不同的辅助力支撑装置10、100、101示出了对于其布置而言的替代位置。通常，所示出的位置中的仅单个位置由辅助力支撑装置占据。伺服单元可以被用作转向柱上的叠置的转向装置或者用作小齿轮5或齿条6上的辅助力支撑装置。
图3至图5示出了用于对旋转轴12、优选为发动机轴的角度位置进行检测的传感器装置的部件的组装。旋转轴还可以是输入轴30或输出轴31。传感器装置包括以可旋转的方式牢固连接至轴12的换能器磁体13。换能器磁体13附接至被插入到下述凹部15中的支承杆14：该凹部15被引入到轴12的端面16中。换能器磁体13是坐置于支承杆4的远离轴的端部17上的环形磁体。因此，支承杆14将换能器磁体13连接至轴12，其中，在换能器磁体13与轴12的端面16之间存在气隙18。
在传感器装置的组装期间，支承杆14以预定压力朝向磁体13尽可能远地移位，直到支承杆14的例如通过滚花20所产生的外表面与磁体的内表面之间存在接触为止。环形磁体13具有中央凹部19，该中央凹部19被设计成至少部分地小于支承杆14的外径。在第一次将磁体13应用于支承杆14之后，通过超声波焊接而在磁体13与支承杆14之间形成材料熔融结合式接合，如在图4中所描绘的。在该组装步骤期间，超声波范围内的高频机械振动被引入到支承杆14中，该支承杆14被设定成进行共振振动。因此，支承杆用作超声波发生器。共振振动的频率范围在20kHz至90kHz之间，优选地为35kHz。振动方向垂直于换能器磁体13的接合表面定向，使得接合配合件彼此摩擦。支承杆14以规定的压力被压入到磁体13中。具有规定压力的界面摩擦在与支承杆14的接触表面上局部地加热磁体13、使磁体熔化、并且因此使磁体塑性地变形。由于压力的继续施加，因此支承杆14沉入到凹部19中，该凹部19优选地被实施为钻孔。优选地，换能器磁体13在其磁体组成中具有塑性成分。支承杆14优选地由金属制成。超声波焊接以结合且形状锁定的方式将支承杆14连接至换能器磁体13。然后，其上布置有磁体13的支承杆14被接合至轴12。
在优选的实施方式中，支承杆14的可以被引入到换能器磁体13中的端部在外部具有滚花。与该端部成对比，磁体13的凹部19的表面优选地被设计成是平坦或光滑的。如在图6和图7中所描绘的，所述滚花可以例如是交叉滚花(图6)或纵向滚花(图7)。在组装或超声波焊接期间，磁体13的熔融物质绕滚花20的底切部流动，使得在冷却之后，在磁体13与支承杆14之间存在形状锁定且结合的接合。
换能器磁体13具有在轴向方向上测量的宽度B，在该宽度B范围内，换能器磁体13坐置在支承杆14上。在轴的远端区域中，存在具有宽度X2的插入部段，接着是具有宽度X1的增厚部，该增厚部在所示出的示例中成形为滚花20。在轴12的方向上接着滚花20的是导引部段，该导引部段由其宽度X3表示。宽度X1、X2和X3的总和基本上等于换能器磁体13的宽度B，该宽度B对应于支承杆14的连接部段的宽度。
换能器磁体13的凹部19具有内径D。支承杆14在插入部段X2和导引部段X3的区域中具有下述外径d：该外径d优选地小于内径D。如在图3中所示出的，在滚花20的区域中，材料的径向凸起区域由具有高度e的塑性材料位移而形成，使得滚花20形成具有扩大直径(d+2×e)的增厚部，其中：
d+2×e≥D。
支承杆14利用插入部段X2可以容易且精确地插入到凹部19中，并且超声波焊接在如上所述的滚花20的区域中被执行。
旋转轴12可以例如是电动马达9的转子轴。电动马达具有位于壳体中并固定至壳体的杆以及可旋转支承式转子轴，该转子轴的角度位置借助于传感器装置(转子位置传感器)来检测。传感器装置包括：换能器磁体13，该换能器磁体13以可旋转的方式牢固地接合至转子轴12；以及传感器，该传感器布置成固定至壳体并且该传感器能够检测在转子轴和换能器磁体旋转时产生的磁场变化。传感器的对应的传感器信号在调节单元或控制单元中被评估，并且传感器的对应的传感器信号可以被用于对电动马达进行调节。例如，传感器是AMR(各向异性磁阻效应)传感器或霍尔传感器。
然而，旋转轴12还可以是转向轴，其中，换能器磁体13是扭矩传感器单元11的部件。在这种情况下，提供的是，换能器磁体是还利用超声波焊接经由例如呈套筒形式的支承元件接合至转向轴的环形磁体。

Claims (16)

1.一种用于对旋转轴(12)的角度位置进行检测的传感器装置，所述旋转轴(12)被以可旋转的方式支承在壳体中，其中，在连接至所述轴(12、30、31)的支承部件(14)上附接有换能器磁体(13)，其特征在于，所述支承部件(14)通过超声波焊接而接合至所述磁体(12)。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述接合是结合且形状锁定式的。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，所述支承部件(14)在所述超声波焊接期间用作超声波发生器。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述支承部件(14)是支承杆。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其特征在于，所述换能器磁体(13)以环形形状的方式形成并且所述换能器磁体(13)封围所述支承杆(14)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述支承杆(14)在外部具有滚花(20)。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，其特征在于，所述滚花(20)是交叉滚花或纵向滚花。
8.一种用于对用于检测旋转轴(12、30、31)的角度位置的传感器进行组装的方法，所述旋转轴(12、30、31)被以可旋转的方式支承在壳体中，其中，在能够连接至所述轴(12)的支承部件(14)上能够附接有换能器磁体(13)，其特征在于，所述方法具有下述步骤：
-以规定的压力将所述支承部件(14)部分地插入到所述磁体(13)中；
-将超声波范围内的高频机械振动引入到所述支承部件(14)中；
-以规定的压力将所述支承部件(14)压入到所述磁体(13)中；
-将所述支承部件(14)引入到所述轴(12、30、31)中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高频振动在从20kHz至40kHz的范围内。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述高频振动为约35kHz。
11.根据前述权利要求8至10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述磁体(13)在其组成中具有塑料，并且当所述高频机械振动被引入到所述支承部件(14)中时，所述磁体(13)被部分地加热并增塑。
12.根据前述权利要求8至11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述支承部件(14)是支承杆。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述换能器磁体(13)以环形形状的方式形成并且所述换能器磁体(13)封围所述支承杆(14)。
14.根据前述权利要求11至13中的任一项所述的方法，其特征在于，所述支承部件(14)在外部具有滚花(20)，并且已增塑的磁体(13)绕所述滚花(20)的底切部流动，使得在冷却之后在所述磁体(13)与所述支承杆(14)之间存在形状锁定且结合式的接合。
15.一种用于机动车辆的机电式动力转向系统(1)，所述机电式动力转向系统(1)包括根据权利要求1至7中的任一项所述的传感器装置，其中，所述轴(12、30、31)是所述动力转向系统的转向轴。
16.一种用于机动车辆的机电式动力转向系统(1)，所述机电式动力转向系统(1)包括根据权利要求1至7中的任一项所述的传感器装置，其中，所述轴(12、30、31)是电动马达(9)的转子轴。
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