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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmoment-Erfassungseinheit, die in einem Servolenkungsmechanismus eines Fahrzeugs etc. eingesetzt wird, und genauer eine Drehmoment-Erfassungseinheit zum Erfassen eines Drehmoments auf eine kontaktlose Weise, wenn eine externe Kraft auf eine Drehwelle aufgebracht wird.
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Im Stand der Technik ist ein Servolenkungsmechanismus eingesetzt worden, in welchem die Drehkraft von dem Motor an den Lenkmechanismus in Abhängigkeit von dem auf das Lenkrad aufgebrachten Drehmoment übertragen wird, wenn der Fahrer das Fahrzeug durch Drehen des Lenkrades steuert, um so den Lenkkraftmechanismus zu unterstützen.
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In dem Servolenkungsmechanismus muss, um die Menge einer unterstützenden Energie festzulegen, das Drehmoment, das auf das Lenkrad aufgebracht wird, erfasst werden. Als Erfassungseinheit existiert beispielsweise die Drehmoment-Erfassungseinheit, die in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. Hei 6-174569 sowie im
US-Patent 4,907,460 offenbart ist. Der Aufbau dieser Erfassungseinheit wird unter Bezugnahme auf
4 erklärt.
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In 4 ist ein Lenkrad (nicht gezeigt) an einer ersten Welle 1 angebracht, und ein Ritzel (nicht gezeigt) eines Lenkungsmechanismus ist an einer zweiten Welle 2 angebracht. Dann ist eine Torsionsstange 3 auf mittleren Achsen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 angeordnet, um die beiden Wellen in der Verdrehungsrichtung elastisch zu verbinden. Die erste Welle 1 ist drehbar in einem zylindrischen Gehäuse 4 gelagert, das an den Fahrzeugkörper etc. über ein Lager 14a angepasst ist. Eine erste Muffe 14a, die aus nicht-magnetischem Material gebildet ist, ist an der ersten Welle 1 angebracht. Ein erstes zylindrisches, magnetisches Element 11 und ein zweites zylindrisches, magnetisches Element 12, die beide aus weichmagnetischem Material gebildet sind, sind an dem äußeren Umfang der ersten Muffe 14a in einem vorbestimmten Abstand angebracht.
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Die rechte Endkante des ersten magnetischen Elements 11 ist als flache Ebene senkrecht zu der Wellenmitte der ersten Welle 1 ausgebildet, und rechtwinklige Zahnabschnitte 11a sind an der linken Endkante mit einer gleichmäßigen Teilung entlang der Umfangsrichtung ausgeformt. Die rechte Endkante des zweiten magnetischen Elements 12, die dem ersten magnetischen Element 11 gegenübersteht, ist als flache Ebene senkrecht zu der Wellenmitte der ersten Welle 1 ausgebildet, und rechtwinklige Zahnabschnitte 12a sind auf der linken Endkante mit einer gleichmäßigen Teilung entlang der Umfangsrichtung ausgeformt. Die Zahnbreite des Zahnabschnitts 12a ist im wesentlichen gleich der Breite eines gekerbten Abschnitts des Zahnabschnitts 12a.
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Eine zweite Muffe 14b, die aus einem nicht-magnetischen Material gebildet ist, ist an der zweiten Welle 2 angebracht, und ein drittes zylindrisches, magnetisches Element 13, das aus einem nicht-magnetischen Material gebildet ist, ist an einem äußeren Umfang der zweiten Muffe 14b angebracht. Eine Vielzahl von Zahnabschnitten 13a, die die gleiche Breite, die gleiche Form und die gleiche Teilung aufweisen wie der Zahnabschnitt, der auf dem zweiten magnetischen Element 12 gebildet ist, sind auf der rechten Endkante des dritten magnetischen Elements 13 gebildet.
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Joche 22a, 22b, die eine D-förmige Querschnittsform mit inneren Flanschen aufweisen und aus einem weichmagnetischen Material gebildet sind, sind auf der Innenseite des Gehäuses 4 angebracht. Das Joch 22a ist so lang, dass es zu dem ersten magnetischen Element 11 und dem zweiten magnetischen Element 12 derart verläuft, dass der Mittelabschnitt in der axialen Richtung an einer Position angeordnet werden kann, die dem ersten magnetischen Element 11 und dem zweiten magnetischen Element 12 gegenüberliegt. Ebenso ist das Joch 22b so lang, dass es zu dem zweiten magnetischen Element 12 und dem dritten magnetischen Element 13 derart verläuft, dass der Mittelabschnitt in der axialen Richtung an einer Position angeordnet werden kann, die dem zweiten magnetischen Element 12 und dem dritten magnetischen Element 13 gegenüberliegt.
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Eine erste Spule 21a für eine Temperaturkompensation und eine zweite Spule 21b für eine Drehmomenterfassung sind auf das Joch 22a bzw. 22b entlang der Umfangsrichtung gewickelt. Dann bildet, wenn die erste Spule 21a und die zweite Spule 21b mit einem Oszillator (nicht gezeigt) verbunden sind, das Joch 22a zusammen mit dem ersten magnetischen Element 11 und dem zweiten magnetischen Element 12 einen magnetischen Kreis aus, während das Joch 22b zusammen mit dem zweiten magnetischen Element 12 und dem dritten magnetischen Element 13 einen magnetischen Kreis ausbilden.
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Als nächstes wird die Arbeitsweise der obigen Drehmoment-Erfassungseinheit erklärt.
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Wenn ein Drehmoment vom Lenkrad her auf die zweite Welle 2 übertragen wird, wird eine Verdrehung der Torsionsstange 3 herbeigeführt, so dass eine relative Winkelverschiebung zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 erzeugt wird. Dann wird eine relative Phasendifferenz in der Umfangsrichtung zwischen dem zweiten magnetischen Element 12 und dem dritten magnetischen Element 13 erzeugt, die an der jeweilige Welle über die Muffe 14a bzw. 14b angebracht sind. Deswegen werden gegenüberliegende Flächen zwischen den Zahnabschnitten 12a und den Zahnabschnitten 13a der magnetischen Elemente 12, 13, die als magnetische Pfade dienen, geändert. Da die zweite Spule 21b einen Teil des magnetischen Kreises ausbildet, der durch das Joch 22b, das zweite magnetische Element 12 und das dritte magnetische Element 13 verläuft, wird die magnetische Reluktanz dieses magnetischen Kreises geändert, um dann die Induktanz zu ändern, wenn die gegenüberliegenden Flächen der Zahnabschnitte 12a und der Zahnabschnitten 13a, die als der magnetische Pfad wirken, geändert werden. Dann kann, wenn der Antriebs-Wechselstrom mit einer Frequenz von mehreren kHz der Spule zugeführt wird, um die Änderung der Induktanz durch die Erfassungsschaltung (nicht gezeigt) zu erfassen, das Drehmoment, das an die Torsionsstange 3 angelegt wird, erfasst werden.
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Weil die Induktanz der zweiten Spule 21b nicht nur durch das Drehmoment geändert wird, sondern auch durch die Temperatur, wird eine Temperaturkompensation benötigt. Da sowohl das erste magnetische Element 11 als auch das zweite magnetische Element 12 an der ersten Welle 1 über die Muffe 14a angebracht sind, wird der relative Winkel zwischen ihnen durch das Aufbringen des Drehmoments nicht geändert, und somit werden die gegenüberliegenden Flächen zwischen den Zahnabschnitten 11a und den Zahnabschnitten 12a auch nicht geändert. Dementsprechend wird die Induktanz der ersten Spule 21a, die an der mittleren Position zwischen dem ersten magnetischen Element 11 und dem zweiten magnetischen Element 12 gewickelt ist, nicht durch das Drehmoment geändert. Da die erste Spule 21a jedoch ihre Induktanz in Abhängigkeit von der Änderung der Temperatur in der gleichen Weise wie die zweite Spule 21b ändern kann, kann der Ausgang, der nicht durch die Temperatur beeinflusst wird und nur proportional zu dem Drehmoment ist, durch Erfassen eines Unterschieds der Induktanz der ersten Spule 21a und der zweiten Spule 21b hergeleitet werden.
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Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung der obigen Drehmoment-Erfassungseinheit erklärt.
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Der Schritt des Koppelns der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 mit der Torsionsstange 3 erzeugt leicht einen Winkelfehler. Aus diesem Grund wird, um die Drehphasendifferenz zwischen den magnetischen Elementen in der neutralen Position präzise sicherzustellen, zuerst die erste Muffe 14 mit den magnetischen Elementen 11, 12 auf der ersten Welle 1 angebracht. Dann wird die zweite Muffe 14b mit dem dritten magnetischen Element 13 nicht auf der zweiten Welle angebracht, sondern nur auf die zweite Welle 2 aufgeschoben. Nachdem die erste Welle 1 und die zweite Welle 2 durch die Torsionsstange 3 zusammengekoppelt worden sind, wird die zweite Muffe 14b derart justiert, dass die Drehphasendifferenz zwischen der ersten Muffe 14a und der zweiten Muffe 14b auf einen vorbestimmten Winkel eingestellt wird, und sie wird dann an der zweiten Welle 2 angebracht.
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Da die Drehmomenterfassungseinheit nach dem Stand der Technik wie oben erwähnt gefertigt ist, treten die Probleme auf, dass die Herstellungsschritte kompliziert sind und höhere Kosten zustande kommen.
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Auch fließt in der Drehmoment-Erfassungseinheit mit variabler Reluktanz nach dem Stand der Technik, da die erste Welle und die zweite Welle im normalen Fall aus Stahl hergestellt sind, der magnetische Fluss, der in den Spulen erzeugt wird, in die magnetischen Elemente und somit auch in diese Wellen. So entsteht das Problem, dass, da die magnetischen Eigenschaften der Wellen eine große Schwankungen aufweisen und auch die Temperaturcharakteristik der Wellen nicht gut ist, die Präzision der Drehmoment-Erfassungseinheit verschlechtert wird, wenn ein Aufbau eingesetzt wird, in welchem ein großer Teil des Leck-Magnetflusses in die Wellen fließt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um das oben erwähnte Problem zu lösen.
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Gemäß der Erfindung wird das Problem gelöst durch eine Drehmoment-Erfassungseinheit nach Anspruch 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Drehmoment-Erfassungseinheit sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht, die eine Drehmoment-Erfassungseinheit gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine teilweise geschnittene Vorderansicht, die ein Sensormodul der Drehmoment-Erfassungseinheit gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine Draufsicht, die das Sensormodul der Drehmoment-Erfassungseinheit gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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4 eine teilweise geschnittene Vorderansicht, die eine Drehmoment-Erfassungseinheit nach dem Stand der Technik zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Ausführungsform 1)
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1 ist eine Frontansicht im Schnitt, die eine Drehmoment-Erfassungseinheit gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Gleiche Symbole bezeichnen gleiche oder äquivalente Elemente und Teile wie im Beispiel nach dem Stand der Technik in 4.
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In 1 ist ein Lenkrad (nicht gezeigt) an einer ersten Welle 1 angebracht, und ein Ritzel (nicht gezeigt) eines Lenkungsmechanismus ist an einer zweiten Welle 2 angebracht. Dann ist eine Torsionsstange 3 an mittleren Achsen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 angebracht, um beide Wellen in einer Verdrehungsrichtung elastisch zu verbinden. Die erste Welle 1 und die zweite Welle 2 sind drehbar in einem zylindrischen Gehäuse 4 gelagert, das in den Fahrzeugkörper etc. über Lager 5a, 5b eingepasst ist.
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Eine zylindrische Aluminiumbasis 31, die eine vorbestimmte Länge in der axialen Richtung aufweist, ist an der ersten Welle 1 derart angebracht, dass sie durch dichtendes Anbringen eines Dichtungsabschnitts 32 auf der erste Welle 1 befestigt werden kann.
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Ein Halteelement 114b ist ein zylindrisches Plastikteil, das entlang der zylindrischen Aluminiumbasis 31 angeordnet und an der zweiten Welle 2 durch dichtendes Anbringen eines Aluminiumabschnitts auf das rechte Ende befestigt ist. Auch ist ein Paar von großen Fenstern, die verwendet werden, um ein Halteelement 114a anzuordnen, in dem Mittelabschnitt des Halteelements 114b in der axialen Richtung vorgesehen. Das Halteelement 114a ist ein Paar von Plastikteilen, die in 1 vertikal gezeigt sind, deren Kopfabschnitt von dem Fenster des Halteelements 114b hervorsteht und deren unterer Abschnitt an einem äußeren Umfang des Basiselements 31 angebracht ist.
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Ein erstes und ein drittes magnetisches Element 11, 13 sind aus einer weichmagnetischen, amorphen Metallfolie etc. gebildet, welche rund auf einer zylindrischen äußeren Oberfläche des Halteelements 114b angebracht ist. Auch ist ein zweites magnetisches Element 12 aus einem Paar von weichmagnetischen, amorphen Metallfolien etc. gebildet, die jeweils rund auf zylindrischen äußeren Oberflächen eines Paars von Halteelementen 114a angebracht sind.
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Rechtwinklige Zahnabschnitte 11a sind an der rechten Endkante des ersten magnetischen Elements 11 mit einer gleichen Teilung entlang der Umfangsrichtung gebildet. Rechtwinklige Zahnabschnitte 12a sind auf der linken Endkante des zweiten magnetischen Elements 12, das der rechten Endkante des ersten magnetischen Elements 11 gegenüberliegt, mit einer gleichen Teilung entlang der Umfangsrichtung gebildet, und rechtwinklige Zahnabschnitte 12b sind auch auf der rechten Endkante des zweiten magnetischen Elements 12, das der linken Endkante des dritten magnetischen Elements 13 gegenüberliegt, mit einer gleichen Teilung entlang der Umfangsrichtung gebildet. Rechtwinklige Zahnabschnitte 13a sind auch mit einer gleichen Teilung an der linken Endkante des dritten magnetischen Elements 13 gebildet.
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Eine erste Spule 21a umläuft einen äußeren Umfang, der an einer Zwischenposition zwischen dem ersten magnetischen Element 11 und dem zweiten magnetischen Element 12 gelegen ist. Eine zweite Spule 21b umläuft einen äußeren Umfang, der bei einer Zwischenposition zwischen dem zweiten magnetischen Element 12 und dem dritten magnetischen Element 13 gelegen ist.
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Als nächstes wird die Arbeitsweise der Drehmoment-Erfassungseinheit gemäß der obigen Ausführungsform erklärt.
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Wenn ein Drehmoment vom Lenkrad (nicht dargestellt) auf die zweite Welle 2 übertragen wird, wird eine Verdrehung der Torsionsstange 3 verursacht, so dass ein relativer Winkelversatz zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 erzeugt wird. Dann wird in Umfangsrichtung zwischen dem zweiten magnetischen Element 12, das an der ersten Welle 1 über das Halteelement 114a angebracht ist, und dem ersten magnetischen Element 11 und dem dritten magnetischen Element 13, die an der zweiten Welle 2 über das Halteelement 114b angebracht sind, eine Drehphasendifferenz erzeugt, so dass gegenüberliegende Flächen zwischen den Zahnabschnitten der jeweiligen magnetischen Elemente, die als magnetische Pfade dienen, geändert werden. Beispielsweise wird in 1, wenn das zweite magnetische Element 12 durch eine Verdrehung der ersten Welle 1 aufwärts versetzt wird, während die zweite Welle 2 und das erste und dritte magnetische Element 11, 13, die an der zweiten Welle 2 angebracht sind, befestigt sind, die gegenüberliegende Fläche zwischen den Zahnabschnitten 11a und den Zahnabschnitten 12a verringert, während die gegenüberliegende Fläche zwischen den Zahnabschnitten 12b und den Zahnabschnitten 13a vergrößert wird. Somit wird die Induktanz der ersten Spule 21a verringert, während die Induktanz der zweiten Spule 21b erhöht wird. Dann kann das Drehmoment durch Aufbringen eines Wechselstromes von der Erfassungsschaltung (nicht gezeigt) und einem anschließenden Erfassen einer Änderung in der Induktanz erfasst werden.
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Gemäß der Drehmoment-Erfassungseinheit der Ausführungsform kann der alternierende magnetische Fluss, der in jeweiligen Spulen durch den von der Erfassungsschaltung (nicht gezeigt) aufgebrachten Wechselstrom erzeugt wird, in die jeweiligen magnetischen Elemente fließen. Trotzdem erreicht ein derartiger alternierender magnetischer Fluss selten die erste Welle 1 und die zweite Welle 2, die radial innerhalb des Basiselements 31 positioniert sind, da er durch den Wirbelstrom ausgelöscht wird, der in dem Basiselement 31, die aus einem leitenden Material gebildet ist, erzeugt wird. Folglich kann der Vorteil erreicht werden, dass die Induktanz der Spule nicht von der magnetischen Eigenschaft der obengenannten Welle abhängt und somit eine Änderung in der Induktanz ausschließlich aufgrund der Drehphasendifferenz zwischen den magnetischen Elementen erfasst werden kann.
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Auch hat, wenn die weichmagnetische, amorphe Metallfolie als die magnetischen Elemente eingesetzt wird, eine derartige Metallfolie ganz ausgezeichnete magnetische Eigenschaften und eine geringe Dicke von weniger als einigen 10 μm. Folglich ist eine derartige Metallfolie für eine Bildung des kompakten und hochpräzisen Sensormoduls am meisten bevorzugt.
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Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Drehmoment-Erfassungseinheit erklärt. 2 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht, die ein Sensormodul der Drehmoment-Erfassungseinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 ist eine Draufsicht, die das Sensormodul der Drehmoment-Erfassungseinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Wie in der Schnittansicht in der oberen Hälfte der 2 gezeigt ist, ist eine ringförmige Rippe 31a am linken Ende des Basiselements 31 vorgesehen, und eine weitere ringförmige Rippe 114ba ist am linken Ende des Halteelements 114b vorgesehen. Diese Rippen werden zwischen einem Paar von Plastikelementen zur temporären Befestigung 33a, 33b angeordnet, um temporär befestigt zu werden. Mit anderen Worten weist jedes der Elemente zur temporären Befestigung 33a, 33b einen halbzylindrischen Bandabschnitt 34 und drei Rippen 35 auf. Relative Versetzungen des Basiselements 31 und des Halteelements 114b entlang der radialen Richtung werden durch den Bandabschnitt 34 beschränkt, und relative Versetzungen des Basiselements 31 und des Halteelements 114b entlang der axialen Richtung werden auch durch die drei Rippen 35 beschränkt.
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In 3 bilden obere Enden eines Paars von Elementen zur temporären Befestigung 33a, 33b ein Gelenk aus, und untere Enden davon bilden Fassungen von selbstschneidenden Schrauben. Die Elemente zur temporären Befestigung 33a, 33b werden wechselseitig durch Anschrauben der selbstschneidenden Schrauben 36 angebracht, und somit werden das Basiselement 31 und das Halteelement 114b temporär befestigt, wodurch das Sensormodul der Drehmoment-Erfassungseinheit aufgebaut werden kann. Dabei wird das Sensormodul präzise derart aufgebaut, dass Drehphasendifferenzen zwischen dem ersten bis dritten magnetischen Element 11, 12, 13 auf vorbestimmte neutrale Positionen positioniert werden können.
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Dann wird das Sensormodul an der ersten Welle 1 derart angebracht, dass eine Öffnung, die in der ersten Welle 1 vorgesehen ist, mit dem Dichtungsabschnitt 32 überlagert wird. Dann wird ein dünner Abschnitt des Dichtungsabschnitts 32 in die Öffnung gedrückt, die in der ersten Welle 1 vorgesehen ist, indem ein stabähnliches Werkzeug gegen den Dichtungsabschnitt 32 durch einen Öffnungsabschnitt 41 in dem Halteelement 114b gedrückt wird, und dann dichtend angebracht. Zu dieser Zeit wird, wenn der Dichtungsabschnitt 32 zu dick ist, die gesamte Basis 31 geklemmt und somit deformiert, und deswegen wird die Dicke des Dichtungsabschnittes 32 auf ungefähr die Hälfte des anderen Abschnittes oder weniger eingestellt.
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Dann werden die erste Welle 1 und die zweite Welle 2 durch die Torsionsstange 3 zusammengekoppelt. Nach dem Stand der Technik ist das Thema die falsche Präzision der relativen Winkel in diesem Schritt. Im Herstellungsverfahren der Ausführungsform kann jedoch, da das Sensormodul vorübergehend in diesem Schritt so befestigt ist, wie es ist, dessen vorbestimmter neutraler Zustand gehalten werden. Unter dieser Bedingung wird das rechte Ende des Halteelements 114b abgedichtet und an der zweiten Welle 2 befestigt, und dann werden die Elemente zur temporären Befestigung 33a, 33b entfernt. Folglich kann der Wellenabschnitt der Drehmoment-Erfassungseinheit gefertigt werden, während die neutralen Positionszustände des ersten magnetischen Elements 11 gegenüber dem dritten magnetischen Element 13 erhalten bleiben.
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Gemäß dem ersten bis achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Sensormodul vorbereitet, wobei die magnetischen Elemente, die in der gleichen Phase wie die erste Welle gedreht werden, und das magnetische Element, das in der gleichen Phase wie die zweite Welle gedreht wird, temporär befestigt werden, wobei sie zuvor eine vorbestimmte neutrale Drehphasendifferenz aufweisen, und dann wird die temporäre Befestigung gelöst, nachdem die erste Welle, die zweite Welle, das elastische Element und das Sensormodul zusammengebaut worden sind. Deswegen können die Vorteile erreicht werden, dass keine Notwendigkeit besteht, den Winkel zu justieren, wenn die erste Welle und die zweite Welle durch das elastische Element zusammengekoppelt werden, und somit kann die Drehmoment-Erfassungseinheit durch einfache Herstellungsschritte gefertigt werden.
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Gemäß dem vierten bis sechsten und neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Wellen von dem Basiselement umgeben, die aus einem leitfähigen Material gebildet ist, und die magnetischen Elemente sind radial außerhalb des Basiselements angeordnet. Deswegen kann der Vorteil erreicht werden, dass der magnetische Fluss, der durch die Spule erzeugt wird, nicht in die Wellen fließt, und somit kann das Problem der falschen Präzision aufgrund einer Instabilität der magnetischen Eigenschaft der Wellen überwunden werden.
