DE10144054A1

DE10144054A1 - Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE10144054A1
Application number: DE2001144054
Authority: DE
Inventors: Stefan Garneyer; Klaus Nieding; Harald Donner; Ralf Boebel
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems, 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. DOLLAR A Bei einem solchen Torsionsmodul ist das technische Problem zu lösen, den Einsatz kostengünstiger und zuverlässiger Meßwertaufnehmer zu ermöglichen. DOLLAR A Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Biegespeichen durch separat hergestellte Elemente gebildet sind, die mit dem inneren und dem äußeren Kranz jeweils kraft- und/oder formschlüssig verbunden sind, wobei zumindest eine der Biegespeichen eine elektrisch nichtleitende Oberfläche aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems, 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.
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 Hauptanspruchs 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 mittels eines in eine Anschlaganordnung eingreifenden Anschlagelements in Eingriff bringen.
Die Anbringung von Dehnungsmeßstreifen, wie sie bei den bekannten Torsionsmodulen beispielsweise vorgesehen ist, ist ein aufwendiger Prozeß und eine zuverlässige Meßgenauigkeit insbesondere über eine längere Lebensdauer ist nicht unbedingt gewährleistet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Torsionsmodul der genannten Art bereitzustellen, bei dem der Einsatz kostengünstiger und zuverlässiger Meßwertaufnehmer möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Biegespeichen durch separat hergestellte Elemente gebildet sind, die mit dem inneren und dem äußeren Kranz jeweils kraft- und/oder formschlüssig verbunden sind, wobei zumindest eine der Biegespeichen eine elektrisch nichtleitende Oberfläche aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestehen die Biegespeichen dabei aus einem Keramik-Material, welches die zur Aufbringung der Meßwertaufnehmer in einem Dickschicht- oder Dünnschichtprozeß erforderliche elektrisch nichtleitende Oberfläche per se aufweist.
Es ist aber auch möglich, Biegespeichen aus Metall zu verwenden, wobei die Oberfläche dann durch einen zusätzlichen Beschichtungsvorgang oder einen chemischen Umwandlungsprozeß (Oxidation) die erforderliche elektrisch nichtleitende Eigenschaft erhält.
Weitere besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Wie aus der Figur, die ein erfindungsgemäßes Torsionsmodul in einer perspektivischen Ansicht zeigt, ersichtlich ist, umfaßt ein solches 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 vorgesehenen 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 Vielzahnprofil 2' versehen, der äußere Kranz 4 weist zur Befestigung an dem Lenkrad in axialer Richtung sich erstreckende Bohrungen 4' auf.
Die Biegespeichen 3.1-3.4 bestehen aus einem Keramik-Material, und sind in ihrer Geometrie so gestaltet, daß zum einen eine einwandfreie, insbesondere kraftschlüssige Verbindung mit den beiden Kränzen 2, 4 möglich ist, zum anderen eine definierte Verformung der Speichen bei einer Biegebeanspruchung gegeben ist. Auf einer der Biegespeichen 3.1 ist auf einer ihrer Flachseiten ein als piezoresistiver Widerstand ausgeführter Meßwertaufnehmer 7 angeordnet, der bei einer Biegebeanspruchung der Speiche ein elektrisches Signal generiert. Da die Biegespeichen 3.1-3.4 in einem von der Herstellung insbesondere der Kränze 2, 4 unabhängigen Produktionsverfahren als separate Teile hergestellt werden, können die Meßwertaufnehmer 7 z. B. durch Dickschichtverfahren wie z. B. Siebdruck oder durch Dünnschichtverfahren wie Sputtern oder Aufdampfen hergestellt werden. In dem gleichen Prozeß können auch weitere elektrische Leiterstrukturen und Bauteile auf der gleichen Oberfläche aufgebracht werden, die zur Weiterleitung der elektrischen Signale dienen oder bereits einen Teil einer zur Weiterverarbeitung dieser Signale vorgesehenen elektronischen Schaltung bilden. Während aber der Meßwertaufnehmer 7 dort angebracht sein wird, wo die Biegespeiche 3.1 einer möglichst großen Verformung unterworfen ist, ist für die übrigen Bauelemente gerade das Gegenteil der Fall; sie sollten in einem Bereich angebracht sein, der einer möglichst geringen oder am besten gar keiner Verformung ausgesetzt ist. Entsprechende Bereiche können durch geeignete geometrische Formgebung der Biegespeiche 3.1 gezielt ausgebildet werden. Selbstverständlich können auf der einen Biegespeiche 3.1 auch mehrere Meßwertaufnehmer 7 - beispielsweise auf jeder der einander gegenüberliegenden Oberflächen einer - angebracht sein, deren Ausgangssignale im Sinne einer Meßbrücke miteinander verknüpft werden. Zur Bildung einer solchen Meßbrückenschaltung können auch auf mehreren der Biegespeichen 3.1-3.4 Meßwertaufnehmer 7 angebracht sein.
Wechselweise zu den Biegespeichen 3.1-3.4 angeordnet weist das Speichenrad 1 biegesteife Speichenabschnitte 5.1-5.4 auf, welche einstückig mit dem inneren Kranz 2 ausgeführt sind und sich von diesem bis in die Nähe des inneren Randes des äußeren Kranzes 4 erstrecken. Die Speichenabschnitte 5.1-5.4 weisen an ihren Enden sich in radialer Richtung weiter erstreckende Stifte 6.1-6.4 auf, die in in dem äußeren Kranz 4 vorhandene Bohrungen 4.1-4.4 hineinragen und wegen des größeren Durchmessers der Bohrungen 4.1-4.4 gegenüber dem der Stifte 6.1-6.4 Anschlagelemente bilden, welche mit den Wänden der Bohrungen 4.1-4.4 als zugeordnete Anschlaganordnungen zusammenwirken. Die Begrenzung der Bewegung des inneren Kranzes 2 gegenüber dem äußeren Kranz 4 ist dabei sowohl in radialer als auch in axialer Richtung gegeben.

Claims

1. Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems, umfassend ein Speichenrad (1) mit einem an der Lenkspindel befestigbaren inneren Kranz (2) und einem über Biegespeichen (3.1-3.4) mit dem inneren Kranz (2) verbundenen und konzentrisch zu diesem angeordneten äußeren Kranz (4), welche Biegespeichen (3.1-3.4) bei einem Drehwinkelversatz zwischen dem inneren (2) und dem äußeren Kranz (4) zumindest bereichsweise einer Biegung unterworfen sind, und wobei wechselweise zu den Biegespeichen (3.1-3.4) biegesteife, jeweils in eine zugeordnete Anschlaganordnung (4.1-4.4) eingreifende Anschlagelemente (6.1-6.4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegespeichen (3.1-3.4) durch separat hergestellte Elemente gebildet sind, die mit dem inneren (2) und dem äußeren Kranz (4) jeweils kraft- und/oder formschlüssig verbunden sind, wobei zumindest eine der Biegespeichen (3.1) eine elektrisch nichtleitende Oberfläche aufweist.

2. Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Biegespeiche (3.1) mit einer elektrisch nichtleitenden Oberfläche aus einem Keramik-Material besteht.

3. Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Biegespeiche (3.1) mit einer elektrisch nichtleitenden Oberfläche aus einem Metall mit einer oberflächlichen Isolationsschicht besteht.

4. Torsionsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Biegespeiche (3.1) mit einer elektrisch nichtleitenden Oberfläche auf dieser Oberfläche einen druck- oder dehnungsempfindlichen, elektrische Ausgangssignale generierenden Meßwertaufnehmer (7) an einem solchen Bereich der Biegespeiche (3.1) aufweist, der bei einem Drehwinkelversatz zwischen dem inneren (2) und dem äußeren Kranz (4) einer Biegung unterworfen ist.

5. Torsionsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (7) ein im Dickschichtverfahren hergestellter piezoresistiver Widerstand ist.

6. Torsionsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (7) ein im Dünnschichtverfahren hergestellter piezoresistiver Widerstand ist.

7. Torsionsmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Biegespeiche (3.1) mit einer elektrisch nichtleitenden Oberfläche auf dieser Oberfläche elektrische Leiterstrukturen und/oder Bauelemente aufweist, die zur Weiterleitung und/oder Verarbeitung der Signale des Meßwertaufnehmers (7) vorgesehen sind.

8. Torsionsmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die elektrischen Bauelemente an einem solchen Bereich der Biegespeiche (3.1) angeordnet sind, der bei einem Drehwinkelversatz zwischen dem inneren (2) und dem äußeren Kranz (4) einer geringen Biegung unterworfen ist.