DE10144054A1

DE10144054A1 - Torsion module for a torque-sensing device for measurement of the torque applied by a motor vehicle steering column, has an arrangement for limiting displacement of elements of the torsion module that is cost-effective and precise

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

Module comprises a spoked wheel (1) with inner (2) and outer (4) rims linked by flexing spokes (3.1-3.4). To limit relative movement of the inner and outer rims, and therefore flexing of the spokes, a stop arrangement is provided with stop elements in the form of pins (6.3-6.4) placed in matching openings (5.1-5.4; 4.1- 4.4) in the stop arrangement and the outer rim.

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. The present invention relates to a torsion module for a Torque detection device of a steering system or Steering force support system, comprising a spoke wheel with one on the steering spindle attachable inner wreath and one over bending spokes with the inner Wreath connected and arranged concentrically to this outer Wreath.

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. Torque detection devices of the type in question are in Motor vehicles used to the torque exerted on the steering wheel to capture which is the input variable for electrical Power steering systems is needed. For torque detection a torsion module is required that has a rotation angle offset between two cooperating components - steering shaft and steering wheel - at Torque allowed. As a torsion module for one Steering torque detection device is a body in DE 27 34 182 used, the two spaced apart in the axial direction Rings is formed with several at the same angular distance from each other arranged metal strips are connected. While the top ring is rotatably connected to the steering wheel, the lower ring is rotatably connected to the Steering spindle connected. When applying torque to the steering wheel and thus on the upper ring the metal strips are subject to torsion and are therefore subject to a bend. The degree of bending of the Metal strips provide information about the applied torque. To capture this size, strain gauges are attached to some metal strips, that are connected to an evaluation unit. A torsion module of this kind on the one hand does not offer protection against incorrect measurements Loads that occur in the axial direction, as such too Bend of the metal strips can lead, on the other hand, it has a relative large height in the axial direction.

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. A corresponding to the preamble of the present main claim Torsion module in which two elements are arranged concentrically to each other are known from DE 37 37 696 A1. With the object this torsion module is an internal wreath over as bending rods trained spokes connected with an external ring. In contrast to the bending spokes, rigid spokes are arranged, which each of the inner and outer wreath in one Bring the stop assembly into engagement with the stop element.

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. The application of strain gauges, as in the known Torsion modules, for example, is a complex process and reliable measurement accuracy, especially over a longer period Lifespan is not necessarily guaranteed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Torsionsmodul der genannten Art bereitzustellen, bei dem der Einsatz kostengünstiger und zuverlässiger Meßwertaufnehmer möglich ist. The object of the present invention is therefore to provide a torsion module Provide mentioned type, in which the use of cheaper and reliable sensor is possible.

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. This object is achieved in that the bending spokes are formed by separately manufactured elements, which with the inner and the outer ring is connected in a non-positive and / or positive manner, at least one of the bending spokes being electrically non-conductive Surface.

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. In a particularly preferred embodiment, the bending spokes exist made of a ceramic material, which is used to apply the Transducers in a thick-film or thin-film process has the required electrically non-conductive surface per se.

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. But it is also possible to use bending spokes made of metal, the Then by an additional coating process or a surface chemical conversion process (oxidation) the required electrical receives non-conductive property.

Weitere besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Further particularly favorable configurations of the invention Subject matter are specified in the subclaims and are based on of the embodiment shown in the drawing.

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. As can be seen from the figure, which shows a torsion module according to the invention in a perspective view, such a torsion module for a torque detection device of a steering system or steering force support system comprises a spoke wheel 1 with four bending spokes 3.1-3.4 , which has an inner ring 2 which can be fastened to the steering spindle and which has a Connect the outer rim 4 , which is arranged concentrically to this and is intended for attachment to a steering wheel, and which are subject to a bend at least in regions in the event of a rotational angle offset between the inner rim 2 and the outer rim 4 . The inner ring 2 is provided with a multi-tooth profile 2 'for attachment to the steering spindle, the outer ring 4 has holes 4 ' extending in the axial direction for attachment to the steering wheel.

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. The bending spokes 3.1-3.4 are made of a ceramic material and are designed in their geometry so that, on the one hand, a flawless, in particular non-positive connection with the two rings 2 , 4 is possible, and on the other hand a defined deformation of the spokes in the event of bending stress is. Arranged on one of the bending spokes 3.1 on one of its flat sides is a measuring transducer 7 designed as a piezoresistive resistor, which generates an electrical signal when the spoke is subjected to bending stress. Since the bending spokes 3.1-3.4 are produced as separate parts in a production process that is independent of the manufacture, in particular, of the rings 2 , 4 , the transducers 7 can, for. B. by thick film processes such. B. screen printing or by thin film processes such as sputtering or vapor deposition. In the same process, further electrical conductor structures and components can also be applied to the same surface, which serve to forward the electrical signals or already form part of an electronic circuit provided for the further processing of these signals. However, while the transducer 7 will be installed where the bending spoke 3.1 is subjected to the greatest possible deformation, the opposite is the case for the other components; they should be installed in an area that is subject to as little or as little deformation as possible. Corresponding areas can be specifically formed by suitable geometric shaping of the bending spoke 3.1 . Of course, a plurality of transducers 7 - for example on each of the opposing surfaces of one - can be attached to the one bending spoke 3.1 , the output signals of which are linked together in the sense of a measuring bridge. To form such a measuring bridge circuit, transducers 7 can also be attached to several of the bending spokes 3.1-3.4 .

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. Arranged alternately to the bending spokes, the spoke wheel 1 3.1-3.4 rigid spoke portions 5.1-5.4 on, which are integral with the inner ring 2 and extends up to the vicinity of the inner edge extending from that of the outer rim. 4 At their ends, the spoke sections 5.1-5.4 have pins 6.1-6.4 which extend further in the radial direction and which protrude into the holes 4.1-4.4 in the outer ring 4 and, because of the larger diameter of the holes 4.1-4.4, compared to that of the pins 6.1-4.4. 6.4 Form stop elements which interact with the walls of the holes 4.1-4.4 as associated stop arrangements . The movement of the inner ring 2 relative to the outer ring 4 is limited both in the radial and in the axial direction.

Claims

1. Torsion module for a torque detection device of a steering system or steering force support system, comprising a spoke wheel ( 1 ) with an inner ring ( 2 ) which can be fastened to the steering spindle and an inner ring ( 2 ) connected via concentric spokes ( 3.1-3.4 ) and arranged concentrically to the latter outer rim ( 4 ), which bending spokes ( 3.1-3.4 ) are subject to a bend at least in regions when there is a rotation angle offset between the inner ( 2 ) and the outer rim ( 4 ), and being alternately rigid to the bending spokes ( 3.1-3.4 ), in each case stop elements ( 6.1-6.4 ) engaging in an associated stop arrangement ( 4.1-4.4 ) are arranged, characterized in that the bending spokes ( 3.1-3.4 ) are formed by separately manufactured elements which are connected to the inner ( 2 ) and the outer ring ( 4 ) are each non-positively and / or positively connected, at least one of the bending spokes ( 3.1 ) being electrically has non-conductive surface.

2. Torsion module according to claim 1, characterized in that the at least one bending spoke ( 3.1 ) with an electrically non-conductive surface consists of a ceramic material.

3. Torsion module according to claim 1, characterized in that the at least one bending spoke ( 3.1 ) with an electrically non-conductive surface consists of a metal with a surface insulation layer.

4. Torsion module according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one bending spoke ( 3.1 ) with an electrically non-conductive surface on this surface a pressure or strain sensitive, electrical output signals generating transducer ( 7 ) at such an area of the bending spoke ( 3.1 ), which is subject to a bend in the event of a rotational angle offset between the inner ( 2 ) and the outer ring ( 4 ).

5. Torsion module according to claim 4, characterized in that the transducer ( 7 ) is a piezoresistive resistor produced in the thick-film process.

6. Torsion module according to claim 4, characterized in that the transducer ( 7 ) is a piezoresistive resistor produced in the thin film process.

7. Torsion module according to one of claims 4 to 6, characterized in that the at least one bending spoke ( 3.1 ) with an electrically non-conductive surface on this surface has electrical conductor structures and / or components which are used for forwarding and / or processing the signals of the transducer ( 7 ) are provided.

8. Torsion module according to claim 7, characterized in that at least the electrical components are arranged on such a region of the bending spoke ( 3.1 ) which is subjected to a slight bend in the event of a rotational angle offset between the inner ( 2 ) and the outer ring ( 4 ).