-
Bei
der Steuerung von Systemen mit rotierenden Antriebswellen, wie z.B.
einem elektronischen Servo-Lenksystem („EPAS-System), ist die Größe des auf
die Welle angewandten Moments ein wichtiger Parameter zur Steuerungs-Rückkopplung. Die exakte, zuverlässige und
kostengünstige
Abnahme und Messung des Momentes ist daher ein Hauptziel Entwicklung.
Hierfür
sind kontaktlose magnetoelastische Momentgeber entwickelt worden.
-
Diese
z.B. in
U.S. 4,896,544 dargestellten kontaktlosen
Momentgeber beinhalten einen Sensor, der ein momenttragendes Element
mit einer geeigneten ferro-magnetischen und magnetoelastischen Oberfläche, zwei
axial umlaufende Bänder
im Element, die eine durch eine symmetrisch helical gerichtete Eigenspannung
induzierte magnetische Anisotropie aufweisen, und eine Magnet-Diskriminator-Baugruppe
(Impulsunterscheider-Baugruppe) zur am berührungslosen Detektion von Differenzen
im Ansprechverhalten der zwei Bänder
auf gleiche axial magnetisierende Kräfte aus angetriebenen Bauteil. Üblicherweise
wird die Magnetisierung und Messung durch Verwendung eines Paares
von Erreger- oder Magnetspulen erreicht, die die Bänder überlagern bzw.
umgeben, wobei die Spulen in Reihe geschaltet sind und mit Wechselstrom
betrieben werden. Das Moment wird unter Verwendung eines Paares
entgegengesetzt angeschlossener Detektorspulen zur Messung eines
aus den Flüssen
in den zwei Bändern resultierenden
Differenzsignals abgenommen. Die Bereitstellung hinreichenden Raumes
für die
erforderlichen Erreger- und Detektorspulen auf und um die Vorrichtung,
auf die der Sensor angewandt wird, hat praktische Schwierigkeiten
in Anwendungen aufgeworfen, in denen der netzbare Raum nicht ausreicht.
Weiterhin erschienen solche Sensoren unverhältnismäßig teuer bei einer zur Verwendung
in stark kostenempfindlichen Vorrichtungen, wie z.B. Automobilanwendungen.
-
In
jüngster
Vergangenheit wurden Momentgeber entwickelt, die auf dem Prinzip
der Messung des Feldes, das durch das drehmomentinduzierte Kippen
der anfänglichen
umlaufenden Remanenzmagnetisierung entsteht, basiert. Diese Geber
verwenden einen dünnen
Ring oder Bund, der als feldgenerierendes Element dient. Die Zug-„Ring"-Spannung im Ring,
in Verbindung mit seinen Verbindungen mit der Welle verursachen
eine vorherrschende, umlaufend gerichtete einachsige Anisotropie.
Nach Anwendung einer Torsionsspannung auf die Welle richtet sich
die Magnetisierung neu aus und wird mit steigender Torsionsspannung
zunehmend helical. Die helicale Magnetisierung resultierend aus
der Torsion besitzt sowohl eine umlaufende Komponente als auch eine
axiale Komponente, wobei die Größe der axialen
Komponente vollständig
von der Torsion abhängt.
Einer oder mehrere Feldvektor-Sensoren messen die Größe und Polarität des entstehenden Feldes
als Folge des angewandten Moments im Raum um den Geber und liefern
ein die vorzeichenbehaftete Größe des Moments
kennzeichnendes Ausgangssignal. Die Beständigkeit der „Magnet-zu-Feld" Übertragungsfunktion des Gebers
unter schwierigen Arbeitsbedingungen kennzeichnet die Effizienz
einachsiger Anisotropie bei der Stabilisierung der Circularpolarisationen.
Diese Anisotropie in Verbindung mit der räumlich geschlossenen Natur der
Ruhepolarisation ist ebenfalls die Grundlage einer Immunität gegen
Polarisations verlust bei relativ großen Feldern. Während die
vom Ring selbst ausgehenden Felder lediglich Hard-Axis-Komponenten relativ
zur Anisotropie aufweisen, besitzen „parasitäre" Felder aus permeablem Material, das
nahe genug angeordnet ist, um magnetisiert zu werden, diese Einschränkung nicht.
Die Hinzunahme solcher „parasitärer" Felder zum momentabhängigen Feld
des Ringes kann die Übertragungsfunktion
erheblich verschlechtern.
-
Um
eine größere Quelle
solcher Verzerrungen zu vermeiden, werden demzufolge entweder die unterliegende
Welle oder eine Buchse, die zwischen Welle und Ring angeordnet ist,
im Allgemeinen aus einem paramagnetischen Material gefertigt. Insofern als
dass das maximal zulässige
Moment in einem Ringsensor durch den Schlupf an der Ring/Welle-Grenzfläche begrenzt
wird, sind Bedenken hinsichtlich der durch Schlupf an der Ring/Welle-Grenzfläche auftretenden
Verzerrung unter Momentüberlastungsbedingungen
geäußert worden.
Die Notwendigkeit Bauteile aus verschiedenen Materialien zu verbinden
und zusammen damit, ein Montageverfahren und Schritte zu etablieren,
das ein rigides, schlupffreies mechanische Bauteil mit den gewünschten
magnetisch-anisotropen Eigenschaften liefert, haben die Entwicklung
alternativer Konstruktionen gefördert.
Die Bereitstellung derartiger Bauteile, insbesondere einer Torsionswelle,
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
-
Die
Aufgabe wird durch eine Torsionswelle mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
-
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine Torsionswelle für ein elektronisches
Servo-Lenksystem („EPAS") eines Fahrzeugs
vorgestellt. Die Torsionswelle des EPAS-Systems weist eine Welle
auf, wobei ein erster Bereich der Welle magnetisiert ist und ein
zweiter Bereich der Welle nicht magnetisiert ist. Die Torsionswelle
umfasst weiterhin eine an der Welle befestigte Torsionskappe oder
-umhüllung.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird eine Torsionswelle für ein elektronisches Servo-Lenksystem
(„EPAS") eines Fahrzeugs
vorgestellt. Die Torsionswelle wird aus zwei diskreten Wellenteilen
hergestellt, von denen eines magnetisiert, das andere nicht magnetisiert
ist. Die beiden Teile werden wirksam miteinander zu einer einzigen
Welle verbunden. Die Torsionswelle umfasst weiterhin eine an der
Welle befestigte Torsionskappe oder -umhüllung.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer
Torsionswelle für
ein elektronisches Servo-Lenksystem („EPAS") eines Fahrzeugs vorgestellt. Mindestens
zwei Teile einer Torsionswelle werden zur Verfügung gestellt. Mindestens eines
dieser Teile ist magnetisiert, während
mindestens eines der Teile keine Magnetisierung aufweist. Die Teile
werden dann wirksam miteinander zu einer einzigen Welle verbunden.
-
Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit der
folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und den Ansprüchen ersichtlich.
Es zeigen:
-
1: eine Torsionswelle eines
EPAS-Systems gemäß einem
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
-
2: eine zweiteilige Welle
eines alternativen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
-
3: eine dreiteilige Welle
eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung; und
-
4: eine Torsionswelle eines
EPAS-Systems gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit einen Magnetfeldsensor im Querschnitt.
-
Eine
erfindungsgemäße Torsionswelle
wird als unshunted und collarless bezeichnet. Mit anderen Worten
funktioniert die Torsionswelle der vorliegenden Erfindung ohne einen
besonders magnetisierten Bund. Gemeinhin wird der Bund über der
Torsionswelle angeordnet, um das zur Messung der Torsion verwandte
Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld geht hier stattdessen von
einer selektiven Magnetisierung der Torsionswelle selbst aus. Eine
solche Welle ist in einem EPAS-System besonders nützlich. Wie
im Folgenden erläutert
kann die Torsionsweelle aus einem leichten, preiswerten magnetisierbaren Material
gefertigt werden, was zu einem geringerem Fahrzeuggewicht und geringen
Fahrzeugkosten für den
Käufer
führt.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer Torsionswelle der vorliegenden Erfindung im Querschnitt. Das
Ausführungsbeispiel
nach 1 umfasst drei
Bereiche: einen magnetisierten Wellenbereich 10, einen
nichtmagnetisierten Wellenbereich 12 und eine Torsionskappe 14.
Der magnetisierte Wellenbereich 10 und der nicht-magnetisierte
Wellenbereich 12 bilden eine Welle 16 aus, an
der die Torsionskappe 14 angebracht ist.
-
Die
Torsionskappe 14 ist gemäß dem Stand der Technik ausgeführt, um
eine reibungsfreie aber dennoch sichere Verbindung zwischen der
Torsionswelle und anderen beweglichen Bauteilen des Fahrzeugs zu
ermöglichen.
Ein erstes Endstück 20 der Torsionskappe 14,
ist daher, wie in 1 dargestellt, mit
Gewindegängen
oder Zähnen
versehen. Es kann jedoch jede Form, die geeignet ist, eine sichere
Verbindung zu gewährleisten,
verwendet werden. Weiterhin kann ein zweites Endstück 18 der
Welle 16, jedwede Form besitzen, die für eine Torsionswelle eines
EPAS-Systems erforderlich ist. So können z.B. die Endstücke 18, 20 Rillen
aufweisen, so dass sie leicht in ein aufnehmendes Bauteil gleiten,
oder sie können
Gewindegänge
oder Zähne
auf weisen, um eine Verbindung mit einem Getriebe oder einer anderen
Drehvorrichtung zu ermöglichen.
Weiter dem Fachmann auf dem Gebiet geläufige Formen oder aber später entwickelte
können
ebenfalls verwendet werden.
-
Die
Torsionskappe 14 kann aus einem nicht-ferromagnetischen
Metall, wie z.B. Edelstahl, gefertigt sein. Die Torsionskappe 14 ist
entweder über
einen Stift, durch Schweißen
oder ein anderes nach dem Stand der Technik bekanntes Verfahren mit
der Torsionswelle verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Torsionskappe 14 mit
dem magnetisierten Wellenbereich 10 verbunden.
-
Die
Welle 16 kann jedwede Form aufweisen, wie zum Beispiel
im allgemeinen eine zylindrische oder ovale Form. Die Welle 16 kann
in Abhängigkeit von
Gewichts-, Material oder Formanforderungen sowohl massiv als auch
hohl sein. In 1 ist
eine Hohlform dargestellt. Die Welle 16 besteht aus einem einzigen
Metall. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfassen sowohl der magnetisierte Wellenbereich 10 als
auch der nicht-magnetisierte Wellenbereich 12 ein Stück eines
magnetoelastischen Metalls, wie zum Beispiel T250 Stahl. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird
der magnetisierte Wellenbereich 10 durch die Magnetisierung
eines Bereiches der Welle 16 erzeugt. Die Magnetisierung
kann mittels jeden bekannten oder noch zu entwickelnden Verfahren
erfolgen. Der magnetisierte Wellenbereich 10 kann einen beliebigen
Anteil bzw. beliebige Länge
der Welle 16 umfassen, z.B. von ca. 25% bis ca. 75% der
Länge der
Welle 16. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt der magnetisierte
Bereich ca. 45%–55%,
insbesondere 50% der Länge
der Welle 16.
-
Bei
diesem Ausführungsbeispiel
werden der magnetisierte Wellenbereich 10 und der nicht-magnetisierte
Wellenbereich 12 aus einem einzigen Bauteil geformt, aber
können
sie auch aus zwei oder mehr separaten Bauteilen geformt werden,
die mittels Schweißen,
Kleben oder jedes andere dem Fach mann bekannte Befestigungsverfahren
miteinander verbunden werden. Wie z.B. nach dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Torsionswelle
ein magnetisiertes Bauteil 22, das mit einem nicht-magnetisiertem
Bauteil 24 verbunden ist, beinhalten. Ein Ausführungsbeispiel
einer dreiteiligen Torsionswelle ist in 3 dargestellt, bei dem ein magnetisiertes
Bauteil 22 zwischen zwei nicht-magnetisierten Bauteilen 24 und 24 angeordnet
ist. Während
das magnetisierte Bauteil 22 aus einem magnetoelastischen
Material, z.B. T250 Stahl, gefertigt ist, das magnetisiert wurde,
kann das nicht-magnetisierte Bauteil 24 aus einem nicht-magnetisierten
magnetoelastischen Material oder aus einem nicht ferromagnetischen
Material, wie z.B. Edelstahl, gefertigt sein.
-
Der
aktive Bereich wird durch die Existenz der erwähnten Magnetisierungen definiert.
Der magnetisierte Wellenbereich 10 der Welle 16 ist
vom nichtmagnetisierten Wellenbereich 12 durch das Fehlen
einer nennenswerten Magnetisierung zu unterscheiden. Daher sind,
außer
aus zweitrangigen Gründen,
um den aktiven Bereich zu kennzeichnen oder eine Eigenschaft der
Geber-Performance zu optimieren, die mit anderen Wellen-Aufgaben
zusammenhängen,
weder die chemische Zusammensetzung, die metallurgische Beschaffenheit,
der Durchmesser, die Oberflächenbehandlung
oder die Oberflächengüte des magnetisierten
Wellenbereiches 10 vom nichtmagnetisierten Wellenbereich 12 zu
unterscheiden. Der magnetisierte Wellenbereich 10 ist z.B.
zur Optimierung der messwertgebenden Eigenschaften des magnetisierten
Wellenbereichs 10 wärmebehandelt.
Die Wärmebehandlung
kann die metallurgische Beschaffenheit des magnetisierten Wellenbereichs 10 so
verändern,
dass sie sich von der des nicht-magnetisierten Wellenbereichs 12 unterscheidet.
Mit dieser Wärmebehandlung
wird nicht zwangsläufig
auch die Verarbeitung der Welle beeinflusst, sondern sie wirkt endemisch
auf die Optimierung.
-
Nach
dem Stand der Technik ist ein außerhalb der Welle 16 angeordneter Magnetfeldsensor üblich. 4 stellt ein Ausführungsbeispiel
der Welle 16 dar, das einen innerhalb der Welle 16 angeordneten
Magnetfeldsensor 26 beinhaltet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Welle 16 hohl. Der Magnetfeldsensor 26 kann
innerhalb der Welle 16 mittels jedweder bekannten oder
noch später
zu entwickelnden Methode befestigt sein. Vorzugsweise wird ein Stiftloch
durch die Torsionskappe 14, die Welle 16 und den
Magnetfeldsensor 26 erzeugt und ein Stift 28 wird
zur Verbindung der Bauteile verwendet.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben
worden ist, wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass Erweiterungen,
Modifikationen, Ersetzungen und Streichungen, die nicht explizit beschrieben
worden sind, vorgenommen werden können, ohne den Gedanken und
den Anwendungsbereich der Erfindung, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert
ist, zu verlassen.
-
- 10
- magnetisierter
Wellenbereich
- 12
- nicht-magnetisierter
Wellenbereich
- 14
- Torsionskappe
- 16
- Welle
- 18
- Endstück (der
Torsionswelle)
- 20
- Endstück (der
Torsionskappe)
- 22
- magnetisiertes
Bauteil
- 24,
24
- nicht-magnetisiertes
Bauteil
- 26
- Magnetfeldsensor
- 28
- Stift