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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe wird durch eine Torsionswelle mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Torsionswelle für ein Fahrzeug
vorgestellt. Die Torsionswelle schließt eine längliche Innenwelle und eine
an der Innenwelle angebrachte Außenmanschette, die über die
Innenwelle passt, ein. Eine Torsionskappe ist weiterhin an der Innenwelle
und an der Außenmanschette
befestigt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Torsionswelle
für ein Fahrzeug
vorgestellt. Diese Torsionswelle umfasst eine längliche Innenwelle und ein
um die Innenwelle angebrachtes Außengehäuse. Eine Torsionskappe ist
an der Innenwelle und dem Außengehäuse befestigt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Torsionswelle für ein Fahrzeug vorgestellt.
Eine Innenwelle und eine Außenmanschette
werden bereitgestellt und die Außenmanschette wird magnetisiert.
Die Innenwelle wird in die Außenmanschette eingeschoben
und die Innenwelle und die Außenmanschette
werden miteinander verbunden.
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit der
folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele ersichtlich
werden.
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit der
folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und den Ansprüchen ersichtlich.
Es zeigen:
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1: eine Torsionswelle gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2: eine Torsionswelle gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung entlang der angezeigten Ebene in 1 im Querschnitt;
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3: eine Torsionswelle gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit einem internen Magnetfeldsensor im
Querschnitt; und
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4: ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Torsionswelle der vorlie genden Erfindung.
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1 zeigt eine Torsionswelle
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Eine Torsionskappe 12 ist
an einem Ende einer montierten Welle 10 angebracht. Die
montierte Welle 10 und die Torsionskappe 12 können jedwede
Form aufweisen, jedoch weisen sie in diesem Ausführungsbeispiel dieselbe äußere Form
auf, um die Befestigung zu erleichtern. Die Welle 10 und
die Torsionskappe 12 weisen zum Beispiel eine im Allgemeinen
zylindrische Gestalt auf. Die Torsionskappe 12 kann mit
der montierten Welle 10 mittels jeden dem Stand der Technik bekannten
oder später
noch zu entwickelnden Verfahren verbunden werden. Die Torsionskappe 12 wird
beispielsweise mit der montierten Welle 10 durch Einschub
eines Stiftes in der montierten Welle 10 und der Torsionskappe 12 generierten
Befestigungsbohrungen verbunden. Endstücke 11, 13 der montierten
Welle 10 und der Torsionskappe 12, können jedwede
Form besitzen, die eine sichere Verbindung mit anderen rotierenden
Bauteilen des Fahrzeugs gewährleistet.
So können
beispielsweise die Endstücke 11, 13 Rillen
aufweisen, so dass sie leicht in ein anderes aufnehmendes Bauteil
gleiten, oder sie können
Gewindegänge,
wie zum Beispiel beim Endstück 13 gezeigt,
aufweisen, um eine Verbindung mit einem Getriebe oder einer anderen
Drehvorrichtung zu ermöglichen.
Weitere geläufige
oder aber später
entwickelnde Formen können
ebenfalls verwendet werden.
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2 zeigt einen Querschnitt
aus 1 entlang der angezeigten
zweipfeiligen Fläche.
Anhand dieser Querschnittsansicht sind die beiden Lagen der montierten
Welle 10 ersichtlich. Die montierte Welle 10 umfasst
eine Innenwelle 14 und eine Außenmanschette 16.
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Die
Innenwelle 14 kann aus jedem nicht-ferromagnetischen Metall
gefertigt sein. Die Innenwelle 14 kann beispielsweise aus
Edelstahl gefertigt sein. Die Innenwelle 14 kann ebenso
jedwede Form aufweisen, wie zum Beispiel eine zylindrische Form.
Die Innenwelle 14 kann sowohl massiv als auch hohl sein.
Die Form der Innenwelle 14 kann von Gewichts- Material
oder Designanforderungen bestimmt werden.
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Die
Außenmanschette 16 ist
aus einem magnetoelastischen Metall, wie zum Beispiel T250 Stahl gefertigt.
Die Außenmanschette 16 kann
jedwede Form aufweisen, aber sie besitzt in diesem Ausführungsbeispiel
dieselbe Form wie die Innenwelle 14, so dass die Außenmanschette 16 leicht über die
Innenwelle 16 passt. So weisen beispielsweise sowohl die
Außenmanschette 16 als
auch die Innenwelle 14 eine zylindrische Gestalt auf. Die
Außenmanschette 16 ist
in einem Ausführungsbeispiel
weder länger noch
größer als
die Innenwelle 14. In einem anderen Ausführungsbeispiel
ist sie beispielsweise kürzer
als die Innenwelle 14. Das Endstück 11 der montierten Welle 10 ist
auf dieser Innenwelle 14 zur Verbindung rotierender Bauteile
des Fahrzeugs angeordnet.
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Der
Radius der Außenmanschette 16 ist
mindestens genauso groß wie
der der Innenwelle 14. Die Außenmanschette 16 passt
somit über
die Innenwelle 14. In einem Ausführungsbeispiel ist der Radius der
Außenmanschette
geringfügig
größer als
der der Innenwelle 14 um einen Abstand 18 zu erzeugen. Der
Abstand 18 zwischen der Außenmanschette 16 und
der Innenwelle 14 beträgt
in einem Ausführungsbeispiel
beispielsweise ungefähr
1 mm in radialer Richtung. Weiterhin kann die Innenwelle 14 eine
radiale Vertiefung 19 aufweisen, die so ausgelegt ist, um
den Abstand 18 weiter zu definieren und zu vertiefen.
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Bei
der montierten Welle 10 ist die Außenmanschette 16 an
der Innenwelle beispielsweise durch Verschweißen oder jedwede andere bekannte oder
später
noch zu entwickelnde Technik befestigt. Die Außenmanschette kann mit der
Innenwelle 14 an jedem gewünschten Punkt entlang der montierten Welle 10 oder
direkt mit der Torsionskappe 12 verschweißt sein.
Bei einem Aus führungsbeispiel
wird am ersten Endstück 20 und
am zweiten Endstück 22 der
Außenmanschette
verschweißt,
während
der übrige
Bereich der Außenmanschette
nicht verschweißt wird.
Der Abstand 18 zwischen Außenmanschette 16 und
Innenwelle 14 kann hierdurch erzeugt und aufrechterhalten
werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird das erste Endstück 20 direkt
mit der Torsionskappe 12 verschweißt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
erstreckt sich die radiale Vertiefung 19 bis hin zur oder über die
Grenze der Torsionskappe 12 hinaus. Die Innenwelle 14 und
die Torsionskappe 12 werden dann so gebaut, dass sie in
einem kleinen Winkel jenseits der maximalen Torsionsfestigkeit der
Außenmanschette 16 ineinander
fassen und eine weitere Torsion verhindern.
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Der
Abstand 18 verbessert die Fehlerdiagnose. Die Außenmanschette 16 ist
ausgeführt
um zu versagen bzw. brechen, wenn eine vorbestimmte Torsionskraft
an der montierten Welle aufgebracht wird. Die Stärke der Außenmanschette 16,
das zur Herstellung der Außenmanschette 16 verwendete Metall
oder Produktionsparameter der Außenmanschette 16 werden
beispielsweise für
den Sollbruch variiert oder ausgewählt. Das vorbestimmte Sollbruch-Torsionsniveau
kann gerade unterhalb des Sollbruch-Torsionsniveaus der Innenwelle 14,
bei einem kritischen Torsionsniveau zur Aufrechterhaltung der Systemintegrität oder bei
jedweder anderen solchen Alarmschwelle liegen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
versagt die Außenmanschette 16 dann, wenn
das vorbestimmte Torsionsniveau erreicht ist. Das Fahrzeug kann
dann abgeschaltet werden, bevor höhere Torsionsniveaus erreicht
werden, und größere Beschädigungen
der Innenwelle 14, der montierten Welle 10 oder
des Fahrzeugs werden somit vermieden.
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Magnetfeldsensoren,
wie Hall-Sensoren oder Magnetfeld-Sensoren (Flux Gate Sensors),
können
zur Messung des Magnetfeldes verwendet werden. Gemeinhin werden
diese Sensoren auf der Oberfläche
der montierten Welle 10 oder in einem geringen Abstand
angeordnet. Ein Magnetfeldsensor kann e benso auf der Innenseite
der montierten Welle angeordnet werden.
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2 zeigt eine montierte Welle 10 in
hohler Bauform, die einen Magnetfeldsensor 24 enthält. Der Magnetfeldsensor 24 kann
innerhalb der montierten Welle 10 mittels einer der vielfältigen bekannten
oder noch zu entwickelnden Techniken befestigt sein. Ein Befestigungsloch
wird beispielsweise durch die Torsionskappe 12, Innenwelle 14 und
Magnetfeldsensor 24 generiert und ein Stift wird zur Verbindung
der Bauteile verwendet.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 4 dargestellt. 4 zeigt eine dreiteilige
Torsionswelle zur Verwendung in einem EPAS-System. Diese dreiteilige
Torsionswelle umfasst ein Außengehäuse 26. Dieses
Außengehäuse 26 ist
hohl. Die Innenwelle 14, hier als innere Umformer-Welle
bezeichnet, ist im Außengehäuse 26 angeordnet.
Die Innenwelle 14 kann mit dem Außengehäuse 26 durch Schweißen, einen Stift
durch das Außengehäuse 26,
Innenwelle 14 und Torsionskappe 12 oder durch
jedes andere bekannte oder noch zu entwickelnde Verfahren verbunden sein.
Die Innenwelle 14 ist aus einem magnetoelastischen Material,
wie zum Beispiel T250 Stahl, gefertigt. Das Außengehäuse 26 ist aus einem
nicht-ferromagnetischen Material, wie zum Beispiel Edelstahl, gefertigt.
Bei einem solchen Ausführungsbeispiel
ist die Innenwelle 14 ein magnetoelastischer Messwertgeber
mit oder ohne Bund. Das Außengehäuse ist ein
magnetisch transparentes Bauteil, das in einem vorbestimmten Winkel
in die Torsionskappe 12 einrastet und die Torsionslast
um die Innenwelle 14 umleitet.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben
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.
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- 10
- Welle
- 12
- Torsionskappe
- 11,
13
- Ende
(der Welle)
- 14
- Innenwelle
- 16
- Außenmanschette
- 18
- Abstand
- 19
- Vertiefung
- 20
- erstes
Endstück
(der Manschette)
- 22
- zweites
Endstück
(der Manschette)
- 24
- Magnetfeldsensor
- 26
- Außengehäuse