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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Winkel- und/oder Drehmomentsensor
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung einen Winkel- und Drehmomentsensor zur Ermittlung
des Drehwinkels und des Drehmomentes bei einem Lenksystem eines Kraftfahrzeuges
mit flexibler Anbindung an das Lenksystem ohne Justage.
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Bei
Kraftfahrzeugen ist es bekannt, sowohl den Drehwinkel der Lenksäule, um
den. die Lenksäule
beim Fahren des Kraftfahrzeuges gedreht wird, als auch die auf die
Lenksäule
ausgeübte
Kraft, d. h. also den Torsionswinkel der Lenksäule zu messen. Der Torsionswinkel
wird über
einen Torsionsstab erzeugt, der sich. innerhalb der geteilten Lenksäule befindet.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Winkel und/oder
Drehmomentsensor, insbesondere zur Ermittlung des Drehwinkels und/oder
des Drehmomentes der Lenksäule
eines Kraftfahrzeuge, zu schaffen, mit dem fertigungs- und betriebsbedingte
Abweichungen von dem Sollzustand im Bereich des Winkel- und/oder
Drehmomentsensors minimierbar sind, um die sichere Funktion des
Sensors zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Winkel- und/oder Drehmomentsensor mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Der
wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Winkel- und/oder Drehmomentsensors besteht darin,
dass im Bereich des Winkel- und/oder Drehmomentsensors vorhandene
fertigungs- und betriebsbedingte Abweichungen von dem Sollzustand entsprechend
den Vorgaben des Anwenders minimiert bzw. weitgehend eliminiert
sind, sodass die mit dem Winkel- und/oder
Drehmomentsensor ausgeführten
Messungen nicht durch diese Abweichungen störend beeinflusst werden. Das
Lenksystem eines Kraftfahrzeuges kann daher weitgehend störungsfrei, ohne
Justage der Komponenten an dem jeweiligen Lenksystem, funktionieren.
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Vorteilhafterweise
ist der vorliegende Winkel- und/oder Drehmomentsensor ganz allgemein
bei allen Systemen einsetzbar, bei denen der Winkel- und/oder das
Drehmoment an einer Welle gemessen werden soll.
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Insbesondere
können
durch den erfindungsgemäßen Winkel- und/oder Drehmomentsensor
Abweichungen kompensiert werden, die durch Fertigungstoleranzen
der Sensorkomponenten und durch Krafteinwirkung im Funktionsbetrieb
des Sensors entstehen. Insbesondere können Fehlmessungen vermieden
werden, die auf Verschiebungen zweier Wellenteile in Längsrichtung
(Achsenversatz) und/oder auf Konzentrizitätsabweichungen zwischen den
Wellenteilen und/oder auf Winkelabweichungen (Knickung) zwischen
den Längsachsen
der Wellenteile im Sensorbereich bedingt werden.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Winkel-
und/oder Drehmomentsensors wird dies dadurch besonders effektiv
erreicht, dass die den Wellenteilen zugeordneten Messscheiben über eine
spezielle Mitnehmer-Nut-Verbindung kraftschlüssig miteinander
verbunden sind.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das ein Wellenteil und eine Messscheibe
verbindende Buchsenteil einen Balgbereich zur Kompensation von Abweichungen
auf. Zur Erzielung unterschiedlicher Eigenschaften kann es sich
bei dem Buchsenteil um eine Kunststoff- oder Metallbuchse handeln,
wobei der Balgbereich zur Erzielung einer hohen Elastizität aus Kunststoff
oder zur Bewirkung einer hohen Torsionssteifigkeit aus Metall bestehen
kann. Ein aus Metall bestehender Balgbereich kann zur Erhöhung seiner
Elastizität
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung geschlitzt sein. Ein aus Kunststoff bestehender Balgbereich
kann dadurch vorteilhaft hergestellt werden, dass zwei aus Metall
bestehende Buchsenteile mit Kunststoff umspritzt werden. Ebenso
ist es gemäß denkbar,
einen aus Metall bestehenden Balgbereich dadurch herzustellen, dass
die beidseitigen, aus Kunststoff bestehenden Buchsenbereiche angespritzt
werden, wobei das aus Metall bestehende Balgteil mit Kunststoff
umspritzt wird.
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Im
folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang
mit den Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Winkel- und/oder
Drehmomentsensor, wobei die beiden einander zugewandten Wellenteile
gegenüber
der Solllage axial versetzt sind;
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2 eine
der 1 ähnliche
Darstellung, wobei die beiden einander zugewandten Wellenteile nicht
konzentrisch zueinander angeordnet sind;
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3 eine
der 1 ähnliche
Darstellung, wobei jedoch die Längsachsen
der beiden einander zugewandten Wellenteile nicht koaxial zueinander angeordnet
sind;
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4 und 5 Darstellungen
zur Erläuterung
einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Winkel-
und/oder Drehmomentsensors;
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6 bis 8 eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Winkel-
und/oder Drehmomentsensors;
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9 und 10 eine
dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Winkel-
und/oder Drehmomentsensors; und
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11 eine
Weiterbildung der Erfindung.
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Der
vorliegende Winkel- und/oder Drehmomentsensor 1 besteht
gemäß den 1 bis 3 im wesentlichen
aus einem Gehäuse 2,
das an einer Welle, insbesondere der Lenksäule eines Kraftfahrzeuges,
anordenbar ist. Die Lenksäule
besteht dabei im vorliegenden Fall aus einem ersten Wellenteil 31 und
einem zweiten Wellenteil 32, deren Enden einander zugewandt
sind, wobei das erste Wellenteil 31 durch eine Öffnung 29 (5)
eines ersten Gehäuseteiles 21 und
das zweite Wellenteil 32 durch eine entsprechende Öffnung (nicht
dargestellt) eines zweiten Gehäuseteiles 22 verläuft. Genauer
gesagt, ragt das eine Wellenteil 31 mit seinem Endbereich
in das erste Gehäuseteil 31 und
ragt das andere Wellenteil 32 mit seinem Endbereich in
das zweite Gehäuseteil 31 hinein.
Im Inneren der Wellenteile 31 und 32, die jeweils
als Hohlwelle ausgebildet sind, befindet sich ein Torsionsstab 33,
der kraftschlüssig mit
den Wellenteilen 31, 32 verbunden ist. Bei einer Kraftübertragung
von einem Wellenteil 31 auf das andere Wellenteil 32 wird
der Torsionsstab 33 verdreht, wobei diese Verdrehung als
Maß für das Drehmoment
gemessen wird.
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Das
eine Gehäuseteil 21 besitzt
im wesentlichen ein senkrecht zum einen Wellenteil 31 verlaufendes
Wandteil 21'.
Entsprechend weist das andere Gehäuseteil 22 ein senkrecht
zum Wellenteil 32 verlaufendes Wandteil 22' auf. Radial
außen
sind die beiden Wandteile 21' und 22' zur Bildung
des Gehäuses 2 miteinander
verbunden. Hierzu besitzt vorzugsweise das eine Gehäuseteil 21 ein
radial außen
an das Wandteil 21' angesetztes
und in der Richtung des einen Wellenteils 31 verlaufendes
Flanschteil 23, das mit der Hilfe eines Verriegelungsteiles 24 des Gehäuseteiles 22 verbunden
ist. Auf diese Weise wird das einen Innenraum umschließende Gehäuse 2 gebildet.
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In
diesem Innenraum befinden sich zur Winkel- und/oder Drehmomentmessung
zwei sich axial gegenüberliegende
Messscheiben 5 und 6 mit Elektroden 51 bzw. 61.
Zur Messung des Drehwinkels der über
den Torsionsstab 33 verbundenen Wellenteile 31 und 32 wird
das Gehäuse 2 statisch, beispielsweise
mit einem Ort eines Fahrzeuges verbunden, und wird ein Wellenteil 31 oder 32 mit
einer Messscheibe 5 oder 6 drehfest verbunden,
während
das andere Wellenteil 32 oder 31 mit dem Gehäuse 2 drehfest verbunden
ist. Als Maß für den Drehwinkel
wird also die relative Verdrehung zwischen einer mit einem Wellenteil 31 drehfest
verbundenen Messscheibe 5 und der anderen Messscheibe 6 ermittelt,
die drehfest mit dem statisch angeordneten Gehäuse 2 verbunden ist.
Zur Messung des Drehmomentes werden, wie oben bereits angedeutet,
die eine Messscheibe 5 drehfest mit dem einen Wellenteil 31 und die
andere Messscheibe 6 drehfest mit dem anderen Wellenteil 32 verbunden.
Das dann von dem einen Wellenteil 31 über den Torsionsstab 33 auf
das andere Wellenteil 32 übertragene Drehmoment wird
durch Erfassung der relativen Verdrehung zwischen den Messscheiben 5 und 6 ermittelt.
Beispielsweise kann die relative Verdrehung zwischen den Messscheiben 5 und 6 in
der in der älteren
Patentanmeldung 10 2005 010 909.8 beschriebenen Weise kapazitiv
gemessen werden, wobei in der Umfangsrichtung der sich gegenüberliegenden
Seiten der Messscheiben 5 und 6 die genannten
Messelektroden 51, 61 angeordnet sind, wie dies
in der 1 schematisch dargestellt ist. Die Zuleitungen
zu den Messelektroden 51, 61 erfolgen beispielsweise über ein
einstückig
mit einem Gehäuseteil 22 ausgebildeten
Steckerteil 7.
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Im
Zusammenhang mit den 4 und 5 wird nun
eine erste Ausführungsform
des vorliegenden Winkel- und Drehmomentsensors 2 erläutert. Einzelheiten
der 3 und 4, die bereits im Zusammenhang
mit den 1 bis 3 erläutert wurden,
sind in der entsprechenden Weise bezeichnet. In der ersichtlichen
Weise ist an dem Wellenteil 31 ein Mitnehmerelement 34 befestigt,
das radial über den
Außenumfang
des Wellenteiles 31 vorsteht und in der Längsrichtung
des Endbereiches des Wellenteiles 31 verläuft. An
seinem äußeren Endbereich weist
das Mitnehmerelement 34 ein etwa halbkreisrundes Radiusprofil
auf. In der drehfest mit der Messscheibe 5 verbundenen
Mitnehmerbuchse 52 befindet sich eine in der Längsrichtung
der Mitnehmerbuchse 52 verlaufende Nut 53, in
die das Mitnehmerelement 34 eingreift. Dabei ist es von
Bedeutung, dass die Nut 53 ebenfalls ein Radiusprofil besitzt,
d. h. also in axialer Richtung gesehen, ausgehend vom Anfang der
Nut 3 bogenförmig
zum Inneren der Nut 53 hin bis zu einem Punkt verläuft und
von diesem Punkt aus bogenförmig
nach außen
bis zum Ende der Nut 53 verläuft. Auf diese Weise wird sichergestellt,
dass zwischen dem Mitnehmerelement 34 und der Nut 53 immer
nur eine Anlage in einem Punkt besteht, sodass die oben genannten
drei Abweichungen durch eine Relativbewegung zwischen den Welleteilen 31, 32 ohne
weiteres ausgeglichen werden können.
Hierzu ist die Tiefe der Nut 53 so bemessen, dass eine
geringfügige
Abweichung des Wellenteiles 31 von seiner konzentrischen
Lage zum Wellenteil 32 möglich ist. Die geforderten
Winkelabweichungen werden durch die genannte punktförmige Anlage
zwischen dem Mitnehmerelement 34 und der Nut 53 ermöglicht.
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Das
Wellenteil 32 steht über
ein dem Mitnehmerelement 34 entsprechend angeordnetes und
ausgebildetes Mitnehmerelement 34 mit der Mitnehmerbuchs 62 der
Messscheibe 6 in Verbindung, wobei das Mitnehmerelement 34 in
eine entsprechend der Nut 53 ausgebildete Nut 63 der
Mitnehmerbuchse 62 (1 bis 3)
eingreift.
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Im
folgenden wird im Zusammenhang mit den 6 bis 8 eine
zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Winkel-
und Drehmomentsensors 1 erläutert, bei der die Kraftübertragung
von dem Wellenteil 31 und/oder 32 auf die entsprechende Mitnehmerbuchse 52, 62 der
Messscheibe 5 bzw. 6 über ein Mitnehmerbuchsenteil 8 erfolgt,
die einen Balgbereich 81 besitzt. Über diesen Balgbereich 81 können die
oben genannten Abweichungen 1 bis 3 ausgeglichen
werden. Wie dies insbesondere die 8 zeigt,
besteht das Mitnehmerbuchsenteil 8 im wesentlichen aus
einem ersten Buchsenbereich 82, der drehfest auf dem Wellenteil 31 bzw. 32 befestigt ist,
und einem weiteren Buchsenbereich 83, der drehfest an dem
Buchsenteil 52, 62 der Messscheibe 5 bzw. 6 befestigt
ist. Dabei besitzt der Buchsenbereich 82 einen kleineren
Durchmesser als der Buchsenbereich 83, wobei die Verbindung
zwischen dem Buchsenbereich 82 und dem Buchsenbereich 83 über den Balgbereich 81 hergestellt
wird, in dem sich die Buchsenbereiche 82 und 83 überlappen
und über
einen vom kleinen Radius des Buchsenbereiches 82 zum größeren Radius
des Buchsenbereiches 83 verlaufenden, faltenförmigen Verbindungsbereich
miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise
besitzt der Buchsenbereich 82 wenigstens eine Aussparung 84,
in die zur drehfesten Verbindung mit dem Wellenteil 31 bzw. 32 ein
an der Welle 31 bzw. 32 befestigtes Mitnehmerelement 34 eingreift.
Entsprechend besitzt der Buchsenbereich 83 Aussparungen 85,
in die zur drehfesten Verbindung mit dem Buchsenteil 52 bzw. 62 von
diesem vorstehende Mitnehmerteile (nicht dargestellt) eingreifen.
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Bei
der beschriebenen zweiten Ausführungsform
der Erfindung können
die Buchsenbereiche 82 und 83 sowie der Balgbereich 81 aus
Kunststoff bestehen. Dadurch wird, je nach Art des Kunststoffmaterials
eine hohe Elastizität
erreicht. Wenn der Balgbereich 81 aus Metall besteht, wird
eine hohe Torsionssteifigkeit der Verbindung zwischen dem Wellenteil 31 bzw. 32 und
der Messscheibe 5 bzw. 6 erreicht.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
kann der Balgbereich 81 in Längsrichtung verlaufende Schlitze 86 aufweisen,
die dann, wenn der Balgbereich 81 aus Metall besteht, auch
eine relativ hohe Elastizität
der Verbindung ermöglichen.
Eine derartige Ausführungsform
ist in den 9 und 10 dargestellt.
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Es
ist auch denkbar, die Ausführungsform der 6 bis 10 so
zu gestalten, dass die Buchsenbereiche 82 und 83 durch
Metallhülsen
gebildet werden, die zur Bildung eines Balgbereiches aus Kunststoff
mit einem Kunststoffmaterial umspritzt werden. Ebenso ist es denkbar,
die Buchsenbereiche 82 und 83 in der Form von
Kunststoffhülsen
vorzusehen, die an einen aus Metall bestehenden Balgbereich 81 durch
Umspritzen mit Kunststoff angeformt sind. Die Herstellung der Buchsenbereiche
aus Metall erbringt den Vorteil, dass sie besonders einfach auf
den Wellenteilen 31, 32, beispielsweise durch Verstemmen
oder Vernieten, befestigbar sind.
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Ebenso
kann bei der Ausführungsformen
der 9 und 10 ein aus Metall bestehender
Balgbereich 81 mit Kunststoff zur gleichzeitigen Bildung der
Buchsenbereiche 82 und 83 umspritzt werden.
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Die 11 zeigt
in schematischer Darstellung bevorzugte Ausgestaltungen des Messsytems des
vorliegenden Winkel- und/oder
Drehmomentsensors. Dabei sind Einzelheiten, die bereits im Zusammenhang
mit den anderen Figuren erläutert
wurden in der entsprechenden Weise bezeichnet. Statt wie oben beschrieben
ist es auch denkbar, neben den beiden Messscheiben 5 und 6 eine
weitere axial gesehen, vorzugsweise mittig dazwischenliegende Messscheibe 9 vorzusehen,
die fest an das Gehäuse 2 gekoppelt
ist und entsprechende Messelektroden 91 aufweist, die den
Elektroden 51 und 61 gegenüberliegen. Die Welle 31, 32 verläuft frei
drehbar durch eine zentrische Öffnung 92 der
Messscheibe 9. Auf diese Weise kann mit den Messscheiben 5 und 9 oder
den Messscheiben 6 und 9 der Drehwinkel und mit
den Messscheiben 5 und 6 das Drehmoment gemessen
werden.