DE102006054179A1

DE102006054179A1 - Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle

Info

Publication number: DE102006054179A1
Application number: DE200610054179
Authority: DE
Inventors: Andreas Reichert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-05-21

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes einer Welle (10), insbesondere zur Messung des Lenkmomentes einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, mit einer in die Welle (10) integrierten magnetischen Gebereinheit, deren Kodierung durch Torsion veränderbar ist. Die Vorrichtung besitzt eine der Gebereinheit zugeordnete Sensoreinheit (34, 36) und die Welle (10) ist in eine Eingangswelle (12) und eine Ausgangswelle (14) unterteilt, welche durch ein Torsionselement (16) mit reduzierter Steifigkeit verbunden sind, das die magnetische Kodierung (32) trägt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle, insbesondere zur Messung des Lenkmomentes einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges, mit einer in die Welle integrierten magnetischen Gebereinheit, deren Kodierung durch Torsion veränderbar ist. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der Veröffentlichung der US-Patentanmeldung 2005/0193834 A1 oder der PCT-Veröffentlichung WO 2005/064301 A1 bekannt. Diese Druckschriften beschreiben Vorrichtungen zur Erfassung des Drehmomentes an einer nahe der Oberfläche kreisringförmig magnetisierten Welle aus ferromagnetischem Material, wobei der Geberbereich der Welle umlaufend aneinander gereihte Einzelmagnete ausbildet, welche eine in sich geschlossene, ringförmige magnetische Gebereinheit bilden. Beim Auftreten eines Drehmomentes an der Welle wird diese ringförmige Magnetisierung entsprechend der Materialverwindung in den Einzelbereichen der Teilmagnete sektorweise ausgelenkt, wobei der von der Umfangsrichtung abweichende vektorielle Anteil der Magnetisierung außerhalb der Welle durch eine Sensoreinheit erfasst werden kann. In dieser bekannten Messanordnung dient die Welle selbst als Gebereinheit, wobei nur geringe Torsionswege für die Auswertung zur Verfügung stehen.
Offenbarung der Erfindung
Das Messergebnis kann gegenüber bekannten Vorrichtungen deutlich verbessert werden, wenn erfindungsgemäß ein die magnetische Kodierung tragendes Torsionselement mit gegenüber der Welle reduzierter Steifigkeit in den Wellenzug integriert wird, wobei zweckmäßigerweise die maximale Verdrehung begrenzt wird, um bleibende Verformungen des Torsionselementes zu verhindern. Dies geschieht in grundsätzlich bekannter Weise durch den Einbau eines mechanischen Überlastschutzes zwischen den Enden zweier Teilwellen im Wirkungsbereich des Torsionselementes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass die grundsätzlich bekannte magnetostriktive Messung des Drehmomentes an einer sich drehenden oder stillstehenden Welle für neue Anwendungen durch die Erzeugung eines ausreichend großen, gut erfassbaren Messsignals nutzbar gemacht werden kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Torsionselement im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist und an den Enden der Teilwellen angreift, an denen innerhalb des Torsionselementes auch die Überlastkupplung ausgebildet ist. Diese ist vorzugsweise als Klauenkupplung gestaltet, wobei die Klauen ohne Vergrößerung des Wellendurchmessers direkt an den Enden der Eingangswelle und der Ausgangswelle ausgebildet werden können. Hierbei sind die Wellenenden durch einen beidseitig eingreifenden, axial ausgerichteten Lagerstift zentriert und gehalten, sodass auftretende Biegemomente ebenfalls ohne Vergrößerung des Wellendurchmessers abgefangen werden können.
Die Magnetisierung des Torsionselementes und seine Verbindungen mit den Wellenenden sind vorzugsweise symmetrisch zu der Anordnung der Sensoreinheit ausgebildet, wodurch das Messergebnis weiter verbessert wird, da Messwertveränderungen so optimal erfasst werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine magnetostriktive Messeinrichtung zur Erfassung des Drehmomentes an einer Welle, die im Bereich einer Trennstelle durch ein Torsionselement überbrückt ist, welches seinerseits durch eine Überlastkupplung vor plastischer Verformung geschützt ist.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur ist mit 10 eine Welle bezeichnet, an welcher ein zu übertragendes Drehmoment M gemessen werden soll. Die Welle ist unterteilt in eine Eingangswelle 12 und eine Ausgangswelle 14, welche einerseits durch ein Torsionselement 16 und andererseits durch eine Überlastkupplung 18 miteinander gekoppelt sind. Hierbei besitzt die Überlastkupplung 18 einen freien Verdrehwinkel, beispielsweise von +/–6°, durch den die Verwindung des Torsionselementes 16 begrenzt und dessen plastische Verformung verhindert wird. In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Torsionselement 16 mit der Eingangswelle 12 durch eine Verstiftung 20 und mit der Ausgangswelle 14 durch eine Verpressung 22 fest verbunden. Andere Verbindungen wie zum Beispiel Schweißen sind ebenfalls möglich.
Die Wellen 12 und 14 besitzen an ihren Enden 24 und 26 jeweils eine zentrale Bohrung 28, 29 zur spielfreien Aufnahme eines Lagerstiftes 30, welcher einerseits die beiden Wellen 14, 16 und die klauenartig ineinander greifenden Teile der Überlastkupplung 18 zueinander zentriert und andererseits eventuell auftretende Biegemomente aufnimmt. Anstelle des Lagerstiftes 30 könnte jedoch auch eine Lagerstelle, beispielsweise in Form eines Nadellagers, zwischen der Torsionshülse 16 und der Überlastkupplung 18 vorgesehen werden.
Das Torsionselement 16 weist an seinem Umfang eine ringförmige Magnetisierung 32 auf, wie sie in den beiden eingangs zum Stand der Technik erwähnten Druckschriften US 2005/0193834 A1 und WO 2005/064301 A1 oder in der Firmendruckschrift von NCTE, 0406-01.05 vom Februar 2005 beschrieben ist, letztere veröffentlicht im Internet unter www.NCTE.de. Die entlang des Umfangs des Torsionselementes 16 gebildeten magnetischen Teilstücke in der Form von Ringsegmenten werden beim Auftreten eines Drehmomentes M an der Welle 10 zusammen mit dem Torsionselement 16 verdreht und dabei aus ihrer ursprünglichen, senkrecht zur Achse der Welle verlaufenden Kreisringanordnung in Achsrichtung der Welle ausgelenkt. Hierdurch entsteht ein Vektor des magnetischen Feldes, welcher durch die Sensorelemente 34 und 36 erfassbar ist. Das Torsionselement 16 besteht hierbei aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise aus einem Werkszeugstahl mit einem geringen Ni- und/oder Cr-Anteil oder aus einem Werkszeugstahl S155 entsprechend DIN 1.6928. Der Ni- und/oder Cr-Anteil der ferromagnetischen Legierung soll dabei einen Wert von 10% nicht überschreiten. Die Messung des Torsionswinkels erfolgt durch Erfassung der außerhalb des Torsionselementes 16 verlaufenden Feldlinien. Hierbei kann die Formgebung des Torsionselementes von der dargestellten Form einer zylindrischen Hülse abweichen, beispielsweise durch Veränderung der Materialstärke, um eine spezielle Verformung zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung eignet sich in besonderer Weise für die Messung des Lenkmomentes einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges, weil hierbei eine hohe und sehr exakte Signalauflösung für das Drehmoment aus Systemregelungs- und Sicherheitsgründen gefordert wird. Diese Erhöhung der Signalauflösung ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung eines separaten Torsionselementes sehr präzise und sicher möglich, wobei gleichzeitig irreversible Verformungen durch die Überlastkupplung 18 bei Erreichen eines vorgegebenen Verdrehwinkels verhindert werden. Durch die Anordnung der Überlastkupplung innerhalb der magnetostriktiven Auswerteeinheit mit dem rohrförmig die Wellen 12 und 14 umgreifenden Torsionselement 16 können die Sensorelemente 34 und 36 problemlos in geeigneter Weise sehr nahe bei der magnetischen Kodierung des Torsionselementes 16 angeordnet werden, wodurch man auch bei kleinen Änderungen des Magnetfeldes gute Messergebnisse erhält.
Für die Messung des Drehmomentes als Funktion der Veränderung des Magnetfeldes am Umfang des Torsionselementes 16 genügt grundsätzlich die Anordnung eines einzelnen Sensorelementes 34 oder 36. Vorzugsweise wird hierbei ein induktives Sensorelement verwendet, weil derartige Sensoren thermisch und mechanisch sehr widerstandsfähig sind. Alternativ ist jedoch auch die Verwendung von Hall- oder AMR-Sensoren möglich. Die Anordnung von zwei Sensorelementen 34 und 36 bietet dabei den Vorteil, dass diese bei der Auswertung der Signale in einer nicht dargestellten Auswerteelektronik so verschaltet werden können, dass sich die Messsignale addieren, während Störsignale durch eine entgegengesetzte Polung weitgehend unterdrückt werden. Die spezielle Art der magnetischen Kodierung des Torsionselementes 16 ist in den zum Stand der Technik genannten Druckschriften beschrieben und braucht hier nicht nochmals detailliert erörtert werden.

Claims

Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle (10), insbesondere zur Messung des Lenkmomentes einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges, mit einer in die Welle (10) integrierten magnetischen Gebereinheit, deren Kodierung durch Torsion veränderbar ist, und mit einer der Gebereinheit zugeordneten Sensoreinheit (34, 36), dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) in eine Eingangswelle (12) und eine Ausgangswelle (14) unterteilt ist, welche durch ein Torsionselement (16) mit reduzierter Steifigkeit verbunden sind, das die magnetische Kodierung (32) trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (16) mit einer Überlastkupplung (18) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (16) hülsenförmig ausgebildet ist und an den Enden (24, 26) der Teilwellen (10) angreift.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastkupplung (18) innerhalb des Torsionselementes (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastkupplung (18) als Klauenkupplung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastkupplung (18) und die Wellenenden (24, 26) durch einen beidseitig eingreifenden, axial ausgerichteten Lagerstift (30) zentriert und gehalten sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Torsionselementes (16) durch eine Verstiftung (20) und/oder eine Verpressung (22) mit den Wellenenden (24, 26) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens einen außerhalb des Torsionselementes (16) angeordneten Sensor (34, 36) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens einen induktiven Sensor (34, 36) besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (16) kreisringförmig magnetisiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung (32) des Torsionselementes (16) und die Verbindungen des Torsionselementes (16) mit den Wellenenden (24, 26) im Wesentlichen symmetrisch zu der Anordnung der Sensoreinheit (34, 36) ausgebildet sind.