DE102006057225A1

DE102006057225A1 - Sensoranordnung zur Erfassung des Drehmoments einer Welle

Info

Publication number: DE102006057225A1
Application number: DE102006057225A
Authority: DE
Inventors: Henrik Antoni; Carsten Dr. Zahout-Heil
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Sensoranordnung zur Erfassung eines an eine Welle (3) angreifenden Drehmoments, wodurch die Welle um einen Verdrehwinkel ausgelenkt wird und/oder durch dieses Drehmoment eine mechanische Spannung in der Welle (3) anliegt, und die Sensoranordnung mindestens ein Sensorelement (1) aufweist, welches zur Erfassung des Drehmoments und/oder des Verdrehwinkels und/oder der mechanischen Spannung ausgelegt ist, wobei das mindestens eine Sensorelement (1) auf einem Sensorträgermodul (2), welches eine vereinfachte Montage auf der Welle herbeiführt, angeordnet ist und dieses Sensorträgermodul (2) in einer Ausnehmung der Welle (3) angeordnet ist oder in Form einer Folie ausgebildet auf der Welle (3) angeordnet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung der Sensoranordnung als Drehmomentsensor in dem Lenkungssystem eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Messung eines an eine Welle angreifenden Drehmoments gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung als Drehmomentsensor in dem Lenkungssystem eines Kraftfahrzeugs.
Es ist bekannt, dass in Lenksystemen von Kraftfahrzeugen das jeweilig an die Lenkwelle angreifende Drehmoment gemessen wird, da unter anderem bestimmte Fahrdynamik-Regelungssysteme auf diese Größe zurückgreifen.
Druckschrift DE 100 37 782 A1 schlägt einen Aufnehmer zur Erfassung des an einer Welle angreifenden Drehmoments vor, welcher als symmetrischer, doppelter Biegebalken ausgebildet ist, in dessen Mitte und in dessen beiden, zueinander symmetrischen Biegebalken jeweils Bohrungen zur Aufnahme der jeweiligen Drehmomentein- und Drehmomentaufnahmeelemente ausgebildet sind. Die symmetrischen Biegebalken weisen Dehnungsmessstreifen zur Erfassung des jeweiligen Drehmoments auf. Dieser Aufnehmer muss in das Lenksystem eingebaut werden, wodurch ein mehrstückiges System entsteht, welches nachteilige Systemeigenschaften bezüglich Stabilität, Zuverlässigkeit, Steifigkeit und Schwingungsverhalten aufweist. Außerdem verursacht der zusätzliche Aufnehmer sowohl zusätzliche Kosten bei der Anschaffung, als auch beim Einbau.
Druckschrift DE 40 21 914 C2 beschreibt eine Messvorrichtung mit einer Welle zur Übertragung von Drehmomenten, auf welcher drei Dehnungsmessstreifen zur Erfassung des Drehmoments jeweils um 45° zueinander bezüglich der Wellenoberfläche versetzt angeordnet sind. Die Welle ist ein mehrschichtiges Faser-Verbund-Kunststoffrohr. Die spezielle Ausbildung der Welle, auch bezüglich des Materials, verursacht relativ hohe Kosten. Auch die direkte Anordnung der Dehnungsmessstreifen auf der Welle ist relativ aufwendig und eignet sich nicht für eine Massenproduktion oder Großserienfertigung, weil das Aufbringen der Sensorelemente relativ aufwändig ist.
Generell ist das Aufkleben oder anderweitige Aufbringen von Sensorelementen direkt auf eine Welle relativ aufwändig und damit kostenintensiv, weil die dafür erforderlichen Fertigungsschritte an der ganzen Welle ausgeführt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine alternative Sensoranordnung zur Messung eines an einer Welle angreifenden Drehmoments vorzuschlagen und/oder eine Sensoranordnung vorzuschlagen, welche das Aufbringen und/oder Montieren von mindestens einem Sensorelement auf eine Welle vereinfacht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde eine Sensoranordnung zur Erfassung eines an eine Welle angreifenden Drehmoments vorzuschlagen. Dabei wird die Welle durch dieses Drehmoment um einen Verdrehwinkel ausgelenkt und/oder in der Welle liegt aufgrund dieses Drehmoments eine mechanische Spannung an. Die Sensoranordnung weist mindestens ein Sensorelement auf, welches zur Erfassung des Drehmoments und/oder des Verdrehwinkels und/oder der mechanischen Spannung ausgelegt ist. Dabei ist das mindestens eine Sensorelement auf einem Sensorträgermodul, welches eine vereinfachte Montage auf der Welle herbeiführt, angeordnet und dieses Sensorträgermodul in einer Ausnehmung der Welle angeordnet oder in Form einer Folie ausgebildet auf der Welle angeordnet.
Durch die Anordnung des mindestens einen Sensorelements auf dem Sensorträgermodul wird eine Großserienfertigung ermöglicht. Dabei spielt es eine Rolle, dass das relativ kleine Sensorträgermodul für alle Verwendungen und/oder eine gewisse Anzahl von Verwendungen eine gleiche, definierte Ausbildung hat und die Fertigung nicht auf unterschiedliche, applikationsspezifische und deutlich größere Wellen ausgelegt sein muss. Darüber hinaus ist das Sensorträgermodul so ausgebildet, dass eine Anordnung auf einer Welle relativ leicht und solide möglich ist.
Das mindestens eine Sensorelement wird bevorzugt durch Kleben, Löten, Schweißen oder eine andere entsprechende Technik auf dem Sensorträgermodul angeordnet und befestigt oder dadurch, dass das Sensorträgermodul das mindestens eine Sensorelement zumindest teilweise umschließt, beispielsweise durch ein Vergießen oder Umhüllen.
Unter einem Einpassen des Sensorträgermoduls in die Welle wird vorzugsweise eine Ausbildung verstanden, bei welcher die Welle eine Materialausnehmung, beispielsweise in Form einer Bohrung, Tasche oder Kavität aufweist, in welche das Sensorträgermodul zumindest teilweise eingesetzt ist.
Es ist bevorzugt, dass das Sensorträgermodul so ausgebildet und in die Welle eingepasst ist und/oder mit dieser verbunden ist dass das Sensorträgermodul durch das Drehmoment welches an der Welle angreift, mit ausgelenkt wird und/oder eine in der Welle anliegende mechanische Spannung auf das Sensorträgermodul übertragen wird und dass das mindestens eine Sensorelement diese Auslenkung und/oder mechanische Spannung erfasst.
Vorzugsweise ist das Sensorträgermodul formschlüssig in die Welle eingepasst. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch eine relativ unverfälschte Übertragung von Drehmomenten und mechanischen Spannungen von der Welle auf das Sensorträgermodul erfolgt. Insbesondere weist die Welle eine Bohrung auf, in welche das Sensorträgermodul mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Umfang, besonders bevorzugt ein im Wesentlichen zylinderförmiges Sensorträgermodul eingepasst wird. Ganz besonders bevorzugt ist eine der Grundflächen des Sensorträgermoduls, beispielsweise die äußere, sichtbare, gekrümmt ausgebildet, insbesondere bevorzugt so, dass diese Ausbildung des Sensorträgermoduls im Wesentlichen eine formschlüssige, nahtlose und die Welle geometrisch ergänzende Einpassung ermöglicht. Hierdurch wird im Wesentlichen eine Unwucht vermieden, insbesondere bei der Wahl eines Basismaterials, mit ähnlicher Dichte wie die Welle und einer entsprechend flachen und kompakten Ausbildung des mindestens einen Sensorelements.
Das Sensorträgermodul ist bevorzugt stoffschlüssig mit der Welle verbunden.
Das mindestens eine Sensorelement ist vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Sensorträgermodul verbunden.
Das Sensorträgermodul ist zweckmäßigerweise fest mit der Welle verbunden, insbesondere durch Kleben oder Schweißen. Hierdurch wird die Übertragung mechanischer Größen von der Welle auf das Sensorträgermodul verbessert und ein sicherer Betrieb der Anordnung gefördert.
Die Welle ist vorzugsweise als eine steife Welle ausgebildet, also als eine Welle, welche bei Belastung durch ein Drehmoment nur eine relativ geringe, insbesondere vernachlässigbar geringe, Drehwinkelauslenkung und/oder Torsion aufweist.
Zusätzlich weist das Sensorträgermodul bevorzugt eine Signalverarbeitungsschaltung auf. Mit dieser können die Ausgangssignale des mindestens einen Sensorelements verarbeitet werden und insbesondere eine definierte Übertragung der Sensorsignale, beispielsweise entsprechend eines definierten Übertragungsprotokolls, zu einer Auswerteschaltung und/oder zentralen elektronischen Kontrolleinheit durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist das Sensorträgermodul über eine Wickelfeder mit mindestens einem externen System, insbesondere einer zentralen elektronischen Kontrolleinheit, elektrisch leitend verbunden. Diese Wickelfeder ermöglicht eine drahtgebundene Signalübertragung bei Auslenkung um einen definierten Verdrehwinkel und bei Rotation der Signalquelle.
Es ist zweckmäßig, dass das Sensorträgermodul mindestens eine Antennenstruktur aufweist, über welche Informationen und Energie übertragen werden können. Insbesondere weist die Sensorträgeranordnung zusätzlich eine Sender-/Empfängerschaltung auf, wobei diese beispielsweise zur Übertragung mittels einer digitalen Modulation ausgelegt ist, besonders bevorzugt für ein Bandspreizverfahren, ganz besonders bevorzugt für ein FHSS-Verfahren (frequency-hopping-spread-spectrum, welches für sicherheitskritische Anwendungen durch seine relativ geringe Störanfälligkeit gut geeignet ist.
Das Sensorträgermodul ist zweckmäßigerweise als Folie ausgebildet, auf welcher das mindestens eine Sensorelement angeordnet ist. Insbesondere weist das Sensorträgermodul weitere elektronische Systeme und/oder Bauelemente, wie eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Antennenstruktur mit optionaler Sende/Empfangsschaltung auf. Besonders bevorzugt ist die Folie mehrschichtig ausgebildet und umhüllt oben genannte Komponenten beziehungsweise umschließt diese. Das Aufbringen solch eines Folienmoduls kann relativ einfach und kostengünstig durchgeführt werden, beispielsweise durch Schweißen, und stellt im Wesentlichen keine besonderen Anforderungen an die Ausbildung der jeweiligen Welle. Ganz be sonders bevorzugt wird mindestens eine Lage Metallfolie zur Ausbildung des Sensorträgermoduls verwendet.
Es ist bevorzugt, dass das Sensorträgermodul durch Reibschweißen mit der Welle verbunden ist.
Es ist zweckmäßig, dass das Sensorträgermodul einen Transponder aufweist. Insbesondere ist das Sensorelement auf dem Transponder integriert, welcher Teil des Sensorträgermoduls ist.
Als Sensorelement/e wird/werden zweckmäßigerweise Sensorelemente mindestens eines der folgenden Typen verwendet:

– Dehnungsmessstreifen
– Piezo-elektrische und/oder piezo-resistive Sensorelemente
– Magnetostriktive Sensorelemente
– Sensorelemente basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen SAW-Sensorelemente (surface acoustiv wave)

Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung der Sensoranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7 als Drehmomentsensor in dem Lenkungssystem eines Kraftfahrzeugs.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist zur Verwendung in unterschiedlichen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus vorgesehen, wie beispielsweise im Kraftfahrzeug-Bereich, im Bereich elektrischer Maschinen und Antriebe, im Motorenbau und der Robotik. Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ist eine Verwendung in Lenk- und Antriebssystemen zweckmäßig, ins besondere zur Messung von Drehmomenten in Lenkwelle oder Antriebswelle, beispielsweise in hydraulischen, elekrohydraulischen oder elektronischen Lenksystemen sowie an einem definierten Einsatzpunkt im Antriebsstrang.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 Eine Welle mit einem Sensorträgermodul, welches ein Sensorelement aufweist,
2a eine Sensoranordnung mit Wickelfeder zur drahtgebundenen Signalübertragung,
2b eine Sensoranordnung mit Transponder und
2c eine Sensoranordnung bei welcher das Sensorträgermodul als Folie ausgebildet ist.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung dargestellt, wobei ein Spannungs- oder Dehnungsempfindliches Sensorelement 1 auf einem Sensorträgermodul 2 angeordnet ist. Dieses Sensorträgermodul wird wiederum auf einer durch Torsinn beanspruchten Welle 3 montiert. Die Anordnung Sensorelements 1 und die Montage beziehungsweise Einpassung Sensorträgermoduls 2 muss derart ausgeführt sein, dass Span nungen und/oder Auslenkungen und/oder Dehnungen der tordierten Welle 3 über Sensorträgermodul 2 auf Sensorelement 1 übertragen werden. Dies kann zum Beispiel durch eine formschlüssige Einpassung Sensorträgermoduls 2 in Welle 3 und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Sensorelement 1 und Sensorträgermodul 2 mittels Laserschweißen realisiert werden. Die übertragene Torsionsinformation wird durch ein Sensorelement in ein elektrisches Signal gewandelt. Als Sensorelemente kommen hier alternativ beispielhaft piezoelektrische-, piezoresisitive- oder magnetostriktive Sensorelemente, sowie Sensorelemente basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen (SAW surface acoustic wave) und/oder Sensoren, welche Dehnungmessstreifen zur Wandlung mechanischer in elektrische Information aufweisen, zum Einsatz.
Bei einer drahtgebundenen Signalübertragung kann sowohl die Stromversorgung, als auch die Signalübertragung, wie in 2a dargestellt, mittels Wickelfeder 4 aus dem mit Welle 3 rotierenden Sensorträgermodul 2 zu einem externen System, wie beispielsweise einer externen elektronischen Kontrolleinheit, durchgeführt werden.
Bei Verwendung von Sensorelementen basierend auf der Änderung des elektrischen Widerstandes kann die Funktion der Wandlung der Spannung oder Dehnung Bestandteil der drahtlosen RFID(Radiofrequenz-Identifikation)Signalübertragung sein. Besonders vorteilhaft ist hier die geringe Zahl der mit der Welle rotierenden Bauteile sowie eine relativ geringe exzentrische Masse sowie die einfache Stromversorgung des Sensorträgermoduls 2 und die Möglichkeit die Sensorstruktur, also das mindestens eine Sensorelement, als Bestandteil der Signalübertragungsschaltung zu nutzen. In 2b ist eine Sensorelement/Transpondereinheit 5 sowie eine Sende-/Empfangsantenne 6 auf dem in Welle 3 eingepassten Sensorträgermodul 2 montiert. Die Sende-/Empfangsantenne 6 überträgt die zum Betrieb Sensorelements 2 und der Signalverarbeitung und notwendige Energie und überträgt die Sensorinformationen. Darüber hinaus können auch externe Signale empfangen werden und eine Signalverarbeitungseinrichtung gemäß dieser empfangenen Signale parametriert werden.
2c zeigt ein Sensorträgermodul welches als Folie 7 ausgebildet ist und auf Welle 3 aufgebracht ist. Dieses Aufbringen erfolgt beispielgemäß durch Laserschweißen. Sensorträgermodul als Folie 7 weist mindestens ein Sensorelement, eine Signalverarbeitungsschaltung sowie einen Transponder zur Energie- und Signalübertragung auf.

Claims

Sensoranordnung zur Erfassung eines an eine Welle (3) angreifenden Drehmoments, wodurch die Welle um einen Verdrehwinkel ausgelenkt wird und/oder durch dieses Drehmoment eine mechanische Spannung in der Welle (3) anliegt, und die Sensoranordnung mindestens ein Sensorelement (1) aufweist, welches zur Erfassung des Drehmoments und/oder des Verdrehwinkels und/oder der mechanischen Spannung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (1) auf einem Sensorträgermodul (2), welches eine vereinfachte Montage auf der Welle herbeiführt, angeordnet ist und dieses Sensorträgermodul (2) in einer Ausnehmung der Welle (3) angeordnet ist oder in Form einer Folie ausgebildet auf der Welle (3) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorträgermodul (2) so ausgebildet und in die Welle (3) eingepasst und/oder mit dieser verbunden ist, dass das Sensorträgermodul durch das Drehmoment, welches an der Welle angreift, mit ausgelenkt wird und/oder eine in der Welle anliegende mechanische Spannung auf das Sensorträgermodul übertragen wird und dass das mindestens eine Sensorelement (1) diese Auslenkung und/oder mechanische Spannung erfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorträgermodul (2) im Wesentlichen formschlüssig in die Welle (3) eingepasst ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorträgermodul (2) mit der Welle (3), insbesondere durch Schweißen oder Kleben, fest verbunden ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorträgermodul (2) zusätzlich eine Signalverarbeitungsschaltung aufweist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorträgermodul (2) über eine Wickelfeder (4) mit mindestens einem externen System elektrisch leitend verbunden ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorträgermodul (2) mindestens eine Antennenstruktur (6) aufweist, über welche Informationen und Energie übertragen werden können.
Verwendung der Sensoranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 als Drehmomentsensor in dem Lenkungssystem eines Kraftfahrzeugs.