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Die
Erfindung betrifft ein Drehmomentsensor für ein Lenkrad
mit einem Eingangselement, einem Ausgangselement, wobei das Eingangs-
und das Ausgangselement um eine gemeinsame Mittelachse drehbar sind,
und einem Federelement, das im Kraftfluß zwischen dem Eingangselement
und dem Ausgangselement angeordnet ist.
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Drehmomentsensoren
werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das auf das Lenkrad ausgeübte
Drehmoment zu erfassen, welches als Eingangsgröße
für elektrische Lenkkraftunterstützungssysteme
benötigt wird.
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Solche
Drehmomentsensoren sind in den verschiedensten Ausführungen
bekannt. Die
DE 27 34
182 C3 beispielsweise zeigt einen Drehmomentsensor mit
mehreren Dehnstreifen, die Teil einer Meßnabe sind. Die
Meßnabe wird zwischen einer Lenksäule und einem
Lenkrad angebracht.
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Da
im Bereich des Lenkrads nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung
steht, ist es wünschenswert, daß der Drehmomentsensor
wenig Platz benötigt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Drehmomentsensor
bereitzustellen, der einen geringen Bauraum benötigt.
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Dies
wird bei einem Drehmomentsensor eingangs genannter Art dadurch erreicht,
daß das Federelement als flaches, sich in einer zur Mittelachse senkrechten
Ebene erstreckendes Element ausgeführt ist. Gemäß der
Erfindung ist das Federelement in axialer Richtung flach ausgeführt.
Aufgrund der geringen Bauhöhe ragt der Drehmomentsensor
nicht weit in das Innere eines Lenkrads hinein, wodurch der Drehmomentsensor
problemlos an Lenkrädern angebracht oder darin integriert
werden kann. Insbesondere wenn Lenkräder Airbags aufweisen,
ist eine flache Bauweise des Lenkmomentsensors notwendig.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist eine Lenkradnabe vorgesehen, wobei
das Eingangs- und das Ausgangselement Teil der Lenkradnabe sind.
Die Lenkradnabe ist also zweiteilig. An dem Ausgangselement, das
ein erstes Teil der Lenkradnabe ist, wird eine Lenksäule
angeschlossen, und das Eingangselement, das ein zweites Teil der
Lenkradnabe ist, wird mit einem Lenkradkranz verbunden. Genausogut könnte
das Eingangselement Teil des Lenkradkranzes sein. Wenn der Drehmomentsensor
in der Lenkradnabe integriert ist, kann eine Wickelfeder zur Signalübertragung
benutzt werden. Über die Wickelfeder werden auch die Signale
von Bedienelementen eines Multifunktionslenkrades übertragen.
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Alternativ
ist das Eingangselement Teil einer Lenksäule oder mit der
Lenksäule verbunden, und das Ausgangselement ist Teil eines
Lenkrades oder mit dem Lenkrad verbunden. Das heißt, das
Eingangs- und das Ausgangselement sind im Bereich der Lenksäule
angebracht und können als Einheit mit dem Lenkrad an der
Lenksäule befestigt werden.
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Vorzugsweise
ist ein Anschlagzapfen vorgesehen, der als Überlastsicherung
dient. Bei Überschreiten eines maximalen Verdrehwinkels
zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangselement verbindet der Anschlagzapfen
das Eingangs- und das Ausgangselement formschlüssig miteinander.
Ein weiteres Verdrehen des Eingangselementes relativ zum Ausgangselement
wird dann verhindert.
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Um
eine reibungsarme Drehung des Eingangselementes relativ zum Ausgangselement
zu gewährleisten, ist vorzugsweise ein Kugellager zwischen
dem Eingangs- und dem Ausgangselement angeordnet.
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Vorzugsweise
ist ein Gummipuffer vorgesehen, so daß das Federelement
parallel zur Mittelachse schwimmend gelagert ist und von dem Eingangs- und
dem Ausgangselement entkoppelt ist. Aufgrund der schwimmenden Lagerung
rufen Verformungen des Federelements aufgrund der Bewegung des Eingangselements
relativ zum Ausgangselements keine zusätzlichen Reibmomente
hervor.
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Das
Federelement kann C-förmig sein. In Abhängigkeit
des Lenkmomentes wird das C-förmige Federelement mehr oder
weniger aufgeweitet und läßt eine Drehung des
Eingangselementes relativ zum Ausgangselement zu. Das C-förmige Federelement
ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil sich das Federelement
selbst justiert, indem es sich geringfügig radial, d. h.
quer zur Mittelachse verschiebt. Dabei werden z. B. etwaige Fertigungstoleranzen
der Bauteile kompensiert.
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Alternativ
ist das Federelement im wesentlichen teilkreisförmig. Bei
einer Bewegung des Eingangselementes relativ zum Ausgangselement
verformt sich das Federelement und lehnt sich am Eingangs- oder
Ausgangselement an. Der Verdrehwinkel zwischen dem Eingangs- und
dem Ausgangselement ist dadurch begrenzt.
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Vorzugsweise
ist ein erstes Ende des Federelementes fest mit dem Eingangs- oder
dem Ausgangselement verbunden, und ein zweites Ende ist begrenzt
beweglich mit dem Ausgangs- oder dem Eingangselement verbunden.
Dadurch wird das Federelement bei einer Drehung des Eingangselementes
relativ zum Ausgangselement gleichmäßig biegebeansprucht.
Die bewegliche Anbindung des Federelements kann durch ein kugelförmiges
Ende des Federelements erfolgen.
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Vorzugsweise
kann das Federelement am Eingangselement und/oder am Ausgangselement anliegen.
Sobald das Federelement am Eingangs- oder am Ausgangselement anliegt,
kann das Federelement nicht mehr „zusammengewickelt" oder „aufgeweitet"
werden. Dies stellt einen mechanischen Anschlag dar.
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Das
Federelement kann zwei im wesentlichen mäanderförmige
Verbindungsstege aufweisen. Das Eingangs-, das Ausgangselement und
das Federelement sind aus einem Stück gestanzt oder geschnitten.
Das Eingangs- und das Ausgangselement werden an der Lenkradnabe
oder an dem Lenkrad und der Lenksäule angebracht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen
beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Lenkrads mit einem erfindungsgemäßen
Drehmomentsensor gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
perspektivische Ansicht der Rückseite des Lenkrads von 2,
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3 eine
Seitenansicht des Lenkrads der 1 und 2,
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4 eine
Schnittansicht des Lenkrads mit einem Federelement entlang der Linie
IV-IV in 3,
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5 eine
geschnittene Ansicht des Lenkrads der 1 bis 4 mit
einem Ausgangs-, einem Eingangs- und dem Federelement von 4,
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6 eine
Detailansicht der Verbindung des Eingangs-, des Ausgangs- und des
Federelements von 5,
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7 eine
Detailansicht der Verbindung des Eingangselementes mit einem Lenkrad,
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8 eine
Ansicht eines Anschlagzapfens,
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9 eine
Detailansicht der Lagerung des Federelementes,
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10 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors
gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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11 eine
Ansicht eines Federelementes in einer Ausgangstellung, das anstelle
des in 4 gezeigten Federelementes in den erfindungsgemäßen
Drehmomentsensor eingesetzt werden könnte,
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12 das
in 11 gezeigte Federelement in einer ersten Endstellung,
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13 das
in 11 gezeigte Federelement in einer zweiten Endstellung,
und
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14 eine
Ansicht eines Federelementes, das anstelle des in 4 gezeigten
Federelementes in den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor
eingesetzt werden könnte.
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In
den 1 bis 9 ist ein Drehmomentsensor gemäß einer
ersten Ausführungsform für ein Lenkrad 8 mit
einem Eingangselement 10 und einem Ausgangselement 12 gezeigt.
Zwischen dem Eingangselement 10 und dem Ausgangselement 12 ist ein
Federelement 14 vorgesehen, das flach ist und sich in einer
zu einer Mittelachse M senkrechten Ebene erstreckt. Die Mittelachse
M ist die Lenkachse.
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Das
Eingangselement 10, das um eine Mittelachse M drehbar ist,
ist mit dem Lenkrad 8 verschraubt, wobei das Verbindungsmittel 16 in 7 dargestellt
ist. Insbesondere ist das Eingangselement 10 Teil einer
Lenkradnabe 17. Genausogut könnte das Eingangselement 10 einstückig
mit der Lenkradnabe 17 ausgebildet sein (nicht gezeigt).
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Das
Ausgangselement 12 ist Teil der Lenkradnabe 17 und
mit einer Lenksäule 18 verbunden. Das Ausgangselement 12,
das um die Mittelachse M drehbar ist, führt das Eingangselement 10 axial.
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Zwischen
dem Eingangs- und dem Ausgangselement 10, 12 sind
Kugellager 20 vorgesehen (5 und 7),
die eine reibungsarme Drehung der beiden Teile zueinander ermöglichen.
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Es
sind zwei Zapfen 22, 24 vorgesehen (6),
wobei der erste Zapfen 22 mit dem Eingangselement 10 und
der zweite Zapfen 24 mit dem Ausgangselement 12 verbunden
ist. Die beiden Zapfen 22, 24 greifen darüberhinaus
am Federelement 14 an und zwar so, daß bei einer
Bewegung des Eingangselementes 10 relativ zum Ausgangselement 12 das Federelement 14 aufgeweitet
wird.
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Das
Federelement 14, das zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangselement 10, 12 angeordnet
ist, ist im wesentlichen C-förmig (vgl. 4) mit
zwei Federenden 26, die an den Zapfen 22, 24 anliegen.
Diametral gegenüber den Federenden 26 hat das
Federelement 14 zwei Nasen 27, die an einer stiftförmigen
Abstützung 28 angreifen. Die Abstützung 28 ist
mit dem Eingangs- oder dem Ausgangselement 10, 12 gekoppelt.
Zwischen dem C-förmigen Federelement 14 und dem
Eingangselement 10, dem Federelement 14 und dem
Ausgangselement 12 sowie zwischen dem Federelement 14 und
der Abstützung 28 sind Kugellager 30 vorgesehen,
die die Reibung reduzieren.
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Das
Federelement 14 beaufschlagt das Eingangs- und das Ausgangselement 10, 12 in
eine Ausgangsstellung, die in 4 gezeigt
ist, und läßt proportional zum Lenkmoment eine
Drehung des Eingangselements 10 relativ zum Ausgangselement 12 zu.
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Das
Federelement 14 ist schwimmend gelagert (4 und 9).
Dazu sind in Aussparungen 32 des Eingangs- und des Ausgangselements 10, 12 Gummipuffer 34 vorgesehen,
die am Federelement 14 angreifen. Die Gummipuffer 34 verhindern,
das bei einer Bewegung des Eingangselements 10 relativ zum
Ausgangselement 12 Reibmomente an den Stirnflächen
des Federelements 14 auftreten. In 4 sind sechs
Gummipuffer 34 in Draufsicht dargestellt, die voneinander
beabstandet an dem Federelement 14 angreifen.
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Es
ist ein Sensor 36 vorgesehen, der aus einer scheibenförmigen
Sensorplatine 38 und einem sternförmigen Rotor 40 (siehe
insbesondere 7) besteht und einen Drehwinkel
zwischen dem Eingangselement 10 und dem Ausgangselement 12 messen
kann. Dazu ist die Sensorplatine 38 drehfest mit dem Eingangselement 10 verbunden
und der Rotor 40 drehfest mit dem Ausgangselement 12.
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Wenn
ein Lenkmoment aufgebracht wird, also bei einer Drehung des Eingangselements 10 relativ
zum Ausgangselement 12, wird das C-förmige Federelement 14 aufgeweitet,
da der erste Zapfen 22 mit dem Eingangselement 10 verbunden
ist bzw. Teil dessen ist und der zweite Zapfen 24 mit dem
Ausgangselement 12 verbunden ist bzw. Teil dessen ist und
die beiden Zapfen 22, 24 an dem Federelement 14 angreifen.
Die beiden Zapfen 22, 24 greifen so an dem Federelement 14 an,
daß bei einer Drehung des Eingangselementes 10 relativ
zum Ausgangselement 12 das C-förmige Federelement 14 aufgeweitet wird.
Die Drehung des Eingangselements 10 relativ zum Ausgangselement 12 wird
mit Hilfe des Sensors 36 gemessen.
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Um
die maximale Verdrehung des Eingangs- und des Ausgangselements 10, 12 zu
begrenzen, ist ein Anschlagzapfen 42 (vgl. 8)
vorgesehen. Der Anschlagzapfen 42 verbindet das Eingangs-
und das Ausgangselement 10, 12 bei Überschreiten
eines maximalen Verdrehwinkels der beiden Elemente 10, 12 formschlüssig
miteinander.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise des Drehmomentsensors beschrieben:
Wenn
ein am Lenkrad 8 aufgebrachtes Drehmoment auf das Eingangselement 10 ausgeübt
wird, tritt eine Drehung des Eingangselements 10 relativ
zum Ausgangselement 12 auf. Das C-förmige Federelement 14 weitet
sich bei einer Drehung des Eingangselements 10 relativ
zum Ausgangselement 12 auf, da die Zapfen 22, 24,
die mit dem Eingangs- bzw. dem Ausgangselement 10, 12 verbunden
sind, daran angreifen. Der Sensor 36 bestehend aus der
Sensorplatine 38 und dem Rotor 40 erfaßt
die Drehung des Eingangselementes 10 relativ zum Ausgangselement 12.
Der erfaßte Drehwinkel wird in ein Drehmoment umgerechnet,
wobei die vorher bestimmte Federsteifigkeit des Federelementes 14 berücksichtigt
wird. Anschließend wird der Wert z. B. an eine elektrische Lenkkraftunterstützung
geleitet.
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Die
Drehung des Eingangselementes 10 relativ zum Ausgangselement 12 ist
durch die Kugellager 20, 30 und den Gummipuffern 34 so
reibungsarm wie möglich ausgebildet.
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Die
in 10 gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet
sich von der ersten Ausführungsform darin, daß das
Federelement 14 im Bereich der Lenksäule 18 unterhalb
des Lenkradkranzes angeordnet ist.
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Das
Eingangselement 10 ist an dem Lenkrad 8 und das
Ausgangselement 12 an der Lenksäule 18 angebracht.
Das Eingangs-, das Ausgangs- und das Federelement 10, 12, 14 können
in dem Lenkrad 8 integriert sein und als vormontierte Einheit
mit einer einzigen Befestigungsschraube 44 auf der Lenksäule 18 befestigt
werden.
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In
den 11 bis 13 ist
ein Drehmomentsensor in einer weiteren Ausführungsform
gezeigt.
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Das
Federelement 14, das anstelle des C-förmigen Federelements 14 eingebaut
werden kann, ist im wesentlichen teilkreisförmig und erstreckt sich
um etwa 330°. Das Federelement 14 weist über ihre
gesamte Länge im wesentlichen eine konstante Breite und
Dicke auf. Die Federcharakteristik des Federelements 14 kann
durch Änderung der Länge, Dicke und Breite beeinflußt
werden. Ein erstes Ende 46 des Federelements 14 ist
mit dem Eingangselement 10 begrenzt beweglich verbunden.
Es weist dazu ein kugelförmiges Ende 46 auf, das
in einer entsprechenden Aufnahme des Eingangselements 10 aufgenommen
ist. Da das erste Ende 46 begrenzt beweglich mit dem Eingangselement 10 verbunden
ist, ist eine gleichmäßige Biegebeanspruchung
des Federmaterials gewährleistet. Das zweite Ende 48 des
Federelements 14 ist fest mit dem Ausgangselement 12 verbunden.
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Das
Eingangs- und das Ausgangselement 10, 12 sind
hier mittels Befestigungsmittel 50 am Lenkrad 8 bzw.
an der Lenksäule 18 befestigt. Genausogut könnten
das Eingangs- und das Ausgangselement 10, 12 einstückig
mit dem Lenkrad 8 bzw. mit der Lenksäule 18 ausgebildet
sein (nicht gezeigt).
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Wenn
ein am Lenkrad 8 aufgebrachtes Drehmoment auf das Eingangselement 10 ausgeübt
wird, tritt eine Drehung des Eingangselements 10 relativ zum
Ausgangselement 12 auf. Dabei wird das Federelement 14 entweder „zusammengewickelt" (12),
weshalb es sich an das Eingangselement 10 annähert,
bis es daran anliegt, oder „aufgeweitet", weshalb es sich
dem Ausgangselement 12 annähert, bis es daran
anliegt. Sobald das Federelement 14 am Eingangs- oder Ausgangselement 10, 12 anliegt, kann
das Federelement 14 nicht mehr „zusammengewickelt"
oder „aufgeweitet" werden. Dies stellt einen mechanischen
Anschlag und so eine Überlastsicherung dar.
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In 14 ist
ein weiteres Federelement 14 gezeigt, das anstelle des
C-förmigen Federelements 14 der ersten Ausführungsform
eingesetzt werden kann.
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Das
Eingangs- und das Ausgangselement 10, 12 sind
in dieser Ausführungsform einstückig ausgebildet,
wobei zwei mäanderförmige Verbindungsstege 52 vorgesehen
sind, die das Eingangs- und das Ausgangselement 10, 12 miteinander
verbinden und eine Drehung des Eingangselementes 10 relativ
zum Ausgangselement 12 bis zu einem gewissen Grad zulassen.
Das einstückige Teil ist mittels Befestigungsmittel 50 mit
dem Lenkrad 8 und der Lenksäule 18 verbunden.
Bei einer Bewegung des Eingangselementes 10 werden die
Verbindungsstege 52 gebogen. Die Verbindungsstege 52 bilden
das Federelement 14. Über die Form einer Aussparung 54 und/oder
die Form und Breite der Verbindungsstege 52 kann die Federcharakteristik
des Federelementes 14 eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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