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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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Die
DE 40 38 808 A1 beschreibt eine Lenkkrafterkennungsvorrichtung, wobei eine Relativdrehung zwischen einem lenkradseitigen und einem lenkwellenseitigen Drehteil durch die Erfassung einer Änderung im magnetischen Widerstand erfasst werden kann.
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Die
US 5,400,663 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen einer Torsion die von einem Eingangselement mittels einer Feder auf ein Ausgangselement übertragen wird.
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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. Zudem sollen durch die Verformung des Federelements entstehende Reibmomente möglichst gering sein.
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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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Erfindungsgemäß ist außerdem ein Gummipuffer vorhanden, so dass das Federelement parallel zur Mittelachse schwimmend gelagert ist.
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Durch den Gummipuffer ist das Federelement außerdem von dem Eingangs- und dem Ausgangselement entkoppelt. Aufgrund der schwimmenden Lagerung rufen Verformungen des Federelements aufgrund der Bewegung des Eingangselements relativ zum Ausgangselements keine zusätzlichen Reibmomente hervor. Gemäß einer Ausführungsform ist eine Lenkradnabe vorhanden, 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 vorhanden, 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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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:
- - 1 eine perspektivische Ansicht eines Lenkrads mit einem erfindungsgemäßen Drehmomentsensor gemäß einer ersten Ausführungsform,
- - 2 eine perspektivische Ansicht der Rückseite des Lenkrads von 2,
- - 3 eine Seitenansicht des Lenkrads der 1 und 2,
- - 4 eine Schnittansicht des Lenkrads mit einem Federelement entlang der Linie IV-IV in 3,
- - 5 eine geschnittene Ansicht des Lenkrads der 1 bis 4 mit einem Ausgangs-, einem Eingangs- und dem Federelement von 4,
- - 6 eine Detailansicht der Verbindung des Eingangs-, des Ausgangs- und des Federelements von 5,
- - 7 eine Detailansicht der Verbindung des Eingangselementes mit einem Lenkrad,
- - 8 eine Ansicht eines Anschlagzapfens,
- - 9 eine Detailansicht der Lagerung des Federelementes,
- - 10 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drehmomentsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- - 11 eine Ansicht eines Federelementes in einer Ausgangstellung, das anstelle des in 4 gezeigten Federelementes in den erfindungsgemäßen Drehmomentsensor eingesetzt werden könnte,
- - 12 das in 11 gezeigte Federelement in einer ersten Endstellung,
- - 13 das in 11 gezeigte Federelement in einer zweiten Endstellung,
und
- - 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 vorhanden, 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 vorhanden (5 und 7), die eine reibungsarme Drehung der beiden Teile zueinander ermöglichen.
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Es sind zwei Zapfen 22, 24 vorhanden (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 vorhanden, 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 vorhanden, 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 vorhanden, 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) vorhanden. 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 vorhanden 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.
