DE102008009290B4

DE102008009290B4 - Sensoreinheit zur Erfassung einer Relativdrehung zwischen zwei Wellenabschnitten

Info

Publication number: DE102008009290B4
Application number: DE102008009290.8A
Authority: DE
Inventors: Markus Drees
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2028-02-16
Also published as: DE102008009290A1

Abstract

Sensoreinheit zur Erfassung einer Relativdrehung zwischen zwei Wellenabschnitten, umfassend eine Gebervorrichtung (11) und eine Aufnehmervorrichtung (12) zur Anordnung an jeweils einem Wellenabschnitt, sowie eine Signalaufbereitungsvorrichtung (13) zur Zusammenwirkung mit der Aufnehmervorrichtung (12) und ein Leitungskabel (14) zur Übertragung der aufbereiteten Signale, wobei an dem Leitungskabel (14) ein Außengehäuse (19) vorgesehen ist, welches die Signalaufbereitungsvorrichtung (13) aufnimmt und einen in Richtung der Aufnehmervorrichtung (12) vorstehenden Vorsprung (18) mit einem Kollektor (17) aufweist, wobei das Außengehäuse (19) außenseitig an einem Lenkgehäuse befestigbar ist und der Kollektor (17) durch eine Lochöffnung von außen in das Lenkgehäuse einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Kollektor (17) in einen zwischen zwei benachbarten Statoren (16) gebildeten Zwischenraum hineinragt oder Randabschnitte der Statoren (16) umgreift.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Relativdrehung zwischen zwei Wellenabschnitten nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Sensoreinheiten zur Erfassung einer Relativdrehung zwischen zwei Wellenabschnitten werden beispielsweise in Lenkwellen von Fahrzeuglenkungen eingesetzt, um eine Information über einen vom Fahrer aufgebrachten Lenkwinkel oder ein von diesem aufgebrachtes Lenkmoment zu erhalten. Hierzu wird eine Relativdrehung zwischen zwei drehelastisch miteinander gekoppelten Wellenabschnitten, beispielsweise an einer Eingangswelle eines Lenkgehäuses, abgegriffen. Bei einer Relativdrehung der Wellenabschnitte werden die Gebervorrichtung und die Aufnehmervorrichtung zueinander verdreht. Aus einer sich infolgedessen verändernden physikalischen Größe, die vom Sensorprinzip abhängt, wird ein Signal gewonnen, das den Drehwinkel repräsentiert. Ist die Elastizität der Kopplung der Wellenabschnitte bekannt, kann hieraus das anliegende Lenkmoment bestimmt werden.
Die Sensoreinheit umfasst ferner eine Sensorelektronik, mittels derer in Abhängigkeit der in der Aufnehmervorrichtung erfassten physikalischen Größe ein Signal aufbereitet wird, das über ein Leitungskabel an ein externes Steuergerät übertragen wird. Entsprechende Sensoreinheiten sind beispielsweise aus DE 10 2007 032 907 A1 und DE 10 2006 051 611 A1 bekannt. Weitere Sensoreinheiten zur Erfassung des an einer Lenkwelle anliegenden Drehmoments sind in DE 10 20045 038 514 A1 und in DE 103 16 322 A1 beschrieben.
Bei diesen bekannten Sensoreinheiten ist die Aufnehmervorrichtung in einem ringförmigen Gehäuse angeordnet, welches die Sensorelektronik zur Signalaufbereitung aufnimmt. Das Gehäuse sitzt üblicherweise in einer tropfförmigen Aufnahme des Lenkgehäuses und ist an dem Lenkgehäuse festgelegt. Zwischen dem Gehäuse für die Sensorelektronik und der Aufnehmervorrichtung befindet sich ein Gleitlager, da die Aufnehmervorrichtung mit dem zugehörigen Wellenabschnitt der Eingangswelle gegenüber dem Lenkgehäuse drehbar sein muss. Bei der Montage werden zunächst die Aufnehmervorrichtung, die Gebervorrichtung und das Gehäuse für die Sensorelektronik an der Lenkwelle montiert. Anschließend wird die Lenkwelle in das Lenkgehäuse eingebaut. Erst nach dem Einbau der Lenkwelle und der Sensoreinheit kann das Leitungskabel an die Sensoreinheit und das Lenkgehäuse montiert werden. Die Notwendigkeit eines Gleitlagers zwischen der Aufnehmervorrichtung und dem Gehäuse für die Sensorelektronik bedingt einen hohen Materialeinsatz, da hierfür hochwertige Materialien benötigt werden. Zudem verursacht das Gleitlager eine gewisse Reibung, welche sich auf die Haptik der Lenkung auswirken kann. Weiterhin ist die Montage der bekannten Sensoreinheit am Lenkgehäuse aufwändig.
Weiterhin ist aus EP 1 816 457 A2 eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Relativdrehung zwischen zwei Wellenabschnitten nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bekannt. Diese bekannte Sensoreinheit verwendet zwei Kollektorringe, welche sich um Statoren einer Gebereinrichtung herumerstrecken. Jeder Kollektorring weist eine radial abstehende Lasche auf, zwischen welchen ein Hallsensor angeordnet ist, um Änderungen des magnetischen Flusses zu erfassen. Bei der Montage ist es erforderlich, zuerst die Sensoreinheit am Lenkungsgehäuse zu montieren, bevor die Lenkwelle eingebaut werden kann. In EP 1 816 457 A2 werden die Laschen der Kollektorringe übereinanderliegend beschrieben. Aus US 7,293,472 B2 ist ferner bekannt, diese Laschen längs zur Drehachse der Lenkwelle anzuordnen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine weniger aufwändige Sensoreinheit zu schaffen, die sich einfacher montieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit bietet gegenüber dem Stand der Technik eine Vielzahl von Vorteilen.
Durch die Integration der Sensorelektronik, des Kollektors und des Leitungskabels in eine vormontierbare Baueinheit, welche zum Beispiel außenseitig an einem Lenkungsgehäuse befestigbar ist, ergibt sich ein vereinfachter Aufbau, der ein Gleitlager zwischen der Sensorelektronik bzw. Signalaufbereitungsvorrichtung und der Aufnehmervorrichtung überflüssig macht. Hierdurch wird nicht nur eine Einsparung hochwertiger Materialien erzielt, sondern gleichzeitig die durch das Gleitlager verursachte Reibung vermieden. Hieraus resultieren eine bessere Haptik der Lenkung sowie eine Geräuschreduzierung. Bei einer ausreichend steifen Ausführung und positionsgenauen Anordnung entfällt zudem der Anteil des Wobbelfehlers aus dem Lagerspiel.
Weiterhin wird durch den Entfall der Kontaktierung des Leitungskabels an der Sensoreinheit Montagezeit eingespart.
Ferner gestattet die erfindungsgemäße Lösung eine kompaktere Bauweise der Sensoreinheit. Insbesondere kann das Lenkgehäuse im Eingangsbereich der Lenkwelle schlanker ausgeführt werden.
Da über den Kollektor in Umfangsrichtung an beliebiger Stelle der Aufnehmervorrichtung ein Signalabgriff möglich ist, kann die Sensoreinheit in Umfangsrichtung im Wesentlichen frei positioniert werden, wodurch sich ein größerer Gestaltungsspielraum bei Derivaten der Lenkung ergibt.
Da ferner das Außengehäuse mit der Sensorelektronik außenseitig am Lenkungsgehäuse befestigt wird, kann der die Sensoreinheit aufnehmende Topf am Lenkungsgehäuse mit kleinerem Durchmesser ausgeführt werden.
Der Kollektor lässt sich durch eine Lochöffnung von außen in das Lenkungsgehäuse einführen, so dass dieser mit in eine Baueinheit aus Außengehäuse und Leitungskabel integrierbar ist.
Vorzugsweise sitzt der Kollektor am Stirnende einer Distanzhülse des Außengehäuses. Über die Distanzhülse kann bei unterschiedlichen Lenkgehäusen eine einfache Längenanpassung vorgenommen werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist das Außengehäuse an das Leitungskabel angeformt, so dass andernfalls benötigte Steckverbinder eingespart werden.
Für die Signalgenerierung sind unterschiedliche Messprinzipien einsetzbar.
Beispielsweise kann die Gebervorrichtung als Magnetring ausgebildet sein, der an einem Wellenabschnitt befestigbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Aufnehmervorrichtung aus einem Haltering zur Befestigung an einem Wellenabschnitt sowie einem oder mehreren, an dem Haltering festgelegten Statoren. Der bzw. die Statoren können dabei ringförmig um den Magnetring angeordnet sein.
Zur Vermeidung von Störgeräuschen und Reibungseffekten sind der Kollektor und die Aufnehmervorrichtung vorzugsweise zueinander berührungsfrei.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kollektor ein Kreisbogensegment um die Aufnehmervorrichtung. Vorzugsweise ist der Kollektor kleiner als ein Viertelbogen, weiter bevorzugt kleiner als ein Achtelbogen. Es ist jedoch auch ein gerader Kollektor möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

1 eine Schnittansicht einer Sensoreinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einbauzustand an einem Lenkgehäuse einer Fahrzeuglenkung,
2 eine räumliche Ansicht der Lenkwelle mit anmontierten Komponenten der Sensoreinheit vor dem Einbau in das Lenkgehäuse,
3 eine räumliche Ansicht des Außengehäuses der Sensoreinheit,
4 eine räumliche Ansicht der Sensoreinheit und der Lenkwelle im montierten Zustand am Lenkgehäuse, und in
5 eine Sensoreinheit mit einem abgewandelten Kollektor.

Das in den 1 bis 4 dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Fahrzeuglenkung, insbesondere eine Zahnstangenlenkung mit Lenkunterstützung. Die Fahrzeuglenkung umfasst eine Lenkwelle 1, die sich in ein Lenkgehäuse 2 erstreckt. An der Lenkwelle 1 befindet sich ein Lenkritzel 3, das mit einer hier nicht näher dargestellten Zahnstange kämmt.
Die Lenkwelle 1 weist einen ersten Wellenabschnitt 4 und einen drehelastisch mit diesem gekoppelten zweiten Wellenabschnitt 5 auf. Wird auf die Lenkwelle 1 ein Drehmoment ausgeübt, so kommt es zwischen dem ersten Wellenabschnitt 4 und dem zweiten Wellenabschnitt 5 zu einer von der Elastizität der Kopplung abhängigen Relativdrehung. Diese kann mittels der nachfolgend näher erläuterten Sensoreinheit 10 erfasst werden, welche in Abhängigkeit der Relativdrehung ein Ausgangssignal erzeugt. Durch die Auswertung dieses Ausgangssignals lässt sich das anliegende Drehmoment ermitteln.
Die Kopplung der Wellenabschnitte 4 und 5 kann beispielsweise durch einen Torsionsstab erfolgen, wie dies aus der DE 101 26 791 A1 bekannt ist. Jedoch sind auch andere drehelastische Kopplungselemente einsetzbar. Überdies ist es denkbar, die beiden Wellenabschnitte 4 und 5 einstückig miteinander auszubilden, wobei zwischen diesen zusätzlich ein torsionsweicher Abschnitt vorgesehen ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Wellenabschnitt 4 eine Eingangswelle, die in Richtung eines Lenkrads weist. Der zweite Wellenabschnitt 5 ist eine Ausgangswelle, an der das Lenkungsritzel 3 ausgebildet ist.
Die Sensoreinheit 10 zur Erfassung einer Relativdrehung zwischen den beiden Wellenabschnitten 4 und 5 umfasst eine Gebervorrichtung 11 und eine Aufnehmervorrichtung 12 zur Signalgenerierung sowie eine mit der Aufnehmervorrichtung 12 zusammenwirkende Signalaufbereitungsvorrichtung 13 und ein Leitungskabel 14 zur Übertragung der in der Signalaufbereitungsvorrichtung 13 aufbereiteten Signale.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gebervorrichtung 11 ein Magnetring, der an dem ersten Wellenabschnitt 4 befestigt ist und ein definiertes Magnetfeld erzeugt, das mit der Relativposition zum zweiten Wellenabschnitt 5 variiert. Die Aufnehmervorrichtung 12, die an dem zweiten Wellenabschnitt 5 befestigt ist, umfasst einen Haltering 15, an dem ein oder mehrere metallische Statoren 16 festgelegt sind. Im Einbauzustand der Sensoreinheit 10 sind die Statoren 16 um die Gebervorrichtung 11 bzw. den Magnetring herum angeordnet. Insbesondere können die Statoren 16 als Statorringe ausgebildet sein. Bei einer Relativdrehung der Wellenabschnitte 4 und 5 ändert sich der magnetische Fluss. Dies kann mittels eines in Bezug auf das Lenkgehäuse 1 stationären Kollektors 17 abgegriffen werden.
Der Kollektor 17 erstreckt sich in den Zwischenraum zwischen den Statoren 16 der Aufnehmervorrichtung 12. In Abwandlung des in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels kann der Kollektor 17 auch so ausgebildet sein, dass dieser Randabschnitte der Statorringe umgreift, wie dies in 5 gezeigt ist. In sämtlichen Fällen weist der Kollektor 17 eine lediglich geringe Erstreckung in Umfangsrichtung um die Lenkwelle 1 auf, so dass sich ein Bogensegment ergibt, welches deutlich kürzer als ein Viertelkreisbogen ist. Der Kollektor 17 ist berührungsfrei zur Aufnehmervorrichtung 12 ausgerichtet und bildet mit dieser einen Luftspalt.
Der zu der Aufnehmervorrichtung 12 weisende Abschnitt des Kollektors 17 kann jedoch auch gerade bzw. eben ausgeführt werden. Dieser Abschnitt verläuft dann im Wesentlichen tangential zur Aufnehmervorrichtung 12.
Erfindungsgemäß ist der Kollektor 17 an einem Vorsprung 18 eines Außengehäuses 19 angeordnet, welches die Signalaufbereitungsvorrichtung 13 aufnimmt. Das Außengehäuse 19 ist an einer Außenwand des Lenkgehäuses 2 befestigt. Dabei erstreckt sich der Vorsprung 18 mit dem Kollektor 17 von außen durch eine Lochöffnung 6 des Lenkgehäuses 1 in Richtung der Aufnehmervorrichtung 12. Der Vorsprung 18 ist dabei im Wesentlichen radial auf die Aufnehmervorrichtung 12 gerichtet. Zwischen dem Außengehäuse 19 und dem Lenkgehäuse 2 kann ferner eine Dichtung 20 vorgesehen sein.
Wie insbesondere 3 zeigt, bildet das Außengehäuse 19 mit dem Leitungskabel 14 und dem Kollektor 17 eine vormontierbare Baueinheit, die als Ganzes am Lenkungsgehäuse verbaut wird. Insbesondere ist es möglich, das Außengehäuse 19 an das Leitungskabel 14 anzuformen, um Steckverbinder zwischen diesen einzusparen. Jedoch kann das Leitungskabel 14 auch lösbar an dem Außengehäuse 19 befestigt sein. Es muss jedoch nicht mehr eigens am Lenkgehäuse 2 befestigt oder durch Öffnungen hindurchgeführt werden. Der Vorsprung 18, welcher die Funktion einer Distanzhülse übernimmt, kann je nach Ausgestaltung des Aufnahmetopfs 7 am Lenkgehäuse 2 in seiner Länge angepasst werden.
Bei der Montage sind lediglich die Aufnehmervorrichtung 12 und die Gebervorrichtung 11 an den Wellenabschnitten 4 und 5 der Lenkwelle 1 zu montieren. Anschließend wird die Lenkwelle 1 in dem in 2 gezeigten Zustand in das Lenkgehäuse 2 eingebaut. Erst danach erfolgt die Montage der Baueinheit aus dem Kollektor 17, dem Leitungskabel 14 und dem Außengehäuse 19 mit der Signalaufbereitungsvorrichtung 13 am Lenkgehäuse 2. Dazu wird das Außengehäuse 19 außenseitig am Lenkgehäuse 2 befestigt. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung. Lediglich beispielhaft seien Clipsen, Verschrauben, Vergießen und Verkleben genannt. Auch die Abdichtung zum Lenkgehäuse 2 kann in bekannter Art und Weise durch einen O-Ring, eine Profildichtung, eine Flachdichtung, eine Flüssigdichtung und dergleichen erfolgen.
Ein separater Montageschritt für das Leitungskabel 14, wie er bei den Sensoreinheiten nach den deutschen Patentanmeldungen Nrn. 10 2006 051 610 und 10 2006 051 611 erforderlich ist, wird vorliegend vermieden, so dass sich die Fertigungszeit verkürzt.
Durch den Entfall eines Gleitlagers in der Sensoreinheit 10 ergibt sich ein sehr einfacher, kompakter Aufbau. Insbesondere wird der Einsatz hochwertiger Materialien gering gehalten.
Da die zueinander bewegbaren Komponenten berührungsfrei sind, wird jegliche Kontaktreibung und Geräuschbildung vermieden.
Darüber hinaus kann das Lenkgehäuse 2 im Eingangsbereich der Lenkwelle 1 kompakter ausgeführt werden. Zudem ist die Sensoreinheit 10 in Umfangsrichtung weitestgehend frei positionierbar. Dies erhöht den Gestaltungsspielraum in der Umgebung des Lenkgehäuses 2 und ermöglicht Modifikationen desselben bei Beibehaltung der gleichen Sensoreinheit 10.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
Bezugszeichenliste

1: Lenkwelle
2: Lenkgehäuse
3: Lenkritzel
4: erster Wellenabschnitt (Eingangswelle)
5: zweiter Wellenabschnitt (Ausgangswelle)
6: Lochöffnung
7: Topf
10: Sensoreinheit
11: Gebervorrichtung
12: Aufnehmervorrichtung
13: Signalaufbereitungsvorrichtung
14: Leitungskabel
15: Halter
16: Stator
17: Kollektor
18: Vorsprung
19: Außengehäuse
20: Dichtung

Claims

Sensoreinheit zur Erfassung einer Relativdrehung zwischen zwei Wellenabschnitten, umfassend eine Gebervorrichtung (11) und eine Aufnehmervorrichtung (12) zur Anordnung an jeweils einem Wellenabschnitt, sowie eine Signalaufbereitungsvorrichtung (13) zur Zusammenwirkung mit der Aufnehmervorrichtung (12) und ein Leitungskabel (14) zur Übertragung der aufbereiteten Signale, wobei an dem Leitungskabel (14) ein Außengehäuse (19) vorgesehen ist, welches die Signalaufbereitungsvorrichtung (13) aufnimmt und einen in Richtung der Aufnehmervorrichtung (12) vorstehenden Vorsprung (18) mit einem Kollektor (17) aufweist, wobei das Außengehäuse (19) außenseitig an einem Lenkgehäuse befestigbar ist und der Kollektor (17) durch eine Lochöffnung von außen in das Lenkgehäuse einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Kollektor (17) in einen zwischen zwei benachbarten Statoren (16) gebildeten Zwischenraum hineinragt oder Randabschnitte der Statoren (16) umgreift.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (17) am Stirnende einer Distanzhülse des Außengehäuses (19) sitzt.
Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (19) an das Leitungskabel (14) angeformt ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (19), der Kollektor (17) und das Leitungskabel (14) eine vormontierbare Baueinheit bilden.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebervorrichtung (11) als an einem Wellenabschnitt befestigbarer Magnetring ausgebildet ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnehmervorrichtung (12) einen Haltering (15) zur Befestigung an einem Wellenabschnitt aufweist, sowie einen oder mehrere, an dem Haltering (15) festgelegte Statoren (16).
Sensoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Statoren (16) ringförmig um den Magnetring angeordnet sind.
Sensoreinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei radial voneinander beabstandete Statorringe vorgesehen sind.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (17) und die Aufnehmervorrichtung (12) zueinander berührungsfrei sind.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (17) ein Kreisbogensegment um die Aufnehmervorrichtung (12) ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (17) einen zur Aufnehmervorrichtung (12) weisenden Abschnitt aufweist, der tangential zur Aufnehmervorrichtung (12) verläuft.
Fahrzeuglenkung mit einer Sensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (11) an einem ersten Wellenabschnitt (4) und das Aufnehmerelement (12) an einem zweiten Wellenabschnitt (5) einer Lenkwelle (1) befestigt ist, und das Außengehäuse (19) mit der Signalaufbereitungsvorrichtung (13) außenseitig an einem Lenkgehäuse (2) befestigt ist und sich mit dem Kollektor (17) in das Lenkgehäuse (2) bis zu dem Aufnehmerelement (12) erstreckt.