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Die
Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung gemäß Oberbegriff
von Anspruch 1, ein Verfahren zur Messung eines an eine Welle angreifenden
Drehmoments gemäß Oberbegriff von Anspruch 14
sowie die Verwendung der Drehmomentsensoranordnung in einem Lenkungssystem
eines Kraftfahrzeugs.
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In
Druckschrift
DE
10 2006 057 225 A1 wird eine Drehmomentsensoranordnung
vorgeschlagen, welche ein Sensorträgermodul umfasst, das
eine Sende-/Empfangsantenne zur drahtlosen Energieversorgung und
Informationsübertragung aufweist. Die drahtlose Energie-
und Informationsübertragung kann dabei allerdings maßgeblich
von der Welle beeinflusst werden, in Abhängigkeit der materialtechnischen
und geometrischen Ausbildung der Welle.
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Die
Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Drehmomentsensoranordnung
sowie ein Verfahren zur Messung eines an eine Welle angreifenden
Drehmoments vorzuschlagen, bei welcher/welchem die drahtlose Kommunikation
in relativ geringem Maße von der Ausbildung der Welle abhängig ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Drehmomentsensoranordnung gemäß Anspruch 1
sowie das Verfahren gemäß Anspruch 14.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, wenigstens eine Antenne zur
drahtlosen Kommunikation zwischen Sensormodul und separatem Kommunikationsmodul
zu verwenden, welche kranzförmig ausgebildet ist und die
Welle zumindest teilweise umgreift.
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Das
Material sowie die geometrische Ausbildung der Welle sind oftmals
applikationsabhängig. Dadurch, dass die Welle die drahtlose
Kommunikation nur in relativ geringer Weise beeinflusst, kann die Drehmomentsensoranordnung
zumindest teilweise applikationsunabhängig ausgebildet
sein, wodurch Kosten gespart werden können.
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Die
Welle ist bevorzugt als Lenk- oder Antriebswelle ausgebildet oder
alternativ vorzugsweise als Torsionsstab ausgebildet, welcher in
eine Welle eingefügt ist.
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Die
Welle ist insbesondere 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. Besonders bevorzugt ist die Welle zumindest
teilweise aus Metall ausgebildet.
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Die
Kranzantenne weist vorzugsweise zumindest eine erste Windung bzw.
Wicklung auf, welche so ausgebildet ist, dass der Außenbereich
dieser Windung die Welle zumindest teilweise umgreift. Die Welle
ist dabei insbesondere nicht im Innenbereich dieser Windung angeordnet.
Die Windung ist besonders bevorzugt als freitragende Wicklung ausgebildet.
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Die
erste Windung umfasst zweckmäßigerweise zwei Windungssegmente
unterschiedlicher Länge, welche jeweils die Welle zumindest
teilweise umgreifen, wobei diese beiden Windungssegmente insbesondere
im Wesentlichen als Kreissegmente ausgebildet sind.
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Die
Kranzantenne ist bevorzugt im Wesentlichen kreisringsegment-förmig
oder hufeisen-förmig ausgebildet.
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Vorzugsweise
ist die Kranzantenne als Luftspule ausgebildet, welche mit ihrem
Außenbereich die Welle zumindest teilweise umfasst.
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Die
Kranzantenne umfasst zweckmäßigerweise mehrere
Windungen, welche insbesondere axial hintereinander, bezüglich
der Welle, angeordnet sind.
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Das
Kommunikationsmodul weist bevorzugt zumindest eine zweite Kranzantenne
auf, welche im Wesentlichen die gleiche Form wie die erste Kranzantenne
aufweist und die Welle zumindest teilweise, berührungslos
umgreift. Die erste und die zweite Kranzantenne sind insbesondere
so ausgebildet und angeordnet, dass sie, beispielsweise jeweils
im Wesentlichen an derselben Stelle, jeweils eine Lücke
bezüglich des Umgreifens der Welle aufweisen, wobei diese
Lücke wenigstens so breit wie der Wellendurchmesser ist
und/oder dass die erste und zweite Kranzantenne biegsam bzw. elastisch
ausgebildet sind, so dass durch ein aufweitendes, im Wesentlichen
reversibles Auslenken der jeweiligen Kranzantenne die Lücke
mindestens auf die Größe des Wellendurchmessers
aufgebogen werden kann. Dadurch kann die jeweilige Kranzantenne
im Zuge der Anordnung um die Welle, die Welle besonders bevorzugt umschlingen.
Die Kranzantennen können hierdurch also jeweils seitlich,
im Bereich zwischen den Wellenenden montiert werden. Die Drehmomentsensoranordnung
kann dementsprechend also in einem eingebauten Zustand der Welle
montiert werden. Die erste und die zweite Kranzantenne sind ganz
besonders bevorzugt auf einer elastischen Folie und/oder als elastische
Folie ausgebildet.
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Die
erste und die zweite Kranzantenne weisen vorzugsweise im Wesentlichen
kongruente Flächen zueinander auf.
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Es
ist zweckmäßig, dass die erste und zweite Kranzantenne
so angeordnet sind, dass die durch die jeweilige erste Windung der
jeweiligen Kranzantenne gebildete Fläche im Wesentlichen
senkrecht zur Mittelachse der Welle ausgerichtet ist.
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Die
erste Kranzantenne des Sensormoduls ist zweckmäßigerweise
mit der zweiten Kranzantenne des Kommunikationsmoduls induktiv gekoppelt.
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Das
Sensormodul wird von dem Kommunikationsmodul bevorzugt drahtlos
mit Energie versorgt. Dies erfolgt insbesondere mittels der ersten und
zweiten Kranzantenne und besonders bevorzugt mittels Verlust- bzw.
Lastmodulation.
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Alternativ
vorzugsweise weist das Sensormodul zumindest einen Energiespeicher
zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie aufweist.
Dieser Energiespeicher ist insbesondere Teil einer Signalverarbeitungsschaltung
des Sensormoduls. Durch den Energiespeicher kann eine hinreichende
Energieversorgung des Sensormoduls, auch bei diskontinuierlicher
Energieübertragung von Kommunikationsmodul zu Sensormodul
und/oder bei Verzicht auf eine Verlustmodulation durch das Kommunikationsmodul,
gewährleistet werden. Besonders bevorzugt überträgt
das Sensormodul die erfassten Drehmomentinformationen zeitlich unabhängig
von der Energieübertragung des Kommunikationsmoduls zum
Sensormodul.
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Die
Informationsübertragung zwischen Sensormodul und Kommunikationsmodul
erfolgt bevorzugt mittels digitaler Modulation, insbesondere mittels
eines Bandspreizverfahrens.
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Das
Kommunikationsmodul ist zweckmäßigerweise mit
einer elektrischen Kontrolleinheit verbunden.
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Das
Sensormodul umfasst vorzugsweise ein Sensorträgermodul,
auf welchem zumindest ein Sensorelement angeordnet ist, wobei das
Sensorträgermodul in einer Ausnehmung der Welle angeordnet
ist oder in Form einer Folie ausgebildet und auf der Welle angeordnet
ist. Das Sensorträgermodul ist insbesondere so ausgebildet
und in die Welle eingepasst und/oder mit dieser verbunden, 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. Das Sensorträgermodul
ist besonders bevorzugt im Wesentlichen 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. Ganz besonders bevorzugt weist die Welle eine Bohrung auf,
in welche das Sensorträgermodul mit einem im Wesentlichen
kreisförmigen Umfang, beispielsweise ein im Wesentlichen zylinderförmiges
Sensorträgermodul eingepasst wird. Insbesondere ganz besonders
bevorzugt ist eine der Grundflächen des Sensorträgermoduls,
beispielsweise die äußere, sichtbare, gekrümmt
ausgebildet, beispielsweise so, dass diese Ausbildung des Sensorträgermoduls
im Wesentlichen eine formschlüssige, nahtlose und die Welle
geometrisch ergänzende Einpassung ermöglicht.
Hierdurch wird im Wesentlichen eine Schwächung der Welle
bzw. Lenkwelle vermieden, insbesondere bei der Wahl eines Basismaterials,
mit ähnlicher Festigkeit wie die Welle und einer entsprechend
flachen und kompakten Ausbildung des mindestens einen Sensorelements.
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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.
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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.
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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.
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Das
zumindest eine Sensorelement ist bevorzugt als piezosensitives,
insbesondere piezoresistives, Sensorelement ausgebildet. Alternativ
vorzugsweise ist das Sensorelement als Dehnungsmessstreifen, magnetostriktives
Sensorelement oder als ein Sensorelement, basierend auf der Nutzung von
Oberflächenwellen, wie beispielsweise ein SAW-Sensorelement
(surface acoustiv wave), ausgebildet. Das Sensormodul umfasst insbesondere mehrere
Sensorelemente, besonders bevorzugt unterschiedliche der oben genannten
Sensorelemente.
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Das
Sensormodul weist zweckmäßigerweise einen Transponder
auf, insbesondere einen passiven RFID-Transponder (radio frequency
identification).
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Es
ist bevorzugt, dass das Sensormodul eine Signalverarbeitungsschaltung
und insbesondere eine Sende-/Empfangseinheit umfasst, die mit der Kranzantenne
verbunden ist. Besonders bevorzugt ist die Sende-Empfangseinheit
in die Signalverarbeitungsschaltung integriert. Mittels der Signalverarbeitungsschaltung
können die Ausgangssignale des mindestens einen Sensorelements
verarbeitet werden und es kann ein definiertes, ganz besonders bevorzugt
digitales, Sensormodulausgangssignal mit einem definierten Übertragungsprotokoll
erzeugt werden.
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Das
Kommunikationsmodul umfasst zweckmäßigerweise
eine Sende-/Empfangseinheit, insbesondere integriert in eine Signalverarbeitungsschaltung.
Alternativ vorzugsweise ist diese Signalverarbeitungsschaltung separat
zur Sende-/Empfangseinheit ausgebildet.
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Die
Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Drehmomentsensoranordnung
in einem Lenkungssystem eines Kraftfahrzeugs.
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Die
erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung und
das erfindungsgemäße Verfahren sind 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,
insbesondere zur Messung von Drehmomenten in Lenkwelle oder An triebswelle,
beispielsweise in hydraulischen, elektrohydraulischen oder elektronischen
Lenksystemen sowie an einem definierten Einsatzpunkt im Antriebsstrang.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen
an Hand von Figuren.
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Es
zeigen in schematischer Darstellung
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer Drehmomentsensoranordnung,
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2 ein
beispielhaftes Sensorträgermodul, und
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3 beispielhafte
elektronische Schaltungen des Sensormoduls und des Kommunikationsmoduls.
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1 zeigt
eine beispielhafte Drehmomentsensoranordnung, umfassend ein Sensormodul 2 und
ein separates Kommunikationsmodul 3. Sensormodul 2 umfasst
ein Sensorträgermodul 10, welches in eine Bohrung
der Welle 1, deren Drehmoment erfasst bzw. gemessen werden
soll, formschlüssig eingepasst ist. Auf dem Sensorträgermodul 10 ist
ein piezoresistives Sensorelement 9 angeordnet, welches mit
einer Signalverarbeitungsschaltung 7, mit integrierter
Sende-/Empfangseinheit verbunden ist. Sensormodul 2 weist
eine erste Kranzantenne 4 auf, welche mit Signalverarbeitungsschaltung 7 des
Sensormoduls 2 verbunden ist und damit auf Welle 1 befestigt
ist. Erste Kranzantenne 4 weist eine Windung 41 auf,
welche mit ihrem Außenbereich die Welle 1 bis auf
die Lücke 6 umgreift. Windung 41 umfasst
zwei, als Kreissegmente ausgebildete Windungssegmente 41a, 41b,
die jeweils Welle 1 umgreifen und mit einander verbunden
sind. Kommunikationsmodul 3 weist zweite Kranzantenne 5 auf,
welche bezüglich der jeweils durch die erste Windung aufgespannten Fläche
kongruent zur ersten Kranzantenne 4 ausgebildet ist. Zweite
Kranzantenne 5 umgreift Welle 1 berührungslos
und weist ebenfalls Lücke 6 auf. Kranzantennen 4 und 5 sind
elastisch ausgebildet und können reversibel so aufgebogen
werden, dass Lücke 6 größer
als der Wellendurchmesser ist und die Kranzantennen 4, 5 seitlich,
Welle 1 umgreifend, montiert werden können, ohne über
ein Wellenende geführt werden zu müssen. Kommunikationsmodul 3 umfasst
eine Signalverarbeitungsschaltung mit integrierter Sende-/Empfangseinheit,
welche mit zweiter Kranzantenne 5 verbunden ist.
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In 2 ist
ein beispielhaftes Sensorträgermodul 10 dargestellt,
welches in eine als Bohrung ausgebildete Ausnehmung der Welle 1 formschlüssig eingepasst
wird, wobei piezoresistives Sensorelement 9 auf Sensorträgermodul 10 angeordnet
ist. Die Anordnung Sensorelements 9 und die Montage beziehungsweise
Einpassung Sensorträgermoduls 10 ist beispielgemäß so
ausgeführt, dass Spannungen und/oder Auslenkungen und/oder
Dehnungen der tordierten Welle 1 über Sensorträgermodul 10 auf Sensorelement 9 übertragen
werden. Die übertragene Torsionsinformation wird durch
Sensorelement 9 in ein elektrisches Signal gewandelt.
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3 veranschaulicht
beispielhafte elektronische Schaltungen des Sensormoduls und des Kommunikationsmoduls,
wobei das Sensormodul als passiver RFID-Transponder ausgebildet
ist, der mittels Verlust- bzw. Lastmodulation Energie vom Kommunikationsmodul
erhält. Diese umfassen jeweils eine Signalverarbeitungsschaltung 7, 8,
welche entsprechend induktiv miteinander gekoppelt. Die Module kommunizieren
mittels digitaler Modulation miteinander. Der zu übertragende
digitale Datenstrom SD, welcher vom Kommunikationsmodul
mit Signalverarbeitungsschaltung 8 zum Sensormodul mit
Signalverarbeitungsschaltung 7 übertragen wird,
moduliert den Energieverbrauch des Sensormoduls, hauptsächlich
im Lastwiderstand RLast des Sensorelements.
Dieser Energieverbrauch im Lastwiderstand RLast ist
außerdem vom erfassten Drehmoment abhängig. Die
daraus resultierende Feldschwächung wird durch das Kommunikationsmodul
erfasst und liefert die Information über das erfasste Drehmoment.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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