DE102010017850B4

DE102010017850B4 - Vorrichtung zur Anordnung an der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102010017850B4
Application number: DE102010017850.0A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hoog; Christian Schirp; Stefan Schröder
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: DE102010017850A1; WO2011131630A1

Abstract

Vorrichtung zur Anordnung an der Lenksäule (1) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zumindest eine Wickelfederkassette (2), sowie einen Drehmomentsensor (3), mit einem Außenring (4) und einem lnnenring (5), die gegeneinander verdrehbar sind, und die über Biegespeichen (13) zu einer scheibenförmigen Anordnung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (3) einen Konturzapfen (6) aufweist, der passend zu einer Konturhülse (9) am Lenkrad (8) ausgebildet ist, dass der Drehmomentsensor (3) eine Konturhülse (7) aufweist, die passend zu einem Konturzapfen (10) an der Lenkspindel (19) ausgebildet ist, und dass der Drehmomentsensor (3) zwei Verbindungselemente (16, 15) aufweist, die den Konturzapfen (6) und die Konturhülse (7) ausbilden, und die einen Verbindungsabschnitt (21) zwischen der Lenkspindel (19) und dem Lenkrad (8) ausbilden, dass die Wickelfederkassette (2) zwischen dem Lenkrad (8) und dem Drehmomentsensor (3) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anordnung an der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zumindest eine Wickelfederkassette, sowie einen scheibenförmigen Drehmomentsensor, mit einem Außenring und einen Innenring, die gegeneinander verdrehbar sind.
Drehmomentsensoren werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment zu erfassen, dessen Wert etwa als Eingangsgröße für elektrische Lenkkraftunterstützungssysteme benötigt wird. Scheibenförmige Drehmomentsensoren mit einem Außenring und einen Innenring, die gegeneinander verdrehbar sind, sind beispielsweise aus den deutschen Offenlegungsschhiften DE 101 44 143 C1 und DE 101 44 054 A1 bekannt
Beim Anlegen eines Drehmoments ermöglicht der Drehmomentsensor einen Drehwinkelversatz zwischen der Lenkspindel und dem Lenkrad, der durch Meßwertaufnehmer erfasst und zur Drehmomenterfassung ausgewertet wird.
Bei den vorgenannten Drehmomentsensoren ist es vorgesehen, den Innenring mit der Lenkspindel zu verbinden und den Außenring über Schraubverbindungen am Lenkrad anzuordnen. Letzteres erfordert, dass die Gestaltung und die Anordnung der Befestigungselemente am Lenkrad und am Drehmomentsensor aneinander angepasst sind. Da diese Anordnungen nicht normiert sind, ist also entweder der Aufbau des Drehmomentsensors an das zu verwendende Lenkrad oder aber die Ausgestaltung des Lenkrads an den zu verwendenden Drehmomentsensor anzupassen. Beide Möglichkeiten führen zu einem erheblichen Kostenaufwand. Erschwerend kommt hinzu, dass jede Ausführung eines Lenkrads zugelassen werden muss und dazu aufwändige Sicherheitsprüfungen vorgeschrieben sind. Bei einer Abänderung der Lenkradform müssen diese Prüfungen jeweils erneut durchgeführt werden. Da diese Prüfungen kostenaufwändig sind, ist die Auswahl der mit einem Drehmomentsensor verwendbaren Lenkradtypen üblicherweise sehr begrenzt.
Es stellte sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Anordnung an der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs, die zumindest eine Wickelfederkassette und einen scheibenförmigen Drehmomentsensor aufweist, so auszugestalten, dass sie einfach und kostengünstig montierbar und bedarfsweise leicht demontierbar ist, einen kompakten Aufbau aufweist, und mit verschiedenartigen Lenkrädern verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Drehmomentsensor einen Konturzapfen aufweist, der passend zu einer Konturhülse am Lenkrad ausgebildet ist, dass der Drehmomentsensor eine Konturhülse aufweist, der passend zu einem Konturzapfen an der Lenkspindel ausgebildet ist, und dass die Wickelfederkassette zwischen dem Lenkrad und dem Drehmomentsensor angeordnet ist.
Der Drehmomentsensor bildet mittels einer Konturhülse und eines Konturzapfens eine Art Adapter aus, welcher zwischen der Lenkspindel und dem Lenkrad eingefügt wird. Dadurch kann auf eine direkte mechanische Befestigung des Drehmomentsensors am Lenkradskelett verzichtet werden, wodurch der Drehmomentsensor und das Lenkrad keine genau aneinander angepasste Formgebungen aufweisen müssen. Hierdurch wird der Drehmomentsensor zusammen mit fast jedem Lenkrad verwendbar, solange die Form des Konturzapfens und der Konturhülse des Drehmomentsensors mit den entsprechenden Gegenstücken am Lenkrad und an der Lenkspindel zusammenpassen. Diese Erfordernis ist ohne besonderen Aufwand zu erfüllen, da die Anzahl der üblicherweise verwendeten Formen dieser Verbindungsmittel, die entweder als Vielzahn- oder als Sechskantkonturen ausgeführt sind, gering ist.
Die vorgeschlagene Ausführung des Drehmomentsensors schafft einen Freiraum zwischen dem Lenkrad und dem Drehmomentsensor, der als Anbauort für eine Wickelfederkassette genutzt wird, so dass die Wickelfederkassette vorteilhaft unmittelbar am Lenkrad angeordnet ist. Hierdurch ist es nicht mehr erforderlich, die elektrischen Verbindungen zwischen Lenkrad und dem drehbeweglichen Gehäuseteil der Wickelfederkassette entlang oder durch den Anbauraum des Drehmomentsensors zu führen.
Vorteilhaft ist es, das Gehäuse der Wickelfederkassette so auszubilden, dass es den Drehmomentsensor zumindest teilweise umschließt.
Vorteilhafterweise sind unterhalb des Drehmomentsensors weitere Funktionskomponenten anfügbar, vorzugsweise zumindest ein Lenkstockschaltermodul und ein Drehwinkelsensor zur Erfassung der Lenkradstellung. Die Anordnung sämtlicher Funktionskomponenten bildet einen stapelförmigen Aufbau aus, bei dem die Funktionskomponenten über ihre Gehäuse oder über gemeinsame Gehäuseteile miteinander verbunden und am Mantelrohr der Lenksäule befestigt sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Die 1 zeigt in einer schematisch vereinfachten Querschnittsansicht den Aufbau einer Vorrichtung zur Anordnung verschiedener Funktionskomponenten an der Lenksäule eines Kraftfahrzeugs. Eine zentrale Funktionskomponente ist ein scheibenförmiger Drehmomentsensor 3, dessen grundsätzlicher Aufbau in den 2 und 3 skizziert ist. Das drehbewegliche Gehäuseteil einer Wickelfederkassette ist in der 4 als Einzelteil dargestellt.
Der in der 1 erkennbare Drehmomentsensor 3 weist einen Außenring 4 und eine Innenring 5 auf, die insbesondere über Biegespeichen 13 zu einer scheibenförmigen Anordnung miteinander verbunden sind. Die Funktion des Drehmomentsensors 3 beruht darauf, dass dieser in den Verbindungsstrang zwischen dem Lenkrad 8 des Kraftfahrzeugs und der zur Lenksäule 1 gehörenden Lenkspindel 19 eingebaut ist, und bei einer Drehung des Lenkrads 8 die Drehbewegung über die Biegespeichen 13 vom Innenring 5 auf den Außenring 4 übertragen wird. Die dadurch bewirkte Verformung der Biegespeichen 13 wird durch mindestens einen elektronischen Sensor erfasst, wobei das Sensorausgangssignal ein Maß für das am Lenkrad 8 wirkende Drehmoment darstellt.
Der Drehmomentsensor 3 weist zwei Verbindungselemente 16, 15 auf, die einen Konturzapfen 6 und eine Konturhülse 7 ausbilden, welche kompatibel zu der Konturhülse 9 am Lenkrad 8 und dem Konturzapfen 10 an der Lenkspindel 19 ausgeführt sind. Die Konturzapfen 6 und die Konturhülse 7 am Drehmomentsensor 3 sind zueinander fluchtend ausgerichtet und bilden zusammen einen Verbindungsabschnitt 21 zwischen der Lenkspindel 19 und dem Lenkrad 8 aus. Durch den Verbindungsabschnitt 21 wird erreicht, dass nahezu jedes Lenkrad 8 mit einer passend geformten Konturhülse 9 mit dem Drehmomentsensor 3 ohne weitere Anpassungen verbindbar ist. Die sich beim Anbau des Drehmomentsensors 3 durch den Verbindungsabschnitt 21 ergebende Verlängerung der Lenkspindel 19 ist bei der Längendimensionierung der Lenkspindel 19 vorab berücksichtigt. Gängige Konturhülsen an Lenkrädern und Konturzapfen an Lenkspindeln weisen Vielzahn- und Sechskantkonturen auf.
Der sich durch den Verbindungsabschnitt 21 ergebende Freiraum zwischen dem Drehmomentsensor 3 und dem Lenkrad 8 wird genutzt, um eine Wickelfederkassette 2 in unmittelbarer Nähe des Lenkrads 8 anzuordnen. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Wickelfederkassette 2 einen Drehverbinder für den elektrischen Anschluss von elektrischen Komponenten, die am Lenkrad 8 angebracht sind, insbesondere Lenkradairbags, darstellt. Die Wickelfederkassette 2 kann, unmittelbar am Lenkrad 8 angeordnet, auf besonders einfache Weise mit den elektrischen Lenkradkomponenten verbunden werden.
Die Wickelfederkassette 2 besteht aus zumindest zwei gegeneinander drehbeweglichen Gehäuseteilen, von denen eines als feststehendes Gehäuseteil 22 und eines als drehbewegliches Gehäuseteil 23 ausgebildet ist. Das drehbewegliche Gehäuseteil 23 wird mit der Bewegung des Lenkrads 8 mitgeführt. Innerhalb der Wickelfederkassette 2 ist wenigstens ein Flachbandkabel 34 angeordnet, welches eine elektrische Verbindung zwischen elektrischen Anschlüssen an den gegeneinander drehbeweglichen Gehäuseteilen 22, 23 herstellt. Über die Wickelfederkassette 2 kann zudem eine zum Drehmomentsensor 3 gehörende Auswerteelektronik 32 über eine Kontaktierungseinheit 33 in dem drehbeweglichen Gehäuseteil 23 elektrisch mit dem Flachbandkabel 34 verbunden werden.
Die 4 zeigt das drehbewegliche Gehäuseteil 23 mit der Kontaktierungseinheit 33 in einer Einzeldarstellung. Das Gehäuseteil 23 besteht im wesentlichen aus einem einstückig aus Kunststoff geformten Gehäusekörper 38. Die Kontaktierungseinheit 33 besteht aus mehreren parallel zueinander ausgerichteten Kontaktstiften, die in einem mittleren Abschnitt mehrfach abgewinkelt und durch eine Umspritzung 39 fixiert sind. Jenseits der Umspritzung 39 bilden die Kontaktstifte eine obere Kontaktstiftreihe 35 und eine untere Kontaktstiftreihe 36 aus.
Die Kontaktstifte der obere Kontaktstiftreihe 36 sind elektrisch mit den Leitern des Flachbandkabels 34 verbunden, welches sich entlang des Umfangs des Gehäusekörpers 38 erstreckt. Sowohl die Kontaktstifte der unteren Kontaktstiftreihe 36 als auch die obere Kontaktstiftreihe 35 erstrecken sich parallel zur Drehachse des drehbeweglichen Gehäuseteils 23 über den Gehäusekörper 38 hinaus und sind mit ihren Endabschnitten jeweils an Steckverbinder 37 anfügbar.
Bei der Montage der Vorrichtung kontaktiert so die untere Kontaktstiftreihe 36 einen zur Auswerteelektronik 32 gehörenden Steckverbinder 37. Da der Steckverbinder 37 drehfest mit dem Drehmomentsensor 3 verbunden ist, wird der Steckverbinder 37, genau wie das drehbewegliche Gehäuseteil 23 bei einer Drehung des Lenkrads 8 mitgeführt.
Analog dazu kontaktiert die obere Kontaktstiftleiste 35 einen, hier nicht als Einzelteil erkennbaren Steckverbinder am Lenkrad 8. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Lenkrad 8, der Wickelfederkassette 2 und dem Drehmomentsensor 3 werden somit automatisch bei der Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt.
Vorteilhafterweise ist an das feststehende Gehäuseteil 22 der Wickelfederkassette 2 ein Gehäuseabschnitt 30 einstückig angeformt, der den Drehmomentsensor 3 teilweise umfasst. An diesen Gehäuseabschnitt 30 ist das Gehäuse 31 wenigstens einer weiteren Funktionskomponente 11, 12 anfügbar. Durch den Gehäuseabschnitt 30 und eine Fläche des daran angefügten Gehäuses 31 ist der, nur an den Verbindungselementen 15, 16 gelagerte Drehmomentsensor 3 vollständig eingekapselt und gegen Umwelteinflüsse geschützt.
Die weiteren Funktionskomponenten sind hier beispielhaft erstens ein Lenkstockschaltermodul 11 zur Aufnahme wenigstens einer durch einen Lenkstockschalter 24 betätigten Schaltereinheit sowie zweitens ein Drehwinkelsensor 12 zur Erfassung des Lenkraddrehwinkels. Selbstverständlich sind unterhalb des Drehmomentsensors 3 alternativ auch Funktionskomponenten mit anderen Funktionen oder auch weitere zusätzliche Funktionskomponenten anfügbar.
Die zu den Funktionskomponenten 2, 3, 11, 12 gehörenden Gehäuse und Gehäuseabschnitte 22, 23, 30, 31 sind über angeformte, hier nicht näher erläuterte Rastmittel miteinander verbindbar und dadurch zu einer an die Lenksäule 1 anfügbaren Vorrichtung vormontierbar. Die so in einem gestapelten Aufbau miteinander verbundenen gehäusten Funktionskomponenten 2, 3, 11, 12 werden so als vormontierte Einheit in einem Arbeitsschritt an die Lenksäule 1 angefügt, indem beispielsweise wenigstens eines der miteinander verbundenen Gehäuse oder Gehäuseabschnitte 22, 23, 30, 31 direkt mit dem Mantelrohr 25 der Lenksäule 1 oder mit einem am Mantelrohr 25 vormontierten Modulträger 26 verschraubt wird.
Der Drehmomentsensor 3, dessen Konturhülse 7 auf den Konturzapfen 10 der Lenkspindel 19 aufgesteckt ist, ist zusätzlich durch eine erste Schraube 27 an der Lenkspindel 19 befestigbar. Das Anschrauben erfolgt durch eine Bohrung 29 im zweiten Verbindungselement 16, die in der 3 dargestellt ist. In diese Bohrung 29 ist ein nicht dargestelltes Innengewinde eingeformt, in das eine zweite Schraube 28 einschraubbar ist, durch die das Lenkrad 8, nach dem Aufstecken auf den Konturzapfen 6 am zweiten Verbindungselement 16 fixierbar ist.
Die 2 und 3 verdeutlichen in zwei Schnittansichten den Aufbau des Drehmomentsensors 3 der Vorrichtung. Erkennbar ist ein erstes Verbindungselement 15, das eine Konturhülse 7 ausbildet, welche dazu vorgesehen ist, den Konturzapfen 10 am Endabschnitt der in der 1 dargestellten Lenkspindel 19 aufzunehmen. Zum ersten Verbindungselement 15 fluchtend ist am Innenring 5 ein zweites Verbindungselement 16 mit einem Konturzapfen 6 angeordnet. Der Konturzapfen 6 ist passend zu einer an vielen Lenkrädern verwendeten Vielzahnhülse hier als Vielzahnzapfen ausgebildet. Hierdurch kann ein Lenkrad 8, dessen Konturhülse 9 normalerweise direkt auf den Konturzapfen 10 der Lenkspindel 19 aufgesetzt ist, nun über das als Adapter wirkende Drehmomentsensor 3 mit der Lenkspindel 19 verbunden werden.
Zwischen dem ersten Verbindungselement 15 und dem zweiten Verbindungselement 16 ist eine erste Schraube 27 unverlierbar angeordnet, mittels der der Drehmomentsensor 3 mit der Lenkspindel 19 verschraubbar ist. Mit der Konturhülse 7 einstückig ausgeführt ist ein Verbindungsflanschteil 17, das über mehrere Anschraublaschen 20, die in den Außenring 4 eingeformt sind, mit dem Außenring 4 mechanisch verbunden ist. Wie die 2, in der der Drehmomentsensor 3 ohne eine den Außenring 4 bildende Umspritzung dargestellt ist, verdeutlicht, sind die Anschraublaschen 20 als umgebogene Endabschnitte der Biegespeichen 13 ausgeführt, die radial in den Innenbereich des Außenrings 4 hineinragen.
Um eine Überlastung der Biegespeichen 13 bei hohen einwirkenden Drehmomenten zu verhindern, sind mechanisch besonders stabile Anschlagspeichen 14 am Innenring 5 angeformt. Überschreitet die Verdrehung zwischen dem Innenring 5 und dem Außenring 4 einen vorgegebenen Betrag, so übertragen die Anschlagspeichen 14 das Drehmoment unter Umgehung der Biegespeichen 13 direkt auf den Außenring 4. Ebenfalls als Überlastungsschutz für die Biegespeichen 13 dienen Anschlagselemente 18, die am Verbindungsflanschteil 17 angeformt sind.
Bezugszeichenliste

1: Lenksäule
2: Wickelfederkassette (Funktionskomponente)
3: Drehmomentsensor (Funktionskomponente)
4: Außenring
5: Innenring
6: Konturzapfen (am Drehmomentsensor)
7: Konturhülse (am Drehmomentsensor)
8: Lenkrad
9: Konturhülse (am Lenkrad)
10: Konturzapfen (am der Lenkspindel)
11: Lenkstockschaltermodul (weitere Funktionskomponente)
12: Drehwinkelsensor (weitere Funktionskomponente)
13: Biegespeichen
14: Anschlagspeichen
15: erstes Verbindungselement
16: zweites Verbindungselement
17: Verbindungsflanschteil
18: Anschlagselemente
19: Lenkspindel
20: Anschraublaschen
21: Verbindungsabschnitt
22: feststehendes Gehäuseteil
23: drehbewegliches Gehäuseteil
24: Lenkstock
25: Mantelrohr
26: Modulträger
27: erste Schraube
28: zweite Schraube
29: Bohrung
30: Gehäuseabschnitt
31: Gehäuse
32: Auswerteelektronik
33: Kontaktierungseinheit
34: Flachbandkabel
35: obere Kontaktstiftreihe
36: untere Kontaktstiftreihe
37: Steckverbinder
38: Gehäusekörper
39: Umspritzung

Claims

Vorrichtung zur Anordnung an der Lenksäule (1) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend zumindest eine Wickelfederkassette (2), sowie einen Drehmomentsensor (3), mit einem Außenring (4) und einem lnnenring (5), die gegeneinander verdrehbar sind, und die über Biegespeichen (13) zu einer scheibenförmigen Anordnung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (3) einen Konturzapfen (6) aufweist, der passend zu einer Konturhülse (9) am Lenkrad (8) ausgebildet ist, dass der Drehmomentsensor (3) eine Konturhülse (7) aufweist, die passend zu einem Konturzapfen (10) an der Lenkspindel (19) ausgebildet ist, und dass der Drehmomentsensor (3) zwei Verbindungselemente (16, 15) aufweist, die den Konturzapfen (6) und die Konturhülse (7) ausbilden, und die einen Verbindungsabschnitt (21) zwischen der Lenkspindel (19) und dem Lenkrad (8) ausbilden, dass die Wickelfederkassette (2) zwischen dem Lenkrad (8) und dem Drehmomentsensor (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine weitere Funktionskomponente (11, 12) aufweist, die auf der vom Lenkrad (8) abgewandten Seite des Drehmomentsensors (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Funktionskomponente ein Lenkstockschaltermodul (11) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Funktionskomponente ein Drehwinkelsensor (12) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturhülsen (7, 9) als Vielzahnhülsen und die Konturzapfen (6, 10) als Vielzahnzapfen ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturhülsen (7, 9) als Sechskanthülsen und die Konturzapfen (6, 10) als Sechskantzapfen ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseabschnitt (30) des feststehenden Gehäuseteils (22) der Wickelfederkassette (2) zumindest teilweise den Drehmomentsensor (3) umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbewegliche Gehäuseteil (23) der Wickelfederkassette (2) eine Kontaktierungseinheit (33) mit Kontaktstiften aufweist, welche elektrische Verbindungen zu Steckerbindern (37) am Lenkrad (8) und am Drehmomentsensor (3) herstellt.