DE102010040966A1

DE102010040966A1 - Drehmomentsensoranordnung

Info

Publication number: DE102010040966A1
Application number: DE201010040966
Authority: DE
Inventors: Marcel Haiber; Kai Schade; Adis Halilovic
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-22

Abstract

Drehmomentsensoranordnung zur berührungslosen Erfassung eines Drehmoments an einer Welle (1, 2, 3), umfassend die Welle, welche einen magnetischen Drehmomentgeber (4) aufweist, wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (6) sowie eine elektronische Auswerteschaltung, wobei die Welle (1, 2, 3) selbst in zumindest einer definierten Zone (4) magnetostriktiv ausgebildet ist und damit in dieser Zone (4) selbst als magnetischer Drehmomentgeber ausgebildet ist und das Magnetfeldsensorelement (6) ein von dieser magnetostriktiven Zone (4) moduliertes Magnetfeld berührungslos erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Drehmomentsensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
Es sind Drehmomentsensoranordnungen bekannt, bei welchen ein magnetostriktives Modul mit der Welle, deren Drehmoment erfasst werden soll, als magnetischer Drehmomentgeber verbunden sind, wie beispielsweise in den Druckschriften DE 10 2006 057 225 A1 und DE 43 37 852 C2 beschrieben.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Drehmomentsensoranordnung vorzuschlagen, welche relativ wenige Anderungen an der Geometrie und der mechanischen Belastbarkeit und Auslegung der Welle erfordert und dabei insbesondere relativ kostengünstig und flexibel applizierbar ausgelegt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Drehmomentsensoranordnung gemäß Anspruch 1.
Es ist bevorzugt, dass das Magnetfeld von einem Magnetfelderzeugungsmittel erzeugt wird, welches insbesondere berührungslos gegenüber der Welle angeordnet ist. Dieses Felderzeugungsmittel umfasst dabei besonders bevorzugt einen Permanentmagneten und/oder eine Spule sowie zusätzlich ganz besonders bevorzugt ein magnetisch leitenden Joch oder Flussleitblech, welches beispielsweise als Ringsegment bzw. Kranzsegment ausgebildet ist und mit der magnetostriktiven Zone der Welle beidseitig jeweils einen Luftspalt ausbildet.
Alternativ vorzugsweise ist das Magnetfelderzeugungsmittel in die Welle eingearbeitet oder die Welle weist selbst eine permanent magnetisierte Zone als Magnetfelderzeugungsmittel auf.
Es ist alternativ vorzugsweise vorgesehen, dass die magnetostriktive Zone das Magnetfeld selbst erzeugt und zusätzlich selbstständig beeinflusst.
Die Modulation bzw. Beeinflussung des Magnetfelds durch die magnetostriktive Zone erfolgt zweckmäßigerweise abhängig von dem an der Welle anliegenden Drehmoment.
Die zumindest eine magnetostriktive Zone der Welle ist vorzugsweise einstückig mit dem Rest dieser Welle verbunden.
Unter dem Begriff magnetostriktiv wird bevorzugt ebenfalls oder alternativ vorzugsweise der Begriff magnetoelastisch verstanden, wobei die entsprechende Zone der Welle insbesondere magnetostriktiv bzw. magnetoelastisch codiert bzw. aktiviert ist.
Die definierte, magnetostriktive Zone der Welle bzw. des Zahnrades ist vorzugsweise aus ferromagnetischem Material ausgebildet und enthält insbesondere zwischen 1% und 8% Nickel und Chrom.
Es ist bevorzugt, dass die Welle bzw. das Zahnrad, insbesondere in der definierten, magnetostriktiven Zone, alternativ vorzugsweise die gesamte Welle bzw. das gesamte Zahnrad, wenigstens eines der folgenden Materialen enthält oder aus zumindest einem oder ausschließlich aus einem der folgenden Materialien ausgebildet ist:
50NiCr13
M50
X20Cr13
X3NiCoMoTi 18-9-5
17-4PH
Bevorzugt ist die Welle bzw. das Zahnrad, insbesondere in der definierten, magnetostriktiven Zone, so ausgebildet, dass das Verhältnis (Permeabilitätsänderung) durch/(mechanischen Stress, Kraft, Biegung, Druck oder Drehmoment) die folgenden Anforderungen möglichst gut erfüllt oder im Wesentlichen vollständig erfüllt:

a) reversibel mechanisch (bedeutet im Wesentlichen den mechanischen Betrieb im Hook'sche Bereich)
b) reversibel magnetisch (Materialien mit niedriger Remanenzflussdichte bzw. Remanentinduktion, auch Weichmagnete genannt)
b) linear mechanisch (für Hook'schen Bereich Stress über Weg)
c) linear magnetisch (unterhalb der Sättigung für die magnetische Kennlinie B = μ₀·μ_r·h)
d) Empfindlichkeit möglichst großes Verhältnis von delta_μ durch bzw. zu delta_stress.

Die elektronische Auswerteschaltung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie aus den Ausgangssignalen des wenigstens einen Magnetfeldsensorelements das an die Welle angreifende Drehmoment ermittelt bzw. berechnet.
Die Welle ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie an ihrem Außenumfang Zähne aufweist, also als Zahnrad ausgebildet ist und dabei insbesondere als Hohlwelle ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie das an die Welle angreifende Drehmoment ermittelt, indem sie das Ausgangssignal des Magnetfeldsensorelements weiterverarbeitet und dabei zumindest eine der folgenden Informationen berücksichtigt, welche insbesondere in einer Speichereinheit abgelegt sind,
eine Information über das Elastizitätsmodul der Welle, und/oder eine Information über das Torsionsmodul der Welle, und/oder eine Information über die Temperatur der Welle und/oder deren Umgebungstemperatur. Zur Bereitstellung der Information über die Temperatur der Welle bzw. deren Umgebungstemperatur weist die Drehmomentsensoranordnung besonders bevorzugt zumindest ein zusätzliches Temperatursensorelement auf.
Die Drehmomentsensoranordnung ist bevorzugt Teil einer elektrischen Lenkung bzw. Servolenkung mit wenigstens einem Elektromotor, wobei der Elektromotor eine Lenkwelle antreibt, über ein Getriebe oder im Wesentlichen direkt. Insbesondere weist die Lenkwelle eine magnetostriktive Zone auf und zusätzlich zumindest die Antriebswelle bzw. Motorwelle des Elektromotors eine magnetostriktive Zone. Dabei ist jeder magnetostriktiven Zone ein Magnetfelderzeugungsmittel und wenigstens ein Magnetfeldsensorelement zugeordnet.
Es ist zweckmäßig, dass die Drehmomentsensoranordnung eine Motorregelungseinrichtung umfasst, welche so ausgelegt ist, dass sie eingangsseitig das an die Lenkwelle angreifende Drehmoment und zusätzlich zumindest das an der Antriebswelle des Elektromotors angreifende Drehmoment aus den Ausgangssignalen der zugeordneten Magnetfeldsensorelemente ermittelt und im Zuge einer Lenkunterstützung und/oder eines aktiven Lenkeingriffs den Elektromotor ansteuert, insbesondere als Teil einer Regelung.
Das mindestens eine Magnetfeldsensorelement ist zweckmäßigerweise als Hallelement, insbesondere mit analogem, spannungsproportionalem Ausgangssignal, ausgebildet.
Alternativ vorzugsweise in das wenigstens eine Magnetfeldsensorelement als magnetoresistives oder induktives Sensorelement ausgebildet.
Es ist zweckmäßig, dass die Drehmomentsensoranordnung an einem Getriebezahnrad eine magnetostriktive Zone und ein entsprechend berührungslos zugeordnetes Sensorelement aufweist, zur Erfassung des Getriebemoments, insbesondere zusätzlich zu wenigstens einer weiteren magnetostriktiven Zone samt zugeordnetem Sensorelement an anderer Stelle in der Drehmomentsensoranordnung.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der Drehmomentsensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figur.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 ein Ausführungsbeispiel einer Drehmomentsensoranordnung mit optionalen oder alternativen Messpositionen.
Die Drehmomentsensoranordnung umfasst eine Lenkwelle 1, die über ein Getriebe 8 von einem Elektromotor 7 angetrieben werden kann, beispielsweise zur Servounterstützung bei einem Lenkvorgang an Lenkrad 9. Die Drehmomentsensoranordnung erfasst beispielhaft das Drehmoment an verschiedenen Messpositionen, wobei verschiedene mögliche Kombinationen aus zwei oder mehr dieser Messpositionen als nicht dargestellte Alternativbeispiele für verschiedene Einsatzmöglichkeiten zweckmäßig sind. Beispielhaft weist die Drehmomentsensoranordnung also fünf optionale bzw. alternative Messpositionen auf, zwei an der Lenkwelle 1, dabei eine, bezogen auf den Eingriff des Getriebes 8, lenkradseitig und eine radseitig. Zusätzlich weist das Getriebe 8 zwei Messpositionen auf, wobei bei der einen Position an einer Welle des Getriebes radial beabstandet ein Magnetfeldsensorelement zugeordnet ist und bei der anderen Position die magnetostriktive Zone 4 in ein Zahnrad 3 eingebracht ist, bzw. das Zahnrad 3 entsprechend in dieser Zone magnetostriktiv aktiviert ist, und das zugeordnete Magnetfeldsensorelement axial beabstandet angeordnet ist. Außerdem weist die Motorwelle 2 eine Messposition auf. Die magnetostriktiven Zonen 4 an diesen fünf Messpositionen sind jeweils einstückig mit der entsprechenden Welle 1, 2 bzw. Zahnrad 3 verbunden und dienen jeweils als Drehmomentgeber, denen jeweils berührungslos ein Magnetfeldsensorelement 6 sowie berührungslos ein Magnetfelderzeugungsmittel 5 zugeordnet sind. Die Magnetfelderzeugungsmittel 5 sind jeweils kranzsegmentförmig ausgebildet und führen das Magnetfeld, wobei im Luftspalt der Magnetfelderzeugungsmittel 5 jeweils die zugeordnete magnetostriktive Zone 4 der Lenkwelle 1 bzw. der Motorwelle 2 bzw. des Zahnrads 3 bzw. der Getriebewelle angeordnet ist und das Magnetfeld in Abhängigkeit des an die entsprechende Welle bzw. an das entsprechende Zahnrad in der jeweiligen Zone 4 angreifende Drehmoment moduliert bzw. beeinflusst. Die jeweils zugeordnete elektronische Auswerteschaltung zur Berechnung des Drehmoments ist beispielhaft in die Motorregelungseinrichtung 10 integriert. Diese ist außerdem so ausgebildet, dass sie die Ansteuerung des Elektromotors 7 über eine entsprechende Treiberstufe „Treiber” gemäß einer Regelungseinheit „Regelung” durchführt, beispielsweise zur Servounterstützung der Lenkung oder für aktive Lenkeingriffe durch ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeugregelungssystem bzw. Fahrerassistenzsystem.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006057225 A1 [0002]
DE 4337852 C2 [0002]

Claims

Drehmomentsensoranordnung zur berührungslosen Erfassung eines Drehmoments an einer Welle (1, 2, 3), umfassend die Welle, welche einen magnetischen Drehmomentgeber (4) aufweist, wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (6) sowie eine elektronische Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1, 2, 3) selbst in zumindest einer definierten Zone (4) magnetostriktiv ausgebildet ist und damit in dieser Zone (4) selbst als magnetischer Drehmomentgeber ausgebildet ist und das Magnetfeldsensorelement (6) ein von dieser magnetostriktiven Zone (4) moduliertes Magnetfeld berührungslos erfasst.
Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld von einem Magnetfelderzeugungsmittel (5) erzeugt wird, welches insbesondere berührungslos gegenüber der Welle (1, 2, 3) angeordnet ist.
Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3), insbesondere als Hohlwelle, mit Zähnen an ihrem Außenumfang aufweisend, ausgebildet ist, also als Zahnrad (3).
Drehmomentsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung so ausgelegt ist, dass sie das an die Welle (1, 2, 3) angreifende Drehmoment ermittelt, indem sie das Ausgangssignal des Magnetfeldsensorelements (6) weiterverarbeitet und dabei zumindest eine der folgenden Informationen berücksichtigt, eine Information über das Elastizitätsmodul der Welle, und/oder eine Information über das Torsionsmodul der Welle, und/oder eine Information über die Temperatur der Welle und/oder deren Umgebungstemperatur.
Drehmomentsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentsensoranordnung Teil einer elektrischen Lenkung mit wenigstens einem Elektromotor (7) ist, wobei der Elektromotor (7) eine Lenkwelle (1) antreibt, über ein Getriebe (8) oder im Wesentlichen direkt.
Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkwelle (1) eine magnetostriktive Zone (4) aufweist und zusätzlich zumindest die Antriebswelle (2) des Elektromotors (7) eine magnetostriktive Zone (4) aufweist, wobei jeder magnetostriktiven Zone ein Magnetfelderzeugungsmittel (5) und wenigstens ein Magnetfeldsensorelement (6) zugeordnet ist.
Drehmomentsensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Motorregelungseinrichtung (10) umfasst, welche so ausgelegt ist, dass sie eingangsseitig das an die Lenkwelle (1) angreifende Drehmoment und zusätzlich zumindest das an der Antriebswelle (2) des Elektromotors (7) angreifende Drehmoment aus den Ausgangssignalen der zugeordneten Magnetfeldsensorelemente (6) ermittelt und im Zuge einer Lenkunterstützung und/oder eines aktiven Lenkeingriffs den Elektromotor (7) ansteuert.
Drehmomentsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfelderzeugungsmittel (5) in die Welle (1, 2, 3) eingearbeitet ist oder die Welle (1, 2, 3) selbst eine permanent magnetisierte Zone als Magnetfelderzeugungsmittel aufweist.
Drehmomentsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsensorelement (6) als Hallelement mit analogem, spannungsproportionalem Ausgangssignal ausgebildet ist.
Verwendung der Drehmomentsensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kraftfahrzeugen.