DE102013204924A1

DE102013204924A1 - Messung eines auf eine Lenkwelle einwirkenden Drehmoments

Info

Publication number: DE102013204924A1
Application number: DE201310204924
Authority: DE
Inventors: Frank Benkert; Matthias Sperber; Jürgen Gierl; Christian Nuissl; Stefan Glück; Jens Heim
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Eine Anordnung zur Bestimmung eines auf eine Welle, insbesondere eine Lenkwelle (1) einwirkenden Drehmoments umfasst einen lenkradseitigen ersten Lenkwellenabschnitt (2), einen lenkgetriebeseitigen zweiten Lenkabschnitt (3) und einen die Lenkwellenabschnitte (2,3) verbindenden Torsionsabschnitt (4). Der Torsionsabschnitt (4) weist eine einen Dehnungsmessstreifen (5) umfassende Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung auf.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung eines in einer Welle, insbesondere einer Lenkwelle wirkenden Drehmoments sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung. Eine gattungsgemäße Anordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2010 040 139 A1 bekannt.
Hintergrund der Erfindung
Eine Drehmomentmessvorrichtung, mit der ein in einer Welle wirkendes Drehmoment gemessen wird, erfasst üblicherweise eine von dem zu messenden Drehmoment abhängige Torsion der Welle. Die Torsion kann beispielsweise optisch detektiert werden. Eine Drehmomentmessung mit optischen Methoden ist prinzipiell beispielsweise aus der DE 10 2005 055 949 A1 bekannt.
Zur Detektion einer Winkellage einer Welle oder einer Verdrehung zwischen zwei relativ zueinander tordierbaren Bauteilen sind auch magnetische Maßverkörperungen geeignet. Als Stand der Technik ist in diesem Zusammenhang beispielhaft die DE 10 2010 023 355 A1 zu nennen.
Ebenso ist es möglich, ein in einer Welle oder Hülse wirkendes Drehmoment über die drehmomentabhängige Veränderung magnetischer Eigenschaften zumindest eines magnetisierten Abschnitts der Welle beziehungsweise der Hülse zu messen. Eine hierauf basierende Messvorrichtung ist zum Beispiel aus der EP 2 365 927 A1 , die ein Tretlager betrifft, bekannt.
Zur Drehmomentmessung sind prinzipiell auch Dehnungsmessstreifen geeignet, welche an geeigneter Stelle eines durch ein Drehmoment belasteten Bauteils appliziert werden. Die DE-Patentanmeldung 10 2012 208 492.4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Dehnmesstreifenanordnung, bei welchem an der Oberfläche einer Welle eine verformungssensitive Messschicht aufgebracht und anschließend mittels Laser bearbeitet wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten der Messung eines Drehmoments in einer Lenksäule eines Fahrzeugs gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Eigenschaften des Drehmomentmesssystems in der Serienfertigung weiterzuentwickeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Bestimmung eines auf eine Lenkwelle einwirkenden Drehmoments mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Drehmomentbestimmungsvorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt.
Die Lenkwelle weist in an sich bekannter Gestaltung einen lenkradseitigen ersten Lenkwellenabschnitt, einen lenkgetriebeseitigen zweiten Lenkabschnitt und einen die Lenkwellenabschnitte verbindenden Torsionsabschnitt auf. Zur Messung des auf die Lenkwelle, genauer: auf den Torsionsabschnitt, einwirkenden Drehmoments, weist dieser eine einen Dehnungsmessstreifen umfassende Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung auf.
Unter einer Direktbeschichtung wird hierbei eine Beschichtung verstanden, die während ihres Herstellungsprozesses direkt auf einem zu beschichteten Bauteil erzeugt wird. Ein typisches allgemeines Beispiel hierfür ist die Lackierung eines Bauteils: Die Lackschicht wird erst während des Lackierens direkt auf dem zu lackierenden Bauteil erzeugt. Ein Gegenbeispiel, welches nicht unter die Definition einer Direktbeschichtung fällt, ist das Aufkleben einer Folie auf ein Bauteil.
Die Direktbeschichtung, welche insgesamt einen Dehnungsmessstreifen bildet oder zumindest partiell verformungssensitive Eigenschaften aufweist, kann gemäß der DE-Patentanmeldung 10 2012 208 492.4 erzeugt werden.
Der Torsionsabschnitt, auf welchem der Dehnungsmessstreifen in Form einer Direktbeschichtung erzeugt ist, ist typischerweise aus einem metallischen Grundwerkstoff, insbesondere Stahl, hergestellt, wobei auf dem Grundwerkstoff vorzugsweise eine Isolationsschicht aufgebracht ist, auf welcher sich eine verformungssensitive Schicht als Messschicht befindet. Im Vergleich zu einem auf ein tordierbares Teil aufgeklebten Dehnungsmessstreifen zeichnet sich der erfindungsgemäße Aufbau der Drehmomentmessvorrichtung durch eine sehr viel bessere Reproduzierbarkeit und langfristige Stabilität der messtechnischen Eigenschaften aus.
Die Isolationsschicht, auf welcher die zur Drehmomentmessung vorgesehene verformungssensitive Schicht aufgebracht ist, umfasst beispielsweise ein Oxid oder ein Karbid. Geeignete Werkstoffe für die Isolationsschicht sind insbesondere Al₂O₃ sowie SiO₂. Ebenso ist als Isolationsschicht eine amorphe Kohlenstoffschicht geeignet. Die Isolationsschicht ist beispielsweise im PVD(physical vapour deposition)- oder PACVD(physical assisted chemical vapour deposition)-Verfahren herstellbar. Auch die Verwendung von Polymeren zur Herstellung der Isolationsschicht ist möglich.
Die Messschicht, welche sich auf der Isolationsschicht befindet, ist beispielsweise durch eine Nickellegierung, insbesondere eine NiCr-Legierung, gebildet und weist vorzugsweise eine Dicke von 0,05 µm bis 1,0 µm auf.
Auf die Messschicht wird in bevorzugter Ausgestaltung eine organische oder anorganische Schutzschicht aufgebracht. Die Gesamtdicke der verformungssensitiven Direktbeschichtung einschließlich Schutzschicht beträgt vorzugsweise nicht mehr als 20 µm.
In bevorzugter Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des Torsionsabschnitts mindestens 80%, insbesondere mindestens 90%, beispielsweise mindestens 95%, des Durchmessers eines jeden Lenkwellenabschnitts. In besonders bevorzugter Weise ist die zur Drehmomentmessung vorgesehene Direktbeschichtung auf einen nicht geschwächten Abschnitt der Lenkwelle aufgetragen. Der Torsionsabschnitt ist in diesem Fall – vor der Auftragung der Direktbeschichtung – nicht durch einen abweichenden Querschnitt von den angrenzenden Lenkwellenabschnitten zu unterscheiden; vielmehr bildet er einen integralen Bestandteil der Lenkwellenabschnitte mit einheitlichem Durchmesser. Durch die Aufbringung der mechanische Belastungen detektierenden Direktbeschichtung ist der Torsionsabschnitt der Lenkwelle gegenüber den keine Drehmomentsensorik aufweisenden Lenkwellenabschnitten sogar minimal verdickt. Damit wird eine Lenkwelle mit hoher Steifigkeit bereitgestellt. Die Torsion der Lenkwelle, das heißt die Verdrehung des ersten, lenkradseitigen Lenkwellenabschnitts gegenüber dem zweiten, lenkgetriebeseitigen Lenkwellenabschnitts, ist selbst bei maximalem auf die Lenkwelle wirkenden Drehmoment vorzugsweise auf weniger als 2°, insbesondere weniger als 1°, begrenzt. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der nach dem Prinzip eines Dehnungsmessstreifens arbeitenden Drehmomentsensorik ist diese geringe Torsion für eine hohe Auflösung der Messung ausreichend. Gleichzeitig trägt die hohe Steifigkeit der Lenkwelle maßgeblich zu einer sehr guten Beherrschbarkeit und zu einem direkten Ansprechen der Lenkung bei.
Die mit der erfindungsgemäßen Drehmomentmessvorrichtung ausgestattete Lenkwelle ist besonders für die Verwendung in einem Personen- oder Lastkraftwagen geeignet. Ebenso ist die Drehmomentmessvorrichtung beispielsweise auch für die Verwendung in einer Baumaschine oder in einem landwirtschaftlichen Fahrzeug geeignet. Auch Luftoder Wasserfahrzeuge sind mit der erfindungsgemäßen Drehmomentmessvorrichtung ausrüstbar.
Das Verfahren zur Herstellung der Drehmomentmessvorrichtung umfasst unabhängig vom technischen Anwendungsgebiet folgende Merkmale:

– Eine eine Messschicht zur Drehmomentmessung bereitstellende, einen Dehnungsmessstreifen bildende Beschichtung wird als Direktbeschichtung auf einem Grundwerkstoff eines Torsionsabschnitts der Lenkwelle aufgebracht.
– Die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens erfolgt erst nach der Aufbringung der Beschichtung auf den Torsionsabschnitt.

Die verformungssensitive Eigenschaften aufweisende, einen Dehnungsmessstreifen bildende Beschichtung kann im PVD- oder PACVD-Verfahren hergestellt werden. Die Strukturierung dieser Beschichtung erfolgt vorzugsweise per Laser, wie in der DE-Patentanmeldung 10 2012 208 492.4 beschrieben.
Der per Laser bearbeitete Dehnungsmessstreifen weist in vorteilhafter Ausgestaltung eine Streifenstruktur auf, wobei die einzelnen Streifen jeweils einen Abschnitt einer um die Rotationsachse des Torsionsabschnitts verlaufenden Schraubenlinie beschreiben, welche zur Rotationsachse um 30° bis 60°, vorzugsweise um 45°, schräg gestellt ist. Alternativ zur Laserbearbeitung der verformungssensitiven Schicht ist auch eine photolitographische Bearbeitung möglich. In jedem Fall wird dabei direkt eine Schicht bearbeitet, die nicht in einer Ebene angeordnet ist, sondern eine räumliche Struktur darstellt. Die Anordnung der verformungssensitiven Strukturen an der Oberfläche der Hohlwelle erfolgt vorzugsweise in Vollbrückenanordnung. In durch die genannte 45°-Mäanderstruktur entstehenden, nicht zum Messen des Drehmoments genutzten Bereichen der Oberfläche der Direktbeschichtung sind Kontaktpads platzierbar. Die Kontaktierungsstellen können ebenso wie die übrigen Bereiche der zur Drehmomentmessung sowie gegebenenfalls zur Signalverarbeitung ausgebildeten Oberflächenbereiche mit einer Schutzschicht gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Einschließlich der gesamten Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Energie- und Signalübertragungstechnik ist die gesamte Drehmomentmessvorrichtung äußerst platzsparend aufgebaut. Zur Energie- und Signalübertragung ist vorzugsweise ein flexibles Kabel, insbesondere Flachkabel, vorgesehen, welches sowohl mit der Lenkwelle als auch mit einem nicht rotierbaren Bauteil im Fahrzeug fest verbunden ist. Die Verwendung schleifender Kontakte oder einer telemetrischen Datenübertragung ist ebenfalls möglich.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt in vereinfachter Darstellung:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 eine Lenkwelle mit Drehmomentsensorik.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Eine in 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Lenkwelle für ein Fahrzeug mit Servolenkung, deren Funktion prinzipiell aus dem Stand der Technik, insbesondere aus der DE 10 2010 040 139 A1 , bekannt ist, weist drei einstückig miteinander verbundene Abschnitte 2, 3, 4, auf, nämlich einen ersten, lenkradseitigen Lenkwellenabschnitt 2, einen zweiten, lenkgetriebeseitigen Lenkwellenabschnitt 3, sowie einen die beiden Lenkwellenabschnitt 2, 3 miteinander verbindenden, gegenüber diesen verjüngten Torsionsabschnitt 4, welcher als Drehmomentmessvorrichtung fungiert.
Auf der Außenoberfläche des Torsionsabschnitts 4 befindet sich ein als Direktbeschichtung hergestellter Dehnungsmessstreifen 5, welcher im normalen Fahrbetrieb das vom Fahrer über das nicht dargestellte Lenkrad in die Lenkwelle 1 eingeleitete Drehmoment misst.
Der als Direktbeschichtung auf dem Torsionsabschnitt 4 hergestellte Dehnungsmessstreifen 5 umfasst eine direkt auf dem Grundwerkstoff, nämlich Stahl, des Torsionsabschnitts 4 erzeugte Isolationsschicht 6, eine auf dieser direkt erzeugte, per Laser strukturierte, die eigentliche verformungssensitive Schicht darstellende Messschicht 7, sowie eine die Messschicht 7 sowie Kontaktpads 9 gegen Umwelteinflüsse abschirmende Schutzschicht 8.
Der Dehnungsmessstreifen 5 liegt insgesamt auf einer zylindrischen Oberfläche des Torsionsabschnitts 4 und damit der Lenkwelle 1 und wird während deren Herstellung auf dieser Oberfläche erzeugt. Im Unterschied zum Stand der Technik, der das Aufkleben eines ursprünglich in einer Ebene gefertigten Dehnungsmessstreifens auf eine Welle oder ein sonstiges gekrümmtes Bauteil vorsieht, wird also nach der Erfindung unmittelbar eine dreidimensionale verformungssensitive Struktur, nämlich der als Direktbeschichtung ausgebildete Dehnungsmessstreifen 5, erzeugt. Diese Erzeugung schließt das Aufbringen der verformungssensitiven Schicht per PVD- oder PACVD-Verfahren sowie die anschließende Laserstrukturierung der Schicht ein.
Bezugszeichenliste

1: Lenkwelle
2: erster Lenkwellenabschnitt
3: zweiter Lenkwellenabschnitt
4: Torsionsabschnitt, Drehmomentmessvorrichtung
5: Dehnungsmessstreifen
6: Isolationsschicht
7: Messschicht
8: Schutzschicht
9: Kontaktpad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010040139 A1 [0001, 0022]
DE 102005055949 A1 [0002]
DE 102010023355 A1 [0003]
EP 2365927 A1 [0004]
DE 102012208492 [0005, 0010, 0018]

Claims

Anordnung zur Bestimmung eines auf eine Welle, insbesondere eine Lenkwelle (1), welche einen lenkradseitigen ersten Lenkwellenabschnitt (2), einen lenkgetriebeseitigen zweiten Lenkabschnitt (3) und einen die Lenkwellenabschnitte (2, 3) verbindenden Torsionsabschnitt (4) aufweist, einwirkenden Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsabschnitt (4) eine einen Dehnungsmessstreifen (5) umfassende Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsabschnitt (4) einen metallischen Grundwerkstoff, eine hierauf aufgebrachte Isolationsschicht (6), sowie eine auf dieser aufgebrachte, den Dehnungsmessstreifen (5) bildende Messschicht (7) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) ein Oxid umfasst.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) ein Karbid umfasst.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) amorphen Kohlenstoff umfasst.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (6) ein Polymer umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (7) mindestens 0,05 µm und höchstens 1,0 µm dick ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschicht (7) aus einer NiCr-Legierung gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Messschicht (7) eine Schutzschicht (8) aufgetragen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdicke der Direktbeschichtung maximal 20 µm beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Torsionsabschnitts (4) mindestens 80% des Durchmessers eines Lenkwellenabschnitts (2, 3) beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Bestimmung eines auf eine Lenkwelle (1) einwirkenden Drehmoments, wobei eine eine Messschicht (7) zur Drehmomentmessung bereitstellende, einen Dehnungsmessstreifen (5) bildende Beschichtung als Direktbeschichtung auf einem Grundwerkstoff eines Torsionsabschnitts (4) der Lenkwelle aufgebracht wird und die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens (5) erst nach der Aufbringung der Beschichtung auf den Torsionsabschnitt (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens (5) durch Laserbearbeitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung des Dehnungsmessstreifens (5) photolitographisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Direktbeschichtung zunächst eine Isolationsschicht (6) auf dem Grundwerkstoff des Torsionsabschnitts (4) und anschließend die Messschicht (7) auf der Isolationsschicht (6) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten Isolationsschicht (6) und Messschicht (7) mit einem PVD oder PACVD-Verfahren erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Messschicht (7) eine organische oder anorganische Schutzschicht (8) aufgetragen wird.