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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Erfassung des Drehmoments einer Welle mit einer induktiven Messeinrichtung durch Messung der Position und der Drehrichtung der Welle und mit einer Auswertungseinrichtung zur Ermittlung des Drehmoments aus dem Ausgangssignal der Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung wenigstens einen Messabschnitt an der Welle mit einer drehunsymmetrischen Oberfläche und wenigstens eine Induktivität aufweist, die in Wirkverbindung mit der drehunsymmetrischen Oberfläche angeordnet ist und deren Ausgangssignale von dem Anstand der jeweiligen Induktivität von der drehunsymmetrischen Oberfläche abhängt.
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DE 3112714 C1 zeigt eine derartige Meß- bzw. Überwachungseinrichtung. Bei der
DE 3112714 C1 geht es darum, eine Überwachungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, einen einem hohen Ungleichförmigkeitsgrad unterliegenden Gelenkwellenstrang zu überwachen. Dazu werden beidseitig einer Messwelle Zahnräder drehfest angeordnet, die unter Einwirkung eines Drehmoments sich derart relativ zueinander verdrehen, dass beispielsweise als Messwertaufnehmer an auf der Messwelle gelagerten Lagergehäusen vorgesehene Differential-Feldplattenfühler eine Phasenverschiebung erkennen, die proportional zu dem an der Messwelle anliegenden Drehmoment ist. Es geht also bildlich darum, eine Phasenverschiebung zwischen zwei Gebern zu erkennen, wobei es auf die Genauigkeit der Drehmomentmessung nicht wesentlich ankommt.
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DE 103 28 339 A1 offenbart einen Positionssensor einer Zweirad-Parkstütze, insbesondere einer Motorrad-Seitenstütze, die zwischen einer Parkstellung und einer Fahrstellung um eine Drehachse schwenkbar an einem Rahmen des Zweirades gelagert ist, mit einer Sensoranordnung aus einem konzentrisch zu der Drehachse angeordneten und mitdrehbar an der Parkstütze befestigten Positionsgeber und einem drehfest an dem Rahmen des Zweirades befestigten und zur Ermittlung der Position der Parkstütze mit dem Positionsgeber in Wirkverbindung stehenden Positionsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung berührungslos wirksam ausgebildet ist, und dass der Positionsgeber eine Wirkkomponente aufweist, die bezüglich der Drehachse der Parkstütze derart nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet und angeordnet ist, dass bei einer Verschwenkung der Parkstütze eine Intensitätsänderung eines in dem Positionsdetektor sensierbaren Wirkparameters erzeugbar ist.
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US 6,393,912 B2 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer Winkelverschiebung. Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Rotationskörper, der auf einer Welle angeordnet ist und stirnseitig eine über den Umfang axial variierende, schräge Fläche aufweist. Ein Resonator wirkt mit der schrägen Fläche zusammen, um über ein elektromagnetisches Wechselfeld Variationen der elektromagnetischen Feldparameter zu messen und damit die Winkelposition der Welle, die Winkelgeschwindigkeit und dergleichen zu bestimmen. Der Resonator wird bei einer niedrigen Frequenz betrieben, um elektromagnetische Verluste zu minimieren.
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DE 10 2004 046 772 A1 offenbart eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition einer drehbaren Welle in einem Fahrzeug mit einem Multipolgeberrad, das mehrere magnetische Pole an seinem Umfang aufweist, oder einem Zahnkranzgeberrad, das mehrere Zähne an seinem Umfang aufweist, und einem Sensorelement zum Detektieren von Magnetfeldern der Pole oder von Flussänderungen durch das Zahnkranzgeberrad. Das Sensorelement hat einen magnetischen Kern mit mindestens zwei Schenkeln, deren freie Enden zum Detektieren dem Multipolgeberrad oder dem Zahnkranzgeberrad zugewandt sind, und mindestens eine um den Kern angebrachte Wicklung. Der Kern ist U-förmig, wobei an jedem Schenkel des Kerns eine Wicklung zur Induktion einer elektrischen Spannung in Abhängigkeit von den Magnetfeldern angeordnet ist.
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DE 10 2011 056 899 A1 zeigt eine Drehmomentsensoreinrichtung für ein Lenksystem, mit einer auf einen Wellenabschnitt der Lenkwelle aufsetzbaren Trägerhülse, die einen Magneten trägt, dem ein auf einem weiteren Wellenabschnitt aufsitzendes Sensorelement zugeordnet ist. Der Magnet ist segmentförmig ausgebildet und die Trägerhülse hat mindestens ein überstehendes, einteilig mit der Trägerhülse ausgebildetes Verbindungselement, auf dem der segmentförmige Magnet aufsitzt. Das Verbindungselement ist am Außenumfang der Trägerhülse angeordnet und steht radial über den Außenumfang hinaus.
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DE 102 54 751 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines Winkels und/oder einer Winkelgeschwindigkeit einer drehbaren Lenkstange einer Kraftfahrzeuglenkung und zum Messen eines auf die Lenkstange einwirkenden Moments, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung eine erste Sensoreinrichtung aufweist, die auf eine Drehung der Lenkstange anspricht und nach Maßgabe der Drehung Signale für eine Auswerteeinheit erzeugt, und eine zweite Sensoreinrichtung aufweist, die auf eine Änderung eines auf die Lenkstange einwirkenden Moments anspricht und nach Maßgabe des Moments bzw. dessen Änderung Signale für eine Auswerteeinheit erzeugt, und die benachbart zur ersten Sensoreinrichtung angeordnet ist. Die erste Sensoreinrichtung zum Messen des Winkels und/oder der Winkelgeschwindigkeit der drehbaren Lenkstange weist Mittel zum Erzeugen eines sich periodisch ändernden optischen Strahlungsfelds, elektrischen Felds und/oder Magnetfelds auf und Mittel, die auf das erzeugte und/oder veränderte Feld ansprechen
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Um eine elektrische Lenkunterstützung zu realisieren wird mittels eines Drehmomentsensors das anliegende Drehmoment an der Lenksäule erfasst und mittels eines elektrischen Antriebes verstärkt. Der elektrische Antrieb ist für gewöhnlich eine Drehstrommaschine. Damit die Drehstrommaschine ohne negative haptische Einflüsse das anliegende Drehmoment verstärken kann, ist es zwingend notwendig die genaue Position des Rotors der Maschine zu kennen, um das geforderte Moment bereitstellen zu können. Die Sensorik, die zu diesem Zweck genutzt wird, beruht auf komplex aufgebauten Resolvern, die eine hohe Genauigkeit in deren Ausführung bedürfen, wie aus den oben genannten Druckschriften ersichtlich ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine selbstkalibrierende Messeinrichtung zur Erfassung des Drehmoments einer Welle mit einer induktiven Messung der Position und der Drehrichtung der Welle bereit zu stellen, die allgemein zur Drehmomentmessung, insbesondere zur Verwendung bei einer elektrischen Lenkung, geeignet ist, ohne komplex aufgebaute Resolver auskommt und sichere und genaue Messung des Drehmoments gestattet.
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Dazu ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass der drehunsymmetrischen Oberfläche des Messabschnitts mindestens drei Induktivitäten zugeordnet sind, die umfangsmäßig unter gleichen Abständen angeordnet sind.
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Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung für alle Anwendungen nutzbar, bei denen Drehwinkel und Drehrichtung bestimmt werden sollen. Auf Grund der drehunsymmetrischen Oberfläche, die von den mindestens drei Induktivitäten abgetastet wird, kann eine genaue Drehmomentmessung durch Bestimmung des Drehwinkels und der Drehrichtung der Welle in vorteilhafter Weise mit einfachen Mitteln möglich, da die Drehwinkel und die Drehrichtung der Welle durch die relative Lage zwischen der drehunsymmetrischen Oberfläche der Messeinrichtung und der zugeordneten Induktivität eindeutig definiert ist.
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Indem mindestens drei Induktivitäten vorgesehen sind, wird in vorteilhafter Weise eine Redundanz erzielt, und die Genauigkeit der Messung kann durch die Redundanz erhöht werden. Außerdem ist die Anzahl von mehreren Induktivitäten auch über drei Induktivitäten hinaus skalierbar, wodurch eine entsprechende Erhöhung der Redundanz und Genauigkeit der Messung erzielt werden kann, in dem von der Kaskadierbarkeit der Messeinrichtung Gebrauch gemacht wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die drehunsymmetrische Oberfläche des Messabschnitts in Form einer Spirale mit einer Unstetigkeit, das heißt mit einem sogenannten Spiralsprung, zwischen einem radial innen liegenden Anfang der Spirale und einem radial außen liegenden Ende der Spirale ausgeführt ist. Auf Grund der Unstetigkeit der Spiralform der drehunsymmetrischen Oberfläche kann eine Selbstkalibrierung der Messeinrichtung durch Maximalauswertung des Ausgangssignals der Induktivität in vorteilhafter Weise durchgeführt werden. Bei der vorstehend gekennzeichneten Anordnung der Induktivität kann auch von einer radialen Abtastung gesprochen werden, und bei radialer Anordnung der Induktivität ist eine Induktivität ausreichend, um die Messeinrichtung auch statisch nutzbar zu machen, das heißt, um die Winkelposition auch im Ruhezustand zu bestimmen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die drehunsymmetrische Oberfläche des Messabschnitts eine stirnseitige Endfläche der Welle umfasst, und dass die mindestens drei Induktivitäten in Wirkverbindung mit der stirnseitige Endfläche der Welle angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist von Vorteil, dass der Signalverlauf der von den Induktivitäten abgegebenen Signale stetig ist, was sich bei der Signalverarbeitung als vorteilhaft erweisen kann. Außerdem wird die Fertigung vereinfacht, in dem die Induktivitäten in einer Fläche angeordnet werden können, und indem die drehunsymmetrische Oberfläche am Ende der Welle in einfacher Weise hergestellt werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die drehunsymmetrische Oberfläche des Messabschnitts eine abgeschrägte, sternseitige Endfläche der Welle umfasst, und das die wenigstens eine Induktivität der stirnseitigen Oberfläche der Welle zugewandt ist, wodurch die drehunsymmetrische Oberfläche in besonders einfacher Weise verwirklicht werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die mindestes drei Induktivitäten der stirnseitigen Endfläche der Welle gegenüber liegend angeordnet sind, die umfangsmäßig unter gleichen Abständen angeordnet sind, so dass die Messeinrichtung auch statisch nutzbar ist, das heißt, dass die Winkelposition auch im Ruhezustand bestimmt werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung der eingangs genannten Art auch dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung mehrere Messabschnitte an der Welle mit je einer drehunsymmetrischen Oberfläche und mehrere Induktivitäten aufweist, die in Wirkverbindung mit den zugehörigen drehunsymmetrischen Oberflächen angeordnet sind, wobei die Unstetigkeiten der spiralförmigen Oberflächen umfangsmäßig gleiche Abstände aufweisen. Diese Anordnung hat die Vorteile, dass Unwuchten der Welle vermieden werden können und dass, da die Induktivitäten in einer Reihe angeordnet sind, auch die Fertigung vereinfacht wird. Da die Anzahl der Messabschnitte frei wählbar ist, kann die Messeinrichtung nahezu beliebig genau ausgelegt werden, in dem eine beliebig Hohe Redundanz bereitgestellt wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Messabschnitte an der Rille axial zu der Welle nebeneinander angeordnet sind, wodurch die Bearbeitung der Messabschnitte erleichtert und der dafür erforderliche Raum minimiert wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei drehunsymmetrische Oberflächen an Messabschnitten vorgesehen sind, und dass mindestens zwei vorzugsweise drei Induktivitäten der drehunsymmetrischen Oberfläche des Messabschnitts zugeordnet sind. Dadurch wird ein in vorteilhafter Weise eine minimale Redundanz und Messgenauigkeit erzielt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die drehunsymmetrischen Oberflächen der Messabschnitte in Form von Spiralen mit je einer Unstetigkeit zwischen einem radial innen liegenden Anfang der Spirale und einem radial außen liegenden Ende der Spirale ausgeführt sind, und dass die Unstetigkeit umfangsmäßig unter gleichen Abständen angeordnet sind. Wie bei dem oben charakterisierten Ausführungsbeispiel kann auf Grund der Unstetigkeit der Spiralform der drehunsymmetrischen Oberfläche eine Selbstkalibrierung der Messeinrichtung durch Maximalauswertung des Ausgangssignals der Induktivität in vorteilhafter Weise durchgeführt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ferner eine elektrische Lenkung mit einer Messeinrichtung zur Erfassung des Drehmoments einer Welle nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen bereitgestellt. Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Drehmoment-Erfassungsvorrichtung zeigt sich besonders bei der Verwendung dieser Messeinrichtung im Rahmen einer elektrischen Lenkung, weil durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung eine einfache und sichere Drehmomenterkennung möglich ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
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1A eine schematische Seitenansicht einer Welle mit einem Messabschnitt bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messeinrichtung;
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1B einen Schnitt durch den Messabschnitt von 1A entlang der Line B;
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2A eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messeinrichtung mit mehreren Messabschnitten;
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2B bis 2D Schnitte durch die Messabschnitte entlang den Linien B, C und D in 2A;
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3 ein Signaldiagramm der Ausgangssignale der Induktivitäten, die schematische in den 1 und 2 gezeigt sind;
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4A eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messeinrichtung;
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4B eine Draufsicht auf die Messeinrichtung von 4A mit Blickrichtung von rechts nach links;
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4C eine Seitenansicht der Messeinrichtung nach 4A, wobei die Welle um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht ist, und
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5 ein Signaldiagramm für die Ausgangssignale der Induktivitäten, die in 4 gezeigt sind.
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Gemäß 1A, die eine Seitenansicht einer Welle 2 mit einer Induktiven Messeinrichtung 4 zur Messung der Position und der Drehrichtung der Welle 2 und eine Auswertungseinrichtung 6 zur Ermittlung des Drehmoments aus dem Ausgangssignal der Messeinrichtung 4. Die Messeinrichtung weist wenigstens einen Messabschnitt 8 an der Welle 2 mit einer drehunsymmetrischen Oberfläche 10 und drei Induktivitäten 12, 14, 16 auf, die in Wirkverbindung mit der drehsymmetrischen Oberfläche 10 angeordnet sind und deren Ausgangssignale von dem Abstand der Induktivitäten 12, 14, 16 von der drehunsymmetrischen Oberfläche 10 abhängt.
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Die drehunsymmetrische Oberfläche 10 ist spiralförmig ausgebildet, wobei die Spirale sich über 360° um die Welle 2 erstreckt und eine Unstetigkeit 18 zwischen einem radial innen liegenden Anfang der Spirale und einem radial außen liegenden Ende der Spirale, einem sogenannten Spiralensprung, aufweist. Die Induktivitäten 12, 14, 16 werden dadurch, dass die Welle 2 aus Metall besteht, in ihrem Wert verändert, was sie Grundlage für die Ausgangssignale der Induktivitäten 12, 14, 16 ist.
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Die Ausgangssignale können dann durch die Auswertungseinrichtung 6 in Drehmomentwerte umgerechnet werden. Die spiralförmige Ausführung der Oberfläche 10 der Welle 2 ist die Änderung der Ausgangsignale der Induktivitäten 12, 14, 16 abhängig von der Position der Induktivitäten 12, 14, 16 gegenüber der Welle 2, also von dem Drehwinkel.
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2A zeigt eine Ausführungsform bei der die Messeinrichtung 20 mehrere Messabschnitte 22, 24, 26 an der Welle 28 mit drei drehunsymmetrischen Oberflächen 30, 32, 34 und drei Induktivitäten 36, 38, 40 aufweist, die in Wirkverbindung mit den zugehörigen drehunsymmetrischen Oberflächen 30, 32, 34 angeordnet sind, die wiederum Spiralen sind.
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Die spiralförmigen Oberflächen 30, 32, 34 haben je eine Unstetigkeit 42, 44, 46 zwischen einem radial innen liegenden Anfang der jeweiligen Spirale und einem radial außen liegenden Ende der jeweiligen Spirale aufweisen. Wie aus 2A und den Schnittdarstellungen der 2B, 2C und 2D zu entnehmen ist, sind die Unstetigkeiten 42, 44, 46 der spiralförmigen Oberflächen 30, 32, 34 umfangsmäßig um je 120°, das heißt in gleichen Abständen, angeordnet.
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Wegen der Unstetigkeiten 42, 44, 46 der drei spiralförmigen Oberflächen 30, 32, 34 ist die Änderung der Induktivität 36, 38, 40 an der Sprungstelle alle 120° Drehwinkel eine sprunghafte Änderung, die in an sich bekannter Weise zur Selbstkalibrierung der Messeinrichtung genutzt wird.
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Obwohl Drehrichtung und Drehwinkel bereits mit nur einer Induktivität eindeutig festgestellt werden können, sind vorzugsweise drei Induktivitäten 36, 38, 40 vorgesehen, was eine Redundanz ergibt und die Genauigkeit der Messung verbessert.
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Ein Vorteil dieser Messeinrichtung mit mindestens zwei an der Welle 28 angeordneten spiralförmigen Oberflächen 30, 32, 34 ist, dass Unwuchten der Welle 28 vermieden werden können. Auch können die Induktivitäten 36, 38, 40 in einer Reihe angeordnet werde, wodurch die Fertigung vereinfacht wird.
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3 zeigt ein Signaldiagramm der Ausgangssignale S12, S14, S16 der Induktivitäten 12, 14, 16, die in 1A gezeigt sind. Die Ausgangssignale der Induktivitäten 36, 38, 40 von 2A haben die gleiche Form wie die Ausgangssignale S12, S14, S16 der Induktivitäten 12, 14, 16 in 1A. Es ist ersichtlich, dass alle 120° eine Unstetigkeit in den jeweiligen Ausgangssignalen statt findet, die zur Selbstkalibrierung der Messeinrichtung 20 ausgenutzt wird.
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4A zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messeinrichtung 48 mit einem Messabschnitt 50, wobei die drehunsymmetrische Oberfläche 52 des Messabschnitts 50 eine stirnseitige Endfläche 54 der Welle 56 umfasst. Die Induktivitäten 58, 60, 62 sind in Wirkverbindung mit der stirnseitigen Endfläche 54 der Welle 56 angeordnet.
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Wie in 4B gezeigt, sind die Induktivitäten 58, 60, 62 jeweils umfangsmäßig um 120° versetzt. Die Drehrichtung der Welle 56 ist in 4B mit R bezeichnet. 4C zeigt eine um 90° gedrehte Position der Welle 56, wobei die stirnseitige Endfläche 54 in Draufsicht gezeigt ist. Bei einer Drehung der Welle 56 entgegen der Drehrichtung R um 90° kommen die beiden Induktivitäten hintereinander zu liegen, wobei in 4C die vor der Induktivität 58 liegende Induktivität 62 gezeigt ist.
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Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach 4 unterscheidet sich von der Arbeitsweise der Ausführungsbeispiele nach den 1 und 2, da die drehunsymmetrische Oberfläche 52 keine Unstetigkeit umfasst, wodurch der Signalverlauf der Ausgangssignale S58, S60, S62 der Induktivitäten 58, 60, 62 sinusförmig verläuft, wie in 5 gezeigt ist.
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Die Selbstkalibrierung erfolgt über die Bestimmung der Maxima. Die Induktivitäten 58, 60, 62 können in einer Fläche angeordnet werden, wobei die Fertigung vereinfacht wird. Auch ist die Endfläche 54 als Geberfläche an der Welle 28 einfach zu fertigen.
