DE102019120874A1 - Torque measuring device for an operating unit for a vehicle, operating unit and method for measuring a torque - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Drehmomentmesseinrichtung (12) für eine Bedieneinheit (10) für ein Fahrzeug beschrieben, die eine zumindest begrenzt drehbare Dreheinheit (18) und einen ersten Hebelarm (34) aufweist. Dabei ist ein erstes Ende des ersten Hebelarms (34) mit der Dreheinheit (18) verbunden und ein zweites Ende des ersten Hebelarms (34) über einen ersten Kraftsensor (38) mit einer Trägereinheit (22) gekoppelt. Ferner ist eine Betätigungsschnittstelle (14) vorgesehen, an die ein Bedienelement (16) ankoppelbar ist. Zudem wird eine Bedieneinheit (10) mit einer derartigen Drehmomentmesseinrichtung (12) vorgestellt. Ferner wird ein Verfahren zur Messung eines über ein Bedienelement (16) in eine Bedieneinheit (10) für ein Fahrzeug eingebrachten Drehmoments präsentiert. A torque measuring device (12) for an operating unit (10) for a vehicle is described, which has an at least limited rotatable rotating unit (18) and a first lever arm (34). A first end of the first lever arm (34) is connected to the rotating unit (18) and a second end of the first lever arm (34) is coupled to a carrier unit (22) via a first force sensor (38). Furthermore, an actuation interface (14) is provided, to which an operating element (16) can be coupled. In addition, an operating unit (10) with such a torque measuring device (12) is presented. Furthermore, a method for measuring a torque introduced into an operating unit (10) for a vehicle via an operating element (16) is presented.
Description
Die Erfindung betrifft eine Drehmomentmesseinrichtung für eine Bedieneinheit für ein Fahrzeug.The invention relates to a torque measuring device for an operating unit for a vehicle.
Ferner betrifft die Erfindung eine Bedieneinheit für ein Fahrzeug, mit einer solchen Drehmomentmesseinrichtung.The invention also relates to an operating unit for a vehicle with such a torque measuring device.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines über ein Bedienelement in eine Bedieneinheit für ein Fahrzeug eingebrachten Drehmoments.In addition, the invention relates to a method for measuring a torque introduced into an operating unit for a vehicle via an operating element.
Derartige Bedieneinheiten und Verfahren zur Messung von eingebrachten Drehmomenten sind aus dem Stand der Technik bekannt.Such operating units and methods for measuring the torques introduced are known from the prior art.
Insbesondere kommen diese bei sogenannten Steer-by-wire-Einheiten zum Einsatz, bei denen das über ein Bedienelement in eine Bedieneinheit für ein Fahrzeug eingebrachte Drehmoment gemessen und in einen elektrischen Stellbefehl umgerechnet wird. Die Funktion bekannter Drehmomentmesseinrichtungen beruht dabei beispielsweise auf der Verwendung von Dehnmessstreifen, Torsionsstäben und/oder Magnetsensoren.In particular, these are used in so-called steer-by-wire units, in which the torque introduced into a control unit for a vehicle via an operating element is measured and converted into an electrical control command. The function of known torque measuring devices is based, for example, on the use of strain gauges, torsion bars and / or magnetic sensors.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Drehmomentmesseinrichtungen weiter zu verbessern. Insbesondere soll eine Drehmomentmesseinrichtung angegeben werden, die sowohl einfach aufgebaut als auch zuverlässig im Betrieb ist.Based on this, the object of the present invention is to further improve torque measuring devices. In particular, a torque measuring device is to be specified that is both simple in construction and reliable in operation.
Die Aufgabe wird durch eine Drehmomentmesseinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, mit einer Dreheinheit, die zumindest begrenzt um eine Mittelachse drehbar an einer Trägereinheit gelagert ist, mit einem ersten Hebelarm, wobei ein erstes Ende des ersten Hebelarms mit der Dreheinheit verbunden ist und ein zweites Ende des ersten Hebelarms über einen ersten Kraftsensor mit der Trägereinheit gekoppelt ist, und mit einer Betätigungsschnittstelle, an die ein Bedienelement der Bedieneinheit ankoppelbar ist, wobei die Dreheinheit die Betätigungsschnittstelle und das erste Ende des ersten Hebelarms drehmomentleitend koppelt. Dabei kann die Dreheinheit als ein beliebiger, drehbar gelagerter Körper ausgeführt sein. Beispielsweise umfasst die Dreheinheit eine Welle oder einen Wellenabschnitt. Es wird somit das über die Betätigungsschnittstelle in die Dreheinheit eingeleitete Drehmoment über den ersten Hebelarm und den Kraftsensor abgestützt. Der erste Hebelarm kann somit auch als Drehmomentstütze bezeichnet werden. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Kopplung des zweiten Endes des ersten Hebelarms außerhalb der Dreheinheit erfolgt. Die Messung des Drehmoments erfolgt also über den ersten Hebelarm und den Kraftsensor. Dabei können beliebige Kraftsensoren verwendet werden. Die Drehmomentmesseinrichtung ist dadurch besonders einfach und robust aufgebaut, was zu einer zuverlässigen Funktion führt.The object is achieved by a torque measuring device of the type mentioned at the outset, with a rotating unit which is at least partially rotatable about a central axis on a carrier unit, with a first lever arm, a first end of the first lever arm being connected to the rotating unit and a second end of the first lever arm is coupled to the carrier unit via a first force sensor, and with an actuation interface to which an operating element of the operating unit can be coupled, the rotating unit coupling the actuation interface and the first end of the first lever arm in a torque-transmitting manner. The rotating unit can be designed as any desired rotatably mounted body. For example, the rotating unit comprises a shaft or a shaft section. The torque introduced into the rotating unit via the actuation interface is thus supported via the first lever arm and the force sensor. The first lever arm can therefore also be referred to as a torque support. It goes without saying that the coupling of the second end of the first lever arm takes place outside of the rotating unit. The torque is measured using the first lever arm and the force sensor. Any force sensors can be used. The torque measuring device is therefore particularly simple and robust, which leads to reliable functioning.
Die Kernidee der Erfindung besteht somit darin, anstelle eines spezifischen Drehmomentsensors einen einfach aufgebauten Kraftsensor zu verwenden und diesen über einen Hebel mit der Dreheinheit zu koppeln.The core idea of the invention is therefore to use a simply constructed force sensor instead of a specific torque sensor and to couple it to the rotating unit via a lever.
Vorteilhafterweise ist dabei die Dreheinheit über ein Kugellager an der Trägereinheit gelagert. Insbesondere sind zwei Kugellager vorgesehen, die entlang der Mittelachse der Dreheinheit voneinander beabstandet sind. Durch die damit verbundene, reibungsarme Lagerung der Dreheinheit wird eine präzise Drehmomentmessung sichergestellt.The rotating unit is advantageously mounted on the carrier unit via a ball bearing. In particular, two ball bearings are provided which are spaced from one another along the central axis of the rotary unit. The associated, low-friction mounting of the turntable ensures precise torque measurement.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein zweiter Hebelarm vorgesehen, dessen erstes Ende mit der Dreheinheit verbunden ist, sodass die Dreheinheit die Betätigungsschnittstelle und das erste Ende des zweiten Hebelarms drehmomentleitend koppelt, und dessen zweites Ende über einen zweiten Kraftsensor mit der Trägereinheit gekoppelt ist, wobei das zweite Ende des ersten Hebelarms und das zweite Ende des zweiten Hebelarms auf entgegengesetzten Seiten der Dreheinheit angeordnet sind. Ein in eine erste Richtung anliegendes Drehmoment wird somit über den ersten Hebelarm und den ersten Kraftsensor gemessen. Ein in einer zweiten, der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung anliegendes Drehmoment wird über den zweiten Hebelarm und den zweiten Kraftsensor gemessen. Eine derartige Drehmomentmesseinrichtung wirkt also beidseitig. Mit anderen Worten können Drehmomente unabhängig von ihrer Orientierung gemessen werden.According to one embodiment, a second lever arm is provided, the first end of which is connected to the rotating unit, so that the rotating unit couples the actuation interface and the first end of the second lever arm in a torque-conducting manner, and the second end of which is coupled to the carrier unit via a second force sensor, the second End of the first lever arm and the second end of the second lever arm are arranged on opposite sides of the rotating unit. A torque applied in a first direction is thus measured via the first lever arm and the first force sensor. A torque applied in a second direction opposite to the first direction is measured by the second lever arm and the second force sensor. Such a torque measuring device thus acts on both sides. In other words, torques can be measured regardless of their orientation.
Dabei können der erste Hebelarm und der zweite Hebelarm durch ein gemeinsames, die Dreheinheit quer zur Mittelachse übergreifendes Hebelbauteil gebildet sein. Auf diese Weise ist der Aufbau der Drehmomentmesseinrichtung besonders einfach. Vorzugsweise ist das gemeinsame Hebelbauteil bügelförmig gestaltet, wobei die beiden Hebelarme jeweils durch Endabschnitte des gemeinsamen Hebelbauteils gebildet sind und ein Mittelabschnitt mit der Dreheinheit verbunden ist.The first lever arm and the second lever arm can be formed by a common lever component that crosses the rotary unit transversely to the central axis. In this way, the construction of the torque measuring device is particularly simple. The common lever component is preferably designed in the shape of a bow, the two lever arms each being formed by end sections of the common lever component and a central section being connected to the rotating unit.
Gemäß einer Variante umfasst die Dreheinheit ein Getriebe, wobei die Betätigungsschnittstelle über das Getriebe mit dem ersten Ende des ersten Hebelarms und/oder dem ersten Ende des zweiten Hebelarms drehmomentleitend gekoppelt ist. Dabei ist das Getriebe vorzugsweise so ausgebildet, dass ein großer Betätigungswinkel an der Betätigungsschnittstelle in einen vergleichsweise kleinen Betätigungswinkel des jeweils wirkenden Hebelarms übersetzt wird. Auf diese Weise kann das über die Betätigungsschnittstelle eingeleitete Drehmoment besonders präzise gemessen werden.According to a variant, the rotary unit comprises a gear, the actuation interface being coupled to the first end of the first lever arm and / or the first end of the second lever arm in a torque-transmitting manner via the gear. The transmission is preferably designed so that a large actuation angle at the actuation interface is translated into a comparatively small actuation angle of the lever arm acting in each case. In this way it can be done via the Actuating interface introduced torque can be measured particularly precisely.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Dreheinheit einen Elektromotor, wobei ein vom Elektromotor generiertes Drehmoment an der Betätigungsschnittstelle bereitstellbar ist. Mittels des Elektromotors kann über die Betätigungsschnittstelle ein sogenanntes Rückstellmoment oder eine sogenannte Rückstellkraft bereitgestellt werden. Derartige Kräfte werden auch als Feedback oder Force Feedback bezeichnet. Sie führen zu einer intuitiven Bedienbarkeit eines über die Betätigungsschnittstelle mit der Drehmomentmesseinrichtung gekoppelten Bedienelements.Alternatively or additionally, the rotating unit comprises an electric motor, with a torque generated by the electric motor being able to be provided at the actuation interface. By means of the electric motor, a so-called restoring torque or a so-called restoring force can be provided via the actuation interface. Such forces are also referred to as feedback or force feedback. They lead to an intuitive operability of an operating element coupled to the torque measuring device via the actuation interface.
Für den Fall, dass die Drehmomentmesseinrichtung sowohl einen Elektromotor als auch ein Getriebe umfasst, sind diese bevorzugt entlang der Mittelachse hintereinander angeordnet. Dabei kann das Getriebe eine Übersetzung einer Motordrehzahl ins Langsame bewirken. Es kann somit ein vergleichsweise kleines, vom Elektromotor bereitgestelltes Drehmoment in ein vergleichsweise großes, an der Betätigungsschnittstelle bereitstellbares Drehmoment übersetzt werden. Es ist somit nur ein vergleichsweise kleiner und/oder schwacher Elektromotor nötig. Gleichzeitig ergibt sich durch die genannte Anordnung von Elektromotor und Getriebe insgesamt ein kompakter Aufbau der Drehmomentmesseinrichtung.In the event that the torque measuring device comprises both an electric motor and a transmission, these are preferably arranged one behind the other along the central axis. The transmission can bring about a reduction of an engine speed. A comparatively small torque provided by the electric motor can thus be translated into a comparatively large torque that can be provided at the actuation interface. Only a comparatively small and / or weak electric motor is therefore necessary. At the same time, the aforementioned arrangement of the electric motor and transmission results in a compact design of the torque measuring device.
Vorzugsweise sind der Elektromotor und das Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet oder ein Elektromotorgehäuse ist mit einem davon separaten Getriebegehäuse drehfest gekoppelt. Eine Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse ist dabei besonders einfach und platzsparend. Gleiches gilt für ein mit dem Getriebegehäuse gekoppeltes Elektromotorgehäuse. In allen Alternativen sind der Elektromotor und das Getriebe gemeinsam drehbar an der Trägereinheit gelagert.The electric motor and the transmission are preferably arranged in a common housing or an electric motor housing is coupled in a rotationally fixed manner to a transmission housing which is separate from it. An arrangement in a common housing is particularly simple and space-saving. The same applies to an electric motor housing coupled to the gear housing. In all alternatives, the electric motor and the transmission are rotatably mounted together on the carrier unit.
Vorteilhafterweise ist bzw. sind dabei das erste Ende des ersten Hebelarms und/oder das erste Ende des zweiten Hebelarms mit dem gemeinsamen Gehäuse der Dreheinheit, dem Elektromotorgehäuse oder dem Getriebegehäuse verbunden. Auf diese Weise ist es besonders einfach, ein über die Betätigungsschnittstelle eingebrachtes Drehmoment unter Zwischenschaltung des Getriebes und/oder des Elektromotors präzise und zuverlässig zu messen.The first end of the first lever arm and / or the first end of the second lever arm is / are advantageously connected to the common housing of the rotary unit, the electric motor housing or the gear housing. In this way, it is particularly easy to precisely and reliably measure a torque introduced via the actuation interface with the interposition of the transmission and / or the electric motor.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Bedieneinheit für ein Fahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung und mit einem Bedienelement gelöst, das an der Betätigungsschnittstelle der Drehmomentmesseinrichtung angekoppelt ist. Eine derartige Bedieneinheit ist einfach aufgebaut und zuverlässig in ihrer Funktion. Die bereits hinsichtlich der Drehmomentmesseinrichtung erläuterten Effekte und Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für die Bedieneinheit. Die Bedieneinheit ist insbesondere eine Steer-by-wire-Einheit.Furthermore, the object is achieved by an operating unit for a vehicle, with a torque measuring device according to the invention and with an operating element which is coupled to the actuation interface of the torque measuring device. Such an operating unit is simple in construction and reliable in its function. The effects and advantages already explained with regard to the torque measuring device also apply in a corresponding manner to the operating unit. The operating unit is in particular a steer-by-wire unit.
Vorzugsweise ist das Bedienelement ein Steuerknüppel, ein Betätigungshebel oder ein Lenkrad. In diesem Zusammenhang werden Steuerknüppel auch als „Joy Stick“ bezeichnet. Solche Bedienelemente erlauben es einem Benutzer, ein Fahrzeug auf einfache und intuitive Weise zu bedienen.The operating element is preferably a control stick, an operating lever or a steering wheel. In this context, control sticks are also referred to as “joy sticks”. Such control elements allow a user to operate a vehicle in a simple and intuitive manner.
Zudem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung eines über ein Bedienelement in eine Bedieneinheit für ein Fahrzeug eingebrachten Drehmoments gelöst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Drehbewegen einer drehbar an einer Trägereinheit gelagerten Dreheinheit mittels des Bedienelements,
- b) Abstützen der Drehbewegung der Dreheinheit an der Trägereinheit über einen Kraftsensor, der über einen Hebelarm mit der Dreheinheit gekoppelt ist, und
- c) Errechnen des mittels des Bedienelements eingebrachten Drehmoments aus der mittels des Kraftsensors gemessenen Kraft und der zugeordneten Hebellänge des Hebelarms.
- a) rotary movement of a rotary unit mounted rotatably on a carrier unit by means of the operating element,
- b) supporting the rotary movement of the rotary unit on the carrier unit via a force sensor which is coupled to the rotary unit via a lever arm, and
- c) Calculating the torque introduced by means of the operating element from the force measured by means of the force sensor and the associated lever length of the lever arm.
Mittels eines derartigen Verfahrens lassen sich eingebrachte Drehmomente besonders einfach und zuverlässig messen. Insbesondere sind hierfür keine speziellen Drehmomentsensoren notwendig. Konventionelle Kraftsensoren sind ausreichend. Dabei kann das Verfahren auch für mehrere zur Drehmomentabstützung vorgesehene Hebelarme ausgeführt werden. Dies gilt insbesondere für Drehmomentmesseinrichtungen, die in zwei entgegengesetzte Richtungen wirkende Drehmomente erfassen können.With such a method, introduced torques can be measured particularly easily and reliably. In particular, no special torque sensors are necessary for this. Conventional force sensors are sufficient. The method can also be carried out for several lever arms provided for torque support. This applies in particular to torque measuring devices that can detect torques acting in two opposite directions.
Die Dreheinheit kann ein Getriebe umfassen, sodass dem Bedienelement und dem Hebelarm das Getriebe drehmomentleitend zwischengeschaltet ist, wobei beim Errechnen des mittels des Bedienelements eingebrachten Drehmoments zusätzlich die dem Getriebe eingeprägte Übersetzung verwendet wird. Auf diese Weise können eingebrachte Drehmomente besonders genau erfasst werden. Zudem lässt sich über ein Getriebe der Bereich der zu erfassenden Drehmomente, die über das Bedienelement eingebracht werden, auf einen dem Kraftsensor eingeprägten Erfassungsbereich abstimmen. Das Getriebe wandelt also die eingebrachten Drehmomente so, dass der Kraftsensor in seinem vorgegebenen Betriebsbereich genutzt werden kann.The rotating unit can comprise a gear so that the gear is interposed between the operating element and the lever arm in a torque-transmitting manner, the gear ratio impressed on the gear being additionally used when calculating the torque introduced by the operating element. In this way, introduced torques can be recorded particularly precisely. In addition, the range of torques to be detected, which are introduced via the operating element, can be matched to a detection area impressed on the force sensor via a transmission. The transmission converts the torque introduced so that the force sensor can be used in its specified operating range.
Ebenso kann die Dreheinheit einen Elektromotor umfassen, mittels dem ein Drehmoment in das Bedienelement einleitbar ist, wobei beim Errechnen des mittels des Bedienelements eingebrachten Drehmoments ein aus dem vom Elektromotor eingeleiteten Drehmoment und dem mittels des Bedienelements eingebrachten Drehmoment resultierendes Summendrehmoment errechnet wird. Wie bereits erläutert, kann mittels des Elektromotors ein Rückstellmoment oder eine Rückstellkraft bereitgestellt werden.The rotating unit can also comprise an electric motor, by means of which a torque in the operating element can be introduced, wherein when calculating the torque introduced by means of the operating element, a total torque resulting from the torque introduced by the electric motor and the torque introduced by means of the operating element is calculated. As already explained, a restoring torque or a restoring force can be provided by means of the electric motor.
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
- -
1 eine erfindungsgemäße Bedieneinheit mit einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung, wobei ein Bedienelement als Steuerknüppel ausgeführt ist, - -
2 eine erfindungsgemäße Bedieneinheit mit einer erfindungsgemäßen Drehmomentmesseinrichtung, wobei ein Bedienelement als Lenkrad ausgeführt ist, - -
3 die Bedieneinheit aus1 in einer Detailansicht, - -
4 die Bedieneinheit aus3 in einem Längsschnitt, und - -
5 die Bedieneinheit aus4 in einem Querschnitt V-V.
- -
1 an operating unit according to the invention with a torque measuring device according to the invention, wherein one operating element is designed as a control stick, - -
2 an operating unit according to the invention with a torque measuring device according to the invention, wherein one operating element is designed as a steering wheel, - -
3 the control unit1 in a detailed view, - -
4th the control unit3 in a longitudinal section, and - -
5 the control unit4th in a cross section VV.
Alternativ zum Steuerknüppel kann das Bedienelement
Die Drehmomentmesseinrichtung
Über die Betätigungsschnittstelle
Hierfür sind zwei Kugellager
Die Trägereinheit
In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Dreheinheit
Dabei ist die Betätigungsschnittstelle
Der Elektromotor
Mit dem gemeinsamen Gehäuse
Genauer gesagt ist das Hebelbauteil
Ein erstes Ende
Anders gesagt sind ein erstes Ende des ersten Hebelarms
Die jeweils zweiten Enden der Hebelarme
Es ist somit das zweite Ende des ersten Hebelarms
Dabei sind das zweite Ende des ersten Hebelarms
Folglich ist das Bedienelement
Mit der Drehmomentmesseinrichtung
Dabei wird beispielsweise über das Bedienelement
Aufgrund dessen wird die Dreheinheit
Diese Drehbewegung kann mit der Richtung des mittels des Pfeils
Die Drehbewegung der Dreheinheit wird über den ersten Hebelarm
Es kann also mittels des Kraftsensors
Für den Fall, dass zugleich mittels des Elektromotors
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DE102019120874.2A DE102019120874A1 (en) | 2019-08-01 | 2019-08-01 | Torque measuring device for an operating unit for a vehicle, operating unit and method for measuring a torque |
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Cited By (1)
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EP4279358A1 (en) * | 2022-05-19 | 2023-11-22 | Arnold NextG GmbH | Steering input device |
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DE19543421A1 (en) * | 1994-11-21 | 1996-05-23 | Alps Electric Co Ltd | Torque sensor |
DE19829531A1 (en) * | 1998-07-02 | 2000-01-05 | Zahnradfabrik Friedrichshafen | Power steering with hydraulic power assistance |
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2019
- 2019-08-01 DE DE102019120874.2A patent/DE102019120874A1/en active Pending
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