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Technisches Gebiet
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Das vorliegende Gebrauchsmuster betrifft einen Sensor, insbesondere einen integrierten Drehmoment- und Winkelsensor, der dazu konfiguriert ist, einen Lenkzustand eines Fahrzeugs zu überwachen.
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Stand der Technik
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In einen Drehmoment- und Winkelsensor werden der Drehmomentsensor und der Winkelsensor integriert, um den Drehwinkel der Lenksäule des Fahrzeuglenkrads und die Größe des empfangenen Drehmoments zu messen. Ein herkömmlicher Drehmoment- und Winkelsensor hat ein Drehmomentmessmodul, ein Winkelmessmodul, eine Leiterplatte und ein Gehäuse, wobei das Drehmomentmessmodul zwei Metallrotoren umfasst, und das Winkelmessmodul ein Antriebszahnrad und ein Abtriebszahnrad umfasst. Die Leiterplatte ist mit Elementen, wie beispielsweise elektromagnetischen Sensorelementen, Hall-Sensorelementen und dergleichen, zum Erfassen von Drehmoment- und Winkelsignalen versehen. Beim Zusammenbau werden die zwei Metallrotoren jeweils auf die Eingangswelle und die Ausgangswelle der Lenksäule des Lenkrads aufgesetzt, wobei das Abtriebszahnrad auf der Eingangswelle oder Ausgangswelle der Lenksäule des Lenkrads, und das Abtriebszahnrad mit dem Antriebszahnrad kämmt. Der herkömmliche Drehmoment- und Winkelsensor verwendet zwei Metallrotoren und entsprechend zwei Chips zum Abtasten und zur Erfassung der Metallrotoren, aber die Chips sind kostspielig.
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Offenbarung des Gebrauchsmusters
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In Anbetracht dessen stellt das vorliegende Gebrauchsmuster einen Drehmoment- und Winkelsensor bereit, welcher kostengünstig ist.
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In einem Aspekt des Gebrauchsmusters ist ein Drehmoment- und Winkelsensor vorgesehen, der zum Erfassen eines Lenkmoments und eines Lenkwinkels einer Lenksäule des Lenkrads eines Fahrzeugs dient, wobei der Drehmoment- und Winkelsensor einen Metallrotor, ein Antriebszahnrad, mindestens ein Abtriebszahnrad, das mit dem Antriebszahnrad kämmt, und eine Leiterplatte umfasst, wobei das Antriebszahnrad einen Zahnkranz und einen mehrpoligen Magnetring aufweist, wobei der Zahnkranz koaxial an einer Außenfläche des mehrpoligen Magnetrings befestigt ist, und wobei der mehrpolige Magnetring mehrere bogenförmige Magnetsegmente umfasst, die mit alternativen Polaritäten gleichmäßig angeordnet sind.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mehrpolige Magnetring des Antriebszahnrads an dem Zahnkranz durch wenigstens eine Methode von Schweißen, Einsatz-Spritzguss und Einpressenverbindung befestigt ist.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mehrpolige Magnetring eine äußere Umfangsfläche und zwei gegenüberliegende, durch die äußere Umfangsfläche verbundene Stirnflächen umfasst, wobei der Zahnkranz koaxial an mindestens einer der Stirnflächen und der äußeren Umfangsfläche des mehrpoligen Magnetrings befestigt ist.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Metallrotor einen zylindrischen Körper und mehrere konvexe Zähne, die so angeordnet sind, dass sie sich in einer radialen Richtung von einem Außenumfang des Körpers gleichmäßig erstrecken, umfasst, wobei ein Hohlraum zwischen den konvexen Zähnen vorgesehen ist, wobei die konvexen Zähne im Wesentlichen die gleiche Form aufweisen.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die konvexen Zähne und der mehrpolige Magnetring auf verschiedenen Seiten oder auf derselben Seite der Leiterplatte befinden.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Metallrotor und das Antriebszahnrad mit dem mehrpoligen Magnetring jeweils so konfiguriert sind, dass sie an einander gegenüberliegenden Enden der Eingangswelle und der Ausgangswelle der Lenksäule des Lenkrads vorgesehen sind und sich jeweils koaxial zur Eingangswelle bzw. zur Ausgangswelle drehen, so dass ein Drehmoment zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle in ein Drehmoment zwischen dem Metallrotor und dem mehrpoligen Magnetring umwandelbar ist.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leiterplatte auf die Eingangswelle oder die Ausgangswelle aufgesetzt ist, wobei auf einer dem Metallrotor zugewandten Oberfläche der Leiterplatte eine Komponente zur Aufnahme und Erfassung von Signalen des Metallrotors vorgesehen ist.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leiterplatte den Drehwinkel des Metallrotors durch eine von der elektromagnetischen Induktion, Widerstandsdehnungserfassung, induktiven Erfassung, kapazitiven Erfassung, piezoelektrischen Erfassung, photoelektrischen Erfassung oder Hall-Erfassung erfasst.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Magnet fest am Abtriebszahnrad angeordnet ist, und die Achse des Antriebszahnrads parallel zu der Achse des Abtriebszahnrads angeordnet ist.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leiterplatte einen Chip von einem Hall-Chip, einem anisotropen Magnetwiderstandschip (AMR), einem Riesenmagnetwiderstandschip (GMR) und einem Tunnelmagnetwiderstandschip (TMR) zur Aufnahme und Erfassen des Drehwinkels des mehrpoligen Magnetrings, des Antriebszahnrads und des Abtriebszahnrads aufweist.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehmoment- und Winkelsensor weiterhin ein oberes und ein unteres Gehäuse umfasst, um das Antriebszahnrad sowie den mehrpoligen Magnetring, das Abtriebszahnrad und die Leiterplatte aufzunehmen und zu begrenzen.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik werden bei dem Sensor des vorliegenden Gebrauchsmusters ein Lenkdrehmoment und ein Lenkwinkel eines Lenkrades eines Fahrzeugs mittels eines Metallrotors, eines Antriebszahnrads mit einem multipolaren Magnetring und eines Abtriebszahnrads erfasst, wobei die Drehwinkel des mehrpoligen Magnetrings, des Antriebszahnrads und des Abtriebszahnrads unter Verwendung eines kostengünstigen Hall-Chips auf einer Leiterplatte aufgenommen und erfasst werden, wodurch die Drehmomentsignale und Winkelsignale erfasst werden, weshalb ein weiterer Metallrotor im Stand der Technik entfällt, wobei ein teurerer Chip zur Aufnahme und Erfassung des weiteren Metallrotors auf der Leiterplatte entsprechend weggelassen wird, wodurch die Kosten gesenkt werden und die Produktstruktur vereinfacht wird.
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Figurenliste
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Die obigen und weitere Aspekte des vorliegenden Gebrauchsmusters werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger verstanden. Es zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Lenksäule eines Fahrzeugs und eines Drehmoment- und Winkelsensors, der dazu konfiguriert ist, die Drehung eines Lenkrads zu erfassen.
- 2 eine schematische Schnittansicht der Lenksäule des Fahrzeugs und des in 1 gezeigten Drehmoment- und Winkelsensors.
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Ausführliche Ausführungsformen
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Das Folgende beschreibt das vorliegende Gebrauchsmuster im Detail durch beispielhafte Ausführungsbeispiele.
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Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele des vorliegenden Gebrauchsmusters anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, um das grundsätzliche Konzept und die Vorteile des vorliegenden Gebrauchsmusters besser zu verstehen.
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Mit Bezug auf die 1 und 2 weist eine Lenksäule für ein Fahrzeug eine Eingangswelle 21 von einem Lenkrad (nicht gezeigt), eine Ausgangswelle 22 zu einem Lenkwellen-Verbinder (nicht gezeigt) und einen Torsionsstab 23 auf, der zwischen der Eingangswelle 21 und der Ausgangswelle 22 verbunden ist. Wenn das Lenkrad belastet ist, verformt sich der Torsionsstab 23, so dass das Lenkmoment der Lenksäule des Lenkrads durch Ausnutzung bekannter mechanischer Eigenschaften des Materials des Torsionsstabs 23 auf Grundlage des relativen Drehwinkels der Eingangswelle 21 zur Ausgangswelle 22 bestimmt werden kann, und der relative Drehwinkel die Torsionsverformung des Torsionsstabes charakterisieren kann.
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Der Drehmoment- und Winkelsensor gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Gebrauchsmusters wird verwendet, um ein Lenkdrehmoment und einen Lenkwinkel einer Lenksäule eines Lenkrads eines Fahrzeugs zu erfassen, wobei der Drehmoment- und Winkelsensor einen Metallrotor 4, ein Antriebszahnrad 6, mindestens ein Abtriebszahnrad 8, das mit dem Antriebszahnrad 6 kämmt, und eine Leiterplatte 3 umfasst, wobei das Antriebszahnrad 6 einen Zahnkranz 61 und einen mehrpoligen Magnetring 60 aufweist, wobei der Zahnkranz 61 koaxial an einer Außenfläche des mehrpoligen Magnetrings 60 befestigt ist, wobei der mehrpolige Magnetring 60 durch mehrere bogenförmige Magnetsegmente mit alternativen Polaritäten gleichmäßig angeordnet ist.
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Der Metallrotor 4 umfasst einen zylindrischen Körper 41 und mehrere konvexe Zähne 40, die so angeordnet sind, dass sie sich in einer radialen Richtung von einem Außenumfang des Körpers 41 gleichmäßig erstrecken, wobei ein Hohlraum zwischen den konvexen Zähnen 40 vorgesehen ist, wobei jede der konvexen Zähne 40 im Wesentlichen die gleiche Form hat.
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Das Antriebszahnrad 6 ist auf der Ausgangswelle 22 aufgesetzt und befestigt und kämmt mit dem Abtriebszahnrad 8, wobei ein Magnet 80 fest am Abtriebszahnrad 8 angeordnet ist, und wobei die Achse des Antriebszahnrads 6 parallel zu der Achse des Abtriebszahnrads 8 angeordnet ist. Der mehrpolige Magnetring 60 des Antriebszahnrads 6 ist an dem Zahnkranz 61 durch wenigstens eine Methode von Schweißen, Einsatz-Spritzguss und Einpressenverbindung befestigt. Der mehrpolige Magnetring 60 umfasst eine äußere Umfangsfläche und zwei gegenüberliegende, durch die äußere Umfangsfläche verbundene Stirnflächen, wobei der Zahnkranz 61 koaxial an mindestens einer der Stirnflächen und der äußeren Umfangsfläche des mehrpoligen Magnetrings 60 befestigt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Zahnkranz 61 koaxial an einer äußeren Umfangsfläche des mehrpoligen Magnetrings 60 befestigt.
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Der Metallrotor 4 und das Antriebszahnrad 6 mit dem mehrpoligen Magnetring 60 sind jeweils so konfiguriert, dass sie an einander gegenüberliegenden Enden der Eingangswelle 21 und der Ausgangswelle 22 vorgesehen sind, wobei spezifisch der Körper 41 des Metallrotors 4 auf der Eingangswelle 21 aufgesetzt ist, um sich koaxial mit der Eingangswelle 21 zu drehen, wobei das Antriebszahnrad 6 und sein mehrpoliger Magnetring 60 auf die Ausgangswelle 22 aufgesetzt ist und sich koaxial mit der Ausgangswelle 22 dreht, so dass ein Drehmoment zwischen der Eingangswelle 21 und der Ausgangswelle 22 in ein Drehmoment zwischen dem Metallrotor 4 und dem mehrpoligen Magnetring 60 umwandelbar ist, und wobei die Drehmomentmessung der Lenksäule des Lenkrads durch Messen des Drehmoments zwischen dem Metallrotor 4 und dem mehrpoligen Magnetring 60 durchgeführt wird. Die konvexen Zähne 40 und der mehrpolige Magnetring 60 befinden sich auf verschiedenen Seiten oder auf derselben Seite der Leiterplatte 3 befinden, wobei in der vorliegenden Ausführungsform sich die konvexen Zähne 40 und der mehrpolige Magnetring 60 auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte 3 befinden.
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In dieser Ausführungsform ist die Leiterplatte 3 auf der Eingangswelle 21 oder der Ausgangswelle 22 aufgesetzt, wobei auf einer dem Metallrotor 4 zugewandten Oberfläche der Leiterplatte 3 eine Komponente (nicht dargestellt) zur Aufnahme und Erfassung von Signalen des Metallrotors 4 vorgesehen ist, wobei die konvexen Zähne 40 des Metallrotors 4 das magnetische Feld schneiden, das auf der Leiterplatte 3 erzeugt wird, wenn sich der Metallrotor 4 dreht, und wobei die Leiterplatte 3 den Drehwinkel der konvexen Zähne 40 des Metallrotors 4 durch das Prinzip der elektromagnetischen Induktion induziert, welcher mit dem Torsionsstab-Koeffizienten multipliziert wird, um ein Drehwinkelsignal von der Eingangswelle 21 zu erhalten. Die Leiterplatte 3 umfasst ferner einen Hall-Chip, um den Drehwinkel des mehrpoligen Magnetrings 60 zu erfassen. Die Leiterplatte 3 erfasst den Drehwinkel des mehrpoligen Magnetrings 60, wenn das Antriebszahnrad 6 gedreht wird, welcher mit dem Torsionsstab-Koeffizienten multipliziert wird, um ein Drehwinkelsignal von der Ausgangswelle 22 zu erhalten. Aus dem Drehwinkelsignal der Eingangswelle 21 und dem Drehwinkelsignal der Ausgangswelle 2 kann das Lenkmoment der Lenksäule des Lenkrads des Fahrzeugs berechnet werden. Es versteht sich, dass die Leiterplatte 3 auch andere herkömmliche Modi wie beispielsweise eine von der resistiven Dehnungserfassung, der induktiven Erfassung, der kapazitiven Erfassung, der piezoelektrischen Erfassung, der photoelektrischen Erfassung oder der Hall-Erfassung verwenden kann, um das Winkelsignal des Metallrotors 4 zu erfassen.
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Der Hall-Chip (nicht gezeigt) der Leiterplatte 3 wird auch verwendet, um die Drehwinkel des Antriebszahnrads 6 und des Abtriebszahnrads 8 aufzunehmen und zu erfassen. Wenn die Eingangs-/Ausgangswelle einen Drehwinkel hat, welcher größer als 360° ist, und das Antriebszahnrad 6 das Abtriebszahnrad 8 antreibt, dann erfasst und berechnet der Hall-Chip die Position des Magnets 80 am Abtriebszahnrad 8 und gibt ein Rundenverfolgungssignal an eine Steuereinheit (nicht gezeigt) aus, wobei dieses Signal mit einem durch den Metallrotor 4 erfassten anfänglichen Winkelsignal innerhalb der ECU durch einen Nonius-Algorithmus gekoppelt wird, um das schließlich erforderliche exakte Winkelsignal zu berechnen. Beispielsweise beträgt der Zirkulationswinkel des mehrpoligen Magnetrings 60 einen Wert von 360/N, wobei N die Anzahl der konvexen Zähne des Metallrotors 4 ist, wobei der Zirkulationswinkel des Abtriebszahnrads 8 ein Wert von (360/Z1) *Z2 ist, wobei Z1 die Zähnezahl des Antriebszahnrads 6 ist, wobei Z2 die Zähnezahl des Abtriebszahnrads 8 ist, wobei das kleinste gemeinsame Vielfache von (360/N, (360/Z1)*Z2) mit einem Nonius-Algorithmus den absoluten Winkel des Antriebszahnrads für den Drehwinkel ergibt, wobei das kleinste gemeinsame Vielfache von (360/N, (360/Z1)*Z2) beispielsweise 1560 beträgt, d.h. der gemessene Winkelbereich 1560 Grad beträgt, wenn Z1 = 45, Z2 = 13, N = 12. Die Anzahl von konvexen Zähnen N des Metallrotors 4, die Anzahl von Zähnen Z1 des Antriebszahnrads und die Anzahl von Zähnen Z2 des Abtriebszahnrads 8 werden gemäß praktischen Anforderungen so ausgewählt, dass der geforderte Winkelmessbereich erfüllt wird. Bei anderen Ausführungsformen weist die Leiterplatte 3 einen Chip von einem anisotropen Magnetwiderstandschip (AMR), einem Riesenmagnetwiderstandschip (GMR) und einem Tunnelmagnetwiderstandschip (TMR) zur Aufnahme und Erfassen des Drehwinkels des mehrpoligen Magnetrings 60, des Antriebszahnrads 6 und des Abtriebszahnrads 8 auf.
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Entsprechend den tatsächlichen Anforderungen an die Befestigung umfasst der Sensor des vorliegenden Gebrauchsmusters auch ein oberes und ein unteres Gehäuse 1, 2, um das Antriebszahnrad 6, das Abtriebszahnrad 8 und die Leiterplatte 3 aufzunehmen und zu begrenzen.
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Bei dem Sensor des vorliegenden Gebrauchsmusters werden ein Lenkdrehmoment und ein Lenkwinkel eines Lenkrades eines Fahrzeugs mittels eines Metallrotors, eines Antriebszahnrads mit einem multipolaren Magnetring und eines Abtriebszahnrads erfasst, wobei die Drehwinkel des mehrpoligen Magnetrings, des Antriebszahnrads und des Abtriebszahnrads unter Verwendung eines kostengünstigen Hall-Chips auf einer Leiterplatte aufgenommen und erfasst werden, wodurch die Drehmomentsignale und Winkelsignale erfasst werden, weshalb ein weiterer Metallrotor im Stand der Technik entfällt, wobei ein teurerer Chip zur Aufnahme und Erfassung des weiteren Metallrotors auf der Leiterplatte entsprechend weggelassen wird, wodurch die Kosten gesenkt werden und die Produktstruktur vereinfacht wird.
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Obwohl das vorliegende Gebrauchsmuster hierin unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurde, ist das vorliegende Gebrauchsmuster nicht auf die gezeigten Details beschränkt. Vielmehr sind verschiedene Modifikationen an diesen Details im Rahmen des vorliegenden Gebrauchsmusters möglich.
