DE10210148A1

DE10210148A1 - Drehmomentmeßvorrichtung und Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10210148A1
Application number: DE2002110148
Authority: DE
Inventors: Andreas Rzepka
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-09-18

Abstract

Eine Drehmomentmeßvorrichtung (1) umfaßt eine Antriebswelle (2), eine Schiebehülse (8), die an der Antriebswelle (2) axial geführt ist, in Umfangsrichtung mit dieser dreht und an ihrer Außenseite eine Schrägverzahnung (10) aufweist, um mit einem Abtriebselement zu kämmen, eine Federeinrichtung, welche die Schiebehülse (8) in einer Mittelposition zentriert, und mindestens einen Meßaufnehmer (13, 16) zur Erfassung einer Axialverlagerung der Schiebehülse (8), wobei das Ausmaß der Axialverlagerung als drehmomentindikative Größe betrachtet wird. Die Drehmomentmeßvorrichtung (1) ist gegen axiale Störkräfte unempfindlich. Weiterhin wird eine Kraftfahrzeug-Hilfskraftlenkung mit einer solchen Drehmomentmeßvorrichtung (1) angegeben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentmeßvorrichtung, die sich insbesondere zur Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Hilfskraftlenkung eignet. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem eine manuell aufgebrachte Lenkkraft unterstützenden Hilfsantrieb.

Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorrichtung bekannt, mit denen sich ein an einer Welle anliegendes Drehmoment messen läßt. Gemeinhin üblich ist die unmittelbare Erfassung von mechanischen Verformungen der Welle beispielsweise durch die Applizierung von Dehnungsmeßstreifen und die Auswertung der Signale derselben. Etwas problematisch ist bei drehenden Wellen allerdings die Übertragung der Meßsignale von der Welle zu einer stationären Auswertungseinrichtung. Weitere Vorrichtungen arbeiten nach elektrischen und/oder magnetischen Meßprinzipien. So wird in der DE 42 14 368 A1 und in der DE 198 21 381 A1 jeweils eine Vorrichtung zur berührungsfreien Erfassung von Drehmomenten offenbart, die nach einem magnetoelastischen Prinzip arbeitet. Bei einer Torsion der Welle tritt eine Veränderung der Permeabilität auf. Die damit verbundene Induktivitätsänderung ist charakteristisch für ein anliegendes Drehmoment und läßt sich mit geeigneten Meßaufnehmern feststellen.

Im Zusammenhang mit Lenkungen von Kraftfahrzeugen, insbesondere Zahnstangen- Lenkungen ist weiterhin bekannt, die aufgrund einer Schrägverzahnung entstehenden Reaktionskräfte zur Drehmomenterfassung heranzuziehen. Dazu offenbart die DE 198 54 687 A1 eine Drehmomentmeßvorrichtung mit einer Ritzelwelle, die über zwei Wälzlager gelagert ist. Die an der Ritzelwelle auftretenden Axialkräfte werden an mindestens einem der Lager gemessen. Dabei ist eines dieser Lager als Festlager, das andere hingegen als Loslager ausgebildet, das geringfügige Axialbewegungen der Ritzelwelle erlaubt. Aufgrund der geringen Verschiebungsmöglichkeiten müssen zur Signalgenerierung Kraftaufnehmer eingesetzt werden. Außerdem ist es erforderlich, Maßnahmen gegen die Einwirkung von axialen Störkräften auf die Ritzelwelle zu treffen, da diese ansonsten das Drehmomentsignal verfälschen. Solche Störkräfte können beispielsweise aus Wärmedehnungen oder sonstigen Verspannungen in der Ritzelwelle vorgelagerten Komponenten der Lenkung resultieren. Sie sind daher schwer abschätzbar.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentmeßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die gegen axiale Störkräfte unempfindlich ist.

Dazu wird eine Drehmomentmeßvorrichtung vorgeschlagen, die im folgenden umfaßt: eine Antriebwelle, eine Schiebehülse, die an der Antriebswelle axial geführt ist, in Umfangsrichtung mit dieser dreht und an ihrer Außenseite eine Schrägverzahnung aufweist, um mit einem Abtriebselement zu kämmen, eine Federeinrichtung, welche die Schiebehülse in einer Mittelposition zentriert, und mindestens einen Meßaufnehmer zur Erfassung einer Axialverlagerung der Schiebehülse, wobei das Ausmaß der Axialverlagerung als drehmomentindikative Größe betrachtet wird.

Durch die Verwendung der Schiebehülse wirken sich etwaig an der Antriebwelle angreifende Axialkräfte nicht oder allenfalls minimal auf das von der Drehmomentmeßvorrichtung erzeugte Drehmomentsignal aus. Gegebenenfalls zwischen der Antriebswelle und der Schiebehülse auftretende axiale Reibkräfte sind für die Signalerzeugung unkritisch und lassen sich aufgrund der bekannten Verhältnisse in der Schiebehülse gut beherrschen.

Aufgrund der verwendeten Federeinrichtung können für die Signalerzeugung vorzugsweise weggebundene Meßaufnehmer eingesetzt werden. Denkbar ist jedoch auch, die Federeinrichtung selbst als Drucksensor auszugestalten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind als Federeinrichtung zwei Federelemente vorgesehen, welche die Schiebehülse jeweils in einer Richtung axial gegen ein Gehäuse abstützen. Bevorzugt wird dabei die Federeinrichtung koaxial zu der Antriebswelle angeordnet. Dabei können die Federelemente als Zylinder- und/oder Tellerfedern ausgebildet sein, um eine besonders kompakte Bauweise zu erzielen.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der Antriebswelle und der Schiebehülse eine Nut-Feder-Verbindung, Zahn- oder Keilwellenverbindung oder Polygonwellenverbindung vorgesehen, über die sich einerseits eine gute Drehmomentübertragung von der Antriebswelle auf die Schiebehülse gewährleisten läßt, andererseits die Übertragung von Axialkräften gering gehalten oder vorzugsweise ganz ausgeschaltet wird.

Der Meßaufnehmer kann induktiv, magnetisch, optisch, potentiometrisch oder piezoelektrisch arbeiten. Dabei kommen sowohl berührungsfreie als auch berührende Aufnehmer in Frage. Weiterhin kann als Meßaufnehmer auch ein Kraftsensor, insbesondere Drucksensor vorgesehen sein. Möglich ist überdies die Kombination von Weggrößenaufnehmern mit Kraftsensoren.

Im Zusammenhang mit der obengenannten Aufgabe wird weiterhin eine Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, die einen Hilfsantrieb zur Unterstützung einer manuell aufgebrachten Lenkkraft umfaßt. Dabei ist zusätzlich eine Drehmomentmeßvorrichtung der vorstehend erläuterten Art vorgesehen, um die Lenkkraftunterstützung in Abhängigkeit eines Signals der Drehmomentmeßvorrichtung vorzunehmen.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind neben Lenkungen, die eine mechanische Kopplung zwischen dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern aufweisen, ausdrücklich auch solche Lenkungen zu verstehen, bei denen die manuell an einem Lenkrad aufgebrachte Lenkkraft allein über den Hilfsantrieb an den Rädern des Fahrzeugs zur Wirkung gebracht wird, d. h. eine unmittelbare mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern nicht notwendigerweise vorhanden ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel zeigt in
Fig. 1(a) eine Drehmomentmeßvorrichtung nach der Erfindung in einer Mittelstellung,
Fig. 1(b) die Drehmomentmeßvorrichtung bei einer Linksdrehung, und in
Fig. 1(c) die Drehmomentmeßvorrichtung bei einer Rechtsdrehung.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Drehmomentmeßvorrichtung 1, die hier beispielhaft für eine Kraftfahrzeug-Hilfskraftlenkung konfiguriert ist, jedoch auch zu anderen Einsatzzwecken verwendet werden kann.
Die Drehmomentmeßvorrichtung 1 weist eine Antriebswelle 2 auf, die mit einem Ende über einen Kopplungsabschnitt 3 an ein antreibendes Element angeschlossen werden kann. In einer Kraftfahrzeug-Lenkung greift an dem Kopplungsabschnitt 3 ein von dem Lenkrad des Fahrzeugs kommender Antriebsstrang an.
Die Antriebswelle 2 ist in einem lediglich angedeuteten Gehäuse 4 drehbar gelagert. Sie weist dazu unter anderem einen Ansatz 5 auf, der dem Kopplungsabschnitt 3 in Richtung der Drehachse A der Antriebswelle 2 am anderen Ende gegenüberliegt. An dem Ansatz 5 ist ein Lagerabschnitt 6 ausgebildet, der in einem nicht näher dargestellten Wälzlager aufgenommen ist. Das Wälzlager ist seinerseits in dem Gehäuse 4 festgelegt.
Weiterhin umfaßt die Antriebswelle 2 einen zentralen Abschnitt 7, der axial verschiebbar in einer Schiebehülse 8 geführt ist. Zwischen der Antriebswelle 2 bzw. deren zentralen Abschnitt 7 und der Schiebehülse 8 und sind Mittel vorgesehen, welche in Umfangsrichtung eine spielfreie Mitnahme der Schiebehülse 8 gewährleisten. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist dazu zwischen der Antriebswelle 2 und der Schiebehülse 8 eine Nut-Feder-Verbindung vorgesehen. Die Federn dieser Nut-Feder- Verbindung sind in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Anstelle der dargestellten Nut-Feder-Verbindung können auch andere Welle-Nabe-Verbindungen vorgesehen werden, die eine Drehmomentübertragung bei gleichzeitiger Axialbewegbarkeit gewährleisten. Als Beispiele hierfür seien unter anderem Zahnwellenverbindungen, Keilwellenverbindungen und Polygonwellenverbindungen genannt.
Die Schiebehülse 8 ist in Axialrichtung über eine Federeinrichtung gegen das Gehäuse 4 abgestützt, und zwar derart, daß die Schiebehülse 8 in einer Mittelstellung gehalten ist. Die Mittelstellung ist in Fig. 1a gezeigt. Aus dieser Mittelstellung kann die Schiebehülse 8 bei Einwirkung eines Drehmoments je nach dessen Richtung axial ausweichen, wie sich dies aus den Fig. 1a, 1b und 1c ergibt. Die axiale Verlagerung der Hülse 8 ist dabei jeweils durch einen Pfeil Δx angedeutet. Fig. 1b zeigt den Fall einer Axialverlagerung Δx infolge einer Linksdrehung an der Antriebswelle 2. In Fig. 1c ist hingegen der Fall für eine Rechtsdrehung dargestellt.
Die Axialverlagerung Δx ist dabei stets verursacht durch eine am Außenumfang der Schiebehülse 8 vorgesehene Schrägverzahnung 10, welche mit einem hier nicht dargestellten Abtriebselement kämmt. In einer Kraftfahrzeug-Lenkung ist das Abtriebselement beispielsweise eine Zahnstange, die zu einem Fahrzeugrad führt.
Bei einer solchen Axialverlagerung Δx wird die Federeinrichtung verformt, so daß eine auf die Mittelstellung gerichtete Rückstellkraft entsteht. Die Federeinrichtung umfaßt hier zwei Federelemente in Form von Zylinderfedern 11 und 12, die die Schiebehülse 8 an ihren Stirnenden jeweils in einer Richtung axial gegen das Gehäuse 4 abstützen. Dabei sind die Federelemente bzw. Zylinderfedern 11 und 12 jeweils koaxial zu der Antriebswelle 2 angeordnet, so daß diese deren zentralen Abschnitt 7 umgeben.
In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels können anstelle oder zusätzlich zu den Zylinderfedern 11 und 12 andere bzw. weitere Federelemente vorgesehen werden. Neben Zylinderfedern kommen hier insbesondere Tellerfedern in Frage.
Weiterhin umfaßt die Drehmomentmeßvorrichtung 1 mindestens einen Meßaufnehmer 13 zur Erfassung der Axialverlagerung der Schiebehülse 8. Der Meßaufnehmer 13 besitzt hier einen an dem Gehäuse 4 festgelegten stationären Abschnitt 14, der mit einem an der Schiebehülse 8 vorgesehenen Geberabschnitt 15 zusammenwirkt. Mit dem Meßaufnehmer 13 wird in diesem Fall eine Weggröße, nämlich das Ausmaß der Axialverlagerung Δx erfaßt, die als drehmomentindikative Größe betrachtet wird. Die Axialverlagerung Δx wird hier zwischen der Schiebehülse 8 und dem Gehäuse 4 erfaßt. Dies hat den Vorteil, daß Bewegungsstörgrößen der Antriebswelle 2 ausgeschaltet sind.
Der Meßaufnehmer 13 ist in herkömmlicher Art und Weise ausgebildet, ohne auf die hier dargestellte Ausführungsform beschränkt sein zu müssen. Er kann beispielsweise als induktiver, magnetischer, optischer, potentiometrischer oder elektrischer, insbesondere piezoelektrischer Aufnehmer ausgebildet sein.
Weiterhin ist es möglich, bei einer Axialverlagerung anstelle oder ergänzend zu einer Weggröße die in den Federelementen 11 und 12 auftretenden Kräfte zu messen. Dazu kann beispielsweise ein Drucksensor im Bereich der Federelemente 11 und 12 angeordnet werden, der in den Figuren mit dem Bezugszeichen 16 angedeutet ist. Aufgrund der axialen Entkopplung zwischen der Antriebswelle 2 und der Schiebehülse 8 werden an dem Drucksensor 16 lediglich die auftretenden Federkräfte, jedoch keine axialen Störkräfte der Antriebswelle 2 gemessen. Bei einer entsprechend eigenelastischen Ausgestaltung des Drucksensors 16 übernimmt dieser gleichzeitig die Funktion und Wirkung der Federeinrichtung.
Der Meßaufnehmer 13 generiert ein Signal, das in einer Steuereinrichtung verarbeitet wird. Anhand des Signals, das als drehmomentindikative Größe betrachtet wird, erzeugt die Steuereinrichtung ein Stellsignal für einen Hilfsantrieb der Lenkung. Dieser Hilfsantrieb wirkt unmittelbar oder mittelbar auf die Fahrzeugräder ein, um die an einem Lenkrad oder einer entsprechenden Gebereinrichtung von einem Fahrer manuell aufgebrachte Lenkkraft in eine Lenkbewegung an den Fahrzeugrädern umzusetzen.
Die Lenkung kann dabei in herkömmlicher Art und Weise als Zahnstangen- Hilfskraftlenkung mit einer mechanischen Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern ausgebildet sein, wie sie beispielsweise in der DE 38 21 501 A1 dargestellt ist. Es jedoch auch möglich, die vorstehend erläuterte Drehmomentmeßvorrichtung allein zum Zweck der Signalgenerierung zu verwenden, ohne daß dabei noch eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den Fahrzeugrädern vorhanden wäre. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Drehmomentmeßvorrichtung
2 Antriebswelle
3 Kopplungsabschnitt
4 Gehäuse
5 Ansatz
6 Lagerabschnitt
7 zentraler Abschnitt der Antriebswelle 2
8 Schiebehülse
9 Feder
10 Schrägverzahnung
11 Zylinderfeder
12 Zylinderfeder
13 Meßaufnehmer
14 stationärer Abschnitt des Meßaufnehmers 13
15 Geber des Meßaufnehmers 13
16 Drucksensor
A Drehachse
Δx Axialverlagerung

Claims

1. Drehmomentmeßvorrichtung, insbesondere für eine Kraftfahrzeug-Hilfskraftlenkung, umfassend:
eine Antriebwelle (2),
eine Schiebehülse (8), die an der Antriebswelle (2) axial geführt ist, in Umfangsrichtung mit dieser dreht und an ihrer Außenseite eine Schrägverzahnung (10) aufweist, um mit einem Abtriebselement zu kämmen,
eine Federeinrichtung, welche die Schiebehülse (8) in einer Mittelposition zentriert,
und
mindestens einen Meßaufnehmer (13; 16) zur Erfassung einer Axialverlagerung der Schiebehülse (8),
wobei das Ausmaß der Axialverlagerung als drehmomentindikative Größe betrachtet wird.

2. Drehmomentmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Federeinrichtung zwei Federelemente vorgesehen sind, welche die Schiebehülse (8) jeweils in einer Richtung axial gegen ein Gehäuse (4) abstützen.

3. Drehmomentmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung koaxial zu der Antriebswelle (2) angeordnet ist.

4. Drehmomentmeßvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als Zylinder- und/oder Tellerfedern (11, 12) ausgebildet sind.

5. Drehmomentmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Antriebswelle (2) und der Schiebehülse (8) eine Nut-Feder-Verbindung, Zahn-/Keilwellenverbindung oder Polygonwellenverbindung vorgesehen ist.

6. Drehmomentmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (13) eine Weggrößenaufnehmer ist.

7. Drehmomentmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer (13) induktiv, magnetisch, optisch, potentiometrisch oder elektrisch, insbesondere piezoelektrisch arbeitet.

8. Drehmomentmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßaufnehmer ein Drucksensor (16) vorgesehen ist.

9. Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem die manuell aufgebrachte Lenkkraft unterstützenden Hilfsantrieb, dadurch gekennzeichnet, eine Drehmomentmeßvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 vorgesehen ist und die Lenkkraftunterstützung in Abhängigkeit eines Signals der Drehmomentmeßvorrichtung (1) erfolgt.

10. Hilfskraftlenkung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese die Schiebehülse (8) mit einer Zahnstange kämmt, die ihrerseits mit mechanisch mit einem Fahrzeugrad gekoppelt ist.