DE10316124A1

DE10316124A1 - Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments

Info

Publication number: DE10316124A1
Application number: DE10316124A
Authority: DE
Inventors: Ekkehart Fröhlich; Frank Dr. Jerems; Matthias Proft; Dirk Rachui; Roman Schoepe
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-10-28
Also published as: JP2004309463A; US20040194560A1; EP1464935A1; ATE489609T1; DE50313276D1; JP3970852B2; EP1464935B1; US6912923B2

Abstract

Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments, wobei die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist und die beiden Wellenabschnitte gegeneinander verdrehbar sind, mit einem den ersten Wellenabschnitt umgebenden und mit diesem verbundenen Multipol-Magnetring und einem am zweiten Wellenabschnitt befestigten Statorhalter, wobei am Statorhalter zwei Statorelemente befestigt sind und jedes Statorelement in axialer oder radialer Richtung abragende Finger aufweist, die gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen, wobei die Finger eines jeden Statorelements über einen Magnetflussring miteinander verbunden sind, die Magnetflussringe einen Abstand zueinander aufweisen und zwischen den Magnetflussringen ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei dem Magnetfeldsensor wenigstens ein Magnetflusskonzentrator zugeordnet ist, wobei der Magnetflusskonzentrator die Magnetflussringe umgreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle ausgeübten Drehmoments, wobei die Welle einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt aufweist und die beiden Wellenabschnitte gegeneinander verdrehbar sind, mit einem den ersten Wellenabschnitt umgebenden und mit diesem verbundenen Multipol-Magnetring und einem am zweiten Wellenabschnitt befestigten Statorhalter, wobei am Statorhalter zwei Statorelemente befestigt sind und jedes Statorelement in axialer oder radialer Richtung abragende Finger aufweist, die gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen, wobei die Finger eines jeden Statorelements über einen Magnetflussring miteinander verbunden sind, die Magnetflussringe einen Abstand zueinander aufweisen und zwischen den Magnetflussringen ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei dem Magnetfeldsensor wenigstens ein Magnetflusskonzentrator zugeordnet ist.

Aus der US 4,984,474 ist ein Drehmomentsensor bekannt, der im wesentlichen von einem oder mehreren Magnetringen und zwei Statorelementen gebildet wird, die jedoch eine geringe Polzahl aufweisen. Die geringe Polzahl besitzt den Nachteil, dass dem vom Sensor gemessenen Signal beim Drehen der Lenkwelle eine Welligkeit aufmoduliert wird, welche nur durch geeignete elektronische Addition zweier um eine halbe Polbreite versetzter Signale beziehungsweise durch komplett ringförmig ausgebildete Flusssammelringe kompensiert werden kann. Weiterhin ist ein derart aufgebauter Drehmomentsensor relativ empfindlich und störanfällig, da der Magnetflusskonzentrator radial außerhalb der Statoren angebracht ist. Ferner weist ein derartiger Aufbau eine große Empfindlichkeit gegen Rundlauftoleranzen auf. Schließlich besitzen die Statoren Abstandshalter, die von separaten Ringen gebildet werden, wodurch der Aufbau relativ komplex wird.

Aus der FR 2,821,668 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher der Sensor aus einem diskret aufgebauten Multipolmagnetring und zwei ineinander geschachtelten weichmagnetischen Statoren besteht. Diese Statoren besitzen auf der radialen Innenseite fingerförmige Strukturen, welche die Magnetpole abtasten, sowie auf der radialen Außenseite einen ringförmigen Spalt, in welchem sich ein ortsfester Magnetfeldsensor befindet.

Die Polteilung muss durch diskreten Aufbau des Magnetrades relativ grob gewählt werden (Polbreite 20°), was einen ebenso großen Linearitätsbereich bewirkt, der aber nicht vollständig ausgenutzt wird, da der Bereich des zu messenden Winkels aufgrund der geforderten Steifigkeiten des Torsionssystem nur etwa ± 3° bis 5° beträgt. Der Magnetfluss kann nicht optimal ausgenutzt werden, da der den magnetischen Rückschluss bildende Luftspalt über den gesamten Umfang gleich ausgebildet ist, so dass sich der Magnetfluss auf eine große Fläche verteilt und deshalb am Ort des Magnetfeldsensors nur relativ gering ist.

Trotz Verwendung hochremanenter Magnete weist diese Vorrichtung eine geringe Empfindlichkeit auf wohingegen die Abhängigkeit des Messsignals von mechanischen Toleranzen, wie die Breite des Luftspaltes, in dem die Flussdichte gemessen wird, sehr groß ist.

Aus der DE 102 22 118 A1 sind Bauformen mit ringförmigen, an der Außenseite der Statoren oder Magnetjoche angeordneten Flussleitern oder Magnetflusssammelringen bekannt. Als nachteilig wird angesehen, dass die Flussleiter aufwendig aufgebaut sind und nicht alle Einflüsse von Radial- und Axialtoleranzen der Statoren ausgleichen können.

Bei der Herstellung und Montage der den Magnetfluss leitenden Bauteile, insbesondere der Statoren, sind mechanische Toleranzen nicht zu vermeiden. Bei allen bisher bekannten Bauformen können sich diese Toleranzen direkt auf die Größe von im magnetischen Kreis liegenden Luftspalten und damit störend auf das Messsignal auswirken und somit zu einer verminderten Genauigkeit bzw. zu Fehlmessungen führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sich die Toleranzen weniger stark auf das Messergebnis auswirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Magnetflusskonzentrator die Magnetflussringe umgreift.

Die ortsfest angebrachten Magnetflusskonzentratoren werden so ausgebildet, dass auf jeweils beiden Seiten der Magnetflussringe flusssammelnde Flächen vorhanden sind. Ein einzelner Magnetflusskonzentrator umgreift also den benachbarten Magnetflussring sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite anstatt nur eine Seite abzutasten. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den wesentlichen Vorteil, dass Toleranzen der Ebenheit oder des Planlaufs des Magnetflussringes ausgemittelt werden. Verringert sich der innenliegende Luftspalt zwischen Magnetflussring und Magnetflusskonzentrator, dann vergrößert sich gleichzeitig der zugehörige äußere Luftspalt. Da der Magnetfluss über beide Luftspalte geleitet wird, kompensieren sich beide Effekte.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umgreift der Magnetflusskonzentrator den Magnetflussring C-förmig. Dabei überlappen die freien Enden des Magnetflusskonzentrators den Magnetflussring auf beiden Seiten über eine radiale Länge von 20% bis 80%, insbesondere 30% bis 50%.

Mit Vorzug ist zwischen den Magnetflusskonzentratoren der Magnetflusssensor angeordnet. Hierdurch wird der Vorteil geschaffen, dass der Magnetfeldsensor zum einen gegen äußere Einflüsse abgeschirmt ist, zum anderen nahe zu den Magnetflusskonzentratoren liegt.

Eine weitere Optimierung wird dadurch erzielt, dass jedem Magnetflussring zwei oder mehr Magnetflusskonzentratoren zugeordnet sind. Dabei sind die mehreren Magnetflusskonzentratoren gleichmäßig über den Umfang des Magnetflussringes angeordnet. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass, zum Beispiel bei der Verwendung von zwei Magnetflusskonzentratoren, insgesamt zwei Magnetfeldsensoren eingesetzt werden können, wodurch ein redundantes Signal geliefert werden kann. Außerdem kann dadurch eine Signalmittelung erzielt werden.

Es besteht die Möglichkeit, dass der Magnetflusskonzentrator sich über einen Winkelbereich von 10° bis 180°, insbesondere über einen Winkelbereich von 25° bis 90°, über den Umfang des Magnetflussringes, erstreckt.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Magnetflusskonzentrator in einem stationären Halter angeordnet ist. In diesem Halter können zusätzliche Elektronikbauteile, eine Platine hierfür, Steckkontakte und/oder Lötstützpunkte vorgesehen sein. Der Halter ist als separat handhabbare Baueinheit ausgebildet und wird an geeigneter Stelle mit den Statorelementen derart verbunden, dass die Statorelemente relativ beweglich zum Halter sind.

Um das Spiel zu den Magnetflussringen möglichst gering zu halten, stützt sich der Halter über ein Gleitlager am Statorhalter ab. Dieser direkte Kontakt erlaubt es, dass die Freiräume zwischen Magnetflussringen und Magnetflusskonzentratoren sehr klein gehalten werden können.

Eine leichte Montage wird dadurch erreicht, dass der Statorhalter am freien Ende des zweiten Wellenabschnitt auf einen Haltering aufklipsbar oder auf rastbar ist. Zum einen wird nicht nur die Montage erleichtert, sondern Reparatur- und Wartungsarbeiten können ebenfalls leicht durchgeführt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Magnetflusskonzentratoren ein Stanz-Biege-Blechteil. Derartige Stanz-Biege-Blechteil sind einfach und preiswert herstellbar.

Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Magnetflusskonzentratoren ein Sinterteil oder ein MIM-Teil (metal injection molding-Teil).

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im Einzelnen dargestellt sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

In der Zeichnung zeigen:
1 einen Schnitt durch zwei Wellenabschnitte mit einer an deren Enden befestigten Vorrichtung zum Ermitteln eines Drehmoments;
2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 einen Schnitt III-III gemäß 2;
4 eine Ansicht auf den radial innen liegenden Teil der beiden Statorelemente;
5 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2
6 eine Explosionsdarstellung der Vorrichtung gemäß 5; und
7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, von der zwei Wellenabschnitte 12 und 14 erkennbar sind. Die beiden Wellenabschnitte 12 und 14 sind über eine Torsionsstabfeder 16 miteinander verbunden, so dass die freien, einander zugewandten Enden 18 und 20 dann relativ zueinander verdreht werden, wenn auf die Lenkwelle 10 ein Drehmoment aufgebracht wird. Am Ende 20 des Wellenabschnitts 14 ist ein Magnetringhalter 22 befestigt, welcher einen insgesamt mit 24 bezeichneten Multipol-Magnetring trägt.
Dieser Magnetring 24 ist von einem insgesamt mit 28 bezeichneten Stator umgeben, der an einem Statorhalter 30 befestigt ist. Dieser Statorhalter 30 ist wiederum am freien Ende 18 des Wellenabschnitts 12 angebracht, wobei er mittels einer Rastvorrichtung mit einem Haltering 32 verrastet ist.
Am Statorhalter 30 sind ein erstes Statorelement 26 und ein zweites Statorelement 33 befestigt und umgreifen die Lenkwelle 10. Die beiden Statorelemente 26 und 33 stehen sich axial gegenüber und besitzen Finger 34 und 36 (2), die radial nach innen abragen. Die Finger 34 und 36 werden jeweils von einem Magnetflussring 38 und 40 getragen, der die Finger 34 und 36 umgibt und den in den Fingern 34 und 36 jeweils induzierten Magnetfluss in Richtung eines Magnetfeldsensors 42 leitet. Dieser Magnetfeldsensor 42 ist zwischen den beiden Magnetflussringen 38 und 40 angeordnet und wird von einem Sensorhalter 44 getragen. Außerdem ist deutlich in den 1 und 2 erkennbar, dass sowohl der Magnetflussring 38 als auch der Magnetflussring 40 jeweils von einem Magnetflusskonzentrator 46 und 48 umgriffen ist. Die beiden Magnetflusskonzentratoren besitzen eine im Wesentlichen C-förmige Ausgestaltung und erstrecken sich mit ihren freien Schenkeln auf beiden Seiten der Magnetflussringe 38 und 40. Die beiden Magnetflusskonzentratoren 46 und 48 werden ebenfalls vom Sensorhalter 44 getragen und in ihren Positionen bezüglich der beiden Magnetflussringe 38 und 40 gehalten.
Die 1 zeigt ferner, dass im Sensorhalter 44 eine Platine 50 für Elektronikbauteile 52 untergebracht ist und dass Steckkontakte 54 vorgesehen sind, an denen Kabel angeschlossen werden können. Der Sensorhalter 44 stützt sich über ein Gleitlager 56 am Statorhalter 30 ab.
Die 2 zeigt deutlich die Magnetisierung des Magnetringes 24, der zum Beispiel aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial, welches gespritzt oder verpresst ist, besteht. Der Magnetring 24 ist axial mehrpolig magnetisiert, wobei die Pole so angeordnet sind, dass jedem Polpaar ein Finger 34 beziehungsweise 36 eines Statorelements 26 bzw. 33 zugeordnet ist und die Finger 34 und 36 am Übergang vom einen Polpaar zum anderen Polpaar stehen.
Die 3, die einen Schnitt III-III gemäß 2 zeigt, lässt deutlich erkennen, wie die beiden Magnetflussringe 38 und 40 von den beiden Magnetflusskonzentratoren 46 und 48 übergriffen sind. Dadurch werden Änderungen der zwischen den Magnetflusskonzentratoren 46 und 48 und den Magnetflussringen 38 und 40 sich befindenden Luftspalte 58 auf das Messergebnis vermieden. Verringert sich beispielsweise am einen Magnetflussring 38 beziehungsweise 40 der eine Luftspalt 58 durch eine Taumelbewegung des Magnetflussringes 38 oder 40, dann vergrößert sich gleichzeitig die Länge des zugehörigen anderen Luftspalts, wohingegen der insgesamt vom Magnetflusskonzentrator 46 beziehungsweise 48 gesammelte Magnetfluss konstant bleibt. Außerdem ist dies unabhängig davon, wie sich gleichzeitig der zweite Magnetflussring im anderen Magnetflusskonzentrator bewegt.
Die 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei welchem die Finger 34 und 36 in axialer Richtung abgebogen sind, wobei bei dieser Ausführungsform der Magnetring 24 radial mehrpolig magnetisiert ist. Auch hier ist jedem Polpaar ein Finger 34 beziehungsweise 36 zugeordnet und die Finger 34 und 36 befinden sich am Übergang vom einen Polpaar zum anderen Polpaar.
Die 5 und 6 zeigen den modularen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei jedoch jedem Magnetflussring 38 beziehungsweise 40 zwei Magnetflusskonzentratoren 46 und 48 zugeordnet sind, die bezüglich der Längsachse 60 der Lenkwelle 10 einander gegenüberstehen. Auf diese Weise wird eine gewisse Redundanz des Systems geschaffen und eine Signalmittelung ist möglich.
Bei der in der 7 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die Magnetflussringe 38 und 40 radial nach innen und in Richtung auf den Magnetring 24 abgekröpfte Finger 34 und 36 auf. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die axiale Dimension des Magnetringes 24 wesentlich kleiner gehalten werden kann und dennoch genügend Platz zwischen den Magnetflusskonzentratoren 46 und 48 verbleibt, um den Magnetfeldsensor aufzunehmen. Durch das verringerte Magnetvolumen wird auch das Gesamtgewicht der Vorrichtung verringert und es werden die Kosten reduziert. Durch den nach wie vor großen Abstand der Magnetflussringe 38 und 40 ist gewährleistet, dass der magnetische Nebenschluss klein bleibt. Der Magnetring 24 kann nunmehr aus einem gesinterten Material bestehen, wodurch eine Felderhöhung erzielt wird.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen eines auf eine Welle (10) ausgeübten Drehmoments, wobei die Welle (10) einen ersten Wellenabschnitt (14) und einen zweiten Wellenabschnitt (12) aufweist und die beiden Wellenabschnitte (12 und 14) gegeneinander verdrehbar sind, mit einem den ersten Wellenabschnitt (14) umgebenden und mit diesem verbundenen Multipol-Magnetring (24) und einem am zweiten Wellenabschnitt (12) befestigten Statorhalter (30), wobei am Statorhalter (30) zwei Statorelemente (26, 33) befestigt sind und jedes Statorelement (26, 33) in axialer oder radialer Richtung abragende Finger (34, 36) aufweist, die gleichmäßig zumindest über einen Teil des Umfangs verteilt angeordnet sind und zwischen sich Lücken aufweisen, wobei die Finger (34, 36) eines jeden Statorelements (26, 33) über einen Magnetflussring (38, 40) miteinander verbunden sind, die Magnetflussringe (38, 40) einen Abstand zueinander aufweisen und zwischen den Magnetflussringen (38, 40) ein Magnetfeldsensor (42) angeordnet ist, wobei dem Magnetfeldsensor (42) wenigstens ein Magnetflusskonzentrator (46, 48) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (46, 48) die Magnetflussringe (38, 40) umgreift.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (46 oder 48) den Magnetflussring (38 oder 40) C-förmig umgreift.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Magnetflusskonzentratoren (46, 48) der Magnetfeldsensor (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Magnetflussring (38, 40) zwei oder mehr Magnetflusskonzentratoren (46, 48) zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Magnetflusskonzentratoren (46, 48) gleichmäßig über den Umfang des Magnetflussringes (38, 40) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (46, 48) sich über 10° bis 180°, insbesondere 25° bis 90° über den Umfang des Magnetflussringes (38, 40) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflusskonzentrator (46, 48) in einem stationären Halter (44) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Halter (44) zusätzliche Elektronikbauteile (52), eine Platine (50) hierfür, Steckkontakte (54) und/oder Lötstützpunkte vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (44) sich über ein Gleitlager (56) am Statorhalter (30) abstützt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorhalter (30) am freien Ende des zweiten Wellenabschnitts (12) auf einen Haltering (32) aufklipsbar oder aufrastbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflusskonzentratoren (46, 48) ein Stanz-Biege-Blechteil sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetflusskonzentratoren (46, 48) ein Sinterteil oder ein MIM-Teil sind.