DE19816568A1

DE19816568A1 - Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmoments und/oder eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE19816568A1
Application number: DE19816568A
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 1999-11-04
Also published as: WO1999053284A1

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmoments und/oder eines Drehwinkels an einer Welle (1), insbesondere zur Torsionsmessung, vorgeschlagen, die Torsionselemente mit ferromagnetischen Flußleitstücken (3, 5) aufweist, welche einem Magneten (4) benachbart angebracht sind. Die Flußleitstücke (3, 5) haben zu einem Luftspalt (6) hin eine auf dem Umkreis sägezahnähnliche oder sonstige periodische Kontur. Mit mindestens einem ortsfesten magnetfeldempfindlichen Sensor (8, 9) ist der durch eine Drehung und/oder Torsion der Welle (1) modulierte magnetische Fluß (10, 11) detektierbar.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmoments und/oder eines Drehwinkels zwischen zwei im wesentlichen gleich rotierenden Teilen bei der Torsionsmessung an Wellen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist bereits aus der US-PS 5,501,110 eine Sensoranord nung bekannt, bei der das auf eine Achse übertragene Drehmoment erfasst werden soll. Das Drehmoment wird aus der Torsion bzw. dem Drehwinkelversatz der Achsenden und einer Elastizitäts-Konstante, die vom Material und der Geometrie der Achse abhängt, bestimmt. Es sind hierbei zwei Magnete und jeweils ein den Magneten gegenüberlie gender Hall-Sensor auf zwei sich jeweils mit der Achse drehenden Scheiben angebracht, die an die Achsenden me chanisch fest angekoppelt sind.

Beispielsweise zur Erfassung des auf eine Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges wirkenden Drehmomentes während der Drehung des Lenkrades müssen sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrichtungen des Lenkrades gemessen werden. Bei der Auswertung der Feldänderungen des von den Magne ten ausgehenden Feldes ist daher eine äußerst empfindli che und auch temperaturstabile Messanordnung erforder lich.

Das Drehmoment in der rotierenden Lenkradspindel ist eine Schlüsselgröße für viele Regelungs- und Steuerungsaufga ben im Kraftfahrzeug. Beispielsweise in Fahrzeugsystemen wie bei der elektromotorischen Servolenkung, der sog. Ad aptive Cruise Control und der Fahrdynamikregelung ist die Erfassung der beiden Größen des absoluten Lenkraddrehwin kels und des Drehmoments an der Lenkspindel oft notwen dig.

Das Drehmoment kann im Prinzip auf verschiedene, für sich gesehen bekannte, Arten erfasst werden. Die mechanische Spannung im tordierten Material ist zunächst die direkte Messgröße für das Drehmoment, die Dehnung oder die Stau chung. Diese mechanische Spannung kann zum Beispiel mit Dehnmessstreifen, die in gewünschter Richtung aufgebracht sind, gemessen werden. Es besteht allerdings bei rotie renden Wellen das Problem der Signalübertragung, das zwar je nach Anwendung mit einem Drehübertrager oder mit Schleifringen gelöst werden kann, sehr jedoch kostenin tensiv und störanfällig ist.

Mechanische Spannungen lassen sich, auch in an sich be kannter Weise, mit magnetoelastischen Materialien berüh rungslos erfassen. Eine dauerhafte Verbindungstechnik zwischen magnetoelastischen Folien und der Torsionswelle ist jedoch außerordentlich schwierig herzustellen. Es gibt weiterhin verschiedene Methoden einen Messwinkel durch den Drehwinkelversatz zwischen verschiedenen Enden der Welle zu erfassen. Dieser Messwinkel kann beispiels weise durch Verfahren auf optischer oder Wirbelstrombasis erfasst werden. Die optischen Verfahren haben meistens den Nachteil, daß sie inkremental den Winkel erfassen und aus der Differenz der Triggerzeitpunkte, also nur dyna misch, den Winkel und somit das Drehmoment ermitteln.

Vorteile der Erfindung

Bei einer Weiterbildung einer Sensoranordnung zur Erfas sung eines Drehwinkels und/oder Drehwinkelversatzes an einer Welle zur Torsionsmessung, nach der gattungsgemäßen Art kann gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise ein berührungsloses, statisches Messprinzip für zwei wichtige Messgrößen, wie den inkrementalen Drehwinkel als auch das statische und dynamische Drehmoment an einer rotierenden Welle, geschaffen werden.

Gelöst wird dies erfindungsgemäß damit, dass ein Torsion selement aus einem ringförmigen ferromagnetischen Fluss leitstück besteht, das auf der Welle einem ebenfalls ringförmig auf dem Umfang der Welle befindlichen Perma nentmagneten benachbart angebracht ist. Das andere Torsi onselement ist am anderen Ende einer Torsionswelle befe stigt und weist ein ferromagnetisches Flussleitstück auf, welches das eine Flussleitstück auf der Welle ringförmig mit einem Luftspalt umschließt. Die Torsionswelle kann auf einfache Weise in einem vorgegebenen Bereich zur Ver größerung des Messeffekts eine Durchmesserverjüngung auf weisen, wodurch eine mechanisch bestimmbare Feder gebil det wird.

Die beiden Flussleitstücke haben zum Luftspalt hin ein auf dem Umkreis sägezahnähnliches Profil, oder eine son stige periodisch verlaufende Kontur, die im wesentlichen miteinander korrespondieren. Der resultierende Luftspalt, bzw. der magnetische Fluss weist in Abhängigkeit vom Drehwinkel hier ebenfalls eine periodisch auf dem Umfang schwankende Größe auf.

Mit mindestens einem ortsfesten, beispielsweise am Chas sis eines Fahrzeugs angebrachten magnetfeldempfindlichen Sensor, insbesondere mit einem Hall-Element, ist auf ein fache Weise dieser magnetische Fluss detektierbar, der vom radial polarisierten Magneten über die Flussleitstüc ke und den jeweils anliegenden Luftspalt fließt. Bei ei ner Torsion der Welle verschieben sich beispielsweise die Zahnräder gegeneinander und bewirken eine weitere Fluss modulation.

Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann ein Vor richtung mit geringer Baugröße hergestellt werden, die allen notwendigen Anforderungen an die Art der Messgrößen und an die Güte der Messgrößen erfüllt. Insbesondere kann auch eine vorzeichenrichtige Drehmomentmessung durchge führt werden. Das Drehmoment ist dabei universell durch den Querschnittdurchmesser der Anordnung an verschiedene Messbereiche anpassbar.

Das drehmomentproportionale Magnetfeld wird erfindungsge mäß berührungslos im Luftspalt abgegriffen, wodurch auch eine gute Nullpunktstabilität gewährleistet ist. Das Drehmoment auf der Welle erzeugt hier eine starke Fluss modulation, die leicht auswertbar ist. Der magnetfeldemp findliche Sensor ist aufgrund der geringen Baugröße mit einer Auswerteelektronik voll integrierbar, wodurch eine einfache Zuleitung und kompakte Bauweise möglich wird.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zwei magnetfeldempfindliche Sensoren diagonal gegenüberliegend angeordnet. Die sägezahnähnliche, oder sonstige periodi sche Kontur des jeweiligen Flussleitstücks ist so ausge bildet, dass sich an den beiden magnetfeldempfindlichen Sensoren bei einer Drehung der Welle die Kontur des Luftspalts gegenphasig verändert. Durch die radial gegen überliegenden Sensoren ist somit eine redundante Messung möglich.

Bei der Rotation der Welle um den Winkel α wird somit der magnetische Fluss ebenfalls geringfügig durch die Zahn radflussführung moduliert. Beide Sensoren können aller dings so angebracht werden, dass die α-Modulation, wie zuvor erwähnt, gegenphasig erfolgt. Mit dieser Messme thode kann einerseits diese Modulation in der Summe für die Drehmomentbestimmung eliminiert werden, andererseits für die inkrementale Drehwinkelbestimmung sogar redundant benutzt werden.

In vorteilhafter Weise kann die Messung dadurch verbes sert werden, dass die sägezahnförmige, oder sonstige pe riodische Kontur so ausgebildet ist, dass an einer oder an zwei sich gegenüberliegenden Stellen eine Störung der periodischen Struktur angebracht ist, womit eine Index marke für die Positionsbestimmung an der Kontur, bzw. für die Stellung der Welle gesetzt.

Ein vorteilhafter Aufbau ergibt sich insbesondere, wenn das andere Torsionselement im Bereich zwischen dem zwei ten Flussleitstück und der Befestigung am anderen Ende der Torsionswelle aus einem nicht ferromagnetischen Mate rial besteht.

Bei einer vorteilhaften Anwendung ist die Sensoranordnung als Reluktanz-, Drehmoment- und Drehzahlsensor an einer Lenkspindel in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Durch die Erfassung der beiden wichtigen Größen, wie den Lenkrad winkel und das Drehmoments, das auf die Lenkspinde wirkt, kann in vielen Fahrzeugsystemen bzw. Fahrzeugsicherheits systemen wie bei der elektromotorischen Servolenkung, der sog. Adaptive Cruise Control und der Fahrdynamikregelung eine hervorragende Messwerterfassung und -verarbeitung durchgeführt werden.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipschnittansicht eines Ausschnitts einer rotierenden Welle mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung an einer Torsionswelle;

Fig. 2 einen Schnitt I-I durch die Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm mit den Verläufen der Ausgangs spannungen zweier Hall-Elemente der Sensoranordnung bei zwei Drehmomenten und

Fig. 4 ein Diagramm mit dem resultierenden Messer gebnis für die Drehmomentenmessung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist eine Lenkspindel eines Kraftfahrzeugs als rotierende Welle 1 gezeigt, bei der ein verjüngter Be reich als Torsionswelle 2 ausgebildet ist. Auf der Welle 1 sind die Bestandteile der erfindungsgemäßen Sensoran ordnung angebracht, insbesondere ist hier ein erstes Flussleitstück 3 aus ferromagnetischem Material und ein ringförmiger, radial polarisierter Permanentmagnet 4 an geordnet. Ein anderes Flussleitstück 5 aus ferromagneti schem Material ist ringförmig um das erste Flussleitstück 3 mit einem Luftspalt 6 angebracht. Das andere Flussleit stück 5 ist mechanisch am anderen Ende der Torsionswelle 2 über ein nicht ferromagnetisches Zwischenstück 7 befe stigt.

Zwischen dem Permanentmagneten 4 und insbesondere dem an deren Flussleitstück 5 befinden sich jeweils radial ge genüberliegend ein Hall-Sensor 8 und ein Hall-Sensor 9 als magnetfeldempfindliche Sensoren. Magnetische Flussli nien 10 und 11 des Permanentmagneten 4 durchfließen hier bei das erste Flussleitstück 3, den Luftspalt 6, das an dere Flussleitstück 5 und den jeweiligen Hall-Sensor 8 und 9.

Aus Fig. 2 ist die Anordnung nach der Fig. 1 im Schnitt I-I gezeigt, bei der die übereinstimmenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind. Hier sind die beispielsweise sägezahnförmigen Umfangskonturen der Flussleitstücke 3 und 5 an ihrem gemeinsam gebildeten Luftspalt 6 deutlich zu erkennen. Bei einer Rotation der Welle 1 um den Winkel α wird der magnetische Fluss in den Hall-Sensoren 8 und 9 durch die sich im wesentlichen pe riodisch ändernde Zahnradflussführung moduliert, wobei die Hall-Sensoren 8 und 9 allerdings so angeordnet sind, dass die α-Modulation gegenphasig erfolgt. Die inkremen tale Bestimmung des Winkels α kann dabei mit jedem Hall- Sensor 8 oder 9 einzeln und somit redundant erfolgen.

Dadurch, dass das andere Flussleitstück 5 über ein Zwi schenstück 7 am gegenüberliegenden Ende der Torsionswelle 2 befestigt ist, verschieben sich unter einer Torsion der Welle 1 die Zahnräder der Flussleitstücke 3 und 5 gegen einander um den Winkel Φ und bewirken eine relativ starke Flussmodulation in den radial gegenüberliegenden Hall- Sensoren 8 und 9, die durch die Torsion jeweils das glei che Änderungssignal erhalten und somit auch diesbezüglich redundant ausgeführt sind.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist in der unteren Darstellung mit einer strichpunktierten Linie 12 die Ausgangsspannung U₁ des Hall-Sensors 8 und mit einer durchgezogenen Linie 13 die Ausgangsspannung U₂ des Hall-Sensors 9 in Abhän gigkeit vom Drehwinkel α bei einem Drehmoment M₁ gezeigt. In der oberen Darstellung ist mit einer strichpunktierten Linie 14 die Ausgangsspannung U₁ des Hall-Sensors 8 und mit einer durchgezogenen Linie 15 die Ausgangsspannung U₂ des Hall-Sensors 9 in Abhängigkeit vom Drehwinkel α bei einem Drehmoment M₂ gezeigt. Da beide Ausgangsspannungen U₁ und U₂ gegenphasig verlaufen, ergibt in beiden Fällen die Summe U₁ + U₂ im wesentlichen eine, hier punktiert gezeichnete, Gerade.

Aus Fig. 4 ist nunmehr der Verlauf des Wertes der Summe U₁ + U₂ in Abhängigkeit von dem auf die Welle 1 wirkenden Drehmoment M mit den Werten für M₁ und M₂ zu entnehmen. Die Summe U₁ + U₂ steigt hier linear von einem Wert für M_min bis M_max an.

Claims

1. Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehmomentes und/oder eines Drehwinkels an einer Welle (1), insbeson dere zur Torsionsmessung, mit

- mindestens einem auf der Welle (1) fest angeordneten Magneten (4) und mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensor (8, 9) und mit
- im Magnetfeld des Magneten (4) angeordneten Torsionse lementen (3, 5, 7), die jeweils an verschiedene Enden eines Torsionsbereichs (2) auf der Welle (1) befestigt sind, wobei ein Versatz des Drehwinkels (α) zwischen den beiden Torsionselementen (3, 5, 7) zu einem elektrischen Ausgangs signal (U₁, U₂) des mindestens einen magnetfeldempfindli chen Sensors (8, 9) führt, dadurch gekennzeichnet, dass
- das eine Torsionselement aus einem ringförmigen ferro magnetischen Flussleitstück (3) besteht, das auf der Wel le (1) dem ebenfalls ringförmig auf dem Umfang der Welle (1) befindlichen Magneten (4) benachbart angebracht ist, dass
- das andere Torsionselement ein ferromagnetischen Fluss leitstück (5) aufweist, welches das eine Flussleitstück (3) auf der Welle (1) ringförmig mit einem Luftspalt (6) umschließt, dass
- die beiden Flussleitstücke (3, 5) zum Luftspalt (6) hin eine auf dem Umkreis sägezahnähnliche, oder sonstige pe riodische Kontur aufweisen, die im wesentlichen miteinan der korrespondiert und dass
- mit mindestens einem ortsfesten magnetfeldempfindlichen Sensor (8, 9) der magnetische Fluss (10, 11) detektierbar ist, der vom radial polarisierten Magneten (4) über die Flussleitstücke (3, 5) und den jeweils anliegenden Luftspalt (6) fließt.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass

- zwei magnetfeldempfindliche Sensoren (8,9) radial ge genüberliegend angeordnet sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, dass

- die sägezahnähnliche, oder sonstige periodische Kontur des jeweiligen Flussleitstücks (3, 5) so ausgebildet ist, dass sich an den beiden magnetfeldempfindlichen Sensoren (8, 9) bei einer Drehung der Welle (1) die Kontur des Luftspalts (6) gegenphasig verändert.

4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

- das mindestens eine Sensorelement ein Hall-Sensor (8, 9) ist.

5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

- die sägezahnähnliche, oder sonstige periodische Kontur so ausgebildet ist, dass an einer oder an zwei sich ge genüberliegenden Stellen eine Störung der periodischen Struktur angebracht ist, womit eine Indexmarke für die Positionsbestimmung der Welle (1) an der Kontur gesetzt ist.

6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Torsionswelle (2) in einem vorgegebenen Bereich ei ne Durchmesserverjüngung aufweist.

7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

- das andere Torsionselement im Bereich zwischen dem zweiten Flussleitstück (5) und der Befestigung am anderen Ende der Torsionswelle (2) ein Zwischenstück (7) aus ei nem nicht ferromagnetischen Material aufweist.

8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Sensoranordnung als Reluktanz-, Drehmoment- und Drehzahlsensor an einer Lenkspindel in einem Kraftfahr zeug eingesetzt ist.