DE19854687A1 - Drehmoments- oder Kraftsensor für in Wälzlagern gelagerte Wellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor für in Gehäusen 1 mit wenigstens einem Wälzlager 2, 3 gelagerte Wellen 4, insbesondere für Lenkungen von Kraftfahrzeugen, wobei die Welle 4 mit einem Abtrieb über eine schräg zu der Welle 4 ausgerichtete Verzahnung in Eingriff steht und wobei die Welle 4 eine Lagerinnenschale 10, 30 des wenigstens einen Wälzlagers 2, 3 und das Gehäuse 1 die zugehörige Lageraußenschale 11 des Wälzlagers 2, 3 trägt. Weil dem Wälzlager 2, 3 wenigstens ein in Axialrichtung empfindlicher Druckaufnehmer 13 zugeordnet ist, können induzierte Axialkräfte in Drehmomente umgerechnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor oder einen Kraftsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Es gibt eine Vielzahl von Drehmomentsensoren für Wellen, bei denen im allgemeinen ein erster Wellenabschnitt und ein zweiter Wellenabschnitt über eine Torsionsfeder miteinander verbunden sind. Das Drehmoment wird dann über die relative Verdrehung der beiden Wellenabschnitte gegeneinander oder über die Veränderungen der Torsionsfeder selbst bestimmt. Im ersteren Fall werden beispielsweise den Wellenabschnitten ineinander greifende Schlitzhülsen zugeordnet, die die Induktivität einer die Schlitzhülsen umgebenden Magnetspule verändern, so bald die Schlitzhülsen sich relativ zueinander drehen. Es sind auch optische Winkelgeber bekannt, die den relativen Winkel zwischen den beiden Wellenabschnitten ermitteln. Bei den Systemen, die die Eigenschaften der Torsionsfeder selbst ermitteln, sind an der Oberfläche angebrachte Dehnmeßstreifen bekannt, die ihren elektrischen Widerstand entsprechend dem Torsionswinkel ändern. Außerdem sind Verfahren bekannt, die über Schwingkreise die Veränderung der Oberflächengestalt einer metallischen Torsionsfeder ermitteln.

Die bereits bekannten Drehmomentsensoren sind relativ kompliziert, und zwar sowohl im Einbau als auch bei der Abschirmung gegen äußere Störeinflüsse. Sie sind dementsprechend in der Herstellung und in der Applikation relativ teuer.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehmoment- oder Kraftsensor zu schaffen, der preiswert und insbesondere gegen externe elektromagnetische Felder störunempfindlich ist. Diese Aufgabe wird von einem Drehmoment- oder Kraftsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weil bei einer Welle mit schrägverzahntem Abtrieb dem Wälzlager wenigstens ein in Axialrichtung empfindlicher Druckaufnehmer zugeordnet ist, kann bei Beaufschlagung mit einem Drehmoment die durch die Schrägverzahnung induzierte Axialkraft gemessen und in ein Drehmoment umgerechnet werden. Druckaufnehmer sind in den verschiedenen Ausführungsformen preiswert verfügbar. Sie sind insbesondere auch unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen.

Hier ist insbesondere von Vorteil, wenn der Druckaufnehmer ein piezoelektrisches Element ist. Weiter ist vorteilhaft, wenn das Wälzlager ein Kugellager ist, weil ein Kugellager zum einen ein preiswertes und gängiges Konstruktionselement ist und zum anderen eine Axialkraft sehr spielarm über die Wälzkörper auf die äußere Lagerschale übertragen wird.

Ein guter Wirkungsgrad ergibt sich, wenn der Druckaufnehmer zwischen der Lageraußenschale und dem Gehäuse angeordnet ist. Insbesondere kann der Druckaufnehmer in der Lageraußenschale derart angeordnet sein, daß er nicht über die äußeren Abmessungen des Wälzlagers hinausragt und deshalb mit dem Wälzlager montiert werden kann.

Für eine zuverlässige Übertragung der Axialkraft ist es von Vorteil, wenn die Lagerinnenschale mit einem Preßsitz auf der Welle sitzt. Es ist weiter von Vorteil, wenn die Lageraußenschale mit einem Schiebe- oder Gleitsitz in dem Lagersitz angeordnet ist, wobei die Lageraußenschale in der einen Axialrichtung an einem Ringbund oder einer Ringschulter und in der anderen Axialrichtung an einem Sicherungsmittel abgestützt ist. Eine besonders vorteilhafte Applikation ergibt sich, wenn die Welle eine Ritzelwelle einer Zahnstangenlenkung ist, da im Kraftfahrzeugbereich preiswerte und störunempfindliche Drehmomentsensoren für Lenkungen erforderlich sind, uni auch bei preiswerten Modellen eine Information über diesen Teil des Fahrzustandes zu gewinnen. Weiter ist insbesondere für diese Anwendung vorteilhaft, wenn die Lagerinnenschale in die Welle eingeformt und mit dieser einstückig ist. Dann ist keine gesonderte Lagerinnenschale erforderlich, die auf der Welle sitzt und dort in Axialrichtung fixiert sein muß. Die Wälzbahn der Wälzkörper ist in die Oberfläche der Welle eingearbeitet.

Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn der Druckaufnehmer in Axialrichtung vorgespannt ist, weil dann bei einem Vorzeichenwechsel des Drehmoments kein Nulldurchgang der erzeugten Spannung erfolgt. Insbesondere kann so vermieden werden, daß der Druckaufnehmer auf Druck und auf Zug belastet wird.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Zahnstangenlenkung im Bereich der Ritzelwelle mit zwei Kugellagern, wobei ein Kugellager zwei Drehmomentsensoren trägt;

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend Fig. 1 mit einem Kugellager und einem Nadellager; sowie

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend den Fig. 1 und 2 mit einem Kugellager, dessen Innenring in die Welle integriert ist.

In der Fig. 1 ist eine Zahnstangenlenkung in einem Querschnitt dargestellt. Die Lenkung umfaßt ein Lenkgehäuse 1, das in zwei Kugellagern 2 und 3 eine Ritzelwelle 4 drehbar trägt. Die Ritzelwelle 4 kämmt mit einer Zahnstange 5, die bei Drehung der Ritzelwelle 4 in der Darstellung gemäß Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene verlagert wird. Die Zahnstange 5 ist in an sich bekannter Weise in einem Druckstück 6 so gelagert, daß der Eingriff der Zahnstange 5 in die Ritzelwelle 4 spielfrei erfolgt. Das Druckstück 6 selbst ist verschieblich in einem zylinderischen Ansatz 7 des Gehäuses 1 angeordnet.

Das Kugellager 2 ist mit einem Innenring 10 als Festlager auf der Ritzelwelle 4 befestigt. Mit einem Außenring 11 ist das Kugellager 2 axial unverschieblich in das Gehäuse 1 eingesetzt. Es ist in dieser Position zudem durch Sicherungsmittel 12 fixiert. Die zweite Lagerstelle der Ritzelwelle 4 ist durch das Kugellager 3 gebildet, das als Loslager geringfügige Axialbewegungen der Ritzelwelle 4 erlaubt.

Im Kugellager 2 sind nun dem Bereich seines Außenringes 11 zwei umlaufende piezoelektrische Druckaufnehmer 13 zugeordnet, die ringförmig in dem Außenring 11 angeordnet sind und jeweils an der äußeren, axialen Stirnfläche des Außenrings 11 an dem Gehäuse 1 bzw. an dem Sicherungsmittel 12 anliegen. Über nicht dargestellte elektrische Anschlüsse, die aus dem Lenkgehäuse 1 hinausgeführt sind, können die elektrischen Potentiale abgenommen werden, die in den piezoelektrischen Druckaufnehmern 13 bei Belastung entstehen.

In der Fig. 2 ist eine Anordnung ähnlich der mit Bezug auf Fig. 1 geschilderten Bauweise dargestellt. Gleiche Bauteile tragen gleiche Bezugsziffern.

Bei dieser Ausführungsform ist das Kugellager 2 mit den Druckaufnehmern 13 als Festlager an der der Längssäule zugewandten Lagerstelle der Ritzelwelle 4 vorgesehen. Als Loslager ist an dem freien Ende der Ritzelwelle 4 ein Nadellager 20 angeordnet, daß die Ritzelwelle 4 drehbar lagert und wiederum gewisse Axialbewegungen gestattet. Eine Belastung der Ritzelwelle 4 in Axialrichtung führt auch bei dieser Ausführungsform zu einer Axialkraft auf den Außenring 11 des Kugellagers 2, was sich wiederum durch einen Druck auf eines der beiden piezoelektrischen Elemente der Druckaufnehmer 13 auswirkt, die gegen das Gehäuse 1 einerseits und gegen das Sicherungsmittel 12 andererseits abgestützt sind.

Die Fig. 3 zeigt wiederum eine Anordnung entsprechend derjenigen, die mit Bezug auf die Fig. 2 beschrieben wurde. Gleiche Bauelemente tragen auch hier gleiche Bezugsziffern.

Bei dieser Anordnung ist das Kugellager 2 als integriertes Kugellager ausgeführt. Die Ritzelwelle 4 trägt im Bereich des Kugellagers 2 eine einstückig eingeformte Wälzbahn 30 für dort anliegende Wälzkörper 31. Diese Bauweise gestattet bei gleiche baulichen Abmessungen den Einsatz einer geringeren Anzahl von Bauelementen. Außerdem kann durch den Wegfall des Innenrings auf dessen axiale Sicherung verzichtet werden.

In der Praxis wird mit den insoweit beschriebenen Vorrichtungen das auf die Ritzelwelle 4 aufgebrachte Drehmoment bestimmt.

Die Ritzelwelle 4 ist dabei mit ihrem aus dem Lenkgehäuse 1 herausragenden Ende mit einem Lenkrad eines Kraftfahrzeugs oder mit einem hydraulischen oder elektrischen Stellglied verbunden. Ein Fahrer leitet zur Erzeugung einer Lenkbewegung oder auch zur Kompensation einer auf die gelenkten Räder einwirkenden Kraft (Seitenwind, Spurrillen) ein Drehmoment in die Ritzelwelle 4 ein. Dieses Drehmoment bewirkt über die im Eingriff befindliche Verzahnung der Zahnstange 5 eine Kraft auf die Zahnstange, die wiederum über Spurstangen auf die gelenkten Räder des Kraftfahrzeuges geleitet wird.

Die Verzahnung zwischen der Ritzelwelle 4 und der Spurstange 5 ist dabei als Schrägverzahnung ausgestaltet, so daß sich zwangsläufig über den Schrägungswinkel der Verzahnung drehmomentabhängige Axialkräfte in Axialrichtung der Ritzelwelle 4 ausbilden. Diese Axialkräfte werden über das jeweilige Festlager 11 als Reaktionskräfte auf den Drucksensor 13 geleitet, der durch die Axialkraft zwischen dem Außenring 11 und dem Gehäuse 1 bzw. dem Sicherungsmittel 12 zusammengepreßt wird. Aus den geometrischen Verhältnissen (Reibung, Schrägungswinkel etc.) kann aus dem Meßwert des piezoelektrischen Druckaufnehmers 13 das in die Ritzelwelle 4 eingeleitete Drehmoment errechnet werden. Bei günstiger Auslegung kann der so gebildete Drehmomentsensor auf Absolutwerte kalibriert werden.

Der Drehmomentsensor in Gestalt der piezoelektrischen Druckaufnehmer 13 ist mechanisch sehr belastbar und vom Montage- und Kontaktierungsaufwand her im Vergleich zu bekannten Systemen sehr einfach. Außerdem erzeugt der Druckaufnehmer 13 jeweils als Signal ein elektrisches Potential, das einfach und störungsfrei meßbar ist. Die beim Kraftfahrzeug auftretenden elektromagnetischen Störungseinflüsse durch hohe Ströme oder hochfrequente Felder müssen bei piezoelektrischen Druckaufnehmern nicht aufwendig abgeschirmt werden.

Der insoweit beschriebene Drehmomentsensor unter Verwendung von Druckaufnehmern im Bereich eines Wälzlagers ist für alle wälzgelagerten Wellen geeignet, die mit einer Schrägverzahnung in Eingriff stehen. Dabei kann der Druckaufnehmer unmittelbar im Lager integriert sein, dem Lager benachbart angeordnet sein oder im Sicherungsmittel integriert sein. Es sind auch andere elektromechanische Wandler für die Umwandlung von Kraft oder Druck in elektrische Signale verwendbar. Im Zusammenhang mit der beschriebenen Applikation im Kraftfahrzeugbereich werden jedoch derzeit piezoelektrische Wandler bevorzugt.

Claims (10)

1. Drehmomentsensor für in Gehäusen mit wenigstens einem Wälzlager (2, 3) gelagerte Wellen (4), insbesondere für Lenkungen von Kraftfahrzeugen, wobei die Welle (4) mit einem Abtrieb (5) über eine schräg zu der Welle (4) ausgerichtete Verzahnung in Eingriff steht und wobei die Welle (4) eine Lagerinnenschale (10, 30) des wenigstens einen Wälzlagers (2, 3) und das Gehäuse (1) die zugehörige Lageraußenschale (11) des Wälzlagers (2, 3) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wälzlager (2, 3) wenigstens ein in Axialrichtung empfindlicher Druckaufnehmer (13) zugeordnet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer (13) ein piezoelektrisches Element ist.

3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager (2, 3) ein Kugellager ist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer (13) zwischen der Lageraußenschale (11) und dem Gehäuse (1) angeordnet ist.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer (13) in der Lageraußenschale (11) derart angeordnet ist, daß er nicht über die äußeren Abmessungen des Wälzlagers (2, 3) hinausragt.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerinnenschale (10) mit einem Preßsitz auf der Welle (4) sitzt.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageraußenschale (11) mit einem Schiebe- oder Gleitsitz in einem Lagersitz angeordnet ist, wobei die Lageraußenschale (11) in der einen Axialrichtung an einem Ringbund und in der anderen Axialrichtung an einem Sicherungsmittel (12) abgestützt ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) eine Ritzelwelle einer Zahnstangenlenkung ist.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerinnenschale (30) in die Welle eingeformt und mit dieser einstückig ist.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckaufnehmer (13) in Axialrichtung vorgespannt ist.