DE60224738T2

DE60224738T2 - Vorrichtung zur analogen Messung des Drehmomentes, Lenksäule und diese Vorrichtung beinhaltendes Modul

Info

Publication number: DE60224738T2
Application number: DE60224738T
Authority: DE
Inventors: Pascale Desbiolles
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: ATE384936T1; FR2821931A1; JP2002350251A; BR0200642A; FR2821931B1; JP4387082B2; DE60224738D1; EP1239274B1; EP1239274A1; US20020166389A1; US6837116B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Messen des auf eine Drehwelle angewandten Drillmoments, ein Verfahren zum Messen des Moments vermittels einer solchen Vorrichtung, eine Lenksäule sowie ein Modul, das eine solche Vorrichtung umfaßt.
Sie zielt insbesondere auf das Messen des vermittels des Lenkrads auf eine Lenksäule eines Fahrzeugs angewandten Drillmoments.
Mit Lenksäule wird herkömmlicherweise ein rohrförmiges Element bezeichnet, das unter dem Armaturenbrett an der Karosserie des Fahrzeugs befestigt ist, das die mit dem Lenkrad verbundene Gelenkwelle führt und trägt.
Dieses Lenkrad ist also ein manuelles Steuerorgan, das mit den gelenkten Rädern verbunden ist und vom Fahrer zur Führung des Fahrzeugs benutzt wird.
Die Erfindung betrifft auch entkoppelte Lenksäulen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Lenksäulen sind den entkoppelten Lenksäulen keinem Lenkgetriebe zugeordnet, das die Kreisbewegung des Lenkrads in eine winkelförmige Verschiebung der hängenden Pleuelstange umwandelt, die den Einschlag der Räder auslöst.
Ganz im Gegensatz gibt es für diese entkoppelten Lenksäulen keine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den auf dem Boden ruhenden Rädern, ob das Fahrzeug nun echt ist oder zu einem Simulationssystem gehört.
Diese Simulation kann ein spielerisches Ziel haben und mit dem Lernen in den Fahrschulen zusammenhängen oder auch mit einer interaktiven Fahrsimulation für die Bedürfnisse der Automobilhersteller im Zusammenhang stehen.
In solchen Simulatoren muß die Wiedergabe der Kräfte am Lenkrad durch einen Mechanismus, der ein widerstandsfähiges Kraftmoment am Lenkrad je nach der Art des zu simulierenden Fahrzeugs mit oder ohne Servolenkung generiert, wiederherzustellende Fahrbedingungen berücksichtigen.
Die Messung des auf das Lenkrad angewandten Moments ist folglich von wesentlicher Bedeutung für die Gewährleistung einer guten Simulation in Echtzeit.
Bei Servolenkungen oder unterstützten Lenkungen ist die Messung des auf die Lenkradwelle angewandten Moments ebenfalls sehr wichtig.
In der Tat hängt das Auslösen der Unterstützung insbesondere vom Moment ab, das der Fahrer auf das Lenkrad anwendet.
Die in Servolenkungen verwendete Vorrichtung für das Messen des angewandten Drillmoments gibt ein Signal zur Angabe des Einschlagmoments ab, das vom Fahrer auf das Lenkrad und also auf die Gelenkwelle der Lenksäule des Fahrzeugs angewandt wird.
Herkömmlicherweise wird dieses Signal an einen Rechner zur Unterstützung der Lenkung geschickt, der die Unterstützung auslöst, indem er zum Beispiel im Fall einer elektrischen Servolenkung einen Elektromotor steuert.
Die Erfindung kann auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, wie demjenigen der Kraftübertragung wie zum Beispiel an die Räder eines Fahrzeugs, oder die Bremssteuerung des besagten Fahrzeugs vermittels der Messung des angewandten Moments.
Es sind schon Vorrichtungen zum Messen des Drillmoments bekannt, die auf einen Versuchskörper aufgeklebte Auflagenanzeigen benutzen.
Diese Art der Technologie weist den Nachteil auf, einen drehenden Durchgang zu erfordern, der aus Gründen des Platzbedarfs und der Zuverlässigkeit insbesondere für das Messen des auf eine Lenksäule eines Fahrzeugs angewandten Moments nicht wünschenswert ist.
Es sind auch andere Technologien bekannt, bei denen der Verformungswinkel eines Versuchskörpers gemessen wird, zum Beispiel vermittels einer Schwankung einer magnetischen Koppelung oder eines Merkmals des unter Spannung gesetzten Materials, oder auch durch Messung von zwei Eingangs- und Ausgangswinkeln der Drehstange.
Zum Beispiel ermöglicht das Entdecken der Winkelverschiebung zweier Generatoren von Magnetfeldern im Verhältnis zu Entdeckungsorganen, ein zum angewandten Moment im Verhältnis stehenden analogen Signals.
Diese Art der analogen magnetischen Technologie weist eine Reihe Nachteile auf, die insbesondere mit der ständigen Kontrolle des Luftspalts auf einer Drehung im Zusammenhang stehen, um die Präzision der Messung zu erhalten, und mit dem Temperaturausgleich des Ausgangssignals, das ein System für die Differentialmessung erfordert.
Im Rahmen der analogen Vorrichtungen für das Messen des Kraftmoments nach dem früheren technischen Stand kompliziert somit die Kontrolle des Luftspalts und der Abweichungen der Temperatur die Montage aufgrund der gegebenen Verpflichtung, eine Mechanik mit größerem Platzbedarf zu verwenden.
Ferner wird im Dokument EP-0 284 505 eine Vorrichtung für das Messen des Moments beschrieben, die zwei magnetische Codierer einsetzt, die jeweils der Nachbarschaft jedes Endes einer Drehstange zugeordnet sind. In diesem System werden die Signale des ersten Codierers von einem Paar Fühler entdeckt, während die Signale des zweiten Codierers von einem Fühler entdeckt werden. Die somit erzielten Signale werden von einem Mikroprozessor verarbeitet, um das angewandte Moment zu erzielen.
In diesem Dokument wird zur Befreiung von den Schwankungen des Luftspalts der Einsatz eines Hochpaßfilters vorgeschlagen, diese Lösung stellt aber nicht voll zufrieden, denn da nur die Niederfrequenzsignale entfernt werden, weist sie keine ausreichende Wirksamkeit auf.
Außerdem kann mit der im Dokument EP-0 284 508 beschriebenen Vorrichtung bei Durchführung einer zeitweisen Differenz der entdeckten Signale kein angewandtes Moment erzielt werden, wenn die Drehzahl null ist.
Die Erfindung zielt also darauf ab, Abhilfe für diese Nachteile zu schaffen, indem insbesondere eine Vorrichtung für das Messen des auf eine Drehwelle angewandten Drillmoments vorgeschlagen wird, dessen Ausgangssignal unabhängig einerseits von der Amplitude des gelesenen Magnetfelds, und also von den Schwankungen des Luftspalts gemacht wird, und andererseits von der Verkleinerung des Magnetfelds aufgrund der Temperatur, wobei es gleichzeitig zuverlässig und für ein strenges Umfeld von der Art Kraftfahrzeug unabhängig ist.
Es ermöglicht somit, in einem großen Bereich des Luftspalts zu arbeiten und vermeidet eine Differentialmessung zum Ausgleich der Abweichungen der Temperaturen.
Hierzu und nach einem ersten Aspekt schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des auf eine Drehwelle angewandten Drillmoments vor, insbesondere auf eine Lenksäule eines Fahrzeugs, wobei die besagte Vorrichtung einen beim Verdrehen unter der Aktion des auf die besagte Welle angesetzten Moments verformbaren Versuchskörper hat sowie ein erstes und ein zweites Mittel zum Erzeugen von Magnetimpulsen, in dem:

– Das erste Mittel mit dem Versuchskörper in der Nähe eines ersten Endes davon verbunden ist;
– Das zweite Mittel mit dem Versuchskörper in der Nähe eines zweiten Endes davon verbunden ist;
– Ein erster im Verhältnis zur Drehwelle feststehender analoger Magnetfühler gegenüber und in Entfernung des Luftspalts vom ersten Mittel entfernt ist, wobei der besagte Fühler geeignet ist, ein analoges Signal S1 und ein phasenverschobenes analoges Signal C1 abzugeben;
– Ein zweiter im Verhältnis zur Drehwelle feststehender analoger Magnetfühler gegenüber und in Entfernung des Luftspalts vom ersten Mittel entfernt ist, wobei der besagte Fühler geeignet ist, ein analoges Signal S2 und ein phasenverschobenes analoges Signal C2 abzugeben; Wobei die besagte Vorrichtung außerdem umfaßt:
– Eine elektronische Verarbeitungsvorrichtung, die geeignet ist, ausgehend von analogen Eingangssignalen A, B, C, D, die von den Signalen S1, C1, S2 und C2 abhängen, das Ausgangssignal F(A, B, C, D) = ((B·C) – (A·D))/((B·D) + A·C)) zu bilden, das vom auf die besagte Welle ausgeübten Moment abhängt.

Nach einem zweiten Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Messen des Moments vermittels einer oben beschriebenen Meßvorrichtung vorgeschlagen, wobei das besagte Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

– Messung der analogen Signale S1, C1, S2 und C2;
– Ausgleich der Amplitude der Signale S1, C1 und derjenigen der Signale S2, C2;
– Bildung des Signals F(S1, C1, S2, C2).

Nach einem dritten Aspekt wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Messen des Moments vermittels einer oben beschriebenen Meßvorrichtung vorgeschlagen, wobei das besagte Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

– Messung der analogen Signale S1, C1, S2 und C2;
– Ausgleich der Amplitude der Signale S1, C1 und derjenigen der Signale S2, C2;
– Anwendung eines Verstärkungsfaktors G auf die Signal S1 und C1 oder S2 und C2;
– Bildung der Signale S'N = SN + GCN und C'N = GSN + CN, wobei N = 1 oder 2;
– Bildung des Ausgangssignals F(S'1, C'1, S1, S2) oder F(S1, C1, S'2, C'2).

Nach einem vierten Aspekt wird mit der Erfindung eine Lenksäule vorgeschlagen, die eine Vorrichtung für das Messen des Drillmoments wie oben beschrieben umfaßt, in der der Versuchskörper in die Säule integriert ist.
Nach einem fünften Aspekt wird mit der Erfindung ein Modul für das Messen des Drillmoments vorgeschlagen, das auf eine Drehwelle angewandt wird, wobei das besagte Modul eine oben beschriebene Vorrichtung und Mittel zur Verbindung des besagten Moduls mit jeweils zwei Teilen der Welle umfaßt, wobei die besagte Welle keinen Versuchskörper hat.
Nach einem sechsten Aspekt wird mit der Erfindung ein Modul für das Messen des Drillmoments vorgeschlagen, das auf eine Drehwelle angewandt wird, wobei das besagte Modul eine oben beschriebene Vorrichtung und Mittel zur Verbindung des besagten Moduls mit jeweils einem Ende der Welle und das das Moment anwendende Organ umfaßt, wobei die besagte Welle keinen Versuchskörper hat.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden sich bei der nachfolgenden Beschreibung herausstellen, die mit Bezugnahme auf die im Anhang beigefügten Zeichnungen gegeben wird, die folgendes darstellen:
Die 1 ist ein Funktionsschema einer Vorrichtung für das Messen des Drillmoments, das auf eine Drehwelle nach Erfindung angewandt wird;
Die 2 ist eine Teilansicht und ein Längsschnitt einer Lenksäule mit integrierter Vorrichtung für das Messen des darauf angewandten Drillmoments;
Die 3 ist eine Teilansicht und ein Längsschnitt eines Moduls für das Messen des Drillmoments, das auf eine Drehwelle angewandt wird.
Auf den 1 bis 3 ist eine Vorrichtung für das Messen des Drillmoments dargestellt, das auf eine Drehwelle angewandt wird, und zwar von der Art, die einen Versuchskörper 1 umfaßt, der beim Drehen unter der Aktion des auf die besagte Welle angewandten Moments verformbar ist.
Bei einem besonderen Beispiel (siehe 2) ist die Drehwelle eine Lenksäule 2 eines Fahrzeugs, auf die vom Fahrer mit Hilfe des Lenkrads ein Einschlagmoment ausgeübt wird.
Wenn man dieses Einschlagmoment kennen möchte, ist es bekannt, einen Versuchskörper 1 vorzusehen, der fähig ist, das angewandte Moment weiterzugeben, indem er sich unter der Aktion des besagten Moments elastisch verformt.
Die Messung des ausgeübten Moments kann dann insbesondere in Form eines elektrischen Signals an einen Rechner zur Lenkungsunterstützung geschickt werden, der die Unterstützung im Fall einer elektrischen Servolenkung zum Beispiel vermittels eines Elektromotors auslöst.
Der Versuchskörper 1 hat typischerweise die Form einer Drehstange mit geringerem Durchmesser im Verhältnis zu demjenigen der Welle, denn bei isotroper linearer Elastizität schwankt das auf eine massive zylinderförmige Stange mit kreisförmigem Querschnitt ausgeübte reine Drillmoment bei einem gegebenen Material je nach der Leistung eines Viertels der Durchmessers der Stange bei festgelegtem Drillwinkel.
Folglich ermöglicht die Ausführung einer Zone mit geringerem Querschnitt unter der Einwirkung des angewandten Moments die Verformungen bei Drehung auf der besagten Zone zu konzentrieren und zu verstärken, so daß daraus eine Zone für die bevorzugte Messung für den Wert des Moments wird.
Bei den auf den Figuren dargestellten Ausführungsmodi hat die koaxial zur Welle angeordnete Drehstange 1 einen zylinderförmigen Querschnitt. Jedoch kann die Anordnung der Drehstange 1 und/oder die Geometrie ihres Querschnitts je nach den Benutzungsauflagen anders vorgesehen werden.
Der Versuchskörper 1 weist ein erstes 3 und ein zweites 4 Ende auf, die sich unter der Wirkung des auf die Welle angewandten Moments zusammen mit der Welle in Drehung versetzen, jedoch mit einer Winkelverschiebung der einen gegenüber der anderen.
Diese Winkelverschiebung soll gemessen werden, um mit elektronischen Mitteln, die die Art des Versuchskörpers 1 berücksichtigen, das auf die Welle angewandte Moment zu berechnen.
Hierzu wird eine Vorrichtung benutzt, die ein erstes 5 und ein zweites 6 Mittel zum Erzeugen von Magnetimpulsen oder Codierer umfassen, die in der jeweiligen Nähe des ersten 3 und des zweiten 4 Endes des Versuchskörpers 1 vorgesehen sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel (siehe 1) werden die Mittel zum Erzeugen von Magnetimpulsen 5, 6 jeweils aus einem vielpoligen Ring aus einem mit Ferritpartikeln geladenen Kunststoff gebildet, der aus einer Vielzahl aneinanderliegender Bereiche mit umgekehrter Magnetisierungsrichtung eines gegebenen Bereichs gegenüber den beiden daran anschließenden Bereichen gebildet wird.
Die Vorrichtung umfaßt ferner:

– Einen ersten analogen Magnetfühler 7, der gegenüber der Drehwelle feststeht, die vor und in Entfernung des Luftspalts des ersten Codierers 5 angeordnet ist;
– Einen zweiten analogen Magnetfühler 8, der gegenüber der Drehwelle feststeht, die vor und in Entfernung des Luftspalts des zweiten Codierers 6 angeordnet ist;
– Eine elektronische Verarbeitungsvorrichtung 9 der aus den besagten Fühlern 7, 8 hervorgegangenen Signale.

Die Verarbeitungsvorrichtung 9 kann in einen Rechner für die Steuerung von mindestens einer Funktion des Fahrzeugs, zum Beispiel der elektrischen Servolenkung oder der Streckensteuerung, eingebunden werden.
Zum Beispiel umfassen die Fühler 7, 8 mindestens zwei empfindliche Elemente oder einen Stab mit empfindlichen Elementen, die unter den Sonden mit Halleffekt, den Feldplatten, den Riesenfeldplatten gewählt wurden, wobei die besagten empfindlichen Elemente in Luftspaltentfernung vom Mittel zum Erzeugen von Magnetimpulsen 5, 6 plaziert werden.
Bekannterweise sind die Fühler 7, 8 fähig, jeweils ein analoges Signal S1 und ein phasenverschobenes analoges Signal C1 abzugeben, zum Beispiel können die Fühler entweder zwei empfindliche Elemente mit Winkelspreizung durch ein Intervall von n + 0,5 n umfassen, (wobei n die Länge eines Magneten ist), (siehe FR-2 599 794 ), oder eine Mehrzahl von empfindlichen ausgefluchteten Elementen, wie im Antrag FR-2 792 403 beschrieben ist. Die Fühler 7, 8 können auch fähig sein, die normalen und tangentialen Komponenten des abgegebenen Felds zu messen.
Da die Fühler 7, 8 in einer ausreichenden Entfernung von den Mitteln zum Erzeugen von Magnetimpulsen 5, 6 angeordnet sind, kann angenommen werden, daß die abgegebenen Signale sinusförmig, mit gleicher Amplitude, auf den gleichen Durchschnittswert zentriert und zueinander phasenverschoben sind. Außerdem haben sie eine Periode, die von der Anzahl N des Polpaars abhängt, also mechanische 2π/N.
Die elektronische Verarbeitungseinheit 9 kann vorgesehen werden, um ab diesen Signalen und auf zum Beispiel aus dem Dokument FR-2 769 087 bekannte Weise die relative oder absolute Position von mindestens einem der Codierer 5, 6 und also der zugehörigen Welle im Verhältnis zu einer feststehenden Struktur zu geben.
Als Variante kann ein Interpolator benutzt werden, der die Winkelauflösung der Ausgangssignale erhöht, wie zum Beispiel derjenige, der im Dokument FR-A-2 754 063 beschrieben wird.
Der Wert dieser Position kann dann insbesondere im Fall, in dem sie absolut ist, allein oder mit der Messung des angewandten Moments in einem Sicherheitssystem eines Fahrzeugs wie zum Beispiel ein Antirutsch-, Antiblockier-, Antirollsystem oder auch einem System zur Navigationshilfe benutzt werden.
Nachstehend werden zwei Verarbeitungsmodi der Signale in der elektronischen Vorrichtung 9 beschrieben.
Bei einem ersten Verarbeitungsmodus und in dem Fall, wo die Codierer 5, 6 perfekt zueinander indexiert sind, das heißt, daß bei Moment Null die Signale S1 und S2 beziehungsweise C1 und C2 in Phase sind, werden die Signale wie folgt geschrieben: S1 = A1s(θ)·sin(θ); C1 = A1c(θ)·cos(θ); S2 = A2s(θ)·sin(θ + δ); CS2 = A2c(θ)·cos(θ + δ).
Wobei δ der Phasenverschiebung in Verbindung mit dem Drehwinkel der Stange steht und A1s(θ), A1c(θ), A2s(θ), A2c(θ) jeweilige Amplituden der Signale sind.
Die Amplituden A1s(θ), A1c(θ), A2s(θ), A2c(θ) hängen von der gesehenen polaren Länge ab, das heißt der Toleranz der Plazierung der Fühler 7, 8 gegenüber den Codierern 5, 6.
Vor der Verarbeitung der Signale wird die Amplitude der Signale S1, C1 und diejenige der Signale S2, C2 ausgeglichen, und dies zum Beispiel durch Programmierung vor Ort von der Art EEPROM, ZENER ZAPPING oder gleichwertige, was ermöglicht, die Amplituden nach dem Plazieren der Fühler 7, 8 bestmöglich anzupassen.
In dem Fall, wo der Luftspalt auf einer Drehung aufgrund der Mängel des Materials oder der Ebenheit der Codierer 5, 6 schwankt, schwanken die Amplituden A1s(θ), A1c(θ), A2s(θ), A2c(θ) außerdem in Abhängigkeit vom Winkel(θ).
Zur Befreiung von diesen Schwankungen kann ein Fühler 7, 8 verwendet werden, der eine Vielzahl ausgefluchteter empfindlicher Elemente umfaßt, und die Ausgangssignale können verarbeitet werden, wie im Antrag FR-2 792 403 beschrieben ist. In der Tat wird somit ein Durchschnittseffekt der von den empfindlichen Elementen entdeckten Signale erzielt, der eine starke Verringerung der Schwankung der Amplituden A1s(θ), A1c(θ), A2s(θ) und A2c(θ) auf einer Drehung ermöglicht.
Nach dem Ausgleich der Amplituden wird mit Hilfe der Verarbeitungsvorrichtung 9 das Signal gebildet: F(S1, C1, S2, C2) = ((C1·S2) – (S1·C2))/((C1·C2) + (S1·S2))
Bei Entwicklung der Berechnung und Vereinfachung durch die gleichen Amplituden erhält man: F(S1, C1, S2, C2) = tan(δ).
Das Ausgangssignal, das die Tangente des Drehwinkels der Stange 1 ist, ermöglicht also eine direkte Messung des auf die Welle angewandten Moments.
Da außerdem das Ausgangssignal unabhängig von der Amplitude der Eingangssignale ist, ist die erzielte Messung des Moments unempfindlich gegen die Schwankungen des Luftspalts oder die Verringerung des magnetischen Felds aufgrund der Temperatur.
Da ferner die Messung des Moments durch räumliche Verarbeitung des Signals durchgeführt wird, kann die Vorrichtung den Wert des Moments auch dann abgeben, wenn die Welle nicht in Drehung ist.
Da außerdem die Tangentenfunktion bei Winkeln mit schwacher Verformung einer Geraden angenähert werden kann, kann die Drehstange 1 so dimensioniert werden, daß das Ausgangssignal in Abhängigkeit vom angewandten Moment deutlich linear ist.
Bei einer anderen Ausführung und insbesondere bei einer Anwendung von der Art variable Servolenkung kann die Drehstange 1 so dimensioniert werden, daß das Ausgangssignal aus dieser linearen Zone austritt, damit beim Anhalten des Fahrzeugs die elektrische Servolenkung ein größeres Moment für ein vom Fahrer angewandtes deutlich stärkeres Moment abgibt.
Bei einem besonderen Beispiel können die Mittel zum Erzeugen von Magnetimpulsen 5, 6 bei der Magnetisierung und bei der Montage der Vorrichtung indexiert werden.
Die Qualität der Magnetisierung der Codierer 5, 6 kann in der Tat so sein, daß die Periodenlängen entlang der Codierer 5, 6 schwanken, was insbesondere auf einen Mangel der Zentrierung des Magnetisierungskopfes zurückzuführen ist.
Ein Mittel zur Beseitigung dieser Mängel besteht darin, die Codierer 5, 6 sowohl bei der Magnetisierung als auch bei der Montage zu indexieren, damit die Mängel in Phase sind, und daß sie also nicht mehr die Qualität des Ausgangssignals beeinflussen.
Bei einem zweiten Verarbeitungsmodus ermöglicht die Vorrichtung 9 einerseits, diese Mängel auf elektronischem Wege in Phase zu bringen, und andererseits elektronisch ein Ausgangssignal null unter Moment null zu bekommen.
Eine mechanische Indexierung der Codierer 5, 6 ermöglicht in der Tat in den meisten Fallen, das Problem der Nullregelung der Vorrichtung 9 nur teilweise zu regeln.
Eine einfache Lösung zur Regelung dieses Problems besteht darin, nach einer groben mechanischen Positionierung der Fühler 7, 8 gegenüber den Codierern 5, 6, die folgenden Signal zu verwenden:
S'1 = S1 + GC1 und C'1 = GS1 + C1, wobei G eine vor Ort programmierbare Verstärkung ist.
Auf gleiche Weise, die hier nicht weiter beschrieben wird, können die Signale S'2 = S2 + GC2 und C'2 = GS2 + C2 verwendet werden.
Die Signale S'1 und C'1 sind gegenüber den Signalen S1 und C1 um einen Winkel Φ phasenverschoben, der von der Verstärkung G abhängt, da tan(Φ) = -G.
So ist es durch Programmierung der Verstärkung G vor Ort möglich, den Winkel Φ so zu ändern, daß die Funktion F(S'1, C'1, S2, C2) unter Moment null aufgehoben wird.
Es ist also nach dem Einbau der Vorrichtung und vor ihrer Benutzung möglich, die Verstärkung G so zu programmieren, daß ein Signal F(S'1, C'1, S2, C2) erzielt wird, das einerseits null unter Moment null ist, und andererseits vom verwendeten Moment abhängt, wie beim ersten Ausführungsmodus beschrieben wurde.
Bei dieser Ausführung kann bei Benutzung einer elektronischen Phasenverschiebung eine präzise mechanische Positionierung der Fühler 7, 8 vor den Codierern 5, 6 vermieden werden.
Bei beiden oben vorgestellten Verarbeitungsmodi kann dieser entweder analog mit Verwendung der elektronischen Operatoren ausgeführt werden, oder digital mit Verwendung eines Analog-/Digital-Wandlers der Signale und eines Mikroprozessors.
Nachstehend wird in Beziehung zur 2 ein Ausführungsmodus einer Lenksäule 2 beschrieben, die eine Meßvorrichtung wie oben beschrieben umfaßt.
Der in Form eines zylinderförmigen Teils ausgeführte Versuchskörper 1 weist eine Zone mit verringertem Durchmesser 10 auf und ist zwei Teilen der Lenksäule 11 zugeordnet.
Als Variante kann der Versuchskörper 1 in die Lenksäule in Form einer Zone mit verringertem Durchmesser integriert werden, die Material mit ihr bildet.
Die Lenksäule 2 ist einerseits einem Lenkrad und andererseits einem Lenkgetriebe, zum Beispiel einer Zahnstange, zugeordnet, die die kreisförmige Bewegung des Lenkrads in eine Winkelverschiebung der hängenden Pleuelstange umwandelt, was das Einschlagen der Räder auslöst.
Ein erstes ringförmiges Teil 12, das auf einer axialen Fläche 13 aufliegt, der erste Codierer 5 ist der Lenksäule 1 in der Nähe eines ersten Endes 3 des Versuchskörpers 1 zugeordnet.
Die Zuordnung des ersten Teils 12 auf der Säule 2 wird mit einem ersten ringförmigen Träger 14 mit einer Muffe auf der besagten Säule 2 ausgeführt.
Ein zweites ringförmiges Teil 15, das auf einer axialen Fläche 16 entgegengesetzt zum ersten Codierer 5 den zweiten Codierer 6 trägt, ist auf der Lenksäule 2 in der Nähe eines zweiten Endes 4 des Versuchskörpers 1 zugeordnet.
Die Zuordnung des zweiten Teils 15 auf der Säule 2 wird mit Hilfe eines zweiten ringförmigen Trägers 17 in ergänzender Form zum ersten 14 ausgeführt, der mit einer Muffe auf der besagten Säule 2 befestigt ist.
Die Positionierung des zweiten Teils 15 im Verhältnis zum ersten 12 wird durch Auflage des zweiten Teils 15 auf einer Unterlegscheibe 18 ausgeführt, die in einer im ersten Teil 12 vorgesehenen Aufnahme 19 angeordnet ist, wobei die besagte Unterlegscheibe 18 deutlich in der gleichen axialen Ebene wie die Fläche 13 ist, die den ersten Codierer 5 trägt.
Das zweite Teil 15 umfaßt eine axiale ausgebohrte Aufnahme 20, die eine Schraube aufnehmen soll, die durch Zusammenwirken mit einem Spannring 21 ermöglicht, einerseits das zweite Teil 15 in Drehung mit der Säule 2 fest zu verbinden, und andererseits das Ensemble axial zu blockieren, das aus den zwei Teilen 12, 15 gebildet ist, die die Codierer 5, 6 tragen.
Aus Gründen der Kompaktheit ist die Form der beiden Träger 14, 17 mit axialen Absätzen vorgesehen, so daß die beiden Codierer 5, 6 deutlich in der gleichen axialen Ebene und axial nahe zueinander sind.
Bei einer (nicht dargestellten) Variante können die beiden Codierer 5, 6 jeweils einem Ende des Versuchskörpers 1 zugeordnet sein.
Die Säule 2 ist so angeordnet, daß sie in einer festen Hülle 22 drehen kann, die zum Beispiel aus einem hohlen Rohr gebildet ist. Die Fühler 7, 8 sind dieser Hülle zugeordnet, zum Beispiel mit Clipsen eines sie tragenden Trägers 23, in Entfernung eines Luftspalts beziehungsweise eines Codierers 5, 6, so daß das abgegebene Feld axial entdeckt werden kann.
Die Verarbeitungsvorrichtung 9 ist in Entfernung von der Hülle 22 vorgesehen, nämlich zum Beispiel an einem zentralen Rechner des Fahrzeugs, damit ein zum angewandten Moment im Verhältnis stehendes Signal abgegeben werden kann.
Wenn ein Moment vermittels des Lenkrads auf die Lenksäule 2 angewandt wird, übermittelt diese es an das Lenkgetriebe durch Drehen eines gewissen Winkels.
Der Versuchskörper 1 ist insbesondere durch seine Geometrie und/oder durch die Art des Materials, aus dem er besteht, dafür gestaltet, daß die Drehbewegung übermittelt wird, indem er unter der Aktion dieses Moments eine elastische Drillung erleidet.
Aus dieser Drillung geht hervor, daß die Enden 3, 4 des Versuchskörpers 1 und also die Mittel, die ihnen zugeordnet sind, sich zusammen mit der Säule in Drehung versetzen, jedoch mit einer Winkelverschiebung des einen gegenüber dem anderen, wobei die besagte Verschiebung im Verhältnis zur Stärke des Moments wächst.
Die Geometrie und/oder die Art des Materials, aus dem der Versuchskörper 1 besteht, sind dafür vorgesehen, daß in der gesamten Zone der normalen Benutzung der Lenksäule 2 einerseits die Drehung nicht die elastische Grenze des Materials übersteigt, und andererseits die Winkelverschiebung von der eingesetzten Verarbeitungsvorrichtung 9 entdeckt werden kann.
Da die Fühler 7, 8 die Winkelposition jedes der Codierer 5, 6 messen, kann der Wert des Moments wie oben dargestellt erzielt werden.
Die 3 stellt ein Modul für das Messen des Drehmoments 24 dar, das auf eine Drehwelle angewandt wird, wobei das besagte Modul 24 eine Vorrichtung zum Messen des Moments umfaßt, wie oben beschrieben.
Das Modul 24 soll eventuell abnehmbar zwischen zwei Teilen eines Ensembles eingesetzt werden, auf das das zu messende Moment anzuwenden ist.
Hierfür wird das Modul 24, dessen allgemeine mit derjenigen der vorher beschriebenen Säule 2 identische Struktur nicht ausführlich beschrieben wird, umfaßt außerdem Mittel zur Zuordnung 25, 26 des besagten Moduls 24 zu diesem Ensemble.
Bei einer ersten Variante soll das Modul 24 zwischen zwei Teilen einer Lenksäule 2 integriert werden, wobei die besagte Säule 2 keinen Versuchskörper 1 hat.
Bei einer zweiten Variante soll das Modul 24 zwischen einer Lenksäule 2 und einem Lenkrad integriert werden, wobei die besagte Säule 2 keinen Versuchskörper 1 hat.
Die auf der 3 dargestellten zwei Zuordnungsmittel 25, 26 sind jeweils aus einem ringförmigen Teil 27 mit gerillter Oberfläche 28 gebildet, wobei sich die besagten Teile 27 zu beiden Seiten des Moduls 24 erstrecken. Zum Beispiel (siehe 3) ist jedes Teil 27 auf einem Ende eines zylinderförmigen Teils 29 mit einem Durchmesser versehen, der deutlich identisch mit demjenigen der Säule 2 ist, und dessen anderes Ende aus dem Material mit dem Versuchskörper 1 kommt. Bei dieser Ausführung ist das aus dem Versuchskörper 1 und den Zuordnungsmitteln 25, 26 gebildete Ensemble in Monoblockform.
Der Teil der Säule 2 und/oder das Organ, das das Moment anwendet, können jeweils mit diesen beiden ringförmigen gerillten Teilen 27 fest verbunden werden, insbesondere mit Kraftmuffen, so daß das somit gebildete Ensemble geeignet ist, einerseits das Moment zu übertragen und andererseits es zu messen.
Ein solches Modul 24 bietet den Vorteil, kompakt zu sein und ein unabhängiges Ensemble zu bilden, das eventuell abnehmbar einem Ensemble zugeordnet werden kann, auf dem ein Moment angewandt wird, das übermittelt und gemessen werden muß.

Claims

Vorrichtung für das Messen des auf eine Drehwelle angewandten Drillmoments, insbesondere auf eine Lenksäule (2) eines Fahrzeugs, wobei die besagte Vorrichtung einen Versuchskörper (1) umfaßt, der in Drillung unter der Wirkung des auf die besagte Welle angewandten Moments verformbar ist, sowie ein erstes und ein zweites Mittel zum Erzeugen von Magnetimpulsen (5, 6), in dem: – Das erste Mittel (5) mit dem Versuchskörper (1) in der Nähe eines ersten Endes (3) davon verbunden ist; – Das zweite Mittel (6) mit dem Versuchskörper (1) in der Nähe eines zweiten Endes (4) davon verbunden ist; – Ein erster im Verhältnis zur Drehwelle feststehender analoger Magnetfühler (7) gegenüber und in Entfernung des Luftspalts vom ersten Mittel (5) entfernt ist, wobei der besagte Fühler (7) geeignet ist, ein analoges Signal S1 und ein phasenverschobenes analoges Signal C1 abzugeben; – Ein zweiter im Verhältnis zur Drehwelle feststehender analoger Magnetfühler (8) gegenüber und in Entfernung des Luftspalts vom zweiten Mittel (6) entfernt ist, wobei der besagte Fühler (8) geeignet ist, ein analoges Signal S2 und ein phasenverschobenes analoges Signal C2 abzugeben; Wobei die besagte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ferner umfaßt: – Eine elektronische Verarbeitungsvorrichtung (9), die geeignet ist, ausgehend von analogen Eingangssignalen A, B, C, D, die von den Signalen S1, C1, S2 und C2 abhängen, das Ausgangssignal F(A, B, C, D) = ((B·C) – (A·D))/((B·D) + (A·C)) zu bilden, das vom auf die besagte Welle ausgeübten Moment abhängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale A, B, C und D gleich den Signalen S1 beziehungsweise C1, S2 und C2 sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verarbeitungsvorrichtung (9) ferner Mittel zur Anwendung einer verstellbaren Verstärkung G auf die Signale S1 und C1 oder S2 und C2 umfaßt und Mittel zur Bildung der Signale S'N = SN + GCN und C'N = GSN + CN, mit N = 1 oder 2, wobei die Signale A, B, C und D gleich den Signalen S'1 beziehungsweise C'1, S2 und C2 oder den Signalen S1, C1, S'2 und C'2 sind.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung (9) elektronische Operatoren umfaßt, die geeignet sind, die Ausgangssignale abzugeben.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung (9) einen Analog-/Digital-Wandler der Signale und einen Mikroprozessor umfaßt, der geeignet ist, die Ausgangssignale abzugeben.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfühler (7, 8) zumindest zwei empfindliche Elemente umfassen, die unter den Hallsonden, den Feldplatten, den Riesenfeldplatten gewählt wurden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfühler (7, 8) eine Vielzahl ausgefluchteter empfindlicher Elemente umfassen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen von Magnetimpulsen (5, 6) jeweils aus einem vielpoligen Ring aus einem mit Ferritpartikeln geladenen Synthetikmaterial gebildet werden, das aus einer Vielzahl von anschließenden Bereichen mit umgekehrter Magnetisierungsrichtung eines gegebenen Bereichs gegenüber den beiden Bereichen gebildet werden, die daran anschließen.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner die Winkelposition der Drehwelle angibt.
Verfahren für das Messen des Drehmoments vermittels einer Vorrichtung für das Messen nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt: – Messung der analogen Signale S1, C1, S2 und C2; – Ausgleich der Amplitude der Signale S1, C1 und derjenigen der Signale S2, C2; – Bildung des Signals F(S1, C1, S2, C2).
Verfahren für das Messen des Drehmoments vermittels einer Vorrichtung für das Messen nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt: – Messung der analogen Signale S1, C1, S2 und C2; – Ausgleich der Amplitude der Signale S1, C1 und derjenigen der Signale S2, C2; – Anwendung einer Verstärkung G auf die Signale S1 und C1 oder S2 und C2; – Bildung der Signale S'N = SN + GCN und C'N = GSN + CN mit N = 1 oder 2; – Bildung des Ausgangssignals F(S'1, C'1, S1, S2) oder F(S1, C1, S'2, C'2);
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt zur vorherigen Bestimmung des Werts der Verstärkung G umfaßt, so daß das Ausgangssignal null bei Drehmoment null ist;
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleich der Amplitude der Signale durch Programmierung vor Ort von der Art EEPROM, ZENER ZAPPING oder gleichwertig realisiert wird;
Lenksäule (2), die eine Vorrichtung für das Messen des Drillmoments nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Versuchskörper (1) in die Lenksäule (2) eingebunden ist.
Modul für das Messen des auf eine Drehwelle angewandten Drillmoments (24), wobei das besagte Modul (24) eine Vorrichtung nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 umfaßt und Mittel zur Verbindung (25, 26) des besagten Moduls (24) mit jeweils zwei Teilen der Welle, wobei die besagte Welle keinen Versuchskörper (1) hat.
Modul für das Messen des auf eine Drehwelle angewandten Drillmoments (24), wobei das besagte Modul (24) eine Vorrichtung nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 umfaßt und Mittel zur Verbindung (25, 26) des besagten Moduls (24) mit jeweils einem Ende der Welle und dem Organ, das das Drehmoment anwendet, wobei die besagte Welle keinen Versuchskörper (1) hat.