NL9002911A - Magnetische-lekflux koppelaftastinrichting. - Google Patents

Description

Magnetische-lekflux koppelaftastinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een met lekflux werkende koppel-aftastinrichting voor een handmatige stuurwielbesturing met elektrische koppelbekrachtiging, voorzien van een behuizing, een ingangsas, een uit-gangsas, een tussen ingangs- en uitgangsas opgenomen koppeltransmissie-orgaan met twee rond het samenstel van ingangsas en uitgangsas gemonteerde ferromagnetische elementen waarvan overeenkomstige delen in tussen elkaar stekende relatie tegenover elkaar staan en telkens discontinuïteiten vormen, en een bijbehorende verloren-bewegingsverbinding om de uitgangsas direct te koppelen aan de ingangsas nadat deze over een bepaalde hoek heeft gedraaid, en een spoelhouder met tenminste een aanstuurspoel en een aftastspoel om de verandering in lekflux bij de discontinuïteit te meten bij een draaiing van het koppeltransmissieor-gaan, over een hoek kleiner dan de bepaalde hoek, door de aanleg van een koppel. Een dergelijke koppelaftastinrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4876899·

Een dergelijke koppelaftastinrichting kan met voordeel bij de gebruikelijke stuurwielsystemen voor motorvoertuigen worden toegepast om het aan de stuurwielas toegevoerde koppel te detecteren. De inrichting verschaft dan een stuursignaal overeenkomend met het koppel om een actuator aan te sturen teneinde een bepaalde koppelbekrachtiging aan de stuurwielas aan te leggen. De uit bovengenoemde Amerikaanse inrichting bekende koppelaftastinrichting heeft een koppeltransmissieorgaan of torsiestaaf die bij een initieel toegevoerd koppel in geringe mate kan draaien en die een verloren-bewegingsverbinding heeft, welke na een vooraf bepaalde hoekverdraaiing aangrijpt om dan op directe wijze elke aangelegd extra koppel over te brengen terwijl eveneens de torsiestaaf tegen beschadiging wordt beschermd. In deze bekende koppelaftastinrichting wordt een magnetische-lekflux uitvoering toegepast met een aanstuur- en aftastschakeling om via de aanstuurspoel een magnetisch veld op de ferromagnetische elementen aan te leggen en om de bij de discontinuïteit van deze elementen optredende verandering van de magnetische lekflux bij draaiing van de torsiestaaf te detecteren. De verloren-bewegingsverbinding is aan het koppeltransmissieorgaan toegevoegd en is veelal voorzien van uitstekende delen om overeenkomstige andere delen van deze verbinding na een vooraf bepaalde hoeveelheid draaiing aan te grijpen. Rond het koppeltransmissieorgaan en de verloren-bewegingsver- binding is een spoelhouder gelagerd met tenminste een aanstuurspoel en een aftastspoel. Bij de in bovengenoemd Amerikaans octrooischrift beschreven aanstuur- en aftastschakeling wordt een enkelvoudige primaire spoel gebruikt om een aanstuurveld teweeg te brengen terwijl twee differentieel aangesloten secundaire spoelen worden gebruikt om de verandering in magnetische lekflux af te tasten. Een probleem bij bovengenoemde bekende koppelaftastinrichting is dat de ingangs- en uitgangsashelften met de gemonteerde ferromagnetische elementen in de spoelhouder moeten worden geplaatst alvorens de torsieas vastgezet kan worden. Bij deze vastzetting is waarneming van de ferromagnetische elementen niet mogelijk daar de spoelhouder zich immers rond de ferromagnetische elementen bevindt. In de praktijk houdt dit in dat het vrijwel onmogelijk is om de ferromagnetische elementen nauwkeurig uit te richten. De koppelaftastinrichting moet enkele malen worden gedemonteerd alvorens tot een definitieve uitrichting en montage overgegaan kan worden.

De uitvinding beoogt dit probleem te ondervangen en tevens een zodanige uitvoering van de spoelhouder met bijbehorende spoelen rond het assamenstel aan te geven dat met grote gevoeligheid het koppel kan worden afgetast.

Dit wordt bij een koppelaftastinrichting van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt dat de spoelhouder binnen de behuizing, als een concentrische eenheid daarmede, is bevestigd, waarbij de behuizing met behulp van lagers op de ingangs- en uitgangsas is gelagerd, zodat de spoelhouder niet-contacterend concentrisch rond het samenstel van ingangs- en uitgangsas kan worden gepositioneerd en een verbeterde rotatiesymmetrie wordt verkregen.

Bij deze uitvoering volgens de uitvinding vormt de rotatie-symme-trische behuizing een concentrische bevestigingsplaats voor de spoelen waardoor deze vrijwel perfect axiaal zijn uitgelijnd. Door de legering met behulp van kogellagers van de behuizing is de spoelhouder perfect concentrisch gepositioneerd rond het midden van de as. Hierdoor zal deze spoelhouder en bijbehorende spoelen nooit in aanraking komen met het assamenstel en de ferromagnetische elementen. Er is sprake van een werkelijk niet-contacterende aftastinrichting. Slijtage als gevolg van wrijving kan hier niet optreden. De afwezigheid van - of aanzienlijk minder - wrijving heeft een gunstig effect op hysterisis.

Na de montage en nauwkeurige uitrichting van de beide ferromagnetische elementen of targets op het assamenstel wordt dit in de behuizing geplaatst waarin de spoelhouder reeds aanwezig is. Hierdoor kan veel tijd worden gewonnen tijdens de montage en kan tevens een grotere nauwkeurigheid bij het uitrichten van de ferromagnetische elementen worden bereikt. Door deze volgorde van montage kunnen beide targets ook als één geheel worden gemonteerd om na de montage op de as van elkaar te worden losgesneden. Dit wordt verderop toegelicht.

De uitvinding zal aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: fig. 1 een langsdoorsnede geeft van de koppelaftastinrichting volgens de uitvinding; fig. 2 een perspectivisch aanzicht geeft van de verloren-bewegings-verbinding; fig. 3 een zgn. ontwikkeld aanzicht geeft van de ferromagnetische elementen; fig. 4 een langsdoorsnede geeft van een variant van de inrichting uit fig. 1; en fig. 5 een schema geeft van de bij de koppelinrichting uit fig. 1 behorende aanstuur- en aftastschakeling.

Bij de in fig. 1 aangegeven aftastkoppelinrichting zijn met 6 de ingangsas, met 18 de uitgangsas, met 10 de behuizing, met 4 het koppel-transmissieorgaan of torsiestaaf, met 12 de spoelhouder met de aanstuur-en aftastspoelen en met 11, 28 de beide ferromagnetische elementen of targets aangegeven. Verder zijn met 26 een schroef, met 8 een bescherm-kap, met 7 een lager, met 14 een bus, met 17 een stelschroef, met 16.1 en 16.2 twee geleidende bussen, met 9 een paspen, met 13 een stelschroef, met 15 een naaldlager, met 19 een afdichtring, met 20 een lager, met 25 een afstendering, met 22 en 23 resp. een borgring en vul-ring, met 24 een beschermkap, met 3 een elektrische kabel, met 2 een kabelklem, met 1 een schroef, met 5 een spieverbinding en met 29 een stelschroef voor vastzetting van het koppeltransmissieorgaan en verlo-ren-bewegingsverbinding aan de ingangs- en uitgangsassen aangegeven.

De in fig. 1 aangegeven afstand C, waarover de uiteinden van de ingangsas 6 en de uitgangsas 18 tegenover elkaar liggen, bedraagt b.v. 0,3 tot 0,5 mm. In fig. 2 is aangegeven op welke wijze deze asuiteinden, wanneer ze bij de montage met speling in elkaar worden gebracht, de verloren-bewegingsverbinding of -koppeling vormen. De assen 6 en 18 omsluiten de hier niet-aangegeven torsiestaaf 4 en de bus 14. De afmetingen A en B verschillen een weinig, waardoor de mechanische stops 40 met enige speling in de stops 4l aangrijpen. Hierdoor is het mogelijk dat de ingangsas vanuit de middenstand b.v. over ± 3.5° draait voordat de uitgangsas wordt meegenomen en het ingangskoppel wordt overgedragen.

Bij de uitvoering volgens de uitvinding is de spoelhouder 12 con- centrisch binnen de rotatiesymmetrische behuizing 10 aangebracht en vormt daarmee een geheel voordat het assamenstel met ferromagnetische elementen gemonteerd gaat worden. De spoelhouder met de daarin opgenomen spoelen zijn daarbij vrijwel op perfecte wijze axiaal uitgelijnd. De ferromagnetische elementen 11, 28 worden eerst op de ashelften gemonteerd en nauwkeurig uitgericht.

De beide ferromagnetische elementen 11, 28 kunnen bij de montage elk afzonderlijk rond het assamenstel worden bevestigd en onderling uitgericht. Zij kunnen ook op de wijze zoals in figuur 3 aangegeven als één geheel rond het assamenstel worden aangebracht. Na de bevestiging kunnen zij op de plaatsen a en b van elkaar worden losgesneden. Op deze wijze worden uitrichtproblemen hierbij vermeden. Daarna wordt het complete assamenstel in de behuizing geplaatst waarin de spoelhouder reeds aanwezig is. Op deze wijze wordt gewaarborgd dat er geen contact tussen de spoelen en assamenstel optreedt. Hierbij is dan sprake van een werkelijke niet-contacterende omzetter.

De beide rond het assamenstel aangebracht, geleidende bussen 16.1 en 16.2 dienen voor afscherming van het magnetische veld zodat de flux-lljnen gedwongen worden door de ferromagnetische elementen te lopen en de concentratie van deze fluxlijnen in deze elementen groter wordt.

Doordat de spoelhouder 12 in de behuizing 10 is geplaatst en deze behuizing met behulp van de kogellagers 7, 20 is gelagerd op de as, is de spoelhouder 12 op vrijwel perfect concentrische wijze rond het midden van de as gepositioneerd. Het gevolg hiervan is dat deze spoelhouder nooit in aanraking zal komen met de as en de magnetische elementen.

Bovendien functioneert bij deze uitvoering de behuizing als een gesloten elektrische winding rond de spoelhouder. Doordat de behuizing gesloten en rotatiesymmetrisch is kan er geen variatie in de magnetische lekflux optreden als gevolg van rotatie van de as ten opzichte van de behuizing. Dit is een voordeel ten opzichte van de uitvoering met blikken mantel uit bovengenoemd Amerikaans octrooischrift, waarbij wel variatie door rotatie van de as optreedt, en waardoor het dynamische gedrag van de uitvoering volgens de uitvinding is verbeterd. Tevens functioneert de behuizing als afscherming tegen externe magnetische en elektrische velden.

In fig. 4 is een langsdoorsnede aangegeven van een variant van de in fig. 1 aangegeven koppelaftastinrichting. Bij deze variant vormen de uitgangsas 18 en de torsiestaaf k nu één geheel. Als gevolg hiervan kan het naaldlager 15 weggelaten worden. Voordelen van deze variant zijn dat er minder onderdelen nodig zijn, dat de moeilijke verbinding tussen uit- gangsas en torsiestaaf ontbreekt, en dat er geen speling meer mogelijk is tussen deze beide genoemde delen.

Bij deze variant worden radiale belastingen op de ingangsas nu door een naaldlager 45 opgenomen, dat het kogellager 7 uit fig. 1 vervangt. De radiale belastingen op de uitgangsas worden opgenomen door het kogellager 20 en een verder niet aangegeven pinionlager dat in het algemeen op de door 46 aangegeven positie is bevestigd. Een verder voordeel bij deze variant is dat de gezamenlijke axiale lengte van de ferromagnetische elementen 11, 28 is verkort van 34 mm naar 26 mm. In deze figuur is ook aangegeven op welke wijze de print 47 met de aanstuur- en aftastschakeling is bevestigd aan de kopse kant van de spoelhouder 12.

In fig. 5 is het elektrische schema aangegeven van de met voordeel in de inrichting volgens de uitvinding toegepaste aanstuur- en aftastschakeling. Hierin is met 31 een signaalgenerator aangegeven voor het opwekken voor de aanstuurstroom, met 32 het spoelsamenstel, met 35 een synchrone detector, met 36 een averager, en met 37 een condensator aangegeven. Het is uit de uitvoering volgens de stand van de techniek in het algemeen bekend om een oscillator aan te sluiten op een primaire aanstuurspoel en om twee differentieel aangesloten opneem- of aftast-spoelen te gebruiken. Bij een dergelijke uitvoering bepaalt de altijd aanwezige parasitaire capaciteit van de spoelen de maximale aanstuur of excitatiefrequentie van de primaire spoel. De optimalisatie van dergelijke spoelen teneinde een minimale parasitaire capaciteit te verkrijgen is kostbaar daar de windingen elkaar niet mogen raken. Er moet dan een afstandshouder tussen de windingslagen aanwezig zijn. Bovendien zal de parasitaire capaciteit van de beide secundaire spoelen nooit identiek zijn en een dergelijk verschil resulteert in een faseverschil tussen de signalen van beide secundaire spoelen met als gevolg vervorming van het verschilsignaal. De op een dergelijk spoelsamenstel aangesloten synchrone detector voor het uitlezen is zeer gevoelig voor de hiervoor beschreven foutbron.

Teneinde toch met goedkope spoelen uit te kunnen komen is een andere aanstuurmethode toegepast. Hierbij wordt een stroom gestuurd door een primaire spoel 33 die uit twee tegengesteld gewikkelde, in serie aangesloten primaire spoelhelften bestaat. Door deze uitvoering blijft er geen faseverschil over tussen de in beide secundaire spoelhelften opgewekte magnetische velden, n.l. de hoofdvelden staan tegengesteld. Er blijft slechts een kleine rimpel over. De enkelvoudige secundaire spoel 34 meet een veld derhalve dat niet door parasitaire capaciteit in de spoelen, waarop aangestuurd wordt, wordt beïnvloed. Het voor de synchrone detector 35 vereiste synchronisatiesignaal wordt verkregen door de spanning over een in serie met de primaire spoel aangesloten condensator 37. waarin de stuurstroom loopt, af te nemen. De spanning over deze condensator is 90° in fase gedraaid ten opzichte van de flux in de primaire spoel. Bij een onbelaste primaire spoel treedt er geen fase-draaiing op tussen synchronisatiesignaal en meetsignaal. In de praktijk zal er echter wel een kleine fasedraaiing optreden als gevolg van de parasitaire capaciteit van de primaire spoel en de belasting van deze spoel. Deze fasedraaiing heeft echter een veel geringer effect dan het faseverschil tussen de signalen van beide secundaire spoelen in het geval van traditionele aansturing.

Het feit dat er geen faseverschil in principe bestaat tussen synchronisatiesignaal en verschilsignaal leidt er toe dat er met een hogere aanstuurfrequentie kan worden gewerkt. Dit heeft een kortere responstijd van de gehele aftastinrichting tot gevolg. Bij de stand van de techniek wordt bijvoorbeeld gewerkt met een aanstuurfrequentie van tot aan 6 kHz, terwijl bij de uitvoering volgens de uitvinding met een aanstuurfrequentie van tot aan 60 kHz kan worden gewerkt.

In fig. 4 is rechts nog een grafiek gegeven van de uitgangsspanning in mV van de aanstuur- en aftastschakeling als functie van het ingangs-koppel in Kg.m. De knikpunten geven aan waar de verloren-bewegingsver-binding in de ene richting en in de andere richting aangrijpt.

Bovengenoemde koppelaftastinrichting kan zoals bovenvermeld in het bijzonder bij autostuursysternen worden toegepast. Bij kleine auto's bijvoorbeeld is het gewenst om een assistentie bij het parkeren te hebben. Het totale bekrachtigingssysteem bestaat dan uit de bovengenoemde koppelaftastinrichting, een verwerkingseenheid en een elektromotor. Bij lage snelheden wordt de elektromotor dan gestuurd door het signaal van de koppelaftastinrichting en geeft deze elektromotor een extra bekrachtiging af aan het stuursysteem. In plaats van de elektromotor als actuator kan een door de verbrandingsmotor of door een elektromotor aangedreven pomp worden gebruikt. Behalve bij lage snelheden kan het systeem ook continu werkend worden toegepast om een voertuigsnelheids-afhankelijke regeling te verkrijgen. Hierbij worden dan wel hogere eisen met betrekking tot de veiligheid gesteld.

Claims (5)

1. Met lekflux werkende koppelaftastinrichting voor een handmatige stuurwielbesturing met elektrische koppelbekrachtiging, voorzien van een behuizing, een ingangsas, een uitgangsas, een tussen ingangs- en uit-gangsas opgenomen koppeltransmissieorgaan met twee rond het samenstel van ingangsas en uitgangsas gemonteerde ferromagnetische elementen waarvan overeenkomstige delen in tussen elkaar stekende relatie tegenover elkaar staan en telkens discontinuïteiten vormen, en een bijbehorende verloren-bewegingsverbinding om de uitgangsas direct te koppelen aan de ingangsas nadat deze over een bepaalde hoek heeft gedraaid, en een spoelhouder met tenminste een aanstuurspoel en een aftastspoel om de verandering in lekflux bij de discontinuïteit te meten bij een draaiing van het koppeltransmissieorgaan, over een hoek kleiner dan de bepaalde hoek, door de aanleg van een koppel, met het kenmerk, dat de spoelhouder binnen de behuizing, als een concentrische eenheid daarmede, is bevestigd, waarbij de behuizing met behulp van lagers op de ingangs- en uitgangsas is gelagerd, zodat de spoelhouder niet-contacterend concentrisch rond het samenstel van ingangs- en uitgangsas kan worden gepositioneerd en een verbeterde rotatiesymmetrie wordt verkregen.

2. Werkwijze voor het monteren van de koppelaftastinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ferromagnetische elementen van het koppeltransmissieorgaan eerst rond het samenstel van ingangs- en uitgangsas worden bevestigd en uitgericht en dat vervolgens het complete assamenstel binnen de behuizing met spoelhouder wordt geplaatst.

3· Werkwijze voor het monteren van de koppelaftastinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ferromagnetische elementen van het koppeltransmissie-orgaan als één geheel uitgevoerd, met bij de discontinuïteiten aan elkaar verbonden delen, eerst rond het samenstel van ingangsas en uitgangsas worden bevestigd, waarna de ferromagnetische elementen bij de discontinuïteiten van elkaar worden losgesneden en dat vervolgens het complete assamenstel binnen de behuizing met spoelhouder wordt geplaatst.

4. Koppelaftastinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitgangsas en het koppeltransmissieorgaan als één geheel zijn uitgevoerd.

5. Koppelaftastinrichting volgens conclusie 1, voorzien van een aanstuur- en aftastschakeling, met het kenmerk, dat in de spoelhouder aan de primaire zijde de enkelvoudige aanstuurspoel met stroom wordt gestuurd en uit twee in serie aangesloten, tegengesteld gewikkelde spoelhelften bestaat en dat aan de secundaire zijde een enkelvoudige aftastspoel wordt gebruikt.