WO2014095878A1 - Sensorvorrichtung mit einer drehmomentsensoreinrichtung und einer lenkwinkelsensoreinrichtung für eine lenkwelle, welche ein lenkradseitiges eingangswellenteil und ein ausgangswellenteil aufweist, lenkwellenvorrichtung für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und verfahren zum herstellen einer lenkwellenvorrichtung - Google Patents

Sensorvorrichtung mit einer drehmomentsensoreinrichtung und einer lenkwinkelsensoreinrichtung für eine lenkwelle, welche ein lenkradseitiges eingangswellenteil und ein ausgangswellenteil aufweist, lenkwellenvorrichtung für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und verfahren zum herstellen einer lenkwellenvorrichtung Download PDF

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WO2014095878A1
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steering
sensor device
shaft part
rotor
magnet
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PCT/EP2013/076921
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Roman Schoepe
Dirk Rachui
Frank Jerems
Jens Thom
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Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D6/00—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits
    • B62D6/08—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque
    • B62D6/10—Arrangements for automatically controlling steering depending on driving conditions sensed and responded to, e.g. control circuits responsive only to driver input torque characterised by means for sensing or determining torque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0215—Determination of steering angle by measuring on the steering column

Definitions

  • Steering angle sensor device for a steering shaft which has a steering wheel-side input shaft part and an output shaft part, steering shaft device for a motor vehicle, motor vehicle and method for producing a steering shaft device
  • the invention relates to a sensor device for a steering wheel side
  • a torque sensor device having a magnet and a magnetic stator.
  • the magnet may be fixed to one of the shaft parts, and the magnetic stator is attachable to the other shaft part and adapted to conduct magnetic flux from the magnet to a magnetic sensor.
  • the sensor device also includes a steering angle sensor device for detecting a steering angle of the steering shaft, wherein the steering angle sensor device has a rotor and a detection device for detecting a rotational movement of the rotor.
  • the invention also relates to a steering shaft device with such a sensor device, a motor vehicle and a method for producing a steering shaft device for a motor vehicle.
  • Torque sensor means for detecting a on a steering shaft of a
  • a torque sensor device is, for example, from
  • a magnet - such as a ring magnet - arranged, while mounted on the other shaft part, a holder with a magnetic stator, which is opposite to the permanent magnet in the radial direction over a small air gap.
  • a stator - which usually consists of two separate stator parts - the magnetic flux of the magnet is passed to a first and a second flux guide, which then deliver the magnetic flux to a magnetic sensor - for example, a Hall sensor.
  • the magnetic sensor is located between the two flux guides, as is well visible for example in Figs. 7 and 8 of the document US 2004/0194560 A1.
  • Such a torque sensor device is also known from the document
  • steering angle sensor devices which serve to detect the current steering angle of the steering shaft are known from the prior art. Such a device can be seen for example from the document DE 10 2008 01 1 448 A1 as known.
  • a rotational movement of the steering shaft is transmitted here via a gear on a smaller gear, which carries a magnet.
  • the rotation of the smaller gear is then detected using a magnetic sensor.
  • Torque sensor device on the one hand and the steering angle sensor device on the other hand are integrally formed as a common structural unit.
  • Such a device with a torque sensor and a rotation angle sensor is
  • Torque sensor device is combined with the steering angle sensor device.
  • Such a sensor device is typically used at an interface between the steering wheel side input shaft part on the one hand and the output shaft part on the other hand, wherein the steering wheel side input shaft part is assigned to the steering wheel, while the output shaft part is associated with the handlebar.
  • Steering angle sensor device is relatively complex in such an integral sensor devices.
  • This object is achieved by a sensor device by a
  • a sensor device is designed for a steering shaft of a motor vehicle, which has a steering wheel-side input shaft part and an output shaft part, wherein the two shaft parts are preferably connected to one another via a torsion bar.
  • the sensor device comprises a torque sensor device for detecting a torque applied to the steering shaft and a
  • the torque sensor device for detecting a steering angle of the steering shaft.
  • the torque sensor device comprises a magnet which is attached to one of the shaft parts and a magnetic stator which is attached to the other shaft part and for conducting magnetic flux from the magnet to a magnet
  • Magnetic sensor is formed, optionally via a flux guide.
  • Steering angle sensor device in turn comprises a rotor which is connected to one of
  • Shaft parts is rotatably coupled, and a detection device for detecting the rotational movement of the rotor to determine the current steering angle.
  • the sensor device is designed such that the rotor of the steering angle sensor device can be coupled or coupled rotatably to the input shaft part.
  • the invention is based on several findings: it is based first on the
  • Output shaft portion of the steering column is rotatably coupled, i. behind said torsion bar, so that the steering angle signal is tapped from the output shaft part.
  • Twist angle of the torsion bar based on measured data of the
  • Torque sensor device must be determined and subtracted from the steering angle signal. This is on the one hand computationally relatively complex and also increases the computing time needed to determine the current steering angle.
  • the invention further builds on the finding that the disadvantages of the prior art can be circumvented by designing the sensor device such that the rotor can be rotatably coupled to the steering wheel-side input shaft part.
  • the steering angle sensor device provides measurement data from which directly the current steering angle can be precisely determined without an additional evaluation of the torque signal is required.
  • the magnet is usually attached to the input shaft part, while the magnetic stator (such as of soft magnetic material) on the
  • Output shaft part is attached.
  • the rotor is rotatably connected to the magnetic stator or with a holder of the stator, so that the rotor is rotatably coupled via the holder of the stator to the output shaft part, which is connected to the above-mentioned disadvantages.
  • the rotor is rotatably connected to the magnet and thus rotatably coupled via the magnet with the input shaft part.
  • this embodiment has the advantage that the advantages of the invention can be achieved without the existing sensor devices having to be reconfigured in a complex manner.
  • one of the elements rotor or magnet one, for example radial, recess or indentation
  • the other member may include a cam member which engages the recess and extends into the recess.
  • the rotor has an annular base body, in which the recess is formed, while the magnet is said
  • the recess is preferably inside
  • Insertion be provided which simplify the insertion of the driver element during axial mounting in the groove.
  • the recess and the driver element are preferably coordinated so that as little as possible clearance between the two elements is present in order to minimize the hysteresis in the measurement signal of the steering angle sensor device.
  • the driver element may for example be formed from the magnetic material itself or alternatively from an encapsulation, with which the magnet and a sleeve (for connection to the shaft part) are connected to each other.
  • the detection device for detecting the rotational movement of the rotor has a transmission, by means of which the rotational movement of the rotor can be transferred into a rotational movement of a magnetic element whose
  • movement can be detected by means of a magnetic detector (e.g., a Hall sensor).
  • the gear and the magnetic element are preferably arranged in a housing in which in addition, the rotor is rotatably mounted.
  • the rotor is thus axially rotatably mounted in the housing, in which also the transmission of the steering angle sensor device is housed.
  • This arrangement of the rotor directly to the transmission results in a much shorter tolerance chain, which leads to a significant reduction of the axial distance tolerances, which in turn proves to be particularly advantageous in the manufacture of the steering angle sensor device and on the other hand in the accuracy of detection of the steering angle.
  • the invention additionally relates to a steering shaft device for a motor vehicle, having a steering shaft which has a steering wheel-side input shaft part and a steering shaft
  • Output shaft part has, and with a sensor device according to the invention.
  • An inventive motor vehicle in particular a passenger car, comprises a steering shaft device according to the invention.
  • An inventive method is used to produce a steering shaft device for a motor vehicle by providing a steering shaft with a steering wheel side
  • Input shaft part and an output shaft part by providing a
  • a torque sensor device comprising a magnet fixed to one of the shaft parts and a magnetic stator fixed to the other shaft part, and providing a steering angle sensor device with a rotor for detecting a steering angle of the steering shaft, the rotor being rotatably coupled to the input shaft part ,
  • FIG. 1 shows a schematic and perspective illustration of a sensor device according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 in a schematic and perspective view of the sensor device in the assembled state.
  • the present embodiment is based, for example, on a combined
  • a sensor device 1 shown in Fig. 1 is designed for a steering shaft of a motor vehicle, a steering wheel side input shaft part (input shaft) and a
  • the sensor device 1 is an integrated device, which comprises both a torque sensor device and a steering angle sensor device, which are integrated in a common component. Therefore, the sensor device 1 is inserted at the interface between the input shaft part and the output shaft part.
  • the sensor device 1 has a carrier 2 designed as a carrier, which is connected in the exemplary embodiment with the output shaft part.
  • the holder 2 is formed for example of plastic and rotatably supported within a slider 3 at its inner periphery.
  • the slider 3 is fixedly mounted in the motor vehicle, so that the holder 2 can rotate with respect to the slider 3. As already stated, the holder 2 is thereby mounted rotatably on the output shaft part.
  • the magnet 4 (Permanent magnet) rotatably mounted and arranged so that the magnet 4 can be rotated relative to a magnetic stator 5 and the magnet 4 in addition ßerdem in radial overlap and located at a small radial distance from the stator 5.
  • the magnet 4 is integrally formed as a whole and has an inner sleeve 6, via which the magnet 4 is connected to the input shaft part.
  • the magnet 4 further comprises a magnetic material 7 (the actual permanent magnet), which is placed on the sleeve 6 and fixed, for example, with an encapsulation 8.
  • the magnetic stator 5 is e.g. formed of a soft magnetic material.
  • the stator 5 is attached to the holder 2 and usually consists of two separate stator parts whose teeth 9 and 10 alternately or in the circumferential direction in
  • the teeth 9, 10 point in the axial direction, the teeth 9 on the one hand and the teeth 10 on the other hand in opposite
  • the magnetic flux is thereby guided by the magnet 4 via the teeth 9, 10 and via the stator 5 to a flux guide, which is arranged in a housing 1 1 and which is arranged at a small distance from the stator 5.
  • the flux conductor then forwards the magnetic flux to a magnetic sensor,
  • a Hall sensor by means of which a signal is provided, which is dependent on a rotation between the stator 5 on the one hand and the magnet 4 on the other hand and thus dependent on the applied torque.
  • the torque sensor device thus includes the magnetic stator 5, the magnet 4, the flux guide and the said magnetic sensor.
  • the steering angle sensor device has an example
  • Plastic formed rotor 12 which is formed on the outer circumference with a tooth structure 13.
  • the rotor 12 is rotatably coupled to the magnet 4 and thus rotates together with the steering wheel side input shaft part.
  • Movement of the rotor 12 is a gear 14 is provided, which is arranged in an axially frontally disposed on the slider 3 housing 15.
  • Tooth structure 13 of the rotor 12 is engaged with a first gear 16 and a second gear 17.
  • an unillustrated magnetic element is integrated, which is arranged in axial overlap with a magnetic detector, which is arranged on a printed circuit board 18.
  • a third gear 19 is arranged, a so-called pinion.
  • the third gear 19 in turn includes a permanent magnet.
  • the gears 16, 17, 19 are housed in a receptacle 20 of the housing 15 and rotatably supported therein.
  • the receptacle 20 is radially offset from the holder 2 and the rotor 12.
  • an internal toothing, not shown, is provided, on which the gear 19 along a cycloid can roll.
  • the bore of the gear 17 is eccentrically formed for this purpose.
  • the printed circuit board 18 and a lid 21 are formed opposite to the receptacle 20 and close the gear 14 from the axial end side.
  • the one assembly forms a revolution sensor (revolution sensor) and comprises the gears 17, 19.
  • a gear ratio of rotor 12 to gear 19 of 6: 1 is selected.
  • the other module is used for fine determination of the angle of rotation (angle sensor) and essentially comprises the gear 16 with its permanent magnet. For example, a value of 1: 3 is selected for the gear ratio of rotor 12 to gear 16. From the two with the respective ones
  • Magnetic field detectors measured gear angles can then be calculated directly in a known manner on the vernier principle of the rotation angle of the steering shaft.
  • the rotor 12 is - unlike in the prior art - released from the holder 2 and stored separately from the holder 2.
  • the housing 15 of the transmission 14 is used for rotatable mounting of the rotor 12.
  • This housing 15 has a full circumference or over the entire circumference formed axial recess 22, which is formed on the axial end face of the housing 15.
  • the rotor 12 is brought into abutment with an axial bottom 23 of the recess 22 and thus rotatably supported in the housing 15.
  • the cover 21 has for this purpose an annular cover portion 24, by means of which the rotor 12 is enclosed within the recess 22.
  • the rotor 12 is then in direct engagement with the gears 16, 17, which has advantages in terms of
  • the rotor 12 is driven via the magnet 4.
  • the magnet 4 is directly connected to the input shaft part, while the rotor 12 is indirectly rotatably coupled via the magnet 4 with the input shaft part.
  • the rotor 12 has an annular base body 25, the outer circumference of the tooth structure 13 has on its Au, wherein on an inner periphery 26 of the base body 25, a radial recess 27 is formed in the form of a radial groove. This recess 27 is designed to receive a corresponding driver element 28, which on the
  • Magnet 4 is arranged.
  • the driver element 28 is in one embodiment of the
  • Formed magnetic material 7 is on the externa ßeren circumference of the magnetic material 7 radially outward. In the case of the axial mounting of the sensor device 1 or during the axial insertion of the magnet 4 into the interior of the stator 5, this is the case
  • Carrier element 28 may be provided, wherein this bevel is preferably formed on both sides, so that between the driver element 28 and the rotor 12 as low as possible clearance in the tangential direction is present to keep the hysteresis in the measurement signal of the steering angle sensor device low.
  • the driver element 28 may also be formed on the sleeve 6 of the magnet 4. Still alternatively, the driver element 28 can be formed during encapsulation with the encapsulation 8.

Abstract

Die Erfindung umfasst eine Sensorvorrichtung (1) für eine ein lenkradseitiges Eingangswellenteil und ein Ausgangswellenteil aufweisende Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, mit einer Drehmomentsensoreinrichtung (2, 4, 5) zur Erfassung eines auf die Lenkwelle aufgebrachten Drehmoments, wobei die Drehmomentsensoreinrichtung (2, 4, 5) einen Magneten (4), der an einem der Wellenteile befestigbar ist, und einen magnetischen Stator (5) aufweist, der an dem anderen Wellenteil befestigbar ist und zum Leiten von magnetischem Fluss von dem Magneten (4) hin zu einem Magnetsensor ausgebildet ist, und mit einer Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) zur Erfassung eines Lenkwinkels der Lenkwelle, wobei die Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) einen Rotor (12) und eine Erfassungseinrichtung (14, 18) zur Erfassung einer Drehbewegung des Rotors (12) aufweist, wobei der Rotor (12) der Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) mit dem Eingangswellenteil drehbar gekoppelt ist.

Description

Sensorvorrichtung mit einer Drehmomentsensoreinrichtung und einer
Lenkwinkelsensoreinrichtung für eine Lenkwelle, welche ein lenkradseitiges Eingangswellenteil und ein Ausgangswellenteil aufweist, Lenkwellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen einer Lenkwellenvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für eine ein lenkradseitiges
Lenkradwellenteil und ein Ausgangswellenteil aufweisende Lenkwelle eines
Kraftfahrzeugs, mit einer Drehmomentsensoreinrichtung, die einen Magneten und einen magnetischen Stator aufweist. Der Magnet kann an einem der Wellenteile befestigt werden, und der magnetische Stator ist an dem anderen Wellenteil befestigbar und zum Leiten von magnetischem Fluss von dem Magneten hin zu einem Magnetsensor ausgebildet. Die Sensorvorrichtung umfasst auch eine Lenkwinkelsensoreinrichtung zur Erfassung eines Lenkwinkels der Lenkwelle, wobei die Lenkwinkelsensoreinrichtung einen Rotor und eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Drehbewegung des Rotors aufweist. Die Erfindung betrifft au ßerdem eine Lenkwellenvorrichtung mit einer solchen Sensorvorrichtung, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Lenkwellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug.
Drehmomentsensoreinrichtungen zur Erfassung eines auf eine Lenkwelle eines
Kraftfahrzeugs aufgebrachten Drehmoments sind bereits Stand der Technik. Solche Drehmomentsensoreinrichtungen können beispielsweise bei elektrischen Lenksystemen eingesetzt werden. Eine Drehmomentsensoreinrichtung ist zum Beispiel aus dem
Dokument US 2004/0194560 A1 sowie aus der Druckschrift DE 102 40 049 A1 bekannt. Die Drehmomentsensoreinrichtung ist dabei an zwei sich in axialer Richtung
gegenüberliegenden Wellenteilen bzw. Teilwellen der Lenkwelle angebracht, welche über einen Torsionsstab miteinander verbunden sind. An dem ersten Wellenteil ist ein Magnet - etwa ein Ringmagnet - angeordnet, während auf dem anderen Wellenteil ein Halter mit einem magnetischen Stator angebracht ist, welcher dem Dauermagneten in radialer Richtung über einen kleinen Luftspalt gegenüberliegt. Über den Stator - welcher üblicherweise aus zwei separaten Statorteilen besteht - wird der magnetische Fluss des Magneten hin zu einem ersten und einem zweiten Flussleiter geleitet, welche dann den magnetischen Fluss an einen Magnetsensor - beispielsweise einen Hall-Sensor - abgeben. Der Magnetsensor befindet sich dabei zwischen den beiden Flussleitern, wie dies beispielsweise in den Fig. 7 und 8 des Dokuments US 2004/0194560 A1 gut erkennbar ist. Eine solche Drehmomentsensoreinrichtung ist außerdem aus dem Dokument
DE 10 2007 043 502 A1 bekannt.
Außerdem sind aus dem Stand der Technik auch Lenkwinkelsensoreinrichtungen bekannt, welche zur Erfassung des aktuellen Lenkwinkels der Lenkwelle dienen. Eine solche Einrichtung ist zum Beispiel aus dem Dokument DE 10 2008 01 1 448 A1 als bekannt zu entnehmen. Eine Drehbewegung der Lenkwelle wird hier über ein Getriebe auf ein kleineres Zahnrad übertragen, welches einen Magneten trägt. Die Rotation des kleineren Zahnrades wird dann mithilfe eines Magnetsensors erfasst.
Zum Stand der Technik gehören auch solche Vorrichtungen, bei denen die
Drehmomentsensoreinrichtung einerseits sowie die Lenkwinkelsensoreinrichtung andererseits integral als eine gemeinsame Baueinheit ausgebildet sind. Eine solche Vorrichtung mit einem Drehmomentsensor und einem Drehwinkelsensor ist
beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2010 033 769 A1 bekannt.
Das Interesse gilt vorliegend der genannten Sensorvorrichtung, bei welcher die
Drehmomentsensoreinrichtung mit der Lenkwinkelsensoreinrichtung kombiniert wird. Eine solche Sensorvorrichtung wird typischerweise an einer Schnittstelle zwischen dem lenkradseitigen Eingangswellenteil einerseits und dem Ausgangswellenteil andererseits eingesetzt, wobei das lenkradseitige Eingangswellenteil dem Lenkrad zugeordnet ist, während das Ausgangswellenteil der Lenkstange zugeordnet ist. Es wurde erkannt, dass im Stand der Technik die Bestimmung des Lenkwinkels mittels der
Lenkwinkelsensoreinrichtung bei derartigen integralen Sensorvorrichtungen relativ aufwändig ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einer Sensorvorrichtung der eingangs genannten Gattung die Bestimmung des aktuellen Lenkwinkels im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht werden kann und somit ohne viel Aufwand ermöglicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensorvorrichtung, durch eine
Lenkwellenvorrichtung, durch ein Kraftfahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist für eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs konzipiert, welche ein lenkradseitiges Eingangswellenteil und ein Ausgangswellenteil aufweist, wobei die beiden Wellenteile vorzugsweise über einen Torsionsstab miteinander verbunden sind. Die Sensorvorrichtung umfasst eine Drehmomentsensoreinrichtung zur Erfassung eines auf die Lenkwelle aufgebrachten Drehmoments sowie eine
Lenkwinkelsensoreinrichtung zur Erfassung eines Lenkwinkels der Lenkwelle. Die Drehmomentsensoreinrichtung umfasst einen Magneten, der an einem der Wellenteile befestigt wird, sowie einen magnetischen Stator, der an dem anderen Wellenteil befestigt wird und zum Leiten von magnetischem Fluss von dem Magneten hin zu einem
Magnetsensor ausgebildet ist, optional über einen Flussleiter. Die
Lenkwinkelsensoreinrichtung wiederum umfasst einen Rotor, der mit einem der
Wellenteile drehbar gekoppelt wird, sowie eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Drehbewegung des Rotors, um den aktuellen Lenkwinkel zu bestimmen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung so ausgebildet ist, dass der Rotor der Lenkwinkelsensoreinrichtung mit dem Eingangswellenteil drehbar gekoppelt bzw. koppelbar ist.
Die Erfindung basiert auf mehreren Erkenntnissen: Sie beruht zunächst auf der
Erkenntnis, dass die Bestimmung des aktuellen Lenkwinkels anhand von Messdaten der Lenkwinkelsensoreinrichtung im Stand der Technik relativ aufwändig ist. Eine weitere Erkenntnis besteht darin, dass der Aufwand im Stand der Technik dadurch verursacht wird, dass der Rotor der Lenkwinkelsensoreinrichtung in der Regel mit dem
Ausgangswellenteil der Lenksäule drehbar gekoppelt wird, d.h. hinter dem genannten Torsionsstab, so dass auch das Lenkwinkelsignal von dem Ausgangswellenteil abgegriffen wird. Der Aufwand besteht im Stand der Technik darin, dass der
Verdrehwinkel des Torsionsstabs anhand von Messdaten der
Drehmomentsensoreinrichtung ermittelt und von dem Lenkwinkelsignal subtrahiert werden muss. Dies ist einerseits rechentechnisch relativ aufwändig und erhöht außerdem die Rechenzeit, die zur Bestimmung des aktuellen Lenkwinkels benötigt wird. Die
Erfindung baut ferner auf der Erkenntnis auf, dass die Nachteile des Standes der Technik dadurch umgangen werden können, dass die Sensorvorrichtung derart ausgebildet wird, dass der Rotor mit dem lenkradseitigen Eingangswellenteil drehbar gekoppelt werden kann. Somit liefert die Lenkwinkelsensoreinrichtung Messdaten, aus denen unmittelbar der aktuelle Lenkwinkel präzise bestimmt werden kann, ohne dass eine zusätzliche Auswertung des Drehmomentsignals erforderlich ist. Im Stand der Technik wird der Magnet üblicherweise an dem Eingangswellenteil befestigt, während der magnetische Stator (etwa aus weichmagnetischem Material) an dem
Ausgangswellenteil befestigt wird. In der Regel wird der Rotor mit dem magnetischen Stator bzw. mit einem Halter des Stators drehfest verbunden, so dass der Rotor über den Halter des Stators mit dem Ausgangswellenteil drehbar gekoppelt ist, was mit den oben genannten Nachteilen verbunden ist. Um den Aufbau der bereits vorhandenen
Sensorvorrichtungen nicht in aufwändiger Weise umgestaltet zu müssen und die oben genannten Vorteile mit geringstem Aufwand erzielen zu können, wird in einer
Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, den Magneten weiterhin an dem
Eingangswellenteil zu befestigen, jedoch den Rotor von dem magnetischen Stator zu trennen bzw. zu lösen. Bevorzugt ist der Rotor mit dem Magneten drehbar verbunden und somit über den Magneten mit dem Eingangswellenteil drehbar gekoppelt. Wie bereits ausgeführt, hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass die Vorteile der Erfindung erzielt werden können, ohne dass die bereits vorhandenen Sensorvorrichtungen in aufwändiger Weise umgestaltet werden müssen.
Um die drehfeste Kopplung zwischen dem Magneten einerseits und dem Rotor andererseits auf technisch einfache Weise zu ermöglichen, kann eines der Elemente Rotor oder Magnet eine, beispielsweise radiale, Aussparung bzw. Einbuchtung
aufweisen, während das andere Element ein Mitnehmerelement aufweisen kann, welches in die Aussparung eingreift und sich in die Aussparung hinein erstreckt.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Rotor einen ringförmigen Grundkörper aufweist, in welchem die Aussparung ausgebildet ist, während der Magnet das genannte
Mitnehmerelement aufweist. Die Aussparung ist dabei vorzugsweise im inneren
Durchmesser bzw. am Innenumfang des Rotors ausgebildet und weist somit die Form einer Nut auf, in welche das auf dem Magneten befindliche Mitnehmerelement bei der axialen Montage der Vorrichtung geführt wird. Hierzu können insbesondere
Einführschrägen bereitgestellt werden, welche das Einführen des Mitnehmerelements bei der axialen Montage in die Nut vereinfachen. Die Aussparung und das Mitnehmerelement werden vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass möglichst ein geringes Spiel zwischen den beiden Elementen vorhanden ist, um die Hysterese in dem Messsignal der Lenkwinkelsensoreinrichtung möglichst gering zu halten. Das Mitnehmerelement kann beispielsweise aus dem Magnetmaterial selbst oder alternativ aus einer Umspritzung ausgeformt werden, mit welcher der Magnet und eine Hülse (zur Verbindung mit dem Wellenteil) miteinander verbunden werden. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Drehbewegung des Rotors ein Getriebe aufweist, mittels welchem die Drehbewegung des Rotors in eine Drehbewegung eines Magnetelements übertragbar ist, dessen
Bewegung wiederum mittels eines Magnetdetektors (z.B. eines Hall-Sensors) erfasst werden kann. Das Getriebe und das Magnetelement sind dabei vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet, in welchem zusätzlich auch der Rotor drehbar gelagert ist. Der Rotor ist somit axial in dem Gehäuse drehbar gelagert, in welchem auch das Getriebe der Lenkwinkelsensoreinrichtung untergebracht ist. Durch diese Anordnung des Rotors direkt an dem Getriebe ergibt sich eine wesentlich kürzere Toleranzkette, was zur erheblichen Reduktion der Achsabstandstoleranzen führt, was sich wiederum einerseits bei der Fertigung der Lenkwinkelsensoreinrichtung und andererseits bei der Genauigkeit der Erfassung des Lenkwinkels als besonders vorteilhaft erweist.
Die Erfindung betrifft au ßerdem eine Lenkwellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkwelle, welche ein lenkradseitiges Eingangswellenteil und ein
Ausgangswellenteil aufweist, und mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug, insbesondere eine Personenkraftwagen, umfasst eine erfindungsgemäße Lenkwellenvorrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Herstellen einer Lenkwellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug durch Bereitstellen einer Lenkwelle mit einem lenkradseitigen
Eingangswellenteil und einem Ausgangswellenteil, durch Bereitstellen einer
Drehmomentsensoreinrichtung mit einem Magneten, der an einem der Wellenteile befestigt wird, und einem magnetischen Stator, der an dem anderen Wellenteil befestigt wird, und durch Bereitstellen einer Lenkwinkelsensoreinrichtung mit einem Rotor zur Erfassung eines Lenkwinkels der Lenkwelle, wobei der Rotor mit dem Eingangswellenteil drehbar gekoppelt wird.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Lenkwellenvorrichtung, für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer und perspektivischer Darstellung eine Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 2 in schematischer und perspektivischer Darstellung die Sensorvorrichtung im zusammengebauten Zustand.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel baut beispielsweise auf einer kombinierten
Sensorvorrichtung auf, wie sie im Dokument DE 10 2010 033 769 A1 beschrieben ist. Eine in Fig. 1 dargestellte Sensorvorrichtung 1 ist für eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs konzipiert, die ein lenkradseitiges Eingangswellenteil (Eingangswelle) und ein
lenkstangenseitiges Ausgangswellenteil (Ausgangswelle) umfasst, wobei die beiden Wellenteile über ein Torsionselement miteinander verbunden sind. Die Sensorvorrichtung 1 ist eine integrierte Vorrichtung, welche sowohl eine Drehmomentsensoreinrichtung als auch eine Lenkwinkelsensoreinrichtung umfasst, welche in ein gemeinsames Bauteil integriert sind. Deshalb wird die Sensorvorrichtung 1 an der Schnittstelle zwischen dem Eingangswellenteil und dem Ausgangswellenteil eingesetzt.
Die Sensorvorrichtung 1 weist einen als Träger ausgebildeten Halter 2 auf, welcher im Ausführungsbeispiel mit dem Ausgangswellenteil verbunden wird. Der Halter 2 ist beispielsweise aus Kunststoff gebildet und innerhalb eines Gleitstücks 3 an seinem inneren Umfang drehbar gelagert. Das Gleitstück 3 wird dabei im Kraftfahrzeug ortsfest montiert, so dass sich der Halter 2 bezüglich des Gleitstücks 3 drehen kann. Wie bereits ausgeführt, wird der Halter 2 dabei an dem Ausgangswellenteil drehfest montiert.
An dem Eingangswellenteil der Lenkwelle hingegen wird ein Magnet 4
(Permanentmagnet) drehfest befestigt und so angeordnet, dass der Magnet 4 relativ zu einem magnetischen Stator 5 gedreht werden kann und sich der Magnet 4 au ßerdem in radialer Überlappung und in einem geringen radialen Abstand zum Stator 5 befindet. Der Magnet 4 ist insgesamt einstückig ausgebildet und weist eine innere Hülse 6 auf, über welche der Magnet 4 mit dem Eingangswellenteil verbunden wird. Der Magnet 4 weist des Weiteren ein Magnetmaterial 7 auf (den tatsächlichen Permanentmagneten), welches auf die Hülse 6 aufgesetzt und beispielsweise mit einer Umspritzung 8 befestigt ist.
Der magnetische Stator 5 ist z.B. aus einem weichmagnetischen Material gebildet. Der Stator 5 ist an dem Halter 2 befestigt und besteht üblicherweise aus zwei separaten Statorteilen, deren Zähne 9 bzw. 10 abwechselnd bzw. in Umfangsrichtung in
abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind. Die Zähne 9, 10 weisen in axialer Richtung, wobei die Zähne 9 einerseits und die Zähne 10 andererseits in entgegengesetzte
Richtungen zeigen. Der magnetische Fluss wird dabei vom Magneten 4 über die Zähne 9, 10 und über den Stator 5 hin zu einem Flussleiter geleitet, der in einem Gehäuse 1 1 angeordnet ist und welcher in einem geringen Abstand zum Stator 5 angeordnet ist. Der Flussleiter leitet den magnetischen Fluss dann weiter an einen Magnetsensor,
insbesondere einen Hall-Sensor, mittels welchem ein Signal bereitgestellt wird, welches abhängig von einer Verdrehung zwischen dem Stator 5 einerseits und dem Magneten 4 andererseits und somit abhängig von dem aufgebrachten Drehmoment ist.
Zur Drehmomentsensoreinrichtung gehören also der magnetische Stator 5, der Magnet 4, der Flussleiter und der genannte Magnetsensor.
Demgegenüber weist die Lenkwinkelsensoreinrichtung einen beispielsweise aus
Kunststoff gebildeten Rotor 12 auf, welcher au ßenumfänglich mit einer Zahnstruktur 13 ausgebildet ist. Der Rotor 12 wird mit dem Magneten 4 drehbar gekoppelt und dreht sich somit zusammen mit dem lenkradseitigen Eingangswellenteil. Zur Erfassung der
Bewegung des Rotors 12 ist ein Getriebe 14 vorgesehen, welches in einem axial stirnseitig an dem Gleitstück 3 angeordneten Gehäuse 15 angeordnet ist. Die
Zahnstruktur 13 des Rotors 12 steht in Eingriff mit einem ersten Zahnrad 16 sowie einem zweiten Zahnrad 17. In das Zahnrad 16 ist ein nicht dargestelltes Magnetelement integriert, das in axialer Überlappung mit einem Magnetdetektor angeordnet ist, der an einer Leiterplatte 18 angeordnet ist. Innerhalb des zweiten Zahnrads 17 ist ein drittes Zahnrad 19 angeordnet, ein sogenannter Ritzel. Das dritte Zahnrad 19 enthält wiederum einen Permanentmagneten. Die Zahnräder 16, 17, 19 werden in einer Aufnahme 20 des Gehäuses 15 untergebracht und darin drehbar gelagert. Die Aufnahme 20 liegt dabei radial versetzt zum Halter 2 bzw. zum Rotor 12. In der Aufnahme 20 ist eine nicht dargestellte Innenverzahnung vorhanden, an der das Zahnrad 19 entlang einer Zykloide abrollen kann. Die Bohrung des Zahnrads 17 ist hierzu exzentrisch ausgebildet. Die Leiterplatte 18 und ein Deckel 21 sind gegenstückig zur Aufnahme 20 ausgebildet und schließen das Getriebe 14 von der axialen Stirnseite her ein.
In typischen Fahrzeuglenkungen wird ein Bereich von 5 bis 7 vollen Umdrehungen der Lenkwelle eindeutig erfasst. Um auch bei mehr als einer vollen Umdrehung der Lenkwelle den absoluten Drehwinkel eindeutig zu bestimmen, werden zwei Baugruppen eingesetzt. Die eine Baugruppe bildet einen Umdrehungssensor (Revolution Sensor) und umfasst die Zahnräder 17, 19. Es wird beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von Rotor 12 zu Zahnrad 19 von 6:1 gewählt. Die andere Baugruppe dient der Feinbestimmung des Drehwinkels (Angle Sensor) und umfasst im Wesentlichen das Zahnrad 16 mit seinem Permanentmagneten. Für das Übersetzungsverhältnis von Rotor 12 zu Zahnrad 16 wird beispielsweise ein Wert von 1 :3 gewählt. Aus den beiden mit den jeweiligen
Magnetfelddetektoren gemessenen Zahnradwinkeln kann dann in bekannter Weise über das Nonius-Prinzip der Drehwinkel der Lenkwelle unmittelbar berechnet werden.
Es können auch alternative Methoden zur Bestimmung des absoluten Lenkwinkels verwendet werden, so dass die Erfindung nicht auf die dargestellte Methode beschränkt ist. Entscheidend ist lediglich, dass der Rotor 12 mit dem Eingangswellenteil drehfest gekoppelt wird, so dass der Lenkwinkel auf der Eingangsseite des Torsionsstabs erfasst wird.
Um die Anbindung des Rotors 12 an das Eingangswellenteil zu ermöglichen, wird der Rotor 12 - anders als im Stand der Technik - von dem Halter 2 gelöst und separat vom Halter 2 gelagert. Zur drehbaren Lagerung des Rotors 12 wird das Gehäuse 15 des Getriebes 14 genutzt. Dieses Gehäuse 15 weist eine vollumfänglich bzw. über den gesamten Umfang ausgebildete axiale Vertiefung 22 auf, welche an der axialen Stirnseite des Gehäuses 15 ausgebildet ist. Der Rotor 12 wird in Anlage mit einem axialen Boden 23 der Vertiefung 22 gebracht und somit in dem Gehäuse 15 drehbar gelagert. Der Deckel 21 weist dazu einen ringförmigen Deckelabschnitt 24 auf, mittels welchem der Rotor 12 innerhalb der Vertiefung 22 eingeschlossen wird. Der Rotor 12 steht dann in unmittelbarem Eingriff mit den Zahnrädern 16, 17, was Vorteile hinsichtlich der
Achsabstandstoleranzen bedingt durch eine erheblich kürzere Toleranzkette bietet.
Der Rotor 12 wird über den Magneten 4 angetrieben. Mit anderen Worten wird der Magnet 4 direkt mit dem Eingangswellenteil verbunden, während der Rotor 12 mittelbar über den Magneten 4 mit dem Eingangswellenteil drehfest gekoppelt wird. Der Rotor 12 hat einen ringförmigen Grundkörper 25, der an seinem Au ßenumfang die Zahnstruktur 13 aufweist, wobei an einem Innenumfang 26 des Grundkörpers 25 eine radiale Aussparung 27 in Form einer radialen Nut ausgebildet ist. Diese Aussparung 27 ist zur Aufnahme eines korrespondierenden Mitnehmerelements 28 ausgebildet, welches an dem
Magneten 4 angeordnet ist.
Bezug nehmend nun auf Fig. 2, welche die Sensorvorrichtung 1 in zusammengebautem Zustand zeigt, ist das Mitnehmerelement 28 in einer Ausführungsform aus dem
Magnetmaterial 7 ausgeformt und steht über den äu ßeren Umfang des Magnetmaterials 7 radial nach außen ab. Bei der axialen Montage der Sensorvorrichtung 1 bzw. beim axialen Einschieben des Magneten 4 in das Innere des Stators 5 greift somit das
Mitnehmerelement 28 in die radiale Aussparung 27 ein und wird dort axial eingeführt. Hierzu kann eine geeignete Einführschräge an der Aussparung 27 und/oder dem
Mitnehmerelement 28 vorgesehen sein, wobei diese Schräge vorzugsweise beidseitig ausgebildet ist, so dass zwischen dem Mitnehmerelement 28 und dem Rotor 12 möglichst geringes Spiel in tangentialer Richtung vorhanden ist, um die Hysterese im Messsignal der Lenkwinkelsensoreinrichtung gering zu halten.
Alternativ kann das Mitnehmerelement 28 auch an der Hülse 6 des Magneten 4 ausgebildet sein. Noch alternativ kann das Mitnehmerelement 28 beim Umspritzen mit der Umspritzung 8 ausgeformt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Sensorvorrichtung (1 ) für eine ein lenkradseitiges Eingangswellenteil und ein
Ausgangswellenteil aufweisende Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs, mit einer Drehmomentsensoreinrichtung (2, 4, 5) zur Erfassung eines auf die Lenkwelle aufgebrachten Drehmoments, wobei die Drehmomentsensoreinrichtung (2, 4, 5) einen Magneten (4), der an einem der Wellenteile befestigbar ist, und einen magnetischen Stator (5) aufweist, der an dem anderen Wellenteil befestigbar ist und zum Leiten von magnetischem Fluss von dem Magneten (4) hin zu einem Magnetsensor ausgebildet ist, und mit einer Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) zur Erfassung eines Lenkwinkels der Lenkwelle, wobei die
Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) einen Rotor (12) und eine
Erfassungseinrichtung (14, 18) zur Erfassung einer Drehbewegung des Rotors (12) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rotor (12) der Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) mit dem
Eingangswellenteil drehbar gekoppelt ist.
2. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Magnet (4) an dem Eingangswellenteil befestigbar ist und der Rotor (12) mit dem Magneten (4) drehbar verbunden ist.
3. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
eines der Elemente Rotor (12) oder Magnet (4) eine, insbesondere radiale, Aussparung (27) aufweist und das andere Element ein Mitnehmerelement (28) aufweist, welches sich in die Aussparung (27) hinein erstreckt.
4. Sensorvorrichtung (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rotor (12) einen ringförmigen Grundkörper (25) aufweist, in welchem die Aussparung (27) ausgebildet ist, und der Magnet (4) das Mitnehmerelement (28) aufweist.
5. Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungseinrichtung (14, 18) ein Getriebe (14) aufweist, mittels welchem die Drehbewegung des Rotors (12) in eine Drehbewegung eines Magnetelements übertragbar ist, wobei das Getriebe (14) und das Magnetelement in einem Gehäuse (15) der Sensorvorrichtung (1 ) angeordnet sind, und wobei der Rotor (12) in dem Gehäuse (15) drehbar gelagert ist.
6. Lenkwellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkwelle, welche ein
lenkradseitiges Eingangswellenteil und ein Ausgangswellenteil aufweist, und mit einer Sensorvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Kraftfahrzeug mit einer Lenkwellenvorrichtung nach Anspruch 6.
8. Verfahren zum Herstellen einer Lenkwellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug durch:
Bereitstellen einer Lenkwelle mit einem lenkradseitigen Eingangswellenteil und einem Ausgangswellenteil,
Bereitstellen einer Drehmomentsensoreinrichtung (2, 4, 5) mit einem Magneten
(4) , der an einem der Wellenteile befestigt wird, und einem magnetischen Stator
(5) , der an dem anderen Wellenteil befestigt wird und zum Leiten von magnetischem Fluss von dem Magneten (4) hin zu einem Magnetsensor ausgebildet wird, und
Bereitstellen einer Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) mit einem Rotor (12) zur Erfassung eines Lenkwinkels der Lenkwelle,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Rotor (12) der Lenkwinkelsensoreinrichtung (12, 14, 18) mit dem
Eingangswellenteil drehbar gekoppelt wird.
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