WO2019228965A1 - Sensoreinrichtung zur erfassung der drehlage einer sich drehenden welle mit einem angespritzten gebermagneten - Google Patents

Sensoreinrichtung zur erfassung der drehlage einer sich drehenden welle mit einem angespritzten gebermagneten Download PDF

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WO2019228965A1
WO2019228965A1 PCT/EP2019/063617 EP2019063617W WO2019228965A1 WO 2019228965 A1 WO2019228965 A1 WO 2019228965A1 EP 2019063617 W EP2019063617 W EP 2019063617W WO 2019228965 A1 WO2019228965 A1 WO 2019228965A1
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carrier pin
magnet
shaft
sensor device
encoder magnet
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PCT/EP2019/063617
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Albert Rauch
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Thyssenkrupp Presta Ag
Thyssenkrupp Ag
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft having the features of the preamble of claim 1, a method for assembling such a sensor device having the features of the preamble of claim 10 and an electro-mechanical power steering.
  • Electromechanical vehicle power steering systems have servo units that can be arranged as auxiliary power assistance devices on a pinion or a toothed rack of the steering gear.
  • An electric motor of the servo unit has a rotor position sensor (RPS), which measures the rotation angle of the rotor shaft.
  • RPS rotor position sensor
  • RPS conventionally have ring magnets which are press-fitted to a motor shaft. It should as possible no mechanical
  • Encoder magnet is designed as an injection molded component and molded directly onto the carrier pin. Furthermore, it is provided that a form fit by radial recesses and in the recesses protruding radial
  • Elevations between the carrier pin and the transmitter magnet is formed. This makes it possible to produce a particularly good connection between the carrier pin and the transmitter magnet. It is an object of the present invention, a sensor device for
  • Encoder magnet is provided in an injected injection molding plastic sleeve, which rotatably connects the carrier pin and the encoder magnet with each other.
  • the transmitter magnet can thus be manufactured inexpensively in an injection molding process in large quantities. During assembly, this is firmly connected by injection molding with the carrier pin, so that tensions and cracks in the components can be prevented by the plastic. Preferably, the connection is positive.
  • Encoder magnet surrounds the carrier pin preferably concentric.
  • the carrier pin on its outer side or outer peripheral surface preferably has a knurling, which is encapsulated by the plastic to form a positive fit with the
  • This knurling is preferably provided at a first end of the carrier pin. It is conceivable and possible that the knurling is formed at a second end of the carrier pin. More preferably, the knurling is provided in sections at the first end and / or the second end of the carrier pin.
  • the carrier pin has a first diameter and in the region of the section knurling a second diameter, wherein the second diameter is smaller than the first diameter.
  • the knurling can be, for example, a cross or longitudinal knurling. Furthermore, the knurling may be formed as straight and / or transverse and / or Schrägrändelung. The knurling may be formed in sections.
  • the transmitter magnet preferably has a central recess which has a non-round profile in cross section, whereby a rotationally fixed connection can likewise be produced.
  • the inner cross section is formed out of round.
  • the inner cross-section corresponding to the outer cross-section of the plastic sleeve may be polygonal, preferably a so-called trefoil profile, which is formed from a
  • connection forms an anti-twist device and a displacement safeguard in the axial direction.
  • the transmitter magnet is preferably arranged on the carrier pin at a shaft-distal end.
  • the carrier pin is preferably inserted into a recess which is introduced into an end face of the shaft.
  • the carrier pin thus rotatably connects the encoder magnet with the shaft, wherein between the
  • a first air gap is present, so that a magnetic short circuit can be avoided.
  • the first air gap preferably assumes a value which lies in a range between 0.5 mm and 2 mm and particularly preferably assumes a value of 1 mm.
  • the carrier pin is received on the side facing away from the encoder magnet side of the carrier pin in the opening of the shaft such that between the end face of the carrier pin and the shaft, a second air gap is provided so that the air in the bore of the shaft can be compressed by the pressing.
  • the bore of the shaft must be deeper than the press-in length of the carrier pin.
  • the second air gap is preferably less than or equal to the first air gap.
  • the inner diameter of the annular transmitter magnet is greater than the outer diameter of the carrier pin, so that an annular gap is formed between the carrier pin and the transmitter magnet is, which is taken from the plastic sleeve.
  • a method for mounting a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft, which is rotatably mounted in a housing, with an annular encoder magnet which can be fastened on a carrier pin which is connectable to the shaft comprising the following steps having:
  • This type of connection is, as already described above, easy to manufacture and inexpensive. In addition, it has the required torsional strength and wear of the components can be prevented.
  • the transmitter magnet is preferably produced in an injection molding process, in particular as a single component.
  • the carrier pin on its outer side has a knurling, so that the plastic flows around the knurling during injection, and forms a positive connection between the plastic and the carrier pin after cooling.
  • the donor magnet has a central recess which has a non-circular, preferably cloverleaf, profile in cross-section and which is surrounded by the plastic during injection molding, so that after cooling, a positive connection between the plastic and the donor magnet is formed.
  • an electromechanical power steering for a motor vehicle comprising a sensor device described above, wherein the shaft is a rotor shaft of an electric motor.
  • Figure 1 a schematic representation of an electromechanical
  • Figure 2 a perspective view of an electromechanical
  • Figure 3 a schematic representation of the assembly of a part of a
  • Figure 4 a schematic representation of a second step of
  • FIG. 6 a view of a part of the sensor device in the mounted one
  • FIG. 7 a view of the part of the shaft mounted on the shaft
  • FIG. 8 shows a cross section through the part of the sensor device in FIG.
  • FIG. 1 shows an electromechanical motor vehicle power steering system 1 with a steering wheel 2, which is non-rotatably coupled to a steering shaft 3.
  • the torque is then transmitted via the steering shaft 3 to a steering pinion 5.
  • the pinion 5 meshes in a known manner with a toothed segment 60 of a rack 6.
  • the steering pinion 5 forms together with the rack 6, a steering gear.
  • the rack 6 is slidably mounted in a steering housing in the direction of its longitudinal axis. At its free end, the tooth Rod 6 with tie rods 7 connected via ball joints, not shown.
  • the tie rods 7 themselves are connected in a known manner via steering knuckles, each with a steered wheel 8 of the motor vehicle.
  • a rotation of the steering wheel 2 leads via the connection of the steering shaft 3 and the pinion 5 to a longitudinal displacement of the rack 6 and thus to a pivoting of the steered wheels 8.
  • the steered wheels 8 learn about a roadway 80 a reaction, which counteracts the steering movement. For pivoting the wheels 8 consequently a force is required which makes a corresponding torque on the steering wheel 2 necessary.
  • An electric motor 9 with a
  • Rotor position sensor (RPS) of a servo unit 10 is provided to assist the driver in this steering movement.
  • the steering shaft 3 has an input shaft 30 connected to the steering wheel 2 and an output shaft 31 connected to the steering pinion 5.
  • the input shaft 30 and the output shaft 31 are rotationally coupled to each other via a torsion bar, not shown.
  • a torque sensor unit 11, as shown in FIG. 2, detects the rotation of the input shaft 30 with respect to the output shaft 31 as a measure of the torque manually applied to the steering shaft 3 or the steering wheel 2. This rotation between the input shaft 30 and the output shaft 31 can be determined via a rotation angle sensor.
  • This rotation angle sensor is also referred to as a torque sensor.
  • the torque sensor unit 11 has a ring magnet (permanent magnet) and magnetic flux guide connected in a rotationally fixed manner to the upper steering shaft 3.
  • the servo unit 10 provides steering assistance to the driver.
  • the servo unit 10 can serve as auxiliary power assistance device 10, 100, 101 either with a steering shaft 3, the
  • the respective auxiliary power assistance 10, 100, 101 contributes an auxiliary torque in the steering shaft 3, the steering pinion 5 and / or in the rack 6, whereby the driver is assisted in the steering work.
  • the three different auxiliary power supports 10, 100, 101 shown in FIG. 1 show alternative positions for their arrangement. Usually only one of the shown positions is occupied by a power assistance.
  • the servo unit can as Superimposed steering on the steering column or as Hilfsskraftunterstützungs- device to the pinion 5 or the rack 6 may be arranged.
  • FIG. 2 shows a torque sensor unit 11 which is part of an integral structural unit 110 which comprises a steering angle sensor unit 140.
  • Torque sensor unit 12 detects the rotation of the upper steering shaft 30 relative to the lower steering shaft 31 as a measure of the torque applied to the upper steering shaft 30 manually.
  • the steering angle sensor unit 140 measures the current steering angle of the lower steering shaft 31.
  • the upper steering shaft 30 and the lower steering shaft 31 are rotationally coupled to each other via a torsion bar.
  • the rotation between the upper steering shaft 30 and the lower steering shaft 31 can be determined via a rotation angle sensor.
  • This rotation angle sensor is also referred to as a torque sensor.
  • the torque sensor unit 11 has a ring magnet (permanent magnet) 150 and a magnetic flux conductor 160 rotatably connected to the upper steering shaft 30.
  • An associated sensor unit 170 is spatially fixed to the unit of the electric motor 9 is connected. Depending on the torque measured by the torque sensor unit 12, the servo unit 9 provides steering assistance to the driver.
  • Servomotor 9 is coupled to a worm shaft, not shown, via a rotor shaft.
  • the electric motor has a rotor position sensor (RPS) 90.
  • the worm shaft is the one with its worm engaged with a
  • Worm wheel 180 that is rotatably connected to a pinion or, as shown here, with the lower steering shaft 31.
  • FIGS. 3 to 5 show the assembly of a part of a sensor device for detecting the rotational position of a rotating shaft 12, preferably a motor shaft of the electric motor 9.
  • the sensor device has a transmitter magnet 13, which is non-rotatably connected to the shaft 12, on.
  • the encoder magnet 13 is fixed to a support pin 14 which is in a recess 15 is inserted, which is introduced into an end face 16 of the shaft 12.
  • the transmitter magnet 13 is a ring magnet, which sits on a shaft-distal end 17 of the carrier pin 14.
  • the carrier pin 14 thus rotatably connects the encoder magnet 13 with the shaft 12, wherein between the transmitter magnet 13 and the end face 16 of the shaft 12, an air gap 18 is present, which preferably in a range between 0.5mm and 2mm and more preferably a value of 1mm accepts.
  • the encoder magnet 13 is manufactured by injection molding as a single component. Thereafter, the encoder magnet 13, as shown in Figures 3 and 4, pushed onto the carrier pin 14 and held in the final position.
  • the encoder magnet 13 surrounds the carrier pin 14 concentrically.
  • the outer diameter of the carrier pin 14 is smaller in the connection region with the encoder magnet 13 than the inner diameter of the encoder magnet 13.
  • the encoder magnet 13 is thus of the carrier pin 14 by a
  • the transmitter magnet 13 is thus not in direct, direct contact with the carrier pin 14.
  • plastic is injected between the carrier pin 14 and the transmitter magnet 13 along the arrows in an injection molding process to form a rotationally secure and axially secure connection.
  • the arrangement of carrier pin 14 and encoder magnet 13 is surrounded by a first part of an injection mold 20.
  • the first part of the injection mold 20 is cup-shaped with a bottom 21 and a jacket 22 is formed.
  • the bottom 21 has a central recess 23 which is penetrated by the carrier pin 14.
  • the bottom 21 lies on the
  • FIG. 6 shows the mounted part of the sensor arrangement with carrier pin 14, transmitter magnet 13 and plastic sleeve 28.
  • the carrier pin 14 with the encoder magnet 13 arranged thereon is connected to the shaft 12 (see FIG. 7).
  • the carrier pin 14 is received on the side facing away from the encoder magnet side of the carrier pin in the shaft 12 such that between the end face of the carrier pin 14 and the shaft 12, a second air gap 180 is provided so that the air in the bore of the shaft by pressing 12 can be compressed.
  • the bore of the shaft 12 must be deeper than the press-in length of the carrier pin 14.
  • the second air gap 180 is preferably less than or equal to the first air gap 18.
  • the carrier pin 14 can, as shown in Figure 7, in a connecting portion with the shaft 12 may be connected via a knurling 29 and thus form a positive connection with the shaft.
  • the knurling 29 is provided on an outer circumferential surface of the carrier pin 14 and may be arranged on a second end of the carrier pin 14.
  • the diameter D2 may be smaller in the region of the knurling 29 than the base diameter D1 of the carrier pin 14.
  • the arrangement of the carrier pin 14, the encoder magnet 13 and the plastic sleeve 28 in cross-section in a preferred embodiment is shown.
  • the end of the carrier pin 14 to be introduced into the encoder magnet 13 has a knurling 29 on the outside.
  • Knurling 29 is preferably provided in a section on the first end of the carrier pin to be inserted into the encoder magnets, as shown in FIGS. 3-8, in order to provide a positive connection with the plastic sleeve 28.
  • a recess in the metallic carrier pin 14 may be provided so that the diameter D2 is smaller than the diameter D1 of the remaining carrier pin D1.
  • the central recess 131 of the transmitter magnet 13 is in profile
  • the molten plastic mass flows into the knurling 29 and the recess 131, so that after cooling, a positive connection between the plastic sleeve 28 and the encoder magnet 13 and the carrier pin 14 is formed indirectly an anti-rotation and preferably also an axial Displacement protection between encoder magnet 13 and carrier pin 14 forms.
  • the rotating shaft 12 is preferably a rotor shaft of the electric motor 9.
  • the electric motor has in a housing a housing-fixed stator and a rotating rotor shaft whose rotational position is detected by means of a sensor device (rotor position sensor).
  • the sensor device comprises the encoder magnet 13, which is non-rotatably connected to the rotor shaft 12, as well as a sensor fixed to the housing, which is capable of detecting magnetic field changes, which is capable of
  • the corresponding sensor signals of the sensor are evaluated in a control or control unit and can be used to adjust the electric motor.
  • the sensor is, for example, an AMR sensor (anisotropic magnetoresistive effect) or a Hall sensor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle (12) aufweisend einen ringförmigen Gebermagneten (13), der auf einem Trägerstift (14) befestigt ist, der mit der Welle (12) verbunden ist, wobei der Trägerstift (14) von dem Gebermagneten (13) umfangseitig umgeben ist, wobei zwischen dem Trägerstift (14) und dem Gebermagneten (13) eine in einem Spritzgussverfahren eingespritzte Kunststoffhülse (28) vorgesehen ist, die den Trägerstift (14) und den Gebermagneten (13) drehfest miteinander verbindet.

Description

Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle mit einem angespritzten Gebermagneten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Montage einer solchen Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10 und eine elektro- mechanische Servolenkung.
Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkungen weisen Servoeinheiten auf, die als Hilfskraftunterstützungseinrichtung an einem Ritzel oder einer Zahn- stange des Lenkgetriebes angeordnet sein können. Ein Elektromotor der Servoeinheit weist einen Rotorlagesensor (RPS) auf, der den Drehwinkel der Rotorwelle misst. Das RPS Signal wird zur Steuerung des Elektromotors verwendet.
RPS weisen herkömmlicherweise Ringmagnete auf, die mit Presssitz auf einer Motorwelle befestigt sind. Dabei sollen möglichst keine mechanischen
Spannungen auf den Ringmagneten übertragen werden, sodass dieser vom Grundkörper nicht abreißen oder losbrechen kann. Der Einsatz von Ring- magneten als Motormagneten macht es erforderlich, dass eine Verdreh- sicherheit und axiale Verschiebesicherheit gewährleistet ist. Es sind kraft-oder formschlüssige Verbindungen gefordert, denn Klebeverbindungen garantieren keine dauerhaft sichere Befestigung.
Aus der EP 2 350 573 Bl ist eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Dreh- lage einer sich drehenden Welle bekannt, die einen ringförmig ausgebildeten Gebermagneten aufweist, der auf einem Trägerstift sitzt, wobei der
Gebermagnet als Spritzgussbauteil ausgeführt ist und an den Trägerstift unmittelbar angespritzt ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Formschluss durch radiale Vertiefungen und in die Vertiefungen einragende radiale
Erhebungen zwischen dem Trägerstift und dem Gebermagneten gebildet wird. Dadurch lässt sich eine besonders gute Verbindung zwischen dem Trägerstift und dem Gebermagneten hersteilen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoreinrichtung zur
Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle anzugeben, die eine einfach herstellbare, verdrehsichere Verbindung zwischen dem Ringmagneten und der Welle aufweist, bei der Spannungen oder Risse an den Komponenten verhindert werden können.
Diese Aufgabe wird von einer Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur Montage einer solchen Sensoreinrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 10 sowie einer elektromechanischen Servolenkung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist eine Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle, insbesondere einer Motorwelle, aufweisend einen ring- förmigen Gebermagneten, der auf einem Trägerstift befestigt ist, der mit der Welle verbunden ist, vorgesehen, wobei der Trägerstift von dem Geber- magneten umgeben ist, und wobei zwischen dem Trägerstift und dem
Gebermagneten eine in einem Spritzgussverfahren eingespritzte Kunststoff- hülse vorgesehen ist, die den Trägerstift und den Gebermagneten drehfest miteinander verbindet. Der Gebermagnet kann somit in einem Spritzguss- verfahren in hoher Stückzahl kostengünstig gefertigt werden. Bei der Montage wird dieser mittels Spritzguss mit dem Trägerstift fest verbunden, so dass Spannungen und Risse in den Bauteilen durch den Kunststoff verhindert werden können. Vorzugsweise ist die Verbindung formschlüssig. Der
Gebermagnet umschließt den Trägerstift bevorzugt konzentrisch.
Zur Herstellung der drehfesten Verbindung weist der Trägerstift auf seiner Außenseite oder Außenumfangsfläche vorzugsweise eine Rändelung auf, die von dem Kunststoff umspritzt wird, um einen Formschluss mit dem
umspritzten Kunststoff zu bilden. Diese Rändelung ist vorzugsweise an einem ersten Ende des Trägerstifts vorgesehen. Es ist denkbar und möglich, dass die Rändelung an einem zweiten Ende des Trägerstifts ausgebildet ist. Weiter bevorzugt ist die Rändelung abschnittsweise an dem ersten Ende und/oder dem zweiten Ende des Trägerstifts vorgesehen. Der Trägerstift weist einen ersten Durchmesser auf und im Bereich der abschnittsweisen Rändelung einen zweiten Durchmesser, wobei der zweite Durchmesser kleiner ist als der erste Durchmesser. Die Rändelung kann zum Beispiel eine Kreuz- oder Längs- rändelung sein. Weiterhin kann die Rändelung als Gerad-und/oder Quer- und/oder Schrägrändelung ausgebildet sein. Die Rändelung kann abschnitts- weise ausgebildet sein. Der Gebermagnet weist bevorzugt eine zentrale Ausnehmung auf, die im Querschnitt ein unrundes Profil aufweist, wodurch ebenfalls eine drehfeste Verbindung hergestellt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Innenquerschnitt unrund ausgebildet. Beispielsweise kann der Innenquerschnitt korrespondierend zum Außenquer- schnitt der Kunststoffhülse mehreckig ausgebildet sein, bevorzugt ein sogenanntes Kleeblattprofil haben, welches gebildet wird aus einem
zylindrischen oder mehreckigen Grundprofil, welches bogenförmige radiale Aus- und/oder Einformungen hat. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Verbindung eine Verdrehsicherung und eine Verschiebesicherung in Axialrichtung aus.
Der Gebermagnet ist vorzugsweise auf dem Trägerstift an einem wellenfernen Ende angeordnet. Der Trägerstift ist bevorzugt in eine Ausnehmung, die in eine Stirnseite der Welle eingebracht ist, eingesetzt. Der Trägerstift verbindet somit drehfest den Gebermagneten mit der Welle, wobei zwischen dem
Gebermagneten und der Stirnseite der Welle ein erster Luftspalt vorhanden ist, sodass ein magnetischer Kurzschluss vermieden werden kann. Der erste Luftspalt nimmt vorzugsweise einen Wert an, welcher in einem Bereich zwischen 0,5mm und 2mm liegt und besonders bevorzugt einen Wert von 1mm annimmt. Der Trägerstift ist auf der vom Gebermagneten abgewandten Seite des Trägerstifts in der Öffnung der Welle derart aufgenommen, dass zwischen der Stirnseite des Trägerstifts und der Welle ein zweiter Luftspalt vorgesehen ist, sodass durch das Einpressen die Luft in der Bohrung der Welle komprimiert werden kann. In anderen Worten muss die Bohrung der Welle tiefer sein als die Einpresslänge des Trägerstifts. Der zweite Luftspalt ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem ersten Luftspalt.
Es ist allgemein vorteilhaft, wenn der Innendurchmesser des ringförmigen Gebermagneten größer ist als der Außendurchmesser des Trägerstifts, so dass zwischen dem Trägerstift und dem Gebermagneten ein Ringspalt ausgebildet ist, der von der Kunststoffhülse eingenommen ist.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Montage einer Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle, die in einem Gehäuse drehbar gelagert ist, mit einem ringförmigen Gebermagneten, der auf einem Trägerstift befestigbar ist, der mit der Welle verbindbar ist, vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Teilweises Einbringen des Trägerstifts in den Gebermagneten, wobei sich zwischen dem Gebermagneten und dem Trägerstift ein Ringspalt ausbildet,
- Einspritzen eines Kunststoffs in den Ringspalt zwischen Gebermagnet und Trägerstift zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung zwischen Geber- magnet und Trägerstift,
- Einbringen des Trägerstifts in die Welle.
Diese Art der Verbindung ist, wie oben bereits beschrieben, einfach herzu- stellen und kostengünstig. Zudem weist sie die benötigte Drehfestigkeit auf und ein Verschleiß der Bauteile kann verhindert werden.
Der Gebermagneten ist vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren, insbesondere als Einzelkomponente, hergestellt.
Bevorzugt weist der Trägerstift auf seiner Außenseite eine Rändelung auf, so dass der Kunststoff die Rändelung beim Einspritzen umfließt, und sich nach dem Abkühlen eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem Trägerstift ausbildet.
Vorzugsweise weist der Gebermagnet eine zentrale Ausnehmung auf, die im Querschnitt ein unrundes, bevorzugt kleeblattförmiges, Profil hat und die vom Kunststoff beim Spritzgießen umflossen wird, sodass nach dem Abkühlen eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem Gebermagnet entsteht.
Weiterhin ist eine elektromechanische Servolenkung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine zuvor beschriebene Sensoreinrichtung, vorgesehen, wobei die Welle eine Rotorwelle eines Elektromotors ist. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleichen Funktionen tragen gleiche Bezugszeichen. Es zeigen :
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer elektromechanischen
Servolenkung,
Figur 2: eine räumliche Ansicht einer elektromechanischen
Hilfskraftlenkung mit einem Elektromotor, einem
Drehmomentensensor und einm Lenkwinkelsensor,
Figur 3: eine schematische Darstellung der Montage eines Teils einer
Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle eines ersten Schrittes,
Figur 4: eine schematische Darstellung eines zweiten Schritts der
Montage,
Figur 5: eine schematische Darstellung eines dritten Schritts der Montage,
Figur 6: eine Ansicht eines Teils der Sensoreinrichtung im montierten
Zustand,
Figur 7: eine Ansicht des an der Welle montierten Teils der
Sensoreinrichtung, sowie
Figur 8: einen Querschnitt durch den Teil der Sensoreinrichtung im
Bereich des Gebermagnetes.
In der Figur 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist,
schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein
entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 5 übertragen. Das Ritzel 5 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 60 einer Zahnstange 6. Das Lenkritzel 5 bildet zusammen mit der Zahnstange 6 ein Lenkgetriebe. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahn- Stange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 5 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 80 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Dreh- moment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 9 mit einem
Rotorlagensensor (RPS) einer Servoeinheit 10 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen.
Die Lenkwelle 3 weist eine mit dem Lenkrad 2 verbundene Eingangswelle 30 und eine mit dem Lenkritzel 5 verbundene Ausgangswelle 31 auf. Die Ein- gangswelle 30 und die Ausgangswelle 31 sind drehelastisch über einen nicht gezeigten Drehstab miteinander gekoppelt. Eine Drehmomentsensoreinheit 11, wie in Figur 2 dargestellt, erfasst die Verdrehung der Eingangswelle 30 gegenüber der Ausgangswelle 31 als ein Maß des an der Lenkwelle 3 oder des Lenkrades 2 manuell ausgeübten Drehmomentes. Diese Verdrehung zwischen der Eingangswelle 30 und der Ausgangswelle 31 kann über einen Drehwinkel- sensor ermittelt werden. Dieser Drehwinkelsensor wird auch als Drehmoment- sensor bezeichnet. Die Drehmomentsensoreinheit 11 weist einen drehfest mit der oberen Lenkwelle 3 verbunden Ringmagneten (Permanentmagneten) und Magnetflussleiter auf. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 11 gemessen Drehmoments stellt die Servoeinheit 10 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit. Die Servoeinheit 10 kann dabei als Hilfskraftunter- stützungseinrichtung 10, 100, 101 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem
Lenkritzel 5 oder der Zahnstange 6 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraft- unterstützung 10, 100, 101 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 5 und/oder in die Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt. Die Servoeinheit kann dabei als Überlagerungslenkung an der Lenksäule oder als Hilfskraftunterstützungs- einrichtung an dem Ritzel 5 oder der Zahnstange 6 angeordnet sein.
Figur 2 zeigt eine Drehmomentsensoreinheit 11, die Teil einer integralen Baueinheit 110 ist, die eine Lenkwinkelsensoreinheit 140 umfasst. Die
Drehmomentsensoreinheit 12 erfasst die Verdrehung der oberen Lenkwelle 30 gegenüber der unteren Lenkwelle 31 als ein Maß des an der oberen Lenkwelle 30 manuell ausgeübten Drehmomentes. Die Lenkwinkelsensoreinheit 140 hingegen misst den aktuellen Lenkwinkel der unteren Lenkwelle 31.
Die obere Lenkwelle 30 und die untere Lenkwelle 31 sind drehelastisch über einen Drehstab miteinander gekoppelt. Die Verdrehung zwischen oberer Lenkwelle 30 und der unteren Lenkwelle 31 kann über einen Drehwinkelsensor ermittelt werden. Dieser Drehwinkelsensor wird auch als Drehmomentsensor bezeichnet. Die Drehmomentsensoreinheit 11 weist einen drehfest mit der oberen Lenkwelle 30 verbunden Ringmagneten (Permanentmagneten) 150 und einen Magnetflussleiter 160 auf. Eine dazugehörige Sensoreinheit 170 ist raumfest mit der Einheit des Elektromotors 9 verbunden. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 12 gemessenen Drehmoments stellt die Servoeinheit 9 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit.
In der Figur 2 ist weiterhin dargestellt, dass der Elektromotor oder ein
Servomotor 9 mit einer nicht dargestellte Schneckenwelle über eine Rotorwelle gekoppelt ist. Der Elektromotor weist einen Rotorlagensensor (RPS) 90 auf.
Die Schneckenwelle steht die mit ihrer Schnecke in Eingriff mit einem
Schneckenrad 180, dass mit einem Ritzel oder, wie hier dargestellt, mit der unteren Lenkwelle 31 drehfest verbunden ist. Bei einem Betrieb des
Elektromotors 9 wird die Schneckenwelle angetrieben und das Schneckenrad 180 dreht sich entsprechend um eine Drehunterstützung für die untere
Lenkwelle 31 bereitzustellen.
In den Figuren 3 bis 5 ist die Montage eines Teils einer Sensoreinrichtung zur Erfassung der Drehlage einer sich drehenden Welle 12, bevorzugt einer Motorwelle des Elektromotors 9, dargestellt. Die Sensoreinrichtung weist einen Gebermagneten 13, der drehfest mit der Welle 12 verbunden ist, auf. Der Gebermagnet 13 ist an einem Trägerstift 14 befestigt, der in eine Ausnehmung 15 eingesetzt ist, welche in eine Stirnseite 16 der Welle 12 eingebracht ist. Bei dem Gebermagneten 13 handelt es sich um einen Ringmagneten, der auf einem wellenfernen Ende 17 des Trägerstifts 14 sitzt. Der Trägerstift 14 verbindet somit drehfest den Gebermagneten 13 mit der Welle 12, wobei zwischen dem Gebermagneten 13 und der Stirnseite 16 der Welle 12 ein Luftspalt 18 vorhanden ist, welcher bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,5mm und 2mm und besonders bevorzugt einen Wert von 1mm annimmt.
Der Gebermagnet 13 wird im Spritzgussverfahren als Einzelkomponente gefertigt. Danach wird der Gebermagnet 13, wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt, auf den Trägerstift 14 aufgeschoben und in der Endposition gehalten. Der Gebermagnet 13 umgibt den Trägerstift 14 konzentrisch. Der Außendurchmesser des Trägerstiftes 14 ist dabei im Verbindungsbereich mit dem Gebermagneten 13 kleiner als der Innendurchmesser des Gebermagnetes 13. Der Gebermagnet 13 ist somit von dem Trägerstift 14 durch einen
Ringspalt 19 beabstandet. Der Gebermagnet 13 steht somit nicht im direkten, unmittelbaren Kontakt zu dem Trägerstift 14.
Wie in der Figur 5 dargestellt ist, wird zwischen dem Trägerstift 14 und dem Gebermagneten 13 Kunststoff entlang der Pfeile im Spritzgussverfahren zur Ausbildung einer drehsicheren und in axialer Richtung verschiebesicheren Verbindung eingespritzt. Dazu wird die Anordnung von Trägerstift 14 und Gebermagnet 13 von einem ersten Teil einer Spritzgussform 20 umgeben. Der erste Teil der Spritzgussform 20 ist topfförmig mit einem Boden 21 und einem Mantel 22 ausgebildet. Der Boden 21 weist eine zentrale Ausnehmung 23 auf, die von dem Trägerstift 14 durchsetzt wird. Der Boden 21 liegt auf der
Innenseite in Anlage mit einer ersten Stirnseite des Gebermagnetes 24. Der Mantel 22 des ersten Teils der Spritzgussform 20 deckt den Gebermagneten 13 radial nach außen, auf der Außenseite ab. Ein zweiter Teil der Spritzguss- form 25 liegt in Anlage mit der zweiten Stirnseite des Gebermagnetes 26. Dieser zweite Teil der Spritzgussform 25 weist eine ringförmige Ausnehmung 27 zum Einspritzen des Kunststoffs in den Ringspalt 19 zwischen Trägerstift 14 und Gebermagnet 13 auf. Im Spritzgussverfahren bildet sich eine Kunststoff- hülse 28 zwischen Trägerstift 14 und Gebermagnet 13 aus, die die beiden Bauteile 13,14 fest miteinander verbindet. Figur 6 zeigt den montierten Teil der Sensoranordnung mit Trägerstift 14, Gebermagnet 13 und Kunststoffhülse 28. Anschließend wird der Trägerstift 14 mit dem darauf angeordneten Gebermagnet 13 mit der Welle 12 verbunden (siehe Figur 7). Der Trägerstift 14 ist auf der vom Gebermagneten abge- wandten Seite des Trägerstifts in der Welle 12 derart aufgenommen, dass zwischen der Stirnseite des Trägerstifts 14 und der Welle 12 ein zweiter Luftspalt 180 vorgesehen ist, sodass durch das Einpressen die Luft in der Bohrung der Welle 12 komprimiert werden kann. In anderen Worten muss die Bohrung der Welle 12 tiefer sein als die Einpresslänge des Trägerstifts 14. Der zweite Luftspalt 180 ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem ersten Luftspalt 18. Der Trägerstift 14 kann, wie in der Figur 7 gezeigt, in einem Verbindungs- abschnitt mit der Welle 12 über eine Rändelung 29 verbunden sein und somit eine formschlüssige Verbindung mit der Welle eingehen. Die Rändelung 29 ist an einer Ausenumfangsfläche des Trägerstifts 14 vorgesehen und kann an einem zweiten Ende des Trägerstifts 14 angeordnet sein Der Durchmesser D2 kann im Bereich der Rändelung 29 kleiner ausgebildet sein als der Grund- durchmesser Dl des Trägerstifts 14.
In der Figur 8 ist die Anordnung des Trägerstiftes 14, des Gebermagneten 13 und der Kunststoffhülse 28 im Querschnitt in einer bevorzugten Ausführungs- form dargestellt. Das in den Gebermagneten 13 einzubringende Ende des Trägerstiftes 14 weist auf der Außenseite eine Rändelung 29 auf. Die
Rändelung 29 ist vorzugsweise in einem Abschnitt am ersten in den Geber- magneten einzubringenden Ende des Trägerstifts vorgesehen, wie in den Figuren 3-8 dargestellt, um eine formschlüssige Verbindung mit der Kunst - stoffhülse 28 bereitzustellen. Im Bereich der Rändelung kann eine Vertiefung im metallischen Trägerstift 14 vorgesehen sein, sodass der Durchmesser D2 kleiner ausgebildet ist als der Durchmesser Dl des restlichen Trägerstifts Dl. Die zentrale Ausnehmung 131 des Gebermagneten 13 ist im Profil
kleeblattförmig ausgestaltet. Bei dem Spritzgießvorgang fließt die aufge- schmolzene Kunststoffmasse in die Rändelung 29 und die Ausnehmung 131, sodass nach dem Abkühlen eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kunststoffhülse 28 und dem Gebermagneten 13 sowie dem Trägerstift 14 entsteht, die mittelbar eine Verdrehsicherung und bevorzugt auch eine axiale Verschiebesicherung zwischen Gebermagnet 13 und Trägerstift 14 bildet.
Bei der drehenden Welle 12 handelt es sich bevorzugt um eine Rotorwelle des Elektromotors 9. Der Elektromotor weist in einem Gehäuse einen gehäuse- festen Stator sowie eine rotierend gelagerte Rotorwelle auf, deren Drehlage mithilfe einer Sensoreinrichtung (Rotorpositionssensor) detektiert wird. Die Sensoreinrichtung umfasst den Gebermagneten 13, der drehfest mit der Rotorwelle 12 verbunden ist, sowie einen gehäusefest angeordneten Sensor, der Magnetfeldänderungen zu detektieren in der Lage ist, welche beim
Umlaufen der Rotorwelle sowie des Gebermagneten entstehen. Die
entsprechenden Sensorsignale des Sensors werden in einer Regel- oder Steuereinheit ausgewertet und können zur Einstellung des Elektromotors herangezogen werden. Bei dem Sensor handelt es sich zum Beispiel um einen AMR-Sensor (anisotroper magnetoresistiver Effekt) oder um einen Hall- Sensor.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoreinrichtung zum Erfassen der Drehlage einer rotierenden Welle (12) aufweisend einen ringförmigen Gebermagneten (13), der auf einem Trägerstift (14) befestigt ist, der mit der Welle (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstift (14) von dem Geber- magneten (13) umfangseitig umgeben ist, wobei zwischen dem Träger- stift (14) und dem Gebermagneten (13) eine in einem Spritzguss- verfahren eingespritzte Kunststoffhülse (28) vorgesehen ist, die den Trägerstift (14) und den Gebermagneten (13) drehfest miteinander verbindet.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung formschlüssig ist.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (13) den Trägerstift (14) konzentrisch umschließt.
4. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstift (14) auf seiner Außenseite eine Rändelung (29) aufweist.
5. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (13) eine zentrale Ausnehmung (131) aufweist, die im Querschnitt ein unrundes Profil aufweist.
6. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine Verdrehsicherung und eine Verschiebesicherung in Axialrichtung ausbildet.
7. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (13) auf den Trägerstift (14) an einem wellenfernen Ende (17) angeordnet ist.
8. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstift (14) in eine Ausnehmung (15), die in eine Stirnseite (16) der Welle (12) eingebracht ist, eingesetzt ist.
9. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des ringförmigen
Gebermagneten (13) größer ist als der Außendurchmesser des
Trägerstifts (14), so dass zwischen dem Trägerstift (14) und dem
Gebermagneten (13) ein Ringspalt (19) ausgebildet ist, der von der Kunststoffhülse (28) eingenommen ist.
10. Verfahren zur Montage einer Sensoreinrichtung zum Erfassen der
Drehlage einer rotierenden Welle (12), die in einem Gehäuse drehbar gelagert ist, mit einem ringförmigen Gebermagneten (13), der auf einem Trägerstift (14) befestigbar ist, der mit der Welle (12) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Teilweises Einbringen des Trägerstifts (14) in den Gebermagneten (13), wobei sich zwischen dem Gebermagneten (13) und dem Trägerstift (14) ein Ringspalt (19) ausbildet,
- Einspritzen eines Kunststoffs in den Ringspalt (19) zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung zwischen Gebermagnet (13) und Trägerstift (14),
- Einbringen des Trägerstifts (14) in die Welle (12).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Gebermagnet (13) in einem Spritzgussverfahren hergestellt ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstift (14) auf seiner Außenseite eine Rändelung (29) aufweist und der Kunststoff die Rändelung (29) umfließt, sodass nach dem
Abkühlen eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem Trägerstift (14) entsteht.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (13) eine zentrale Ausnehmung (131) aufweist, die im Querschnitt ein unrundes Profil aufweist und die vom Kunststoff beim Spritzgießen umflossen wird, sodass nach dem Abkühlen eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem Gebermagneten (13) entsteht.
14. Elektromechanische Servolenkung (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Welle (12) eine Rotorwelle eines Elektromotors (9) ist.
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