WO2021052525A1 - Sensoranordnung zur erfassung eines drehmomentes und einer drehwinkelstellung einer drehbeweglichen welle - Google Patents

Sensoranordnung zur erfassung eines drehmomentes und einer drehwinkelstellung einer drehbeweglichen welle Download PDF

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torque
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Thomas Lindenmayr
Bernd Wittmann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01L3/101Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a sensor arrangement for the simultaneous determination of a torque and a rotational angle position of a rotatable shaft.
  • the sensor arrangement can be used to determine a rotational angle position and a torque on a rotatable machine element, in particular on a steering element.
  • a method for determining the angle of rotation is known from DE19506938 A1.
  • the method described herein is used to determine the angle of rotation of a rotatable body over 360 °, which can serve as a steering shaft of a motor vehicle.
  • This rotatable body interacts with at least two further rotatable bodies.
  • the rotatable bodies are gears or ring gears, the teeth of which mesh with one another.
  • the angular position of the rotatable body is determined by means of two sensors which are connected to an electronic evaluation circuit which determines the actual angular position by means of an algorithm.
  • the number of teeth of the further rotatable bodies differ from the number of teeth of the first rotatable body, which enables a more precise determination of the angle of rotation.
  • EP 2 180296 A1 discloses a device for determining the angle of rotation for determining the position of the angle of rotation of a rotatable shaft, in particular for determining the angle of rotation of a steering shaft or a rotatable shaft of a motor vehicle coupled to it.
  • the device comprises a main rotor and an additional rotor coupled to the main rotor.
  • a first sensor unit is arranged on the main rotor, which is designed as an inductively acting sensor and has an induction rotor rotating with the main rotor and a stationary stator.
  • a second sensor unit is arranged on the additional rotor, which is designed as a magnetically acting sensor which has a sensor element and a magnetic body, the sensor element being designed to detect a movement of the magnetic body.
  • Rotational angle determination devices with sensor units which are designed as potentiometers are known from practice. These are subject to wear and tear and are prone to failure. Furthermore, the measurement accuracy is limited to a few degrees. Sensor units that are based on a magnetic measuring principle can influence each other negatively, which can falsify the measurement result.
  • Magnetically acting sensor units can be designed as anisotropic magnetoresistive sensors (AMR), as giant magnetoresistive sensors (GMR) or as Hall sensors.
  • AMR anisotropic magnetoresistive sensors
  • GMR giant magnetoresistive sensors
  • Hall sensors In order to cover a measuring range greater than 360 °, the known sensor units require at least one drive gear and at least one output gear. The signals obtained in this way are calculated into a single angle signal with the help of the Vernier algorithm.
  • external magnetic fields can act as a source of interference and influence the measurement to a not inconsiderable extent.
  • Sensor units which use optical sensors and have, for example, an active photodiode and an optical scale.
  • the accuracy of the measurement is limited by the accuracy of the optical scale. It is therefore expensive to manufacture and the sensor units are sensitive to dirt and temperature.
  • optical sensors require a comparatively large installation space.
  • Devices for determining the angle of rotation which have inductively acting sensors are also known. The combination of several inductively acting sensors is only possible to a limited extent, since the sensors can influence each other in an undesirable manner.
  • Strain gauges are preferred for measurements on a rotating machine element.
  • DE 102012208492 A1 discloses a strain gauge as a direct coating for torque measurement.
  • the direct coating consists of a metallic material with an applied insulation layer and a deformation-sensitive layer arranged on it.
  • the deformation-sensitive layer is structured according to the desired sensor shape using a laser.
  • H. et al. Magnetic torque measurement with low-cost sensor
  • Magnetic torque measurement with low-cost sensor describes a method for torque measurement in which the change in the permeability of the material of a rotating shaft is recorded by a sensor. This is done using the magneto-elastic effect of ferromagnetic materials. A change in length, which is caused by an externally applied moment, triggers a change in the magnetic properties of the material.
  • an object of the present invention is to provide an improved, cost-effective and space-saving sensor arrangement for simultaneously measuring a rotational angle position and a torque on a rotatable shaft, in particular a steering shaft.
  • the stated object is achieved by a sensor arrangement for measuring a rotational angle position and a torque on a rotatable shaft according to the attached claim 1.
  • the sensor arrangement according to the invention is designed to measure a rotational angle position and a torque on a rotatable shaft.
  • the shaft is preferably part of a steering system of a vehicle.
  • a main body is coupled to the rotatable shaft, which is rotated with the shaft and transmits its rotation to two rotatably coupled additional bodies.
  • Angle marks which are detected by rotation angle sensors, are each formed or arranged on the additional bodies.
  • the angle of rotation sensors are arranged opposite the additional bodies on a circuit board.
  • the board does not rotate or is fixed to the housing and carries an evaluation unit which receives the angle signals generated by the angle of rotation sensors.
  • the evaluation unit determines the actual angular position of the main body and the rotatable shaft connected to it using the vernier principle.
  • the main body is attached coaxially to the shaft and is preferably designed as a main gear.
  • the main gear drives the additional bodies, which are preferably formed as secondary gears, in the manner of a transmission.
  • the advantages of gears used in this way are that they work positively and without slippage and that they can transmit high torques.
  • the main body and the additional body can also be designed as friction wheels or comparable gear elements.
  • the additional bodies preferably have teeth as angle marks, the number of teeth of the two additional bodies preferably differing by one tooth in order to be able to represent the vernier principle. Using this principle, the determination accuracy for the rotational angle position of the shaft can be increased.
  • the additional bodies can be friction wheels or pulleys which are connected to the main body via a belt and are driven by the latter. The angular position of the shaft can in turn be determined on the basis of angle marks, for example marking lines, which are arranged on the belt pulley.
  • the board which is disk-shaped, is preferably attached coaxially to the shaft arrangement, so that the rotatable shaft runs through an opening in the board. This has the advantage of a space-saving arrangement.
  • the rotation angle sensors can preferably be formed by inductively and magnetically acting sensors.
  • the advantages of a combination of such sensors are that they cannot influence each other. This achieves the highest level of security, as several independent channels are available for signal evaluation.
  • Another advantage results from the use of the inductive sensors as a fine track of the vernier arrangement at high temperatures without temperature compensation being necessary.
  • inductive and magnetic sensors are insensitive to dirt. Across the way Magnetically acting sensors, the proposed sensor combination offers the advantage of a very precise and interference-insensitive measurement.
  • the rotation angle sensors arranged on the circuit board can be a combination of other sensors. Such combinations can be formed, for example, from an optical and an inductively acting sensor or an optical and magnetically acting sensor. However, a combination of similar sensors capable of determining angles is also possible.
  • a target for an inductively acting sensor or a magnet for interaction with a magnetically acting sensor is preferably located on the additional bodies, which are located opposite the rotation angle sensors arranged on the circuit board.
  • a torque sensor of the sensor arrangement simultaneously determines the torque of the rotatable shaft.
  • the torque sensor is coupled to the rotatable shaft and is preferably formed as a direct coating on the shaft.
  • This direct coating forms a strain sensor that determines the mechanical stresses that occur based on the acting moments and generates a torque signal.
  • This torque signal is passed on to the evaluation unit on the circuit board with the aid of a connecting line.
  • the connecting line has a section wound around the rotatable shaft several times in order to allow a rotation of the shaft starting from the zero position by at least - / + 360 °, preferably at least - / + 900 °, without destroying the connecting line or causing a Blockage of the wave is coming.
  • the evaluation unit determines the torque occurring on the rotatable shaft from the torque signal on the basis of implemented calculation rules and outputs this as well as the calculated angle of rotation position to higher-level units for further processing. Thanks to the connection line, there is no need for wireless telemetry or sliding contacts on the shaft.
  • the evaluation unit and the rotation angle sensors are preferably arranged on a surface facing away from the winding section of the connecting line.
  • the one facing the winding section of the connecting line Instead, the side of the board serves as a guide surface.
  • the connecting line realizes a transmission-safe, interference-insensitive, wired and, at the same time, sliding contact-free connection between the torque sensor and the evaluation unit.
  • the direct coating preferably consists of a multilayer system, composed of at least one protective layer and at least one metal coating. Furthermore, the multilayer system can comprise an insulation layer.
  • the metal coating is preferably designed to be stretch-sensitive and is arranged on the rotatable shaft.
  • the protective layer is preferably formed on the metal coating.
  • the direct coating can in particular be a multilayer system according to DE102012208492 A1.
  • the direct coating is particularly preferably designed in the form of a so-called Sensotect ⁇ coating. The advantage of such a direct coating is the precise measurement data acquisition. Furthermore, the direct coating is space-neutral.
  • the rotatable shaft is preferably part of an electromechanical steering system or is at least rotatably coupled to it in order to determine an absolute rotational angle position and a torque of the electromechanical steering system at the same time.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a side view
  • FIG. 2 shows a top view of the sensor arrangement according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor arrangement 01 according to the present invention.
  • the sensor arrangement 01 is used to determine a rotational angle position and a torque of a rotatable shaft 02, which Can be part of an electromechanical steering system and, in particular, is a steering shaft.
  • two rotatably coupled additional bodies 04, 05 in the form of toothed sensor wheels are arranged, which are caused to rotate by the gear 03.
  • the spatial arrangement of the additional bodies 04, 05 on the main body 03 can differ from the arrangement in FIG. 1.
  • Angle marks which in the simplest case are formed by the teeth, are attached to each of the sensor wheels 04, 05.
  • the sensor wheels 04, 05 here have a different number of teeth, which differ by one tooth and thus enable the vernier principle. These sensor wheels thus allow the angle to be determined more precisely than if an angle were only detected on the main body 03.
  • two rotation angle sensors 07, 08 are arranged on a circuit board 06, which evaluate the angle marks in order to determine the angle signals and to forward them to an evaluation unit 09 (see FIG. 2).
  • the evaluation unit 09 is preferably a micro-controller, which is fastened with further electronic components on the circuit board 06.
  • the disk-shaped plate 06 is arranged coaxially to the steering shaft 02.
  • the circuit board 06 can optionally also serve to support the steering shaft 02 in a rotatable manner.
  • the sensor arrangement further comprises a torque sensor 10 which is formed by a direct coating 11.
  • the direct coating 11 is applied in an axial area on the surface of the steering shaft 02, close to the side of the circuit board 06, on which preferably no components are arranged.
  • This direct coating 11 is preferably a so-called Sensotect® structure, which detects the torque of the steering shaft 02 and delivers it as a torque signal to the evaluation unit 09 via a connecting line 12 (see FIG. 2).
  • FIG. 2 shows a top view of the sensor arrangement 01 according to FIG. 1.
  • the circuit board 06 surrounds the steering shaft by having a shaft passage.
  • the circuit board 06 is arranged in a rotationally fixed manner; this can be implemented, for example, by fastening it to the housing or a bearing on the steering shaft 02.
  • FIG. 2 shows that the connecting line 12 winds spirally around the steering shaft 02 and rests on the circuit board 06.
  • the evaluation unit 09 is also seated on the circuit board 06, but on the side of the circuit board facing away from the connecting line.

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (01) zur zeitgleichen Bestimmung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Well (02). Die Sensoranordnung (01) umfasst zur Bestimmung des Drehwinkels einen Hauptkörper (03), zwei Zusatzkörpern (04, 05), welche drehgekoppelt am Hauptkörper (03) angeordnet sind, und zwei Drehwinkelsensoren (07, 08), welche in unmittelbarer Nähe zu den Zusatzkörpern (04, 05) an einer Platine (06) angeordnet sind. Hierbei werden die Winkel der Zusatzkörper (04, 05) durch die Drehwinkelsensoren (07, 08) ermittelt und als Winkelsignal an eine auf der Platine (06) angeordneten Auswerteeinheit (09) weitergeleitet. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung eine Direktbeschichtung (11), die ein Drehmomentsignal der drehbeweglichen Welle (02) erfasst und über eine Verbindungsleitung (12) an die Auswerteeinheit (09) leitet. Die Verbindungsleitung (12) besitzt einen mehrfach um die Welle (02) gewundenen Abschnitt, um eine Drehung der Welle um mindestens +/- 900° zu gestatten.

Description

Sensoranordnunq zur Erfassung eines Drehmomentes und einer
Drehwinkelstellunq einer drehbeweqlichen Welle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur zeitgleichen Bestimmung eines Drehmomentes und einer Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle. Die Sensoranordnung kann zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einem rotierbaren Maschinenelement, insbesondere an einem Lenkelement verwendet werden.
Ein Verfahren zur Drehwinkelbestimmung ist aus der DE19506938 A1 bekannt. Das hierin beschriebene Verfahren dient zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Körpers über 360°, welche als Lenkungswelle eines Kraftfahrzeuges dienen kann. Dieser drehbare Körper, wirkt dabei mit wenigstens zwei weiteren drehbaren Körpern zusammen. Beispielsweise sind die drehbaren Körper Zahnräder oder Zahnkränze, deren Zähne ineinandergreifen. Die Winkelstellung der drehbaren Körper wird mittels zweier Sensoren ermittelt, welche mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind, die mittels eines Algorithmus die tatsächliche Drehwinkelstellung bestimmt. Die Zähnezahlen der weiteren drehbaren Körper unterscheiden sich von der Zähnezahl des ersten drehbaren Körpers, wodurch eine genauere Drehwinkelbestimmung ermöglicht wird.
Aus der EP 2 180296 A1 ist eine Drehwinkelbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle bekannt, insbesondere zur Drehwinkelbestimmung einer Lenkungswelle oder einer damit gekoppelten drehbeweglichen Welle eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst einen Hauptrotor und einen mit dem Hauptrotor gekoppelten Zusatzrotor. Am Hauptrotor ist eine erste Sensoreinheit angeordnet, die als induktiv wirkender Sensor ausgebildet ist und einen mit dem Hauptrotor mitdrehenden Induktionsrotor sowie einen ruhenden Stator aufweist. Ferner ist am Zusatzrotor eine zweite Sensoreinheit angeordnet, welche als magnetisch wirkender Sensor ausgebildet ist, der ein Sensorelement und einen Magnetkörper aufweist, wobei das Sensorelement zur Erkennung einer Bewegung des Magnetkörpers ausgebildet ist. Aus der Praxis sind Drehwinkelbestimmungsvorrichtungen mit Sensoreinheiten bekannt, welche als Potentiometer ausgeführt sind. Diese unterliegen einem Verschleiß und sind störanfällig. Ferner ist die Messgenauigkeit auf einige Winkelgrade begrenzt. Sensoreinheiten, die auf einem magnetischen Messprinzip beruhen, können sich gegenseitig negativ beeinflussen, was eine Verfälschung des Messergebnisses bewirken kann.
Magnetisch wirkende Sensoreinheiten können als anisotrope magnetoresistive Sensoren (AMR), als giant magnetoresistive Sensoren (GMR) oder als Hall-Sensoren ausgeführt werden. Um einen Messbereich größer als 360° abzudecken, benötigen die bekannten Sensoreinheiten mindestens einen Antriebs- und mindestens ein Abtriebszahnrad. Die dadurch erhaltenen Signale werden mit Hilfe des Nonius- Algorithmus zu einem einzigen Winkelsignal verrechnet. Zudem können externe Magnetfelder als Störquelle wirken und die Messung in nicht unerheblichem Maße beeinflussen.
Ebenso sind Sensoreinheiten bekannt, welche optische Sensoren nutzen und beispielsweise eine aktive Fotodiode sowie einen optischen Maßstab aufweisen. Die Messgenauigkeit wird durch die Genauigkeit des optischen Maßstabs begrenzt. Die Herstellung ist daher teuer und die Sensoreinheiten sind schmutz und temperaturempfindlich. Weiterhin verlangen optische Sensoren einen vergleichsweise großen Bauraum. Bekannt sind auch Drehwinkelbestimmungsvorrichtungen, welche induktiv wirkende Sensoren aufweisen. Die Kombination mehrerer induktiv wirkender Sensoren ist nur bedingt möglich, da sich die Sensoren gegenseitig unerwünscht beeinflussen können.
Zur Messung an einem drehenden Maschinenelement werden Dehnungsmessstreifen bevorzugt. So ist aus der DE 102012208492 A1 ein Dehnungsmessstreifen als Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung bekannt. Die Direktbeschichtung besteht aus einem metallischen Material mit aufgebrachter Isolationsschicht und darauf angeordneter verformungssensitiver Schicht. Die verformungssensitive Schicht wird mittels Laser entsprechend der gewünschten Sensorform strukturiert. In Ruse, H. et al. : „Magnetische Drehmomentmessung mit Low-Cost Sensor“ ist ein Verfahren zur Drehmomentmessung beschrieben, bei welchem die Änderung der Permeabilität des Materials einer drehbewegten Welle durch einen Sensor erfasst wird. Dies geschieht unter Nutzung des magnetoelastischen Effekts ferromagnetischer Materialien. Hierbei löst eine Längenänderung, welche durch ein außen anliegendes Moment hervorgerufen wird, eine Änderung der magnetischen Eigenschaften des Materials aus. Diese Änderungen werden mittels einer Kreuzspulenanordnung im Sensor erfasst. Anhand der gemessenen Permeabilitätsänderung des Materials kann auf das Drehmoment geschlossen werden. Hierbei verringert sich die Permeabilität in Stauchungsrichtung und vergrößert sich in Dehnungsrichtung. Der durch die Permeabilitätsänderung hervorgerufene Magnetfluss induziert eine zum Drehmoment proportionale Spannung, welche auf das Drehmoment schließen lässt.
Ausgehend vom Stand der Technik wird eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen, eine verbesserte, kostengünstige und bauraumreduzierende Sensoranordnung zum zeitgleichen Messen einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Welle, insbesondere einer Lenkwelle bereitzustellen.
Die genannte Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung zum Messen einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Welle gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist zur Messung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Welle ausgebildet. Vorzugsweise ist die Welle Bestandteil einer Lenkung eines Fahrzeuges. An die drehbewegliche Welle ist ein Hauptkörper gekoppelt, welcher mit der Welle gedreht wird und seine Drehung an zwei drehgekoppelte Zusatzkörper überträgt. An den Zusatzkörpern sind jeweils Winkelmarken ausgebildet bzw. angeordnet, die von Drehwinkelsensoren erfasst werden. Die Drehwinkelsensoren sind gegenüberliegend zu den Zusatzkörpern auf einer Platine angeordnet. Die Platine ist nicht rotierend bzw. gehäusefest angeordnet und trägt eine Auswerteeinheit, welche die von den Drehwinkelsensoren generierten Winkelsignale empfängt. Die Auswerteeinheit ermittelt unter Anwendung des Nonius-Prinzips die tatsächliche Drehwinkelstellung des Hauptkörpers und der mit diesem verbundenen, drehbaren Welle.
Der Hauptkörper ist koaxial an der Welle befestigt und ist bevorzugt als Hauptzahnrad gestaltet. Das Hauptzahnrad treibt die bevorzugt als Nebenzahnräder gebildeten Zusatzkörper in der Art eines Getriebes an. Vorteile von derart eingesetzten Zahnrädern sind, dass sie formschlüssig und schlupffrei arbeiten und hohe Drehmomente übertragen können. Alternativ können der Hauptkörper und die Zusatzkörper auch als Reibräder oder vergleichbare Getriebeelemente gestaltet sein.
Als Winkelmarken besitzen die Zusatzkörper bevorzugt Zähne, wobei sich die Zahnzahl der beiden Zusatzkörper vorzugsweise um einen Zahn unterscheiden, um so das Nonius-Prinzip darstellen zu können. Anhand dieses Prinzips kann die Bestimmungsgenauigkeit für die Drehwinkelstellung der Welle erhöht werden. Alternativ können die Zusatzkörper Reibräder oder Riemenscheiben sein, welche über einen Riemen mit dem Hauptkörper verbunden sind und von diesem angetrieben werden. Anhand von Winkelmarken, beispielsweise Markierungslinien, die auf der Riemenscheibe angeordnet sind, kann wiederum die Drehwinkelstellung der Welle ermittelt werden.
Bevorzugt wird die Platine, welche scheibenförmig gebildet ist, koaxial zur Wellenanordnung angebracht, sodass die drehbewegliche Welle durch eine Öffnung in der Platine hindurchläuft. Dies bringt den Vorteil einer Bauraum sparenden Anordnung.
Die Drehwinkelsensoren können vorzugsweise durch induktiv und magnetisch wirkende Sensoren gebildet sein. Die Vorteile einer Kombination aus solchen Sensoren bestehen darin, dass diese sich nicht gegenseitig beeinflussen können. Damit wird ein Höchstmaß an Sicherheit erreicht, da mehrere unabhängige Kanäle zur Signalauswertung zur Verfügung stehen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Anwendung der induktiven Sensoren als Feinspur der Nonius-Anordnung bei hohen Temperaturen, ohne dass eine Temperaturkompensation notwendig ist. Des Weiteren sind induktive und magnetische Sensoren schmutzunempfindlich. Gegenüber rein magnetisch wirkenden Sensoren bietet die vorgeschlagene Sensorkombination den Vorteil einer sehr genauen und störungsunempfindlichen Messung. Alternativ können die auf der Platine angeordneten Drehwinkelsensoren eine Kombination aus anderen Sensoren sein. Solche Kombinationen können beispielsweise aus einem optischen und einem induktiv wirkenden Sensor oder einem optischen und magnetisch wirkenden Sensor gebildet sein. Aber auch eine Kombination aus gleichartigen winkelbestimmungsfähigen Sensoren ist möglich.
Vorzugsweise befindet sich auf den Zusatzkörpern, welche auf der Platine angeordneten Drehwinkelsensoren gegenüber liegen, je ein Target für einen induktiv wirkenden Sensor oder ein Magnet für das Zusammenspiel mit einem magnetisch wirkenden Sensor.
Des Weiteren bestimmt ein Drehmomentsensor der Sensoranordnung zeitgleich das Drehmoment der drehbeweglichen Welle. Der Drehmomentsensor ist hierbei an die drehbewegliche Welle gekoppelt und vorzugsweise als eine Direktbeschichtung auf der Welle gebildet. Diese Direktbeschichtung bildet einen Dehnungssensor, der aufgrund wirkender Momente die auftretenden mechanischen Spannungen ermittelt und ein Drehmomentsignal generiert. Dieses Drehmomentsignal wird mit Hilfe einer Verbindungsleitung an die Auswerteeinheit auf der Platine weitergeleitet. Die Verbindungsleitung besitzt einen mehrfach um die drehbewegliche Welle gewundenen Abschnitt, um eine Drehung der Welle ausgehende von der Nullstellung um mindestens -/+ 360°, vorzugsweise mindestens -/+ 900° zu gestatten, ohne dass es zu einer Zerstörung der Verbindungsleitung oder zu einer Blockade der Welle kommt. Die Auswerteeinheit bestimmt aus dem Drehmomentsignal anhand implementierter Berechnungsvorschriften das an der drehbeweglichen Welle auftretende Drehmoment und gibt dieses ebenso wie die berechnete Drehwinkelstellung an übergeordnete Einheiten zur weiteren Verarbeitung aus. Aufgrund der Verbindungsleitung kann auf drahtlose Telemetrie oder Schleifkontakte an der Welle verzichtet werden.
Weiterhin werden die Auswerteeinheit und die Drehwinkelsensoren bevorzugt auf einer dem gewundenen Abschnitt der Verbindungsleitung abgewandten Fläche angeordnet. Die dem gewundenen Abschnitt der Verbindungsleitung zugewandte Seite der Platine dient stattdessen als Führungsfläche. Die Verbindungsleitung realisiert eine übertragungssichere, störungsunempfindliche, kabelgebundene und gleichzeitig schleifkontaktfreie Verbindung zwischen Drehmomentsensor und Auswerteeinheit.
Die Direktbeschichtung besteht vorzugsweise aus einem Mehrschichtsystem, zusammengesetzt aus mindestens einer Schutzschicht und mindestens einer Metallbeschichtung. Weiterhin kann das Mehrschichtsystem eine Isolationsschicht umfassen. Vorzugsweise ist die Metallbeschichtung dehnungsempfindlich ausgebildet und auf der drehbeweglichen Welle angeordnet. Die Schutzschicht ist bevorzugt auf der Metallbeschichtung ausgebildet. Die Direktbeschichtung kann insbesondere ein Mehrschichtsystem gemäß der DE102012208492 A1 sein. Besonders bevorzugt ist die Direktbeschichtung in Form einer sogenannten Sensotect ©-Beschichtung gestaltet. Vorteil einer derart angewandten Direktbeschichtung ist die präzise Messdatenerfassung. Weiterhin ist die Direktbeschichtung bauraumneutral.
Vorzugsweise ist die drehbewegliche Welle Teil einer elektromechanischen Lenkung oder mit dieser wenigstens drehgekoppelt angeordnet, um eine absolute Drehwinkelstellung und ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkung zeitgleich zu ermitteln.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer Seitenansicht;
Fig. 2 eine Draufsicht der Sensoranordnung gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 01 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Sensoranordnung 01 dient zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments einer drehbeweglichen Welle 02, welche Teil einer elektromechanischen Lenkung sein kann und insbesondere eine Lenkwelle ist. Auf dieser Lenkwelle 02 ist ein Hauptkörper 03 in Form eines Zahnrades angeordnet, welcher mit der drehbeweglichen Lenkwelle 02 rotiert. An diesem Zahnrad 03 sind zwei drehgekoppelte Zusatzkörper 04, 05 in Form von verzahnten Sensorrädern angeordnet, welche vom Zahnrad 03 zur Drehung veranlasst werden.
Es besteht die Möglichkeit den Hauptkörper 03 größer als die Zusatzkörper bzw. Sensorräder 04, 05 auszuführen, wodurch die Zusatzkörper 04, 05 eine größere Drehgeschwindigkeit als der Hauptkörper 03 zeigen. Alternativ kann sich die räumliche Anordnung der Zusatzkörper 04, 05 am Hauptkörper 03 von der Anordnung in der Fig. 1 unterscheiden. Auf jedem der Sensorräder 04, 05 sind Winkelmarken angebracht, die im einfachsten Fall durch die Zähne gebildet sind. Die Sensorräder 04 ,05 haben hierbei eine unterschiedliche Zahnanzahl, welche sich um einen Zahn unterscheidet und somit das Nonius-Prinzip ermöglicht. Somit gestatten diese Sensorräder eine präzisere Winkelbestimmung als wenn nur am Hauptkörper 03 eine Winkelerfassung erfolgen würde. Unmittelbar gegenüber den Sensorrädern 04, 05 sind zwei Drehwinkelsensoren 07, 08 auf einer Platine 06 angeordnet, welche die Winkelmarken auswerten, um die Winkelsignale zu ermitteln und an eine Auswerteeinheit 09 (siehe Fig 2) weiter zu leiten. Die Auswerteeinheit 09 ist vorzugsweise ein Mikro-Controller, der mit weiteren elektronischen Bauteilen auf der Platine 06 befestigt ist.
Die scheibenförmige Platine 06 ist koaxial zur Lenkwelle 02 angeordnet. Die Platine 06 kann ggf. auch der drehbeweglichen Lagerung der Lenkwelle 02 dienen.
Die Sensoranordnung umfasst weiterhin einen Drehmomentsensor 10, der durch eine Direktbeschichtung 11 gebildet ist. Die Direktbeschichtung 11 ist in einem axialen Bereich an der Oberfläche der Lenkwelle 02 aufgebracht, nah an der Seite der Platine 06, auf welcher vorzugsweise keine Bauteile angeordnet sind. Vorzugsweise ist diese Direktbeschichtung 11 eine sogenannte Sensotect®-Struktur, welche das Drehmoment der Lenkwelle 02 erfasst und als Drehmomentsignal über eine Verbindungsleitung 12 (siehe Fig. 2) an die Auswerteeinheit 09 liefert. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Sensoranordnung 01 gemäß Fig. 1. Wie in der Draufsicht erkennbar ist, umgibt die Platine 06 die Lenkwelle, indem sie einen Wellendurchlass besitzt. Auf nicht weiter gezeigte Weise ist die Platine 06 dabei drehfest angeordnet, dies kann beispielsweise durch eine Befestigung am Gehäuse oder ein Lager auf der Lenkwelle 02 realisiert sein. Weiterhin zeigt die Fig. 2, dass sich die Verbindungsleitung 12 spiralförmig um die Lenkwelle 02 windet und auf der Platine 06 aufliegt. Weiterhin sitzt auf der Platine 06 die Auswerteeinheit 09, jedoch auf der von der Verbindungsleitung abgewandten Seite der Platine.
Bezuqszeichenliste
01 Sensoranordnung 02 drehbewegliche Welle 03 Hauptkörper
04 erster Zusatzkörper 05 zweiter Zusatzkörper 06 Platine
07 erster Drehwinkelsensor 08 zweiter Drehwinkelsensor
09 Auswerteeinheit
10 Drehmomentsensor
11 Direktbeschichtung
12 Verbindungsleitung

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung (01) zur gleichzeitigen Bestimmung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Welle (02), umfassend:
- die drehbewegliche Welle (02), welche ausgehend von einer Nullstellung um mindestens -/+ 360° drehbar ist;
- einen Hauptkörper (03), welcher an die drehbewegliche Welle (02) gekoppelt ist;
- zwei Zusatzkörper (04, 05), welche an den Hauptkörper (03) drehbar gekoppelt sind und jeweils eine Vielzahl von umfangsverteilten Winkelmarken aufweisen;
- eine Platine (06), welche drehfest angeordnet ist,
- zwei Drehwinkelsensoren (07,08), welche gegenüberliegend zu den Winkelmarken der Zusatzkörpern (04, 05) auf der Platine (06) angeordnet sind und jeweils ein Winkelsignal liefern;
- eine Auswerteeinheit (09), welche auf der Platine (06) angeordnet ist und die von den Drehwinkelsensoren (07,08) gelieferten Winkelsignale empfängt und daraus die Drehwinkelstellung der Welle (02) bestimmt; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung weiterhin einen Drehmomentsensor (10) umfasst, welcher als eine strukturierte, dehnungssensitive Direktbeschichtung (11 ) an der drehbewegliche Welle (02) ausgebildet ist und ein Drehmomentsignal über eine angeschlossene Verbindungsleitung (12) an die Auswerteeinheit (09) liefert, welche daraus das Drehmoment an der Welle berechnet, wobei die Verbindungsleitung (12) zwischen dem Drehmomentsensor (10) und der Auswerteeinheit (09) einen mehrfach um die Welle (02) gewunden Abschnitt besitzt, um die Drehung der Welle (02) ausgehend von der Nullstellung um mindestens -/+ 360° zu gestatten.
2. Sensoranordnung (01 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper als ein koaxial an der drehbeweglichen Welle (02) befestigtes Hauptzahnrad (03) gebildet ist, welches antreibend in zwei die Zusatzkörper bildenden Nebenzahnräder (04, 05) eingreift.
3. Sensoranordnung (01) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmarken durch die Zähne der Nebenzahnräder (04, 05) gebildet sind, wobei die Zahnanzahl der beiden Nebenzahnräder um einen Zahn differiert, sodass die gelieferten Winkelsignale von der Auswerteeinheit (09) gemäß einem Nonius-Prinzip verarbeitet werden können.
4. Sensoranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (06) scheibenförmig gebildet ist und einen Wellendurchlass besitzt, durch welchen die drehbewegliche Welle (02) drehbar hindurchgeführt ist.
5. Sensoranordnung (01) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (09) und die Drehwinkelsensoren (07, 08) auf einer dem gewunden Abschnitt der Verbindungsleitung (12) abgewandten Fläche der Platine (06) angeordnet sind, und dass die dem gewunden Abschnitt der Verbindungsleitung (12) zugewandte Fläche der Platine (06) als Führungsfläche für den gewundenen Abschnitt der Verbindungsleitung (12) fungiert.
6. Sensoranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Direktbeschichtung (11) als Mehrschichtsystem ausgebildet ist, welches aus mindestens einer Schutzschicht und mindestens einer dehnungsempfindlichen Metallbeschichtung besteht.
7. Sensoranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkelsensoren (07, 08) als winkelbestimmungsfähige Sensoren in Form von induktiv wirkenden und/oder magnetisch wirkenden Sensoren ausgebildet sind.
8. Sensoranordnung (01 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Zusatzkörpern (04, 05) je ein Target für einen induktiv wirkenden Sensor angeordnet ist.
9. Sensoranordnung (01) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Zusatzkörpern (04, 05) Magnete für einen magnetisch wirkenden Sensor angeordnet sind.
10. Sensoranordnung (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbewegliche Welle (02) Bestandteil einer Lenkung eines Fahrzeugs ist, wobei die Welle um mindestens -/+ 900° verdrehbar ist.
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