WO2021165170A1 - Elektromechanische hilfskraftlenkung mit einteiliger sensorwelle und magnetoelastischem drehmomentsensor - Google Patents

Elektromechanische hilfskraftlenkung mit einteiliger sensorwelle und magnetoelastischem drehmomentsensor Download PDF

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WO2021165170A1
WO2021165170A1 PCT/EP2021/053577 EP2021053577W WO2021165170A1 WO 2021165170 A1 WO2021165170 A1 WO 2021165170A1 EP 2021053577 W EP2021053577 W EP 2021053577W WO 2021165170 A1 WO2021165170 A1 WO 2021165170A1
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steering
sensor
shaft
torque
unit according
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PCT/EP2021/053577
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Benedikt Hödl
Martin Graf
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Thyssenkrupp Presta Ag
Thyssenkrupp Ag
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
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    • G01L5/221—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to steering wheels, e.g. for power assisted steering
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
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    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0403—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by constructional features, e.g. common housing for motor and gear box
    • B62D5/0406—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by constructional features, e.g. common housing for motor and gear box including housing for electronic control unit

Definitions

  • the present invention relates to a steering unit with the features of the preamble of claim 1, in particular for an electromechanical power steering system of a motor vehicle.
  • Torque sensors conventionally have a rotation angle sensor.
  • two shaft parts that can be rotated to a limited extent in relation to one another are elastically coupled to one another via a torsion spring. If a shaft part is rotated against the other shaft part by a torque exerted by the driver of the vehicle, the relative angle of rotation is essentially proportional to the torque introduced. For an exact determination of the torque it is important to be able to measure the angle of rotation precisely.
  • Such a torque sensor is known, for example, from the laid-open specification DE 10 2007 043 502 A1.
  • a ring magnet is arranged on the upper steering shaft, while a holder with a magnetic stator is attached to the lower steering shaft, which is opposite the permanent magnet in the radial direction via a small air gap.
  • the stator which usually consists of two separate stator parts, the magnetic flux of the magnet is conducted to a first and a second flux guide, which then emit the magnetic flux to a magnetic sensor - for example a Hall sensor.
  • the disadvantage of this three-part shaft and the torque sensor is the large number of individual parts, which causes correspondingly high costs.
  • a steering unit having a one-piece sensor shaft and a torque sensor unit for detecting a torque introduced into the sensor shaft, the sensor shaft having a connection region for connecting to a steering means in a first end region and being rotatably mounted in a gear housing in its second end region.
  • the torque sensor unit has a magnetoelastic torque sensor and at least two magnetically coded zones which are arranged on the sensor shaft in an area and whose permeability changes as a function of a mechanical load.
  • the magnetoelastic torque sensor is designed to measure a change in the magnetic field corresponding to the introduced torque, which change is caused by the at least two magnetically coded zones.
  • the one-piece sensor shaft is particularly simple and inexpensive to manufacture. It can be designed as a hollow or solid shaft.
  • the at least two magnetically coded zones are preferably arranged on the surface of the sensor shaft and extend coaxially to the longitudinal axis of the sensor shaft and completely around the sensor shaft, the zones lying one behind the other in the longitudinal direction.
  • adjacent zones are magnetized in the opposite circular direction.
  • An interference can be determined by comparing the signals from the magnetized zones.
  • External magnetic interference such as the earth's magnetic field can be compensated for
  • the magnetoelastic torque sensor has a computing board and two plug-in boards, which are accommodated in a sensor housing. It is advantageous if four coils are arranged on each plug-in board.
  • the sensor shaft preferably has three coded zones.
  • the sensor shaft has a circular cross-section in the aforementioned area and is hardened.
  • the mounting of the sensor shaft in the second end area preferably comprises two ball bearings which are arranged on both sides of a seat for a worm wheel formed on the sensor shaft.
  • the worm wheel is preferably part of an auxiliary power support.
  • the torque sensor unit is then preferably arranged on the input side in front of the bearings.
  • the torque sensor unit is arranged within an inner casing tube, which is mounted displaceably in an outer casing tube. This arrangement is particularly compact.
  • the sensor housing is preferably attached to a transmission cover, the transmission cover covering an axial opening in the transmission housing.
  • the sensor shaft is made from the material with the number 1.2767 or a similar material.
  • an electromechanical steering system for a motor vehicle comprising a steering shaft that can be connected to a steering means, a rack and pinion steering gear having a steering pinion connected to the steering shaft, which meshes with a rack for steering wheels that is displaceably mounted in a housing along a longitudinal axis, is provided
  • Electromechanical steering system further comprises at least one electric motor for steering force assistance on the steering shaft, and a steering unit described above.
  • the one-piece sensor shaft forms the steering shaft.
  • Figure 1 a schematic representation of an electromechanical
  • FIG. 2 a longitudinal section through a three-part shaft known from the prior art with a torque sensor unit
  • FIG. 3 a longitudinal section through a shaft according to the invention
  • FIG. 4 a three-dimensional view of the torque sensor unit of FIG. 3,
  • Figure 5 a three-dimensional view of the sensor shaft
  • Figure 6 a three-dimensional view of the torque sensor
  • Figure 7 an exploded view of the components of the
  • an electromechanical motor vehicle power steering 1 with a steering wheel 2, which is rotatably coupled to a steering shaft 3, is shown schematically.
  • the driver applies a corresponding torque as a steering command to the steering shaft 3 via the steering wheel 2.
  • the torque is then transmitted to a steering pinion 4 via the steering shaft 3.
  • the pinion 4 meshes in a known manner with a toothed segment 50 of a toothed rack 5.
  • the steering pinion 4, together with the toothed rack 5, forms a steering gear.
  • the rack 5 is slidably mounted in a steering housing in the direction of its longitudinal axis. At its free end, the rack 5 is connected to tie rods 6 via ball joints, not shown.
  • the tie rods 6 themselves are connected in a known manner via steering knuckles to a steered wheel 7 of the motor vehicle.
  • a rotation of the steering wheel 2 leads via the connection of the steering shaft 3 and
  • the respective auxiliary power support 10, 11, 12 transfers an auxiliary power torque into the steering shaft 3, the steering pinion 4 and / or into the rack 5, as a result of which the driver is supported in the steering work.
  • the three different auxiliary power supports 10, 11, 12 shown in FIG. 1 show alternative positions for their arrangement. Usually only one of the positions shown is occupied by an assistant.
  • the servo unit can be used as a superimposed steering on the steering column or as
  • Auxiliary power support device can be arranged on the pinion 4 or the rack 5.
  • FIG. 2 shows a torque sensor unit 13 which detects the rotation of an upper steering shaft 30 with respect to a lower steering shaft 31 as a measure of the torque manually exerted on the upper steering shaft 30.
  • the upper steering shaft 30 and the lower steering shaft 31 are coupled to one another in a torsionally flexible manner via a torsion bar 32.
  • the rotation between the upper steering shaft 30 and the lower steering shaft 31 can be determined via a rotation angle sensor.
  • This angle of rotation sensor is also referred to as a torque sensor.
  • the torque sensor unit 13 has a ring magnet (permanent magnet) 14 connected in a rotationally fixed manner to the upper steering shaft 30 and a stator 15 connected to the lower steering shaft 31.
  • An associated sensor unit 16 is held in a spatially fixed manner in a gear cover of the auxiliary power assistance 11 arranged on the steering shaft.
  • the servo unit provides the power assistance system 11 with steering assistance for the driver.
  • a sensor shaft 17 of the torque sensor unit 13 is formed in one piece. It can be designed as a hollow or solid shaft. As shown in FIG. 3, the sensor shaft 17 is rotatably mounted in a gear housing 18 by means of ball bearings 19 and functions as a steering shaft 3. The bearings 19 are arranged on both sides of a seat 20 for a worm wheel 21. The worm wheel 21 is driven by an electric motor for steering assistance by means of a worm (not shown). On the input side in front of the deep groove ball bearing 19, the sensor shaft 17 has an area 22 in which the cross section is circular. This area 22 is hardened and magnetically coded.
  • the magnetic coding is part of the torque sensor unit 13, which is a magnetoelastic torque sensor unit.
  • the torque is determined with the help of the magnetoelastic or inverse magnetostrictive effect.
  • Nickel-iron alloys change their permeability depending on a mechanical load. In the event of tension, pressure, bending or torsional loads, the permeability adapts to the load accordingly. If the material is in an external magnetic field, the Weiss domains align according to the magnetic field, which results in a change in length or other deformation of the material, for example.
  • three magnetically coded zones 23 are arranged on the surface of the sensor shaft 17, see also FIG separated from one another by a preferably provided small gap. Adjacent zones 23 are magnetized in the opposite circular direction, so that the torque-dependent magnetic fields have the same magnitude but opposite magnetic polarity.
  • a passive magnetoelastic torque sensor 25 measures the change in the magnetic field of a premagnetized material caused by a change in permeability. As a result, conclusions can be drawn about the torque introduced into the sensor shaft 17. For that, the
  • 18235-CPS / 190488P10WO Magnetoelastic torque sensor 24 preferably has a computing board 25 and two plug-in boards 261, 262, which are arranged in a common sensor housing 27.
  • the computing board 25 is U-shaped. It lies in a plane transverse to the longitudinal axis 100 of the sensor shaft 17 and surrounds it.
  • the computing circuit board 25 On its inner side facing the sensor shaft 17, the computing circuit board 25 has two cutouts 28, into each of which a plug-in circuit board 261, 262 is inserted.
  • the plug-in boards 261, 262 lie in the circumferential direction around the sensor shaft 17 on opposite sides. They extend parallel to the longitudinal axis 100. Coils 29 are arranged on the surfaces of the plug-in boards 261, 262 facing the sensor shaft 17.
  • a total of four coils are provided on each breadboard 261,262.
  • two coils 29 which are adjacent in the longitudinal direction are each on a common line with their longitudinal axes.
  • An offset is provided between the two coils 29 in each case, so that the two middle coils are lined up perpendicular to the longitudinal axis, with their longitudinal axes spaced parallel to one another.
  • Four coils 29 are also provided on the second plug-in board 262, but they are all lined up perpendicular to the longitudinal axis of the sensor shaft, with their longitudinal axes spaced parallel to one another and parallel to the longitudinal axis of the sensor shaft, so that the four coils 29 are in the same position in the longitudinal direction of the Sensor shaft are arranged.
  • the coils 29 measure the torque produced during the steering process by changing the magnetic permeability of the sensor shaft.
  • the circuit boards 261, 262, 25 are surrounded by the sensor housing 27 except for the coils 29.
  • the coils 29 are for measuring the changes in the magnetic field or for measuring the torque
  • the sensor housing 27 is brought into contact with a gear cover 34 in the longitudinal direction 100 of the sensor shaft 17 (see FIG. 3 and FIG. 4) and is fastened by means of four screws.
  • the gear cover 34 covers the axial opening of the gear housing 18.
  • the sensor housing 27 lies within the inner jacket tube 35.
  • the inner jacket tube 35 is slidably mounted in an outer jacket tube (not shown).
  • the outer jacket tube is held in a console that can be attached to a vehicle body. The height of the outer jacket tube can be adjusted with respect to the console; in addition, an axial adjustment of the inner jacket tube 35 with respect to the outer jacket tube is permitted.
  • the one-piece sensor shaft 17 is preferably made of material with the number 1.2767 (through hardening steel, DIN: 45 NiCrMo 16) or a similar material.
  • the sensor shaft 17 is hardened over a length of approximately 30 mm.
  • the magnetically coded zones 23 are present in the hardened area. Depending on the number of coded zones, the hardened length can be more than 30 mm.
  • the number of zones can be selected differently depending on requirements. There are preferably at least two magnetically coded zones.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lenkeinheit aufweisend eine einteilige Sensorwelle (17) und eine Drehmomentsensoreinheit (13) zum Erfassen eines in die Sensorwelle (17) eingeleiteten Drehmoments, wobei die Sensorwelle (17) in einem ersten Endbereich einen Verbindungsbereich zum Verbinden mit einem Lenkmittel (3) aufweist, und in ihrem zweiten Endbereich in einem Getriebegehäuse (18) drehbar gelagert ist, und wobei die Drehmomentsensoreinheit (18) einen magnetoelastischen Drehmomentsensor (24) aufweist und wenigstens zwei, auf der Sensorwelle (17) in einem Bereich (22) angeordnete, magnetisch kodierte Zonen (23), deren Permeabilität sich in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung verändert, und dass der magnetoelastische Drehmomentsensor (24) dazu ausgelegt ist, eine zum eingeleiteten Drehmoment korrespondierende Magnetfeldänderung zu messen, die durch die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen (23) hervorgerufen wird.

Description

Elektromechanische Hilfskraftlenkung mit einteiliger Sensorwelle und magnetoelastischem Drehmomentsensor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkeinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, insbesondere für eine elektromechanische Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges.
Drehmomentsensoren weisen herkömmlicherweise einen Drehwinkelsensor auf. Hierbei werden zwei gegeneinander begrenzt verdrehbare Wellenteile über eine Torsionsfeder elastisch miteinander gekoppelt. Wenn ein Wellenteil durch ein vom Fahrer des Fahrzeugs aufgewendetes Drehmoment gegen den anderen Wellenteil verdreht wird, ist der relative Drehwinkel im Wesentlichen proportional zum eingeleiteten Drehmoment. Für eine genaue Bestimmung des Drehmoments ist es wichtig, den Drehwinkel präzise messen zu können.
Ein solcher Drehmomentsensor ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 043 502 Al bekannt. An der oberen Lenkwelle ist dabei ein Ringmagnet angeordnet, während auf der unteren Lenkwelle 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. Nachteilig an dieser dreiteiligen Welle und dem Drehmomentsensor ist die große Anzahl an Einzelteilen, was entsprechend hohe Kosten verursacht.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenkeinheit mit einer Drehmomentsensoreinheit vorzuschlagen, die weniger Einzelteile aufweist und einfacher zu montieren ist.
Diese Aufgabe wird von einer Lenkeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist eine Lenkeinheit aufweisend eine einteilige Sensorwelle und eine Drehmomentsensoreinheit zum Erfassen eines in die Sensorwelle eingeleiteten Drehmoments vorgesehen, wobei die Sensorwelle in einem ersten Endbereich einen Verbindungsbereich zum Verbinden mit einem Lenkmittel aufweist, und in ihrem zweiten Endbereich in einem Getriebegehäuse drehbar gelagert ist.
Die Drehmomentsensoreinheit weist einen magnetoelastischen Drehmomentsensor auf und wenigstens zwei, auf der Sensorwelle in einem Bereich angeordnete, magnetisch kodierte Zonen, deren Permeabilität sich in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung verändert. Der magnetoelastische Drehmomentsensor ist dazu ausgelegt, eine zum eingeleiteten Drehmoment korrespondierende Magnetfeldänderung zu messen, die durch die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen hervorgerufen wird.
Die einteilige Sensorwelle ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen. Sie kann als Hohl- oder Vollwelle ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen auf der Oberfläche der Sensorwelle angeordnet und erstrecken sich koaxial zur Längsachse der Sensorwelle und vollumfänglich um die Sensorwelle herum, wobei die Zonen hintereinander in Längsrichtung liegen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind benachbarte Zonen in entgegengesetzter Kreisrichtung magnetisiert. Durch Vergleich der Signale der magnetisierten Zonen lässt sich ein Störeinfluss bestimmen. Externe magnetische Störeinflüsse wie das Erdmagnetfeld können so kompensiert
18235-CPS / 190488P10WO werden.
Es ist bevorzugt, wenn der magnetoelastische Drehmomentsensor eine Rechenplatine und zwei Steckplatinen aufweist, die in einem Sensorgehäuse aufgenommen sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn auf jeder Steckplatine vier Spulen angeordnet sind. In diesem Fall weist die Sensorwelle vorzugsweise drei codierte Zonen auf.
Die Sensorwelle weist in dem zuvor genannten Bereich einen kreisrunden Querschnitt aufweist und ist gehärtet.
Bevorzugt umfasst die Lagerung der Sensorwelle im zweiten Endbereich zwei Kugellager, die beidseitig von einem auf der Sensorwelle ausgebildeten Sitz für ein Schneckenrad angeordnet sind. Das Schneckenrad ist bevorzugt Teil einer Hilfskraftunterstützung. Um Bauraum optimal zu nutzen, ist die Drehmomentsensoreinheit dann vorzugsweise eingangsseitig vor den Lagern angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Drehmomentsensoreinheit innerhalb eines inneren Mantelrohrs angeordnet, welches in einem äußeren Mantelrohr verschiebbar gelagert ist. Diese Anordnung ist besonders kompakt.
Das Sensorgehäuse ist vorzugsweise an einem Getriebedeckel befestigt, wobei der Getriebedeckel eine axiale Öffnung des Getriebegehäuses abdeckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensorwelle aus dem Werkstoff mit der Nr. 1.2767 oder einem ähnlichen Werkstoff hergestellt.
Weiterhin ist ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend eine mit einem Lenkmittel verbindbare Lenkwelle, ein Zahnstangenlenkgetriebe aufweisend ein mit der Lenkwelle verbundenes Lenkritzel, welches mit einer in einem Gehäuse entlang einer Längsachse verschieblich gelagerten Zahnstange zur Lenkung von Rädern in Eingriff steht, vorgesehen, wobei das elektromechanische Lenksystem weiterhin wenigstens einen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung an der Lenkwelle, und eine zuvor beschriebene Lenkeinheit aufweist. Die einteilige Sensorwelle bildet dabei die Lenkwelle aus.
18235-CPS / 190488P10WO Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung einer elektromechanischen
Hilfskraftlenkung,
Figur 2: einen Längsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte dreiteilige Welle mit Drehmomentsensoreinheit,
Figur 3: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Welle mit
Drehmomentsensor,
Figur 4: eine räumliche Ansicht der Drehmomentsensoreinheit der Figur 3,
Figur 5: eine räumliche Ansicht der Sensorwelle der
Drehmomentsensoreinheit der Figur 3,
Figur 6: eine räumliche Ansicht des Drehmomentsensors, sowie
Figur 7: eine Explosionszeichnung der Komponenten des
Drehmomentsensors.
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 4 übertragen. Das Ritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 50 einer Zahnstange 5. Das Lenkritzel 4 bildet zusammen mit der Zahnstange 5 ein Lenkgetriebe. Die Zahnstange 5 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 5 mit Spurstangen 6 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 6 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 7 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und
18235-CPS / 190488P10WO des Ritzels 4 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 5 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 7. Die gelenkten Räder 7 erfahren über eine Fahrbahn 70 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 7 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 8 einer Servoeinheit 9 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Servoeinheit 9 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10,11,12 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 4 oder der Zahnstange 5 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10,11,12 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 4 und/oder in die Zahnstange 5 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 10,11,12 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
Hilfskraftunterstützungseinrichtung an dem Ritzel 4 oder der Zahnstange 5 angeordnet sein.
Figur 2 zeigt eine Drehmomentsensoreinheit 13, die die Verdrehung einer oberen Lenkwelle 30 gegenüber einer unteren Lenkwelle 31 als ein Maß des an der oberen Lenkwelle 30 manuell ausgeübten Drehmomentes erfasst.
Die oberen Lenkwelle 30 und die unteren Lenkwelle 31 sind drehelastisch über einen Drehstab 32 miteinander gekoppelt. Die Verdrehung zwischen der oberen Lenkwelle 30 und die unteren Lenkwelle 31 kann über einen Drehwinkelsensor ermittelt werden. Dieser Drehwinkelsensor wird auch als Drehmomentsensor bezeichnet. Die Drehmomentsensoreinheit 13 weist einen drehfest mit der oberen Lenkwelle 30 verbunden Ringmagneten (Permanentmagneten) 14 und einen mit der unteren Lenkwelle 31 verbundenen Stator 15 auf. Eine dazugehörige Sensoreinheit 16 ist raumfest in einem Getriebedeckel der an der Lenkwelle angeordneten Hilfskraftunterstützung 11 gehalten. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 13 gemessen Drehmoments stellt die Servoeinheit der Hilfskraftunterstützung 11 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit.
18235-CPS / 190488P10WO Die Figuren 3 bis 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Sensorwelle 17 der Drehmomentsensoreinheit 13 ist einteilig ausgebildet. Sie kann als Hohl- oder Vollwelle ausgebildet sein. Wie in Figur 3 dargestellt, ist die Sensorwelle 17 in einem Getriebegehäuse 18 mittels Kugellager 19 drehbar gelagert und fungiert als Lenkwelle 3. Die Lager 19 sind beidseitig von einem Sitz 20 für ein Schneckenrad 21 angeordnet. Das Schneckenrad 21 wird mittels einer nicht dargestellten Schnecke von einem Elektromotor zur Lenkunterstützung angetrieben. Eingangsseitig vor dem Rillenkugellager 19 weist die Sensorwelle 17 einen Bereich 22 auf, in dem der Querschnitt kreisrund ist. Dieser Bereich 22 ist gehärtet und magnetisch codiert. Die magnetische Codierung ist Teil der Drehmomentsensoreinheit 13, die eine magnetoelastische Drehmomentsensoreinheit ist. Bei magnetoelastischen Drehmomentmessungen wird das Drehmoment mit Hilfe des magnetoelastischen bzw. inversen magnetostriktiven Effekts bestimmt. Nickel- Eisen-Legierungen verändern ihre Permeabilität in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung. Bei Zug, Druck, Biegung oder Torsionsbelastung passt sich die Permeabilität der Belastung entsprechend an. Befindet sich das Material in einem externen magnetischen Feld, richten sich die Weiß'schen Bezirke dem Magnetfeld entsprechend aus, wodurch sich zum Beispiel eine Längenänderung oder andere Verformung des Materials ergibt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei magnetisch codierte Zonen 23 auf der Oberfläche der Sensorwelle 17 angeordnet, siehe auch Figur 5. Die Zonen 23 erstrecken sich koaxial zur Längsachse 100 der Sensorwelle 17, vollumfänglich um die Sensorwelle 17. Sie liegen hintereinander in Längsrichtung und sind jeweils durch einen bevorzugt vorgesehenen kleinen Spalt voneinander getrennt. Benachbarte Zonen 23 sind in entgegengesetzter Kreisrichtung magnetisiert, so dass die drehmomentabhängigen magnetischen Felder vom Betrag her gleiche, aber entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen.
Ein passiver magnetoelastischer Drehmomentsensor 25 misst die aufgrund einer Permeabilitätsänderung hervorgerufenen Magnetfeldänderung eines vormagnetisierten Materials. Wodurch auf das in die Sensorwelle 17 eingeleitete Drehmoment rückgeschlossen werden kann. Dafür weist der
18235-CPS / 190488P10WO magnetoelastische Drehmomentsensor 24 bevorzugt eine Rechenplatine 25 und zwei Steckplatinen 261,262 auf, die in einem gemeinsamen Sensorgehäuse 27 angeordnet sind. Die Rechenplatine 25 ist, wie aus Figur 7 ersichtlich, u-förmig ausgestaltet. Sie liegt in einer Ebene quer zur Längsachse 100 der Sensorwelle 17 und umgibt diese. Die Rechenplatine 25 weist auf ihrer der Sensorwelle 17 zugewandten Innenseite zwei Ausschnitte 28 auf, in die jeweils eine Steckplatine 261,262 eingesteckt wird. Die Steckplatinen 261,262 liegen in Umfangsrichtung um die Sensorwelle 17 auf gegenüberliegenden Seiten. Sie erstrecken sich parallel zur Längsachse 100. Auf den der Sensorwelle 17 zugewandten Oberflächen der Steckplatinen 261,262 sind Spulen 29 angeordnet. Diese sind mit Pressfit-Pins 33 an den Steckplatinen 261,262 befestigt. Über das Einstecken der Steckplatinen 261,262 in die Rechenplatine 25 werden die Spulen 29 mit der Rechenplatine 25 elektrisch kontaktiert. Die drei Platinen 25,26 sind von dem Sensorgehäuse 27 umgeben und gehalten. Die Verbindung erfolgt über Steck- bzw. Pressverbindungen.
Auf jeder Steckplatine 261,262 sind insgesamt vier Spulen vorgesehen. Auf einer ersten Steckplatine 261 liegen zwei in Längsrichtung benachbarte Spulen 29 jeweils auf einer gemeinsamen Linie mit ihren Längsachsen. Zwischen den jeweils zwei Spulen 29 ist ein Versatz vorgesehen, so dass die mittleren beiden Spulen sich senkrecht zur Längsachse aneinanderreihen, mit ihren Längsachsen parallel zueinander beabstandet. Auf der zweiten Steckplatine 262 sind ebenfalls vier Spulen 29 vorgesehen, die sich jedoch alle senkrecht zur Längsachse der Sensorwelle aneinander reihen, mit ihren Längsachsen parallel zueinander beabstandet und parallel zur Längsachse der Sensorwelle, so dass die vier Spulen 29 auf der gleichen Position in Längsrichtung der Sensorwelle angeordnet sind.
Die Spulen 29 messen das beim Lenkvorgang entstehende Drehmoment durch die Änderung der magnetischen Permeabilität der Sensorwelle.
Wie in Figur 6 zu sehen ist, sind die Platinen 261,262,25 bis auf die Spulen 29 von dem Sensorgehäuse 27 umgeben. In anderen Worten die Spulen 29 sind für die Messung der Magnetfeldänderungen bzw. zur Drehmomentmessung
18235-CPS / 190488P10WO freigelegt. Das Sensorgehäuse 27 wird mit einem Getriebedeckel 34 in Längsrichtung 100 der Sensorwelle 17 in Anlage gebracht (siehe Figur 3 und Figur 4) und mittels vier Schrauben befestigt. Der Getriebedeckel 34 deckt die axiale Öffnung des Getriebegehäuses 18 ab. Das Sensorgehäuse 27 liegt innerhalb des inneren Mantelrohrs 35. Das innere Mantelrohr 35 ist in einem nicht dargestellten äußeren Mantelrohr verschiebbar gelagert. Das äußere Mantelrohr ist in einer Konsole gehalten, die an einer Fahrzeugkarosserie befestigt werden kann. Das äußere Mantelrohr kann gegenüber der Konsole in der Höhe verstellt werden, zudem ist eine Axialverstellung des inneren Mantelrohrs 35 gegenüber dem äußeren Mantelrohr erlaubt.
Die einteilige Sensorwelle 17 wird bevorzugt aus Werkstoff mit der Nummer 1.2767 (Durchhärterstahl, DIN: 45 NiCrMo 16) oder einem ähnlichen Material gefertigt. Die Sensorwelle 17 ist über eine Länge von etwa 30 mm gehärtet. Im gehärteten Bereich sind die magnetisch codierten Zonen 23 vorhanden. In Abhängigkeit von der Anzahl an kodierten Zonen kann die gehärtete Länge mehr als 30 mm betragen.
Die Anzahl der Zonen kann je nach Bedarf unterschiedlich gewählt werden. Es sind bevorzugt wenigstens zwei magnetisch codierte Zonen vorhanden.
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Claims

Patentansprüche
1. Lenkeinheit aufweisend eine einteilige Sensorwelle (17) und eine Drehmomentsensoreinheit (13) zum Erfassen eines in die Sensorwelle (17) eingeleiteten Drehmoments, wobei die Sensorwelle (17) in einem ersten Endbereich einen Verbindungsbereich zum Verbinden mit einem Lenkmittel (3) aufweist, und in ihrem zweiten Endbereich in einem Getriebegehäuse (18) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentsensoreinheit (18) einen magnetoelastischen Drehmomentsensor (24) aufweist und wenigstens zwei, auf der Sensorwelle (17) in einem Bereich (22) angeordnete, magnetisch kodierte Zonen (23), deren Permeabilität sich in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung verändert, und dass der magnetoelastische Drehmomentsensor (24) dazu ausgelegt ist, eine zum eingeleiteten Drehmoment korrespondierende Magnetfeldänderung zu messen, die durch die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen (23) hervorgerufen wird.
2. Lenkeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen (23) auf der Oberfläche der Sensorwelle (17) angeordnet sind und sich koaxial zur Längsachse (100) der Sensorwelle (17) und vollumfänglich um die Sensorwelle (17) erstrecken, wobei die Zonen (23) hintereinander in Längsrichtung liegen.
3. Lenkeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zonen (23) in entgegengesetzter Kreisrichtung magnetisiert sind.
4. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoelastische Drehmomentsensor (24) eine Rechenplatine (25) und zwei Steckplatinen (261,262) aufweist, die in einem Sensorgehäuse (27) aufgenommen sind.
5. Lenkeinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Steckplatine (261,262) zwei oder mehr Spulen (29) angeordnet sind.
6. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (17) in dem Bereich (22) einen kreisrunden Querschnitt aufweist und gehärtet ist.
7. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der Sensorwelle (17) im zweiten Endbereich zwei Kugellager (19) umfasst, die beidseitig von einem auf der Sensorwelle (17) ausgebildeten Sitz (20) für ein Schneckenrad (21) angeordnet sind.
8. Lenkeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentsensoreinheit (13) eingangsseitig vor den Lagern (19) angeordnet ist.
9. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentsensoreinheit (13) innerhalb eines inneren Mantelrohrs (35) angeordnet ist, welches in einem äußeren Mantelrohr verschiebbar gelagert ist.
10. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (27) an einem Getriebedeckel (34) befestigt ist, wobei der Getriebedeckel (34) eine axiale Öffnung des Getriebegehäuses (18) abdeckt.
11. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (17) aus dem Werkstoff mit der Nr. 1.2767 oder ein ähnliches Material hergestellt ist.
12. Elektromechanisches Lenksystem (1) für ein Kraftfahrzeug umfassend eine mit einem Lenkmittel (2) verbindbare Lenkwelle (2), ein Zahnstangenlenkgetriebe aufweisend ein mit der Lenkwelle (2) verbundenes Lenkritzel (4), welches mit einer in einem Gehäuse entlang einer Längsachse verschieblich gelagerten Zahnstange (5) zur Lenkung von Rädern (7) in Eingriff steht, und umfassend wenigstens einen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung an der Lenkwelle (3), und eine
18235-CPS / 190488P10WO Lenkeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorwelle (17) die Lenkwelle (3) bildet.
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