WO2021165172A1 - Elektromechanische hilfskraftlenkung mit einteiliger sensorwelle und magnetoelastischem drehmomentsensor - Google Patents

Elektromechanische hilfskraftlenkung mit einteiliger sensorwelle und magnetoelastischem drehmomentsensor Download PDF

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WO2021165172A1
WO2021165172A1 PCT/EP2021/053579 EP2021053579W WO2021165172A1 WO 2021165172 A1 WO2021165172 A1 WO 2021165172A1 EP 2021053579 W EP2021053579 W EP 2021053579W WO 2021165172 A1 WO2021165172 A1 WO 2021165172A1
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WO
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steering
sensor
shaft
unit according
torque
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/053579
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Inventor
Benedikt Hödl
Martin Graf
Original Assignee
Thyssenkrupp Presta Ag
Thyssenkrupp Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G01L5/0042—Force sensors associated with force applying means applying a torque
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—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
    • 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

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 a sleeve seated on the sensor shaft which carries at least two magnetically coded zones, the permeability of which 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. Since a sleeve carries the magnetically coded zones, material costs can be saved.
  • the at least two magnetically coded zones are preferably arranged on the surface of the sleeve 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.
  • the zones can directly adjoin one another or be spaced apart in the longitudinal direction.
  • adjacent zones are in opposite circular direction magnetized.
  • 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 preferably has a number of coil pairs.
  • the sensor shaft can have a weakening in the area of the sleeve which forms a seat for the sleeve.
  • the sleeve can be attached to the sensor shaft by means of a material, non-positive or positive connection.
  • 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 magnetoelastic torque sensor is surrounded by a sensor housing which is fastened to a transmission cover, the transmission cover covering an axial opening in the transmission housing.
  • the sleeve is preferably made of 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 is in engagement with a rack for steering wheels that is slidably mounted in a housing along a longitudinal axis, provided, wherein the electromechanical steering system furthermore has 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, as well as
  • FIG. 3 a longitudinal section through a shaft according to the invention with a magnetoelastic torque sensor unit.
  • 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 one 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 pinion 4 to a longitudinal displacement of the rack 5 and thus to a pivoting of the steered wheels 7.
  • the steered wheels 7 experience a reaction through a roadway 70 that counteracts the steering movement. To pivot the wheels 7, a force is therefore required that a makes corresponding torque on the steering wheel 2 required.
  • An electric motor 8 of a servo unit 9 is provided to support the driver in this steering movement.
  • the servo unit 9 can be coupled either to a steering shaft 3, the steering pinion 4 or the rack 5 as an auxiliary power support device 10, 11, 12.
  • 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.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the invention.
  • 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.
  • 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).
  • the sensor shaft 17 On the input side in front of the deep groove ball bearing 19, the sensor shaft 17 is surrounded by a sleeve 22.
  • the sleeve 22 sits on the sensor shaft 17 in the area of a weakening 23. This weakening 23 can be dispensed with.
  • the sleeve 22 is formed from a magnetoelastic material, in particular from the material with the number 1.2767 (through hardening steel, DIN: 45 NiCrMo 16) or a similar material.
  • the sleeve 22 is applied to the sensor shaft 17 by means of a material, non-positive or positive connection, whereby material costs can be reduced.
  • Two or more magnetically encoded zones 24 are present on the surface of the sleeve 22.
  • the magnetic coding is part of the torque sensor unit 13, which is a magnetoelastic torque sensor unit. With magnetoelastic torque measurements, 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.
  • 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.
  • two magnetically coded zones 24 are arranged on the surface of the sensor shaft 17.
  • the zones 24 extend coaxially to the longitudinal axis 100 of the sensor shaft 17, completely around the sleeve 22. They lie one behind the other in the longitudinal direction and are separated from one another by a preferably provided small gap.
  • the two zones 23 are magnetized in opposite circular directions, 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 caused by a change in permeability pre-magnetized material. As a result, conclusions can be drawn about the torque introduced into the sensor shaft 17.
  • the magnetoelastic torque sensor 25 has a number of coil pairs 26. The coils 26 measure the torque produced during the steering process through the change in the magnetic permeability of the coded zones 24 on the sleeve 22.
  • the magnetoelastic torque sensor 24 is preferably accommodated in a sensor housing, not shown, which is preferably brought into contact with a gear cover 27 in the longitudinal direction 100 of the sensor shaft 17 and is fastened by means of screws. It can also be attached, for example, by clipping or gluing.
  • the gear cover 27 covers the axial opening of the gear housing 18.
  • the magnetoelastic torque sensor 24 lies within the inner jacket tube 28.
  • the inner jacket tube 28 is slidably mounted in an outer jacket tube (not shown).
  • the outer jacket tube is preferably 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 28 with respect to the outer jacket tube is permitted.

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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 (25) aufweist und eine auf der Sensorwelle sitzende Hülse (22), die wenigstens zwei magnetisch kodierte Zonen (24) trägt, deren Permeabilität sich in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung verändert, und dass der magnetoelastische Drehmomentsensor (25) dazu ausgelegt ist, eine zum eingeleiteten Drehmoment korrespondierende Magnetfeldänderung zu messen, die durch die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen (24) 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 eine auf der Sensorwelle sitzende Hülse, die wenigstens zwei magnetisch kodierte Zonen trägt, 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. Da eine Hülse die magnetisch kodierten Zonen trägt, können Materialkosten eingespart werden.
Vorzugsweise sind die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen auf der Oberfläche der Hülse angeordnet und erstrecken sich koaxial zur Längsachse der Sensorwelle und vollumfänglich um die Sensorwelle herum, wobei die Zonen hintereinander in Längsrichtung liegen. Die Zonen können dabei unmittelbar aneinandergrenzen oder in Längsrichtung beabstandet sein.
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 werden.
Vorzugsweise weist der magnetoelastische Drehmomentsensor eine Anzahl an Spulenpaare auf.
Die Sensorwelle kann in dem Bereich der Hülse eine Schwächung aufweisen, die einen Sitz für die Hülse bildet.
Die Hülse kann mittels stoffschlüssiger, kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbindung auf die Sensorwelle aufgebracht ist.
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.
Es ist bevorzugt, dass der magnetoelastische Drehmomentsensor von einem Sensorgehäuse umgeben ist, das an einem Getriebedeckel befestigt ist, wobei der Getriebedeckel eine axiale Öffnung des Getriebegehäuses abdeckt.
Die Hülse ist vorzugsweise 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.
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, sowie
Figur 3: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Welle mit magnetoelastischer Drehmomentsensoreinheit.
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 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 entgegenwirkt. 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.
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Sensorwelle 17 der Drehmomentsensoreinheit 13 ist einteilig ausgebildet. Sie kann als Hohl oder Vollwelle ausgebildet sein. Die Sensorwelle 17 ist 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 ist die Sensorwelle 17 von einer Hülse 22 umgeben. Die Hülse 22 sitzt auf der Sensorwelle 17 im Bereich einer Schwächung 23. Auf diese Schwächung 23 kann verzichtet werden. Die Hülse 22 ist aus einem magnetoelastischen Material gebildet, insbesondere aus dem Werkstoff mit der Nummer 1.2767 (Durchhärterstahl, DIN: 45 NiCrMo 16) oder einem ähnlichen Material. Die Hülse 22 ist mittels stoffschlüssiger, kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbindung auf die Sensorwelle 17 aufgebracht, wodurch anfallende Materialkosten reduziert werden können. Auf der Oberfläche der Hülse 22 sind zwei oder mehrere magnetisch codierte Zonen 24 vorhanden. 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 zwei magnetisch codierte Zonen 24 auf der Oberfläche der Sensorwelle 17 angeordnet. Die Zonen 24 erstrecken sich koaxial zur Längsachse 100 der Sensorwelle 17, vollumfänglich um die Hülse 22 herum. Sie liegen hintereinander in Längsrichtung und sind durch einen bevorzugt vorgesehenen kleinen Spalt voneinander getrennt. Die beiden 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 magnetoelastische Drehmomentsensor 25 eine Anzahl an Spulenpaare 26 auf. Die Spulen 26 messen das beim Lenkvorgang entstehende Drehmoment durch die Änderung der magnetischen Permeabilität der codierten Zonen 24 auf der Hülse 22.
Der magnetoelastischer Drehmomentsensor 24 ist vorzugsweise in einem nicht dargestellten Sensorgehäuse untergebracht, welches bevorzugt mit einem Getriebedeckel 27 in Längsrichtung 100 der Sensorwelle 17 in Anlage gebracht ist und mittels Schrauben befestigt ist. Die Befestigung kann beispielsweise auch durch Klipsen oder Kleben erfolgen. Der Getriebedeckel 27 deckt die axiale Öffnung des Getriebegehäuses 18 ab. Der magnetoelastische Drehmomentsensor 24 liegt innerhalb des inneren Mantelrohrs 28. Das innere Mantelrohr 28 ist in einem nicht dargestellten äußeren Mantelrohr verschiebbar gelagert. Das äußere Mantelrohr ist bevorzugt 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 28 gegenüber dem äußeren Mantelrohr erlaubt.

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 (25) aufweist und eine auf der Sensorwelle sitzende Hülse (22), die wenigstens zwei magnetisch kodierte Zonen (24) trägt, deren Permeabilität sich in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung verändert, und dass der magnetoelastische Drehmomentsensor (25) dazu ausgelegt ist, eine zum eingeleiteten Drehmoment korrespondierende Magnetfeldänderung zu messen, die durch die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen (24) hervorgerufen wird.
2. Lenkeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen (24) auf der Oberfläche der Hülse (22) angeordnet sind und sich koaxial zur Längsachse (100) der Sensorwelle (17) und vollumfänglich um die Sensorwelle (17) herum erstrecken, wobei die Zonen (24) hintereinander in Längsrichtung liegen.
3. Lenkeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zonen (24) in entgegengesetzter Kreisrichtung magnetisiert sind.
4. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoelastische Drehmomentsensor (25) eine Anzahl an Spulenpaare (26) aufweist.
5. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorwelle (17) in dem Bereich der Hülse (22) eine Schwächung (23) aufweist, in einen Sitz für die Hülse (22) bildet.
6. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (22) mittels stoffschlüssiger, kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbindung auf die Sensorwelle (17) aufgebracht 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 (28) angeordnet ist, welches in einem äußeren Mantelrohr verschiebbar gelagert ist.
10. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetoelastische Drehmomentsensor (25) von einem Sensorgehäuse umgeben ist, das an einem Getriebedeckel (27) befestigt ist, wobei der Getriebedeckel (27) eine axiale Öffnung des Getriebegehäuses (18) abdeckt.
11. Lenkeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (22) aus dem Werkstoff mit der Nr. 1.2767 oder einem ähnlichen Werkstoff 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 Lenkeinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorwelle (17) die Lenkwelle (3) bildet.
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