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Die Erfindung betrifft ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems, das ein Speichenrad mit einem Innenring und einem konzentrisch zu diesem angeordneten Außenring aufweist, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring Biegespeichen angeordnet sind, die mit dem Innenring und dem Außenring formschlüssig verbunden sind, und wobei die Biegespeichen durch mindestens ein Federelement gebildet sind, dessen/deren Endabschnitte Anschraubelemente ausbilden, die mit dem Außenring verbunden sind und die jeweils einen Durchbruch aufweisen, durch die ein Stift oder eine Schraube durch das Anschraubelement hindurchführbar ist.
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Drehmomenterfassungseinrichtungen der betreffenden Art werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment zu erfassen, dessen Wert etwa als Eingangsgröße für elektrische Lenkkraftunterstützungssysteme benötigt wird. Zur Drehmomenterfassung ist dabei ein Torsionsmodul vorgesehen, das einen Drehwinkelversatz zwischen Lenkspindel und Lenkrad bei Anlegen eines Drehmoments gestattet. Derartige Torsionsmodule sind beispielsweise aus den deutschen Offenlegungsschriften
DE 101 44 143 A1 und
DE 101 44 054 A1 bekannt.
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Die
DE 101 44 143 A1 zeigt ein Torsionsmodul, bei dem der Innenring und der Außenring über Biegespeichen einstückig miteinander verbunden sind. Das Torsionsmodul ist, bis auf separat zu montierende zylinderförmige Anschlagelemente, als ein massives Teil ausgebildet, welches beispielsweise aus Aluminium geschmiedet oder gegossen ist. Die Herstellung derartiger Teile ist durch die erforderliche umfangreiche und zeitaufwändige mechanische Bearbeitung sehr kostenaufwändig.
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In der
DE 101 44 054 A1 ist ein Torsionsmodul beschrieben, bei dem der Innenring und der Außenring als separat gefertigte Teile ausgebildet sind, die durch mehrere ebenfalls separat gefertigte Biegespeichen miteinander kraft- und/oder formschlüssig verbunden sind. Hierdurch sind die Einzelteile dieses Torsionsmoduls zwar einfacher und kostengünstiger zu fertigen als bei dem Torsionsmodul gemäß der
DE 101 44 143 A1 ; der Aufwand zur Montage ist allerdings deutlich höher. Nachteilig ist auch, dass die Einbettung der streifenförmigen Biegespeichen in die Ringstrukturen zum Auftreten einer Hysterese führen kann, bedingt durch kleine Relativbewegungen der Biegenspeichen zum Innen- bzw. zum Außenring.
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Ein gattungsgemäßes Torsionsmodul ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2009 057 809 beschrieben. Bei diesem Torsionsmodul sind jeweils zwei Biegespeichen über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden, der zugleich einen Teil des Innenrings ausbildet, während die freien Endabschnitte der Biegespeichen zu Anschraubaugen geformt sind, die in den Außenring eingeformt sind und dort Anschrauböffnungen ausbilden.
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Bei allen vorgenannten Torsionsmodulen ist es vorgesehen, den Innenring mit der Lenkspindel zu verbinden und den Außenring über Schraubverbindungen am Lenkrad anzuordnen. Dies erfordert, dass die Gestaltung und die Anordnung der Befestigungselemente am Lenkrad und am Torsionsmodul aneinander angepasst sind. Da diese Anordnungen nicht normiert sind, ist also entweder der Aufbau des Torsionsmoduls an das zu verwendende Lenkrad oder aber die Ausgestaltung des Lenkrads an das zu verwendende Torsionsmodul anzupassen. Beide Möglichkeiten führen zu einem erheblichen Kostenaufwand.
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Erschwerend kommt hinzu, dass jede neue Ausführung eines Lenkrads zugelassen werden muss und dazu aufwändige Sicherheitsprüfungen vorgeschrieben sind. Bei einer Abänderung der Lenkradform müssen diese Prüfungen jeweils erneut durchgeführt werden. Da diese Prüfungen kostenaufwändig sind, ist die Auswahl der mit einem Torsionsmodul verwendbaren Lenkradtypen üblicherweise sehr begrenzt.
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Die
DE 101 14 688 C1 sowie die
DE 10 2004 033 517 A1 zeigen weitere zur Drehmomenterfassung in Lenksystemen vorgesehene Torsionsmodule. Auch bei diesen ist jeweils ein Speichenrad mit einem Innenring und einem konzentrisch zu diesem angeordneten Außenring vorhanden. Zwischen den Innen- und Außenringen sind jeweils Biegespeichen angeordnet, die mit druck- oder dehnungsempfindlichen Messaufnehmern versehen sind.
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Die österreichische Patentschrift
AT 413 152 B zeigt eine Drehmomenterfassungseinrichtung für ein Lenksystem mit einem Tragkörper, der mittels einer mit radial längsverstellbaren Speichen versehenen Klemmeinrichtung mit einem Lenkradring des Lenkrads verbindbar ist.
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Es stellte sich die Aufgabe ein Torsionsmodul auf einfache und kostengünstige Weise so auszugestalten, dass es unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile universell mit unterschiedlichen Lenkrädern verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anschraubelemente an der Innenseite des Außenrings angeformt sind, dass die Anschraubelemente mit einem Verbindungsflanschteil verbunden sind, welches eine Konturhülse aufweist, und dass mit dem Innenring ein Konturzapfen verbunden ist.
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Die Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anschraubelemente an der Innenseite des Außenrings angeformt sind, dass die Anschraubelemente mit einem Verbindungsflanschteil verbunden sind, welches einen Konturzapfen aufweist, und dass mit dem Innenring eine Konturhülse verbunden ist.
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Hierdurch kann auf eine direkte mechanische Befestigung des Torsionsmoduls am Lenkrad verzichtet werden. Stattdessen bildet das Torsionsmodul mit einer Konturhülse und einem Konturzapfen eine Art Adapter aus, welcher zwischen der Lenkspindel und dem Lenkrad eingefügt werden kann. Um die Verlängerung der Lenkspindel möglichst gering zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anschraubaugen an der Innenseite des Außenrings angeformt sind, und dass die Anschraubaugen mit einem Verbindungsflanschteil verbunden sind, welches einen Konturzapfen oder eine Konturhülse aufweist. Der Verbindungsflansch ist dadurch innerhalb des Außenrings mit den Anschraubaugen verbunden, so dass die vertikale Ausdehnung der Speichenradanordnung des Torsionsmoduls selbst nur einen geringen Beitrag zur Verlängerung der Lenkspindel liefert.
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Da ein Endabschnitt des Torsionsmoduls einen Konturzapfen aufweist, und sich daher nicht von dem eigentlichen Endabschnitt der Lenkspindel unterscheidet, kann so nahezu jedes Lenkrad ohne weitere Anpassungen mit dem Torsionsmodul verbunden werden.
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Entsprechend der gängigen Ausführungen von Verbindungselementen an Lenkrädern und Lenkspindeln kann die Konturhülse vorteilhaft als Vielzahnhülse oder als Sechskanthülse, und der Konturzapfen vorteilhaft als Vielzahnzapfen oder als Sechskantzapfen ausgeführt sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
- 1 und 2 jeweils eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Torsionsmoduls,
- 3 ein Torsionsmodul nach dem Stand der Technik,
- 4 zwei Federelemente in einer Einzelteildarstellung,
- 5 Federelemente, die mit einer Hülse verbunden sind,
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Anhand der
3 bis
5 soll zunächst ein Torsionsmodul nach dem Stand der Technik erläutert werden, wie es in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2009 057 809 beschrieben ist. Die
3 zeigt ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems in einem Kraftfahrzeug. Das Torsionsmodul besteht aus einem Speichenrad 1 und zwei am Speichenrad angeordneten Wegsensoren 7. Das Speichenrad 1 weist einen Innenring 2 und einen Außenring 4 auf, die vorzugsweise als Aluminiumspritzgießteile hergestellt sind. Der Innenring 2 und der Außenring 4 sind durch zwei umspritzte Federelemente 3, welche zugleich Biegespeichen 9 ausbilden, miteinander verbunden.
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In der 4 sind zwei einzelne Federelemente 3 dargestellt, wie sie einander spiegelsymmetrisch gegenüberstehend an dem Torsionsmodul montiert sind. Die Federelemente 3 bestehen aus jeweils zwei geraden Abschnitten, welche am Speichenrad 1 die Biegespeichen 9 ausbilden, und die jeweils über einen Verbindungsabschnitt 10, bestehend aus zwei gegeneinander abgewinkelten Teilabschnitten 17, einstückig miteinander verbunden sind. Die Biegespeichen 9 sind an jedem Federelement 3 so zueinander ausgerichtet, dass sich ihre gedachten Verlängerungen unter einem rechten Winkel schneiden. Zwischen den Biegespeichen 9 und den Verbindungsabschnitten 10 sind zur Erhöhung der Biegesteifigkeit Verstärkungsrippen 12 angeformt. Die äußeren Enden der Biegespeichen 9 sind mit abgewinkelten Endabschnitten 11 verbunden, deren Endstücke zu Anschraubaugen 13 geformt sind.
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In der 3 sind von den Federelementen 3 vier Biegespeichen 9 und vier Anschraubaugen 13 erkennbar. Beim Spritzgießen des Außenrings 4 werden die Endabschnitte 11 und die Anschraubaugen 13 mit eingespritzt. Wie die 3 zeigt, erstrecken sich die Anschraubaugen 13 bis zur Oberfläche des Außenrings 4 und bilden Anschrauböffnung 8 aus, über die ein hier nicht dargestelltes Lenkrad an den Außenring 4 angeschraubt werden kann. Die Verbindungsabschnitte zwischen den Biegespeichen 9 sind in der 3 nicht erkennbar, da sie vom einer Umspritzung umgeben sind, die zugleich den Innenring 2 ausbildet. An den Innenring 2 sind einstückig drei sich sternförmig nach außen erstreckende Anschlagspeichen 14 angeformt, die mit Anschlagelementen 5 verbunden sind, welche in jeweils einem Fenster 15 im Außenring 4 geführt sind. Die Fenster 15 besitzen ein geringes Übermaß gegenüber der Breite der Anschlagelemente 5, wodurch die Verdrehbarkeit des Innenrings 2 gegen den Außenring 4 festgelegt und begrenzt ist. Mit dem Innenring 2 ist außerdem eine Hülse 6 mit einer Innenkontur verbunden, in die eine Lenkspindel eingefügt werden kann.
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Die soweit beschriebene Anordnung dient zur Erfassung eines Lenkmomentes und funktioniert dem Prinzip nach wie folgt. Wird das nicht dargestellte Lenkrad gedreht, so wird die Lenkradbewegung von dem mit dem Lenkrad verbundenen Außenring 4 über die Biegespeichen 9 des Speichenrades 1 und über die Hülse 6 auf die Lenkspindel übertragen. Durch das auf den Außenring 4 einwirkende Drehmoment wird dieser gegenüber den Innenring 2 verdreht, wodurch die Biegespeichen 9 eine Scherung erfahren. Der Betrag dieser Verformung ist ein Maß für das einwirkende Drehmoment und kann durch einen Messwertaufnehmer, ausgeführt beispielsweise durch Dehnungsmessstreifen an den Biegespeichen 9, ermittelt werden.
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Auf den Anschlagspeichen 14 sind mehrere Schraubhülsen 16 erkennbar, an denen zwischen dem Außenring 4 und dem Innenring 2 eine nicht dargestellter Leiterplatte befestigt werden kann, welche eine Elektronik zur Aufbereitung der Signale der Wegsensoren 7 trägt. Die Anschlagspeichen 14 haben darüber hinaus die Funktion, eine Überlastung der Biegespeichen 9 durch zu große Drehmomente zu verhindern. Ist die Scherung der Biegespeichen 9 so groß, dass die Anschlagspeichen 14 gegen Randflächen der Fenster 15 laufen, so wird die Lenkbewegung über die Anschlagspeichen 14 auf die Lenkspindel übertragen, ohne dass die Scherung der Biegespeichen 9 weiter vergrößert wird. Durch die Umspritzung der Endabschnitte und der Anschraubaugen 13 am Außenring 4 einerseits und der Verbindungsabschnitte 10 andererseits sind die Federelemente 3 stabil und praktisch hysteresefrei am Speichenrad 1 angeordnet.
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Aus der 5 ist ersichtlich, dass die Teilabschnitte 17 der Federelemente passgenau an die mehreckige Außenkontur 18 einer Hülse 6 anfügbar sind. Mit dieser Außenkontur 18 können die Teilabschnitte 17 insbesondere durch Schweißen, Nieten oder Schrauben verbunden werden. Zusätzlich liegen die Biegespeichen 9 der Federelemente 3 an radialen Streben 19 an, welche einstückig an die Hülse 6 angeformt sind.
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Durch die formschlüssige Verbindung von Federelementen 3 und Hülse 6 werden die auf die Biegespeichen 9 der Federelemente 3 einwirkenden Kräfte direkt auf die Hülse 6 übertragen. Hierdurch wird es möglich, die Hülse 6 und den Verbindungsabschnitt 10 statt mit einer Metallumspritzung mit einer kostengünstigeren, hier nicht dargestellten, Kunststoffumspritzung zu umgeben, da die Umspritzung praktisch keine auf die Federelemente 3 einwirkenden Kräfte weiterleiten muss.
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Die Verwendung des soweit beschriebenen, in vielerlei Hinsicht vorteilhaft ausgestalteten Torsionsmoduls erfordert allerdings ein Lenkrad, dessen Formgebung an die Gestalt des Torsionsmoduls angepasst ist; insbesondere sollte das Lenkrad einen als ebene Fläche ausgebildete Lenkradboden aufweisen, der mit Schraubverbindungsmittel, also Gewindebohrungen oder Gewindestiften zum Befestigen des Außenrings 4 des Torsionsmoduls versehen ist.
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Da ein derartiges Lenkrad nicht in jedem Fall zur Verfügung steht oder aber einen erhöhten Kostenaufwand erfordert, ist das nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Torsionsmodul so ausgestaltet, dass es mit vielen verschiedenartig ausgestalteten Lenkrädern verwendet werden kann. Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Torsionsmodul ist in den 1 und 2 in jeweils einer geschnittenen 3D-Ansicht dargestellt. Dieses Torsionsmodul weist in Aufbau und Funktionsweise eine Vielzahl von Übereinstimmungen mit dem vorbeschriebenen Torsionsmodul nach dem Stand der Technik auf, welche daher nicht im einzelnen wiederholt zu werden brauchen. Die nachfolgende Beschreibung soll daher vorrangig die unterscheidenden Merkmale aufzeigen. Für gleiche oder vergleichbar wirkende Teile werden dabei die bisher verwendeten Bezugszeichen übernommen.
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Im Unterschied zu der in der in den 3 bis 5 ersichtlichen Ausführung sind die Anschraubelemente hier nicht durch rund gebogene Endabschnitte der Federelemente 3 gebildet (Anschraubaugen 13), sondern durch abgewinkelte flache Abschnitte, im folgenden als Anschraublaschen 20 bezeichnet, die jeweils mit einem runden Durchbruch 8 zur Durchführung einer Schraube 27 versehen sind. Diese Anschraublaschen 20 sind in der 1 ohne und in der 2 mit einer den Außenring 4 bildenden Umspritzung dargestellt. Wie die 2 besonders deutlich zeigt, ragen die Anschraublaschen 20 radial in den Innenbereich des Außenrings 4 hinein.
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Mit den Anschraublaschen 20 ist ein flanschartiges Verbindungselement, kurz als Verbindungsflanschteil 21 bezeichnet, verschraubt. In den 1 und 2 ist das Verbindungsflanschteil 21 mit schwarz unterlegten Flächen dargestellt. Das Verbindungsflanschteil 21 besitzt angeformte Anschlagselemente 26 als Drehbegrenzungen für die Biegespeichen 9. Außerdem weist das Verbindungsflanschteil 21 zentral ein senkrecht zu den Ringflächen des Torsionsmodul ausgerichtetes erstes Verbindungselement 24 auf, welches eine Konturhülse 23 ausbildet, die dazu vorgesehen ist, einen Konturzapfen am Endabschnitt einer hier nicht dargestellten Lenkspindel aufzunehmen.
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Koaxial zu diesem ersten Verbindungselement 24 ausgerichtet ist am Innenring 2 ein zweites Verbindungselement 25 mit einem Konturzapfen 22 angeordnet. Zwischen dem ersten Verbindungselement 24 und dem zweiten Verbindungselement 25 ist eine Befestigungsschraube 28 unverlierbar angeordnet, mit der das Torsionsmodul mit der Lenkspindel verschraubt wird.
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Der Konturzapfen 22 ist passend zu einer an vielen Lenkrädern verwendeten Vielzahnhülse hier als Vielzahnzapfen ausgebildet. Hierdurch kann ein solches Lenkrad, dessen Konturhülse normalerweise direkt auf den Konturzapfen der Lenkspindel aufgesetzt ist, nun über das als Adapter wirkende Torsionsmodul mit der Lenkspindel verbunden werden. Vorteilhaft ist, dass das Verbindungsflanschteil 21 nicht etwa mit den Kreisringflächen des Außenrings 4 verbunden ist, sondern statt dessen in den von dem Außenring 4 umschlossenen Bereich eintaucht. Hierdurch wird die sich durch das Torsionsmodul ergebende achsiale Verlängerung der Lenkspindel auf einen minimalen Wert begrenzt.
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Der sich durch die achsiale Verlängerung der Lenkspindel ergebende Bauraum kann vorteilhaft genutzt werden, um die Gehäuse von an der Lenksäule erforderlichen Funktionsmodulen, wie zum Beispiel Lenkstockschaltermodule, Drehverbinder für den elektrischen Anschluss eines Lenkradairbags, um das Torsionsmodul herum anzuordnen.
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Darüber hinaus kann bedarfsweise auch vorgesehen werden, die Anordnung der Konturhülse und des Konturzapfens am Torsionsmodul gegenüber der hier gezeigten Ausführung umzukehren, so dass die Lenkspindel über eine Konturhülse an dem Innenring und das Lenkrad über einen am Verbindungsflanschteil angeformten Konturzapfen angebunden wird.
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Von besonderem Vorteil ist, dass eine bei einem Unfall auftretende starke Krafteinwirkung auf das Lenkrad über das zweite Verbindungselement 25 axial auf das erste Verbindungselement 24 übertragen und dadurch von der Lenkspindel aufgefangen wird.
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Im Gegensatz dazu führte eine entsprechende Situation bei Fahrzeugen mit einem Torsionsmodul, dessen Außenring 4 mit dem Lenkrad verschraubt war, in manchen Fällen zu einer Überlastung der Biegespeichen 9 und der Anschlagspeichen 14, wodurch das Lenkrad abgeschert und die Lenkspindel in personengefährdender Weise freigelegt wurde.
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Die erfindungsgemäße Ausführung eines Torsionsmoduls ermöglicht es damit zusätzlich, die Sicherheit eines Lenksystems zu verbessern.
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Bezugszeichen
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- 1
- Speichenrad
- 2
- Innenring
- 3
- Federelemente
- 4
- Außenring
- 5
- Anschlagelemente
- 6
- Hülse
- 7
- Wegsensor(en)
- 8
- Anschrauböffnungen (Durchbrüche)
- 9
- Biegespeichen
- 10
- Verbindungsabschnitt(e)
- 11
- Endabschnitte
- 12
- Verstärkungsrippen
- 13
- Anschraubaugen (Anschraubelemente)
- 14
- Anschlagspeichen
- 15
- Fenster
- 16
- Schraubhülsen
- 17
- Teilabschnitte
- 18
- (mehreckige) Außenkontur
- 19
- radiale Streben
- 20
- Anschraublaschen (Anschraubelemente)
- 21
- Verbindungsflanschteil
- 22
- Konturzapfen
- 23
- Konturhülse
- 24
- erstes Verbindungselement
- 25
- zweites Verbindungselement
- 26
- Anschlagselemente
- 27
- Schraube
- 28
- Befestigungsschraube
