DE102020122331A1

DE102020122331A1 - Drehmomentsensoreinheit mit strukturierter Oberfläche der Lenkwellen

Info

Publication number: DE102020122331A1
Application number: DE102020122331.5A
Authority: DE
Inventors: Ábel Vér
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-03
Also published as: WO2022043252A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoreinheit (11) zum Bestimmen eines Drehmomentes einer Welle eines Kraftfahrzeug-Lenksystems, wobei die Welle eine erste Lenkwelle (3) und eine mit der ersten Lenkwelle (3) über einen Drehstab verbundene zweite Lenkwelle (4) aufweist, und die Drehmomentsensoreinheit (11) eine Sensoreinheit (12) zur berührungslosen Erfassung der Drehlage der ersten Lenkwelle (3) und der zweiten Lenkwelle (4) umfasst, wobei die erste Lenkwelle (3) und die zweite Lenkwelle (4) aus Metall gebildet sind und jeweils einen von der Sensoreinheit (12) abfragbaren Messwertgeber (33,43) ausbilden, der durch eine in die Oberfläche der jeweiligen Lenkwelle (3,4) eingebrachte Struktur (32,42) gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoreinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, sowie eine elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug.
Drehmomentsensoren werden in einem Kraftfahrzeug dazu eingesetzt das von einem Fahrer in das Lenkrad eingeleitete Drehmoment zu messen. Derzeit verwendete Drehmomentsensoren weisen magnetische oder induktive Sensoreinheiten auf. Bei induktiven Drehmomentsensoren werden herkömmlicherweise Kupferspuren verwendet, um einen Drehwinkel zu codieren. Ortsfeste Spulen fragen auf der Lenkwelle befindliche Kupferspuren ab. Wenn sich die Kupferspur über die Spulen hinweg dreht, ändert sich die gegenseitige Induktivitätskopplung. Die Verwendung von zusätzlichen Materialien und/oder Bauteilen für die Codierung des Drehwinkels auf dem Drehteil ist aufwendig und teuer.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Drehmomentsensoreinheit anzugeben, die eine einfache und kostengünstige Codierung des Drehwinkels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird von einer Drehmomentsensoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist eine Drehmomentsensoreinheit zum Bestimmen eines Drehmomentes einer Welle eines Kraftfahrzeug-Lenksystems vorgesehen, wobei die Welle eine erste Lenkwelle und eine mit der ersten Lenkwelle über einen Drehstab verbundene zweite Lenkwelle aufweist, und die Drehmomentsensoreinheit eine Sensoreinheit zur berührungslosen Erfassung der Drehlage der ersten Lenkwelle und der zweiten Lenkwelle umfasst, wobei die erste Lenkwelle und die zweite Lenkwelle aus Metall gebildet sind und jeweils einen von der Sensoreinheit abfragbaren Messwertgeber ausbilden, der durch eine in die Oberfläche der jeweiligen Lenkwelle eingebrachte Struktur gebildet ist. Die Herstellung eines solchen Messwertgebers ist besonders einfach und kostengünstig. Die erste und zweite Lenkwelle ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Metall und besonders vorteilhaft aus Stahl gebildet. Bevorzugt erfolgt das Ausbilden der Struktur durch mechanische Bearbeitung, zum Beispiel durch Bohren, Fräsen, oder Prägen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Struktur sich in Längsrichtung erstreckende Nuten, die entlang des Umfangs gleichmäßig beabstandet sind. Es können aber auch unterschiedliche Nuten oder Vertiefungen vorgesehen sein, so lange der Abstand zur Spule variiert um dem Ausgangssignal eine Ortskodierung aufzuprägen.
Die Sensoreinheit kann eine induktive oder magnetische Sensoreinheit sein.
Vorzugsweise weist die Sensoreinheit wenigstens zwei Sensoren auf, die jeweils zwei Spulen haben. Dabei ist bevorzugt ein Sensor einer Lenkwelle zur Abfrage der Drehlage zugeordnet. Um die Redundanz zu erhöhen, können mehr als zwei Sensoren verwendet werden.
Vorzugsweise umgeben die Spulen eines Sensors die entsprechende Lenkwelle im Bereich der Struktur des Messwertgebers umfangsseitig.
Eine vorteilhafte induktive Sensoreinheit umfasst pro Sensor zwei Spulen, die sich sinusförmig entlang der Umfangsrichtung erstrecken und zueinander um jeweils 90° phasenverschoben angeordnet sind.
Weiterhin ist eine elektromechanische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine zuvor beschriebene Drehmomentsensoreinheit vorgesehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung mit Drehmomentsensoreinheit,
2: eine räumliche Ansicht von Drehteilen einer Drehmomentsensoreinheit,
3: eine räumliche Darstellung von zwei Sensoren einer induktiven Drehmomentsensoreinheit, sowie
4: eine Detailansicht eines Sensors der 3.

In der 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer oberen 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 obere Lenkwelle 3 und eine untere Lenkwelle 4 auf ein Lenkritzel 5 übertragen. Das Ritzel 5 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment einer Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 5 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 80 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegenwirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 9 einer Servoeinheit 10 ist vorgesehen, um den Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die obere Lenkwelle 3 und die untere Lenkwelle 4 sind drehelastisch über einen nicht gezeigten Drehstab miteinander gekoppelt. Eine Drehmomentsensoreinheit 11 erfasst die Verdrehung der oberen Lenkwelle 3 gegenüber der unteren Lenkwelle 4 als ein Maß des an der Lenkwelle 3 oder des Lenkrades 2 manuell ausgeübten Drehmomentes. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 11 gemessen Drehmoments stellt die Servoeinheit 10 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit. Die Servoeinheit 10 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10, 100, 101 entweder mit der Zahnstange 6, einer Lenkwelle 3, oder dem Lenkritzel 5 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10, 100, 101 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 5 und/oder in die Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungseinrichtungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt.
In der 2 sind die Drehteile einer induktiven Drehmomentsensoreinheit 11 dargestellt. Die mit dem Lenkrad 2 verbundene obere Lenkwelle 3 ist über einen nicht dargestellten Drehstab drehelastisch mit der unteren Lenkwelle 4 verbunden. Auf der unteren Lenkwelle 4 ist ein Lenkritzel 40 ausgebildet, welches mit einer Zahnstange in Eingriff bringbar ist. Die beiden Lenkwellen 3,4 weisen jeweils in einem Endbereich 31,41 eine in die Oberfläche eingebrachte Struktur 32,42 auf, die eine Winkelcodierung ausbildet. Die beiden Endbereiche 31,41 liegen sich im eingebauten Zustand unmittelbar gegenüber, und werden bei Einleitung eines Drehmoments in die obere Lenkwelle 3 gegeneinander verdreht. Sie bilden im Bereich der Struktur 32,42 jeweils einen Messwertgeber 33,43 aus, der in Verbindung mit mindestens einem nicht dargestellten Sensor ein den Drehwinkel der rotierenden Lenkwelle 3,4 repräsentierendes Signal erzeugt. Die Lenkwellen 3,4 sind aus einem einzigen metallischen Werkstoff gebildet. Die Struktur umfasst in dem in 2 gezeigten Beispiel sich in Längsrichtung erstreckende Nuten, die entlang des Umfangs gleichmäßig beabstandet sind. Die Struktur wird bevorzugt nachträglich auf der Oberfläche durch Bohren oder ein sonstiges mechanisches Bearbeitungsverfahren ausgebildet. Die Oberfläche ist nicht mit einer zusätzlichen magnetorestriktiven Schicht beschichtet.
Die Messwertgeber 33,43 sind von einer in 3 dargestellten Sensoreinheit 12 umfangseitig umgeben. Die Sensoreinheit 12 umfasst zwei induktive Sensoren 13,14, die jeweils zwei Spulen 15 aufweisen. Die Spulen 15 eines induktiven Sensors 13,14 sind in 4 dargestellt. Die Spulen 15 umgeben den Messwertgeber 33,43 umfangseitig. Die Spulen 15 eines Sensors 13,14 erstrecken sich wellenförmig bzw. sinusförmig entlang der Umfangsrichtung und sind zueinander um jeweils 90° phasenversetzt angeordnet, so dass sie als Sinus- und Cosinusdecodierung fungieren, um die Position zu erfassen. Die Spulen 15 liegen somit in einer gemeinsamen Ebene, die sich wie eine Mantelfläche eines Zylinders um die Drehachse der Lenkwellen 3,4 legt. Ein Sensor 13,14 fragt die Oberfläche des entsprechenden Messwertgebers 33,43 der Lenkwelle ab. Die Spulen 15 sind Teile eines Schwingkreises. Sie erzeugen ein hochfrequentes Magnetfeld. Wenn sich die Struktur 32,42 des Messwertgebers 33,43 in dem Magnetfeld bewegt, beginnt aufgrund der elektromagnetischen Induktion ein Induktionsstrom zu fließen. Basierend auf der gegenseitigen Induktivitätskopplung ändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des abgefragten Bereichs des Messwertgebers 33,43. Um den Drehwinkel der Lenkwelle 3,4 zu berechnen, sind im vorliegenden Fall zwei um 90° phasenversetze Spulen 15 notwendig. Es können mehr als zwei Sensoren 13,14 vorgesehen sein, um eine hohe Redundanz sowie eine Fähigkeit zur elektronischen Fehlerkompensation (Fehlausrichtung, mechanische Fehler) zu ermöglichen.
Es ist auch denkbar, eine magnetische Drehmomentsensoreinheit mit magnetischen Sensoren vorzusehen, die jeweils eine Codierung der entsprechenden Lenkwelle abfragen. Aufgrund der in die Oberfläche der Welle eingebrachten Struktur aus beabstandeten Nuten bzw. Senken gibt es in diesem Fall Unterschiede in der magnetischen Permeabilität, was von dem magnetischen Sensor detektierbar ist. Die Senken bzw. Nuten bilden dabei einen niedrigen Zustand aus. In den Bereichen, wo die Oberfläche nicht nachträglich abgetragen wurde, also ein Zahn im Vergleich zu den Senken ausgebildet ist, wird ein hoher Zustand gemessen. Durch die Struktur ergeben sich unterschiedliche Überlappungsbereiche mit der Spulenstruktur. Da die Spulenstruktur sinusförmig ist, repräsentiert der überlappende Bereich eine sinusförmige Wellenform als Ausgangssignal bei Drehung der Lenkwelle.
Beide Drehmomentsensoreinheiten haben gemeinsam, dass der Messwertgeber durch eine in die Oberfläche der aus einem einzigen Material bestehenden metallischen Lenkwelle eingebrachten Codierung ausgebildet ist. Die Herstellung eines durch die Lenkwelle selbst gebildeten Messwertgebers ist deutlich günstiger, da keine Beschichtung der Oberfläche oder zusätzliche Bauteile notwendig sind.

Claims

Drehmomentsensoreinheit (11) zum Bestimmen eines Drehmomentes einer Welle eines Kraftfahrzeug-Lenksystems, wobei die Welle eine erste Lenkwelle (3) und eine mit der ersten Lenkwelle (3) über einen Drehstab verbundene zweite Lenkwelle (4) aufweist, und die Drehmomentsensoreinheit (11) eine Sensoreinheit (12) zur berührungslosen Erfassung der Drehlage der ersten Lenkwelle (3) und der zweiten Lenkwelle (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lenkwelle (3) und die zweite Lenkwelle (4) aus Metall gebildet sind und jeweils einen von der Sensoreinheit (12) abfragbaren Messwertgeber (33,43) ausbilden, der durch eine in die Oberfläche der jeweiligen Lenkwelle (3,4) eingebrachte Struktur (32,42) gebildet ist.
Drehmomentsensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (32,42) durch mechanische Bearbeitung der Oberfläche hergestellt ist.
Drehmomentsensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (32,42) sich in Längsrichtung erstreckende Nuten umfasst, die entlang des Umfangs gleichmäßig beabstandet sind.
Drehmomentsensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) eine induktive oder magnetische Sensoreinheit ist.
Drehmomentsensoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) wenigstens zwei Sensoren (13,14) umfasst, die jeweils zwei Spulen (15) aufweisen.
Drehmomentsensoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (15) eines Sensors (13,14) die entsprechende Lenkwelle (3,4) im Bereich der Struktur (32,42) umfangsseitig umgeben.
Elektromechanische Hilfskraftlenkung (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Drehmomentsensoreinheit (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.