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Diese Erfindung bezieht sich auf eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe zur Messung einer an einer Welle auftretenden Torsionskraft, wie z. B. einer Kraftfahrzeuglenksäule oder Ähnlichem. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppen mit einem gegossenem Kunststoffkörper, der einen Kanal zur Aufnahme der Welle definiert, und mit Magnetfühlern, die mit einem Trägerstreifen verbunden sind und in dem gegossenen Kunststoffkörper in einer bestimmten Anordnung relativ zur Welle eingebettet sind.
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Ein Momentengeber zum Messen eines Drehmoments an einer Kurbelwelle von Kraftfahrzeugen ist beispielsweise aus der
DE 28 27 967 A1 bekannt.
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Es ist weiterhin bekannt, dass ein magnetoelastischer Effekt genutzt wird, um Schwankungen der an einer Welle auftretenden Torsionskraft zu messen. Die Welle ist mit einem magnetischen umlaufenden Band ausgestattet. Ein Magnetflusssensor wird benachbart zum Elektroband angeordnet und erkennt Schwankungen im Magnetfluss über die Welle, sobald eine Torsionskraft aufgebracht wird. Üblicherweise sind mehrere Sensoren umlaufend um die Welle angeordnet, um die Sensitivität zu erhöhen. Um Schwankungen im Magnetfluss infolge lateraler (seitlicher) Verschiebung der Welle zu differenzieren, ist es ebenfalls wünschenswert die Sensoren einander diametral gegenüberliegend Paaren anzuordnen.
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Ein Anwendungsvorschlag einer magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe ist der, die auf eine Kraftfahrzeuglenksäule in einem Kraftfahrzeug einwirkende Torsionskraft zu messen und die Messergebnisse während des Lenkens zu verwenden, um ein elektronisches Lenkunterstützungssystem zu regeln. Eine sorgfältige Anordnung der Sensoren um die Welle ist für eine zuverlässige Messung erforderlich. Die manuelle Anordnung der Sensoren ist zeitaufwendig und für eine Massenproduktion nicht geeignet. Im Stand der Technik ist vorgeschlagen, die Sensoren auf einer Art Klammer oder Greifer oder einen Gelenkhebel zu montieren. Die Sensorempfindlichkeit ist jedoch sowohl Schwankungen im Schluss der Klammer als auch in der Anordnung der Klammer relativ zur Weile unterworfen. Auch sind feste Anordnungen bekannt, diese decken aber nur einen Bereich des Wellenumfangs ab und ordnen die Sensoren nicht in diametral gegenüberliegender Anordnung an.
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Es besteht daher ein Bedarf für eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe die leicht an einer Welle, wie zum Beispiel einer Lenksäule, installiert werden kann, um ein Sensorarray in einer festen Anordnung sowohl relativ zur Welle als auch zueinander, eingeschlossen diametral entgegengesetzter Sensoren, anzuordnen. Dies ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe zur Messung der auf eine Weile wirkenden Torsionskraft vorgestellt. Die Baugruppe umfasst einen vorzugs- aber nicht notwendigerweise gegossenen Kunststoffkörper, der einen Kanal definiert, mit einer Achse und einer verlängerten Axialöffnung zur radialen Aufnahme der Welle, um die Welle koaxial innerhalb des Kanals zu positionieren. Der gegossene Kunststoffkörper beinhaltet ein erstes und ein zweites Seitenteil, jeweils mit einem Abstand angeordnet um die Achse. Ein U-förmiger Trägerstreifen ist in den gegossenen Kunststoffkörper eingebettet. Der Trägerstreifen umfasst ein Mittelstück, ein sich vom Mittelstück im ersten Seitenteil des gegossenen Kunststoffkörpers erstreckendes erstes Seitenstück und ein sich vom Mittelstück im zweiten Seitenteil des gegossenen Kunststoffkörpers erstreckendes zweites Seitenstück. Das Mittelteil umfasst Anschlussklemmen, geeignet für externe elektrische Anschlüsse mit dem Kanalträgerstreifen. Der magnetoelastische Drehmomentsensor umfasst ebenso mindestens einen ersten und einen zweiten Magnetflusssensor, befestigt am Trägerstreifen, wobei der erste Sensor im ersten Seitenteil und der zweite Sensor im zweiten Seitenteil eingebettet sind. Vorzugsweise sind der erste und zweite Sensor in einer Ebene parallel zur Achse entweder diametral gegenüberliegende oder axial beabstandet angeordnet. Der magnetoelastische Drehmomentsensor ist leicht herstellbar, wobei der Trägerstreifen genutzt wird, um die Magnetflusssensoren in der gewünschten Anordnung während des Giessens anzuordnen, und um elektrische Verbindungen zu den Sensoren nach dem Einbetten zu gewährleisten. Zur Verwendung bietet der gegossene Kunststoffkörper eine robuste Baugruppe, die leicht an der Welle installiert werden kann, während die Position der Magnetflusssensoren nicht nur untereinander sondern auch relativ zur Welle festgesetzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
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1: einen Querschnitt eines magnetoelastischen Drehmomentsensors in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
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2: einen Querschnitt des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus 1 entlang der Linie 2-2 in Richtung der Pfeile;
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3: eine perspektivische Ansicht des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus 1;
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4: eine perspektivische Ansicht, die einen Kanalträgerstreifen und ein Sensorarray für den magnetoelastischen Drehmomentsensor aus 1 darstellt; und
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5: eine Aufsicht des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus 1
zeigt.
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In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, ist in den Figuren eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10, geeignet zur Messung der auf eine Welle 12 einer Kraftfahrzeuglenksäulenbaugruppe aufgebrachten Torsionskraft gezeigt. Als Beispiel für diese Ausführung umfasst die Welle 12 ein Ritzel (nicht dargestellt) eines Zahnstangenlenksystems und beinhaltet beabstandete Lager (nicht dargestellt). Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 ist konstruiert, um zwischen den Lagern an der Welle 12 installiert zu werden. Die Welle 12 ist um eine zentrale Längsachse 11 rotierbar. Um die Torsionskraft zu messen, ist die Welle 12 mit einem ersten Elektroband 14 mit einem magnetischen Feld in Richtung 16 und einem zweiten Elektroband 18 mit einem magnetischen Feld in entgegengesetzter Richtung 20 versehen. Beim Lenken des Fahrzeugs verursacht die Rotation der Welle 12 um die zentrale Längsachse 11 messbare Schwankungen in den Magnetfeldern der Bänder 14 und 18 und bietet so eine Möglichkeit der Messung der Torsionskraft auf die Welle 12. In diesem Ausführungsbeispiel bieten die von der magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe 10 aufgenommenen Momentmessungen einen Eingabewert für ein elektronisches Lenkunterstützungssystem eines Kraftfahrzeugs.
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Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 umfasst als wesentliche Bauteile ein Array von zwei oder mehr Magnetflusssensoren 24a–h, befestigt an einem Kanal-Trägerstreifen 26 und eingebettet in einen gegossenen Kunststoffkörper 28.
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Der gegossene Kunststoffkörper 28 besteht aus einem polymeren Material mit nichtmagnetischen Eigenschaften und besitzt eine U-Form, um einen Kanal 30 zu definieren, in Größe und Form geeignet, die Welle 12 aufzunehmen. Der Kanal 30 erstreckt sich entlang einer zentralen Längsachse 11, die mit der Achse der Welle 12 zusammenfällt, wenn die Welle 12 installiert ist. Der Kanal 30 umfasst eine Axialöffnung 32, wodurch der Kunststoffkörper 28 mit einem ersten Seitenteil 33 und einem zweiten Seitenteil 35 lateral um die Welle 12 angeordnet werden kann. Der Kunststoffkörper 28 schließt einen Mittelteil 34 ein, in das die Sensorelemente 24 eingebettet sind. Der Mittelteil 34 besitzt eine im allgemeinen zylindrische Außenfläche 36 und schließt eine Aussparung 38 zur Aufnahme mikroelektronischer Bauteile, wie weiter unten beschrieben, ein. Der Kunststoffkörper 28 umfasst ebenso einen vergrößerten Endbereich 40, der eine Aussparung 42 zur Aufnahme einer elektrischen Anschlussbuchse 78 zur Verbindung mit einem externen elektrischen Schaltkreis definiert.
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Die Magnetflusssensoren 24 sind im Kunststoffkörper 28 nahe am Kanal 30 angeordnet. Geeignete Sensoren sind elektrische Induktoren (elektrische Induktionsspulen), die eine Drahtspule um einen weichmagnetischen zylindrischen Kern besitzen und so angeordnet sind, dass die Zylinderachse parallel zur zentralen Längsachse 11 verläuft. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Array vier Sensoren 24a, 24c, 24e, 24g, die so angeordnet sind, dass sie einen magnetischen Fluss im ersten Elektroband 14 erfassen, und vier Sensoren 24b, 24d, 24f, 24h, die so angeordnet sind, dass sie einen magnetischen Fluss im zweiten Elektroband 18 erfassen. Zwei der Sensoren (24a, 24e) für das erste Elektroband 14 und zwei der Sensoren (24b, 24f) für das zweite Elektroband 18 sind im ersten Seitenteil 33 des Kanals 30 eingelassen, während die verbliebenen zwei Sensoren (24c, 24g) für das erste Elektroband 14 und die beiden Sensoren (24d, 24h) für das zweite Elektroband 18 im zweiten Seitenteil 35 des Kanals 30 eingelassen sind. Mit besonderer Bedeutung für die bevorzugte Anordnung umfasst das Array in einer Ebene durch die zentrale Längsachse 11 angeordnete Magnetflusssensoren 24. In diesem Beispiel liegen die Sensoren 24a, b, g, h in einer Ebene durch die zentrale Längsachse 11, während die Sensoren 24c, d, e, f in einer zweiten Ebene durch die zentrale Längsachse 11 liegen. Jede Ebene beinhaltet Magnetflusssensoren 24, die einander diametral gegenüberliegen, zum Beispiel 24a und 24g, und Magnetflusssensoren 21, die axial versetzt zueinander angeordnet sind, zum Beispiel 24a und 24h. Auf diese Weise können Signale von gegenüberliegenden Sensoren leicht prozessiert werden, um Abweichungen im Magnetfluss infolge lateraler Verschiebung der Welle 12 zu unterscheiden, und dadurch für eine zuverlässigere Messung der Signale, die aus einer auf die Welle 12 wirkenden Torsionskraft resultieren, sorgen. Während dieses Ausführungsbeispiel als bevorzugte Ausführung mit einem Array aus acht Magnetflusssensoren 24, die für redundante Messungen über multiple Wellenmagnetfelder zur Erhöhung der Sensibilität und Zuverlässigkeit sorgen, beschrieben worden ist, können Messungen entsprechend unter Verwendung von maximal zwei Magnetflusssensoren 24 in axial-diametraler Beziehung, entweder einander direkt gegenüber oder zueinander axial versetzt, erhalten werden.
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Die Magnetflusssensoren 24 sind an einem U-förmigen Trägerstreifen 26 befestigt, der ebenfalls in den gegossenen Kunststoffkörper 28 eingelassen ist. Wie 4 zeigt, umfasst der Trägerstreifen 26 eine Reihe diskreter Stränge 50, die den elektrischen Anschluss an die Magnetflusssensoren 24 bereitstellen. Der Trägerstreifen 26 ist aus einem verkupferten Blech hergestellt, das gestanzt ist, um die Stränge 50 auszubilden, und gebogen ist, um ein erstes Seitenstück 52, angeordnet im ersten Seitenteil 33 des gegossenen Kunststoffkörpers 28, ein zweites Seitenstück 55, eingelassen im zweiten Seitenteil 35 des gegossenen Kunststoffkörpers 28, und ein Mittelstück 56 dazwischen zu bilden. Innerhalb jeden Bereiches verlaufen die Stränge 50 im Wesentlichen planar. Der Trägerstreifen 26 umfasst weiterhin eine Reihe von Anschlüssen 60, die sich in die Aussparung 42 des vergrößerten Endbereichs 40 erstrecken, um externe elektrische Anschlüsse zu ermöglichen.
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In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 einen Mikroprozessor 62 zur Prozessierung der elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren 24. Der Mikroprozessor 62 befindet sich in der Aussparung 38 und ist über die Anschlüsse 58 mit dem Trägerstreifen 26 verbunden. Daher werden die elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren 24 durch den Trägerstreifen 26 zum Mikroprozessor 62 zur Prozessierung geleitet. Der Mikroprozessor 62 ist ebenso über die Anschlüsse 58 mit den Anschlüssen 60 zur Herstellung eines externen elektrischen Anschlusses verbunden.
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Ein wesentlicher Vorteil der magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe 10 ist der, das sie leicht unter Anwendung üblicher Herstellungsprozesse hergestellt werden kann. Ein verkupfertes Blech wird gestanzt, um die Stränge 50 zu definieren. Die Magnetflusssensoren 24 werden auf die Stränge 50 gelötet, und der Trägerstreifen 26 wird gebogen, um sowohl das erste Seitenstück 52 und das zweite Seitenstück 55 als auch die Anschlüsse 58 und 60 zu formen. Auf dieser Stufe sind die Stränge 50 untereinander über Reiter (tabs) verbunden, die die Anschlüsse 58 und 60 verbinden. Diese Reiter erhalten die diskreten Stränge 50 in der gewünschten Anordnung während der Bearbeitungs- und Kunststoffgussarbeitsschritte und werden anschließend entfernt, um die Stränge 50 zu isolieren. Mit den befestigten Reitern wird der Trägerstreifen 26 im Hohlraum einer Gussform mit einer dem Kunststoffkörper 28 korrespondierenden Form angeordnet. Kunststoff wird in die Form injiziert, um den 28 zu formen und die Magnetflusssensoren 24 und den Trägerstreifen 26 im Kunststoffkörper 28 einzulassen. Danach werden die mit den Anschlüssen 58 und 60 verbundenen Reiter entfernt, um die Stränge 50 zu trennen.
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Ein weiterer großer Vorteil der magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe 10 ist der, das sie leicht an einer Welle 12 während der Herstellung des Lenksystems, beispielsweise einem Selbstlenksystem, eingebaut werden kann. Nach dem Einbau der Welle 12 in das Fahrzeugchassis wird die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 durch die Axialöffnung 32 um die Welle 12 installiert, so dass die Welle 12 koaxial im Kanal 30 liegt. Eine Metallabschirmung 70 wird axial entlang der Welle 12 geschoben und über der zylindrischen Außenfläche 36 des Kunststoffkörpers 28 angeordnet. Die Metallabschirmung 70 umgibt die Magnetflusssensoren 24, um die Magnetflusssensoren 24 von externen magnetischen Feldern abzuschirmen. Anschließend wird ein Gehäuse 74 über der Welle 12 montiert. Das Gehäuse 74 beinhaltet eine Öffnung, die mit der Aussparung 42 im vergrößerten Endbereich 40 fluchtet. Eine elektrische Steckverbindung 78 wird durch die Öffnung geschoben, um die Anschlüsse 60 mit dem Kabelbaum zur Kommunikation mit dem elektrischen Steuersystem des Kraftfahrzeugs zu verbinden. Die Steckverbindung 78 sichert zusätzlich die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 gegen Dreh- und Axialverschiebung, wodurch die Verwendung zusätzlicher Befestigungsmittel nicht notwendig ist.
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Die vorliegende Erfindung bietet daher eine robuste magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10, in der ein Array von Magnetflusssensoren 24 in einen Kunststoffkörper 28 in einer festgelegten und starren Anordnung zueinander eingelassen ist, um Abweichungen bzw. Verschiebungen im Betrieb zu vermeiden. Die Sichelform des Kunststoffkörpers 28 erlaubt einen leichten Einbau der magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 um die Welle 12, wobei die Magnetflusssensoren 24 in der gewünschten Anordnung um die Achse angeordnet sind. Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 kann leicht unter Verwendung eines Trägerstreifens 26 hergestellt werden, um die Magnetflusssensoren 24 während der Kunststoffgussbearbeitung exakt zu positionieren und eine zuverlässigern elektrische Verbindung zu den Magnetflusssensoren 24 während des Betriebs zu gewährleisten. Es ist ein Vorteil der bevorzugten Ausführung, dass ein Mikroprozessor 62 zur Prozessierung der elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren 24 in den Kunststoffkörper 28 eingebaut werden kann. Dieses gestattet es der gesamten magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe 10 einschließlich des Mikroprozessors 62, in einer Metallabschirmung 70 angeordnet und vor externen elektromagnetischen Feldern geschützt zu werden.
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Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist diese nicht als auf diese beschränkt anzusehen, sondern nur in dem Rahmen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert wird.
