DE10353731B4 - Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe - Google Patents
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Abstract
Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (10) zur Messung einer Torsionskraft einer Welle (12), wobei die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (10) umfasst: – einen gegossenen Kunststoffkörper (28), einen Kanal (30) mit einer zentralen Längsachse (11) und einer länglichen Axialöffnung (32) zur radialen Aufnahme der Welle (12) aufweisend, wobei der gegossene Kunststoffkörper (28) ein erstes Seitenteil (33) und ein zweites Seitenteil (35), einander gegenüberliegender in Bezug auf den Kanal (30), beinhaltet; – einen Trägerstreifen (26), eingelassen in den gegossenen Kunststoffkörper (28), der ein Mittelstück (56), ein sich vom Mittelstück (56) in das erste Seitenteil (33) des gegossenen Kunststoffkörpers (28) erstreckendes erstes Seitenstück (52) und ein sich vom Mittelstück (56) in das zweite Seitenteil (35) des gegossenen Kunststoffkörpers (28) erstreckendes zweites Seitenstück (55) aufweist wobei das Mittelstück (56) zum Anschluss an eine externe elektrische Verbindung geeignete elektrische Anschlüsse (58) umfasst; – wenigstens einen ersten Magnetflusssensor (24) benachbart zum Kanal (30), eingelassen in das erste Seitenteil (33) und elektrisch mit dem Trägerstreifen (26) verbunden; und – wenigstens einen zweiten Magnetflusssensor (24), benachbart zum Kanal (30), eingelassen in das zweite Seitenteil (35) und elektrisch leitend mit dem Trägerstreifen (26) verbunden.
Description
- 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.
- Ein Momentengeber zum Messen eines Drehmoments an einer Kurbelwelle von Kraftfahrzeugen ist beispielsweise aus der
DE 28 27 967 A1 bekannt. - 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.
- 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.
- 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.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- 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.
- Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
-
1 : einen Querschnitt eines magnetoelastischen Drehmomentsensors in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
2 : einen Querschnitt des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus1 entlang der Linie 2-2 in Richtung der Pfeile; -
3 : eine perspektivische Ansicht des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus1 ; -
4 : eine perspektivische Ansicht, die einen Kanalträgerstreifen und ein Sensorarray für den magnetoelastischen Drehmomentsensor aus1 darstellt; und -
5 : eine Aufsicht des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus1
zeigt. - In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung, ist in den Figuren eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe
10 , geeignet zur Messung der auf eine Welle12 einer Kraftfahrzeuglenksäulenbaugruppe aufgebrachten Torsionskraft gezeigt. Als Beispiel für diese Ausführung umfasst die Welle12 ein Ritzel (nicht dargestellt) eines Zahnstangenlenksystems und beinhaltet beabstandete Lager (nicht dargestellt). Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe10 ist konstruiert, um zwischen den Lagern an der Welle12 installiert zu werden. Die Welle12 ist um eine zentrale Längsachse11 rotierbar. Um die Torsionskraft zu messen, ist die Welle12 mit einem ersten Elektroband14 mit einem magnetischen Feld in Richtung16 und einem zweiten Elektroband18 mit einem magnetischen Feld in entgegengesetzter Richtung20 versehen. Beim Lenken des Fahrzeugs verursacht die Rotation der Welle12 um die zentrale Längsachse11 messbare Schwankungen in den Magnetfeldern der Bänder14 und18 und bietet so eine Möglichkeit der Messung der Torsionskraft auf die Welle12 . In diesem Ausführungsbeispiel bieten die von der magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe10 aufgenommenen Momentmessungen einen Eingabewert für ein elektronisches Lenkunterstützungssystem eines Kraftfahrzeugs. - Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe
10 umfasst als wesentliche Bauteile ein Array von zwei oder mehr Magnetflusssensoren24a –h, befestigt an einem Kanal-Trägerstreifen26 und eingebettet in einen gegossenen Kunststoffkörper28 . - Der gegossene Kunststoffkörper
28 besteht aus einem polymeren Material mit nichtmagnetischen Eigenschaften und besitzt eine U-Form, um einen Kanal30 zu definieren, in Größe und Form geeignet, die Welle12 aufzunehmen. Der Kanal30 erstreckt sich entlang einer zentralen Längsachse11 , die mit der Achse der Welle12 zusammenfällt, wenn die Welle12 installiert ist. Der Kanal30 umfasst eine Axialöffnung32 , wodurch der Kunststoffkörper28 mit einem ersten Seitenteil33 und einem zweiten Seitenteil35 lateral um die Welle12 angeordnet werden kann. Der Kunststoffkörper28 schließt einen Mittelteil34 ein, in das die Sensorelemente24 eingebettet sind. Der Mittelteil34 besitzt eine im allgemeinen zylindrische Außenfläche36 und schließt eine Aussparung38 zur Aufnahme mikroelektronischer Bauteile, wie weiter unten beschrieben, ein. Der Kunststoffkörper28 umfasst ebenso einen vergrößerten Endbereich40 , der eine Aussparung42 zur Aufnahme einer elektrischen Anschlussbuchse78 zur Verbindung mit einem externen elektrischen Schaltkreis definiert. - Die Magnetflusssensoren
24 sind im Kunststoffkörper28 nahe am Kanal30 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 Längsachse11 verläuft. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Array vier Sensoren24a ,24c ,24e ,24g , die so angeordnet sind, dass sie einen magnetischen Fluss im ersten Elektroband14 erfassen, und vier Sensoren24b ,24d ,24f ,24h , die so angeordnet sind, dass sie einen magnetischen Fluss im zweiten Elektroband18 erfassen. Zwei der Sensoren (24a ,24e ) für das erste Elektroband14 und zwei der Sensoren (24b ,24f ) für das zweite Elektroband18 sind im ersten Seitenteil33 des Kanals30 eingelassen, während die verbliebenen zwei Sensoren (24c ,24g ) für das erste Elektroband14 und die beiden Sensoren (24d ,24h ) für das zweite Elektroband18 im zweiten Seitenteil35 des Kanals30 eingelassen sind. Mit besonderer Bedeutung für die bevorzugte Anordnung umfasst das Array in einer Ebene durch die zentrale Längsachse11 angeordnete Magnetflusssensoren24 . In diesem Beispiel liegen die Sensoren24a , b, g, h in einer Ebene durch die zentrale Längsachse11 , während die Sensoren24c , d, e, f in einer zweiten Ebene durch die zentrale Längsachse11 liegen. Jede Ebene beinhaltet Magnetflusssensoren24 , die einander diametral gegenüberliegen, zum Beispiel24a und24g , und Magnetflusssensoren21 , die axial versetzt zueinander angeordnet sind, zum Beispiel24a und24h . Auf diese Weise können Signale von gegenüberliegenden Sensoren leicht prozessiert werden, um Abweichungen im Magnetfluss infolge lateraler Verschiebung der Welle12 zu unterscheiden, und dadurch für eine zuverlässigere Messung der Signale, die aus einer auf die Welle12 wirkenden Torsionskraft resultieren, sorgen. Während dieses Ausführungsbeispiel als bevorzugte Ausführung mit einem Array aus acht Magnetflusssensoren24 , 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 Magnetflusssensoren24 in axial-diametraler Beziehung, entweder einander direkt gegenüber oder zueinander axial versetzt, erhalten werden. - Die Magnetflusssensoren
24 sind an einem U-förmigen Trägerstreifen26 befestigt, der ebenfalls in den gegossenen Kunststoffkörper28 eingelassen ist. Wie4 zeigt, umfasst der Trägerstreifen26 eine Reihe diskreter Stränge50 , die den elektrischen Anschluss an die Magnetflusssensoren24 bereitstellen. Der Trägerstreifen26 ist aus einem verkupferten Blech hergestellt, das gestanzt ist, um die Stränge50 auszubilden, und gebogen ist, um ein erstes Seitenstück52 , angeordnet im ersten Seitenteil33 des gegossenen Kunststoffkörpers28 , ein zweites Seitenstück55 , eingelassen im zweiten Seitenteil35 des gegossenen Kunststoffkörpers28 , und ein Mittelstück56 dazwischen zu bilden. Innerhalb jeden Bereiches verlaufen die Stränge50 im Wesentlichen planar. Der Trägerstreifen26 umfasst weiterhin eine Reihe von Anschlüssen60 , die sich in die Aussparung42 des vergrößerten Endbereichs40 erstrecken, um externe elektrische Anschlüsse zu ermöglichen. - In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe
10 einen Mikroprozessor62 zur Prozessierung der elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren24 . Der Mikroprozessor62 befindet sich in der Aussparung38 und ist über die Anschlüsse58 mit dem Trägerstreifen26 verbunden. Daher werden die elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren24 durch den Trägerstreifen26 zum Mikroprozessor62 zur Prozessierung geleitet. Der Mikroprozessor62 ist ebenso über die Anschlüsse58 mit den Anschlüssen60 zur Herstellung eines externen elektrischen Anschlusses verbunden. - 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 Stränge50 zu definieren. Die Magnetflusssensoren24 werden auf die Stränge50 gelötet, und der Trägerstreifen26 wird gebogen, um sowohl das erste Seitenstück52 und das zweite Seitenstück55 als auch die Anschlüsse58 und60 zu formen. Auf dieser Stufe sind die Stränge50 untereinander über Reiter (tabs) verbunden, die die Anschlüsse58 und60 verbinden. Diese Reiter erhalten die diskreten Stränge50 in der gewünschten Anordnung während der Bearbeitungs- und Kunststoffgussarbeitsschritte und werden anschließend entfernt, um die Stränge50 zu isolieren. Mit den befestigten Reitern wird der Trägerstreifen26 im Hohlraum einer Gussform mit einer dem Kunststoffkörper28 korrespondierenden Form angeordnet. Kunststoff wird in die Form injiziert, um den28 zu formen und die Magnetflusssensoren24 und den Trägerstreifen26 im Kunststoffkörper28 einzulassen. Danach werden die mit den Anschlüssen58 und60 verbundenen Reiter entfernt, um die Stränge50 zu trennen. - Ein weiterer großer Vorteil der magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe
10 ist der, das sie leicht an einer Welle12 während der Herstellung des Lenksystems, beispielsweise einem Selbstlenksystem, eingebaut werden kann. Nach dem Einbau der Welle12 in das Fahrzeugchassis wird die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe10 durch die Axialöffnung32 um die Welle12 installiert, so dass die Welle12 koaxial im Kanal30 liegt. Eine Metallabschirmung70 wird axial entlang der Welle12 geschoben und über der zylindrischen Außenfläche36 des Kunststoffkörpers28 angeordnet. Die Metallabschirmung70 umgibt die Magnetflusssensoren24 , um die Magnetflusssensoren24 von externen magnetischen Feldern abzuschirmen. Anschließend wird ein Gehäuse74 über der Welle12 montiert. Das Gehäuse74 beinhaltet eine Öffnung, die mit der Aussparung42 im vergrößerten Endbereich40 fluchtet. Eine elektrische Steckverbindung78 wird durch die Öffnung geschoben, um die Anschlüsse60 mit dem Kabelbaum zur Kommunikation mit dem elektrischen Steuersystem des Kraftfahrzeugs zu verbinden. Die Steckverbindung78 sichert zusätzlich die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe10 gegen Dreh- und Axialverschiebung, wodurch die Verwendung zusätzlicher Befestigungsmittel nicht notwendig ist. - Die vorliegende Erfindung bietet daher eine robuste magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe
10 , in der ein Array von Magnetflusssensoren24 in einen Kunststoffkörper28 in einer festgelegten und starren Anordnung zueinander eingelassen ist, um Abweichungen bzw. Verschiebungen im Betrieb zu vermeiden. Die Sichelform des Kunststoffkörpers28 erlaubt einen leichten Einbau der magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe10 um die Welle12 , wobei die Magnetflusssensoren24 in der gewünschten Anordnung um die Achse angeordnet sind. Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe10 kann leicht unter Verwendung eines Trägerstreifens26 hergestellt werden, um die Magnetflusssensoren24 während der Kunststoffgussbearbeitung exakt zu positionieren und eine zuverlässigern elektrische Verbindung zu den Magnetflusssensoren24 während des Betriebs zu gewährleisten. Es ist ein Vorteil der bevorzugten Ausführung, dass ein Mikroprozessor62 zur Prozessierung der elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren24 in den Kunststoffkörper28 eingebaut werden kann. Dieses gestattet es der gesamten magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe10 einschließlich des Mikroprozessors62 , in einer Metallabschirmung70 angeordnet und vor externen elektromagnetischen Feldern geschützt zu werden. - 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.
Claims (7)
- Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (
10 ) zur Messung einer Torsionskraft einer Welle (12 ), wobei die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (10 ) umfasst: – einen gegossenen Kunststoffkörper (28 ), einen Kanal (30 ) mit einer zentralen Längsachse (11 ) und einer länglichen Axialöffnung (32 ) zur radialen Aufnahme der Welle (12 ) aufweisend, wobei der gegossene Kunststoffkörper (28 ) ein erstes Seitenteil (33 ) und ein zweites Seitenteil (35 ), einander gegenüberliegender in Bezug auf den Kanal (30 ), beinhaltet; – einen Trägerstreifen (26 ), eingelassen in den gegossenen Kunststoffkörper (28 ), der ein Mittelstück (56 ), ein sich vom Mittelstück (56 ) in das erste Seitenteil (33 ) des gegossenen Kunststoffkörpers (28 ) erstreckendes erstes Seitenstück (52 ) und ein sich vom Mittelstück (56 ) in das zweite Seitenteil (35 ) des gegossenen Kunststoffkörpers (28 ) erstreckendes zweites Seitenstück (55 ) aufweist wobei das Mittelstück (56 ) zum Anschluss an eine externe elektrische Verbindung geeignete elektrische Anschlüsse (58 ) umfasst; – wenigstens einen ersten Magnetflusssensor (24 ) benachbart zum Kanal (30 ), eingelassen in das erste Seitenteil (33 ) und elektrisch mit dem Trägerstreifen (26 ) verbunden; und – wenigstens einen zweiten Magnetflusssensor (24 ), benachbart zum Kanal (30 ), eingelassen in das zweite Seitenteil (35 ) und elektrisch leitend mit dem Trägerstreifen (26 ) verbunden. - Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Magnetflusssensor (24 ) in einer durch die zentrale Längsachse (11 ) verlaufenden Ebene angeordnet sind. - Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (
10 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Magnetflusssensor (24 ) in Bezug auf die zentralen Längsachse (11 ) einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. - Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mikroprozessor (62 ), befestigt im gegossenen Kunststoffkörper (28 ), benachbart zum Mittelstück (56 ) und elektrisch leitend mit den elektrischen Anschlüssen (58 ) verbunden, umfasst. - Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Metallabschirmung (70 ) umfasst, die den gegossenen Kunststoffkörper (28 ) im Bereich des ersten und zweiten Magnetflusssensors (24 ) umgibt. - Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (
10 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnetflusssensor (24 ) und der zweite Magnetflusssensor (24 ) axial versetzt zueinander angeordnet sind. - Magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstreifen (26 ) U-förmig ausgebildet ist.
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