DE19543421A1 - Drehmomentsensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und befaßt sich mit einem Drehmomentsensor zum Beispiel zur Verwendung bei einer Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 5 zeigt eine Perspektivansicht eines herkömmlichen Drehmomentsensors des genannten Typs. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, ist eine Lenkwelle in eine Eingangswelle 1 und eine Ausgangswelle 2 unterteilt. Die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 sind durch einen Torsionsstab 3 miteinander verbunden, der aus einem Speziallegierungsstahl gebildet ist. Die Enden des Torsionsstabes 3 sind in die Eingangswelle 1 bzw. die Ausgangswelle 2 eingesetzt und mittels Stiften 4 bzw. 5 befestigt. Ein erster Befestigungsrahmen 6 ist in integraler Weise mit der Eingangswelle 1 ausgebildet. Ein prismenartiger Betätigungsbereich 7 erstreckt sich von dem vorderen Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 nach unten. Eine Stellschraube 8, die mit einer Seitenfläche des Betätigungsbereichs 7 in Berührung steht, ist in das vordere Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 eingeschraubt. Ein zweiter Befestigungsrahmen 9 ist in integraler Weise mit der Ausgangswelle 2 ausgebildet und besitzt an seinem vorderen bzw. freien Ende ein äußeres Gehäuse 10c für eine daran angebrachte Erfassungseinrichtung 10. Die Erfassungseinrichtung 10 umfaßt einen variablen Schiebewiderstand zum Übertragen eines Widerstandswerts, der der Position eines sich nach außen erstreckenden, prismenartigen Hebels 10a entspricht, bei der Hin- und Herbewegung des Hebels 10a in einer länglichen Öffnung 10b. Der Hebel 10a ist durch eine in dem äußeren Gehäuse 10c vorgesehene Rückführfeder (nicht gezeigt) in eine Richtung vorgespannt, in der der Hebel 10a mit einer weiteren Seitenfläche des Betätigungsbereichs 7 in Berührung gebracht ist.

Wenn ein an dem vorderen bzw. oberen Ende der Eingangswelle 1 angebrachtes Lenkrad (nicht gezeigt) im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, wird der Torsionsstab 3 verdreht, so daß ein Torsionswinkel entsteht, bei dem es sich um die durch die Rotationsbewegung verursachte Phasenveränderung handelt. Der auf diese Weise entstandene Torsionswinkel wird von der Erfassungseinrichtung 10 als rotationsmäßiges Drehmoment detektiert. Wenn die Eingangswelle 1 zum Beispiel im Uhrzeigersinn verdreht wird, werden auch der erste Befestigungsrahmen 6 und der Betätigungsbereich 7 in derselben Richtung gedreht. Der Betätigungsbereich 7 wird also in einer Richtung rotationsmäßig bewegt, in der der Betäti­ gungsbereich 7 gegen den Hebel 10a der Erfassungsein­ richtung 10 drückt, wodurch der Hebel 10a in der länglichen Öffnung 10b bewegt wird. Als Ergebnis hiervon überträgt die Erfassungseinrichtung 10 eine dem Torsionswinkel entsprechende Spannungsänderung. Wenn dagegen die Eingangswelle 1 im Gegenuhrzeigersinn ver­ dreht wird, werden auch der erste Befestigungsrahmen 6 und der Betätigungsbereich 7 in dieser Richtung ver­ dreht. Der Betätigungsbereich 7 wird daher in einer Richtung rotationsmäßig bewegt, in der sich der Betätigungsbereich 7 von dem Hebel 10a der Erfassungs­ einrichtung 10 wegbewegt. Da jedoch der Hebel 10a der Bewegung des Betätigungsbereichs 7 durch die Elastizität der Rückführfeder folgt, überträgt die Erfassungseinrichtung 10 gleichermaßen die dem Torsionswinkel entsprechende Spannungsänderung. In Übereinstimmung mit dem auf diese Weise detektierten rotationsmäßigen Drehmoment wird rotationsmäßige Servokraft einem Servomechanismus (nicht gezeigt) zugeführt, der an dem vorderen Ende der Ausgangswelle 2 angebracht ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Dreh­ momentsensor führt ein Dimensionsfehler oder ein Anbringungsfehler der die Erfassungseinrichtung 10 beinhaltenden Komponenten zu der Notwendigkeit, daß es sich bei der Positionseinstellung, bei der sich der Betätigungsbereich 7 und der Hebel 10a miteinander in Berührung befinden, um eine neutrale Position handelt, d. h. es ist eine Nullpunkteinstellung erforderlich. Die Nullpunkteinstellung wird derart durchgeführt, daß die Stellschraube 8 zum Verformen des Betätigungsbereichs 7 verdreht wird. Bei der Konstruktion, bei der der Betätigungsbereich 7 und dem Hebel 10a jeweils prismenförmig ausgebildet sind, findet der Kontakt zwischen dem Betätigungsbereich 7 und der Hebel 10a jedoch entlang einer Fläche oder einer Linie statt. Selbst wenn die Nullpunkteinstellung exakt durchgeführt worden ist, entsteht daher ein Problem dahingehend, daß eine im Betrieb entstehende, übermäßige Veränderung der zwischen dem Betätigungsbereich 7 und dem Hebel 10a erzeugten Reibungskraft den Hebel 10a beim Folgen der Bewegung des Betätigungsbereichs 7 hemmt, und somit tritt in einer Ausgangskurve der Erfassungseinrichtung 10 leicht eine Hysterese auf. Wenn die in der Erfassungseinrichtung 10 vorgesehene Rückführfeder von dem Hebel 10a getrennt wird oder die Feder bricht, kann der Hebel 10a der Bewegung des Betätigungsbereichs 7 nicht folgen. Bei der Detektion des rotationsmäßigen Drehmoments tritt daher ein Problem auf.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Drehmomentsensors mit ausge­ zeichneter Detektionsgenauigkeit.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Drehmomentsen­ sor mit einer drehbaren Eingangswelle, mit einer durch einen Torsionsstab mit der Eingangswelle verbundenen Ausgangswelle, mit einer der Eingangswelle oder der Ausgangswelle zugeordneten Erfassungseinrichtung, die zum Detektieren der relativen Differenz in der Rotationsphase zwischen Eingangswelle und Ausgangswelle ausgelegt ist, und mit einem Betäti­ gungsbereich, der der Erfassungseinrichtung nicht zugeordneten Welle zugeordnet ist und dazu ausgelegt ist, mit einem Antriebsbereich der Erfassungseinrichtung in Berührung gebracht zu werden, wobei die Erfassungseinrichtung mit einer Rückführfeder versehen ist, die zum Vorspannen des Antriebsbereichs in einer Richtung ausgelegt ist, in der der Antriebsbereich mit dem Betätigungsbereich in Berührung gebracht ist, und wobei der Antriebsbereich und der Betätigungsbereich jeweils Kontaktbereiche mit gekrümmten Oberflächen aufweisen, um einen Punktkontakt zwischen dem Antriebsbereich und dem Betätigungsbereich herzustellen.

Vorzugsweise wird bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion ein variabler Schiebewiderstand als Erfassungseinrichtung verwendet und ist der Betätigungsbereich mit einem Anschlag versehen, der den Kontaktbereichen über den Antriebsbereich der Erfassungseinrichtung hinweg zugewandt gegenüberliegt.

Da der Antriebsbereich der Erfassungseinrichtung, die entweder der Eingangswelle oder der Ausgangswelle zugeordnet ist, sowie der Betätigungsbereich, der der der Erfassungseinrichtung nicht zugeordneten Welle zugeordnet ist, Kontaktbereiche mit gekrümmten Oberflächen besitzen, werden die Erfassungseinrichtung und der Betätigungsbereich mit der Federkraft der Rückführfeder beaufschlagt, so daß sie sich bei ihrer Bewegung in Punktkontakt miteinander befinden. Es kann also nicht leicht eine Hysterese in der Ausgangskurve bzw. Ausgabekurve der Erfassungseinrichtung entstehen. Selbst wenn die in der Erfassungseinrichtung vorgesehene Rückführfeder von dem Antriebsbereich getrennt wird oder bricht, befindet sich die Antriebsposition zwischen dem Betätigungsbereich und dem Anschlag, die in integraler Weise bewegt werden, so daß eine übermäßige Trennung des Antriebsbereichs verhindert ist. Abnormalitäten bei der Detektion des rotationsmäßigen Drehmoments können somit verhindert werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbei­ spiels eines Drehmomentsensors gemäß der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Perspektivansicht unter Darstellung einer für den Drehmomentsensor vorgesehenen Erfas­ sungseinrichtung;

Fig. 3 eine Frontansicht eines für den Drehmomentsen­ sor vorgesehenen Nullpunkt-Einstellmechanis­ mus;

Fig. 4 eine Bodenansicht des Nullpunkt-Einstellmecha­ nismus; und

Fig. 5 eine Perspektivansicht eines herkömmlichen Drehmomentsensors.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Dabei sind diejenigen Elemente, die den in Fig. 5 gezeigten Elementen des herkömmlichen Drehmomentsen­ sors entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeich­ net.

Wie in den Zeichnungen zu sehen ist, ist die Lenkwelle in eine Eingangswelle 1 und eine Ausgangswelle 2 unterteilt. Die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 sind durch einen Torsionsstab 3 miteinander verbun­ den, der aus einem Speziallegierungsstahl gebildet ist. Die beiden Enden des Torsionsstabes 3 sind in die Eingangswelle 1 bzw. die Ausgangswelle 2 eingesetzt, wobei sie durch Stifte 4 bzw. 5 festgelegt sind. Ein erster Befestigungsrahmen 6 ist in integraler Weise mit der Eingangswelle 1 ausgebildet. Ein Betätigungs­ bereich 11 mit einer halbkreisförmigen Querschnittsgestalt erstreckt sich nach unten von dem vorderen Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 weg. Ferner ist eine Stellschraube 8, die mit einem flachen Bereich des Betätigungsbereichs 11 in Berührung gebracht ist, in das vordere Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 eingeschraubt. Ein Anschlag 12 ist in integraler Weise mit dem vorderen Ende des ersten Befestigungsrahmens 6 ausgebildet, wobei der Anschlag 12 einem gekrümmten Bereich des Betätigungs­ bereichs 11 derart zugewandt gegenüberliegt, daß ein vorbestimmter Abstand beibehalten wird. Ein zweiter Befestigungsrahmen 9 ist in integraler Weise mit der Ausgangswelle 2 ausgebildet. An dem zweiten Befesti­ gungsrahmen 9 ist eine Erfassungseinrichtung 13 angebracht, bei der es sich um einen variablen Schiebewiderstand handelt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besitzt die Erfassungseinrichtung 13 ein äußeres Gehäuse 13c mit einer länglichen Öffnung 13b, einen über die längliche Öffnung 13b hinaus nach außen ragenden Hebel 13a mit kreisförmigem Querschnitt sowie eine Rückführfeder 14, die in dem äußeren Gehäuse 13c vorgesehen und dazu ausgelegt ist, den Hebel 13a in Richtung auf ein Ende der länglichen Öffnung 13b zu drücken. Wenn sich der Hebel 13a entlang der länglichen Öffnung 13b hin und her bewegt, wird ein der Position des Hebels 13a entsprechender Widerstandswert als Veränderung der Spannung übertragen. Der Hebel 13a ist zwischen dem Betätigungsbereich 11 und dem Anschlag 12 angeordnet, wobei der Hebel 13a mit der elastischen Kraft der Rückführfeder 14 beaufschlagt ist, so daß er in eine Richtung gedrückt ist, in der der Hebel 13a sich stets mit der gekrümmten Fläche des Betätigungsbereichs 11 in Berührung befindet.

Der auf diese Weise ausgebildete Drehmomentsensor wird derart verwendet, daß der Betätigungsbereich 11 und der Hebel 13a zu Beginn in eine neutrale Position eingestellt werden, d. h. sie werden zu Beginn einer Nullpunkteinstellung unterzogen. Die Nullpunkteinstel­ lung erfolgt durch Verdrehen der Stellschraube 8 zum Verformen des Betätigungsbereichs 11. Da die Berüh­ rungsfläche zwischen dem Betätigungsbereich 11 und dem Hebel 13a als gekrümmte Fläche ausgebildet ist, wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, befinden sich der Betätigungsbereich 11 und der Hebel 13a in Punkt­ kontakt miteinander, wonach sie der Nullpunkteinstel­ lung unterzogen sind.

Bei Verwendung des Drehmomentsensors gemäß der vorlie­ genden Erfindung verursacht eine Drehung des an dem vorderen bzw. oberen Ende der Eingangswelle 1 ange­ brachten Lenkrads (nicht gezeigt) im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn eine Verdrehung des Torsionsstabes 3. Als Ergebnis hiervon entsteht ein Torsionswinkel, bei dem es sich um die durch die Rotationsbewegung bedingte Phasendifferenz handelt, zwischen der Ein­ gangswelle 1 und der Ausgangswelle 2. Der auf diese Weise entstandene Torsionswinkel wird als rotations­ mäßiges Drehmoment von der Erfassungseinrichtung 13 detektiert. Wenn die Eingangswelle 1 zum Beispiel im Uhrzeigersinn gedreht wird, werden auch der erste Befestigungsrahmen 6 und der Betätigungsbereich 11 im Uhrzeigersinn verdreht, so daß der Betätigungsbereich 11 rotationsmäßig in eine Richtung bewegt wird, in der der Betätigungsbereich 11 entgegen der Federkraft der Rückführfeder 14 gegen den Hebel 13a der Erfassungs­ einrichtung 13 drückt. Als Ergebnis hiervon wird der Hebel 13a in der länglichen Öffnung 13b bewegt, so daß eine dem vorstehend genannten Torsionswinkel entsprechende Veränderung der Spannung übertragen wird. Wenn dagegen die Eingangswelle 1 im Gegenuhrzei­ gersinn gedreht wird, werden auch der erste Befesti­ gungsrahmen 6 und der Betätigungsbereich 11 im Gegen­ uhrzeigersinn verdreht. Der Betätigungsbereich 11 wird somit in einer Richtung rotationsmäßig bewegt, in der der Betätigungsbereich 11 von dem Hebel 13a der Erfas­ sungseinrichtung 13 wegbewegt wird. Da jedoch der Hebel 13a aufgrund der Elastizität der Rückführfeder 14 der Bewegung des Betätigungsbereichs 11 folgt, läßt sich gleichermaßen eine dem Torsionswinkel entsprechende Spannungsänderung übertragen. Bei dem Kontakt zwischen dem Betätigungsbereich 11 und dem Hebel 13a handelt es sich um einen Punktkontakt, wie dies vorstehend bereits erwähnt wurde, wodurch eine nur sehr geringfügige Reibungskraft zwischen dem Betätigungsbereich 11 und dem Hebel 13a erzeugt wird. Der Hebel 13a folgt daher akkurat der Bewegung des Betätigungsbereichs 11, und somit kann in der von der Erfassungseinrichtung 13 gebildeten Ausgangskurve nicht so leicht eine Hysterese erzeugt werden. Selbst wenn aufgrund einer Trennung der Rückführfeder 14 von dem Hebel 13a oder eines Brechens der Rückführfeder 14 der Hebel 13a keiner elastischen Kraft ausgesetzt ist, wird der Hebel 13a entweder mit dem Betätigungsbereich 11 oder mit dem Anschlagbereich 12, die in integraler Weise bewegt werden, dennoch in Berührung gebracht. Die Bewegung des Hebels 13a in eine Richtung, in der der Hebel 13a von dem Betätigungsbereich 11 wegbewegt wird, ist somit begrenzt, so daß eine übermäßige Wegbewegung von dem Betätigungsbereich 11 verhindert ist.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet zwar einen variablen Schiebewiderstand als Erfassungseinrichtung 13, jedoch kann auch ein Schiebe-Codierer oder ein variabler Drehwiderstand oder variabler Dreh-Codierer anstatt des variablen Schiebewiderstands verwendet werden.

Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Betätigungsbereich 11 zwar der Eingangswelle zugeordnet und die Erfassungseinrichtung 13 ist der Ausgangswelle 2 zugeordnet, jedoch kann auch eine umgekehrte Konstruktion verwendet werden, bei der der Betätigungsbereich 11 der Ausgangswelle 2 zugeordnet ist und die Erfassungseinrichtung 13 der Eingangswelle 1 zugeordnet ist.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel befinden sich der eine halbkreisförmige Querschnittsgestalt aufweisende Betätigungsbereich 11 und der eine kreisförmige Querschnittsgestalt aufweisende Hebel 13 in Punktkontakt miteinander, jedoch sind die Formgebungen des Betätigungsbereichs 11 und des Hebels 13a nicht auf die vorstehend genannten Formen begrenzt. Es ist lediglich notwendig, daß die Kontaktfläche zwischen dem Betätigungsbereich 11 und dem Hebel 13a eine projektive Krümmung aufweist.

Wie vorstehend erläutert worden ist, ist die vorliegende Erfindung derart ausgebildet, daß der Antriebsbereich der Erfassungseinrichtung und der Betätigungsbereich derart ausgebildet sind, daß ihre Kontaktbereiche jeweils als gekrümmte bzw. gerundete Flächen ausgebildet sind. Die beiden Elemente werden bei ihrer Bewegung somit mit der Elastizität der Rückführfeder beaufschlagt, wodurch in der Ausgangskurve der Erfassungseinrichtung nicht so leicht Hysterese entstehen kann. Selbst wenn die in der Erfassungseinrichtung vorgesehene Rückführfeder von dem Antriebsbereich getrennt werden oder brechen sollte, folgt der Antriebsbereich dennoch dem Anschlag und dem Betätigungsbereich, die sich in integraler Weise bewegen. Abnormalitäten bei der Erfassung des rotationsmäßigen Drehmoments lassen sich somit verhindern, und es wird ein Drehmomentsensor mit ausgezeichneter Detektionsgenauigkeit geschaffen.

Claims (4)

1. Drehmomentsensor mit:
einer drehbaren Eingangswelle (1);
einer durch einen Torsionsstab (3) mit der Eingangswelle (1) verbundenen Ausgangswelle (2);
einer entweder der Eingangswelle (1) oder der Ausgangswelle (2) zugeordneten Erfassungseinrich­ tung (13), die zum Detektieren der relativen Differenz in der Rotationsphase zwischen Eingangs­ welle (1) und Ausgangswelle (2) ausgelegt ist; und mit
einem Betätigungsbereich (11), der der der Erfassungseinrichtung (13) nicht zugeordneten Welle (1 oder 2) zugeordnet ist und dazu ausgelegt ist, mit einem Antriebsbereich (13a) der Erfassungseinrichtung (13) in Berührung gebracht zu werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erfassungseinrichtung (13) mit einer Rückführfeder (14) versehen ist, die zum Vorspannen des Antriebsbereichs (13a) in einer Richtung ausgelegt ist, in der der Antriebsbereich (13a) mit dem Betätigungsbereich (11) in Berührung gebracht ist, und daß der Antriebsbereich (13a) und der Betätigungsbereich (11) jeweils Kontaktbereiche mit gekrümmten Oberflächen aufweisen, um zwischen dem Antriebsbereich (13a) und den Betätigungsbereich (11) einen Punktkontakt herzustellen.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Erfassungseinrichtung (13) um einen variablen Widerstand handelt.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Erfassungseinrichtung (13) um einen variablen Schiebewiderstand handelt.

4. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsbereich (11) mit einem Anschlag (12) versehen ist, der den Kontaktbereichen über den Antriebsbereich (13a) der Erfassungseinrich­ tung (13) hinweg zugewandt gegenüberliegt.