DE10336853B4

DE10336853B4 - Drehmomentsensoranordnung für eine Lenksäule

Info

Publication number: DE10336853B4
Application number: DE10336853.1A
Authority: DE
Inventors: Carsten Busse; Klaus Nicolai; Dieter Mannigel; Christian Schillak
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2023-08-12
Also published as: DE10336853A1

Abstract

Drehmomentsensoranordnung für eine Lenksäule, umfassend: – ein erstes Lenksäulenteil (1), – ein zweites Lenksäulenteil (3), – ein Drehfederelement (2), welches das erste Lenksäulenteil (1) und das zweite Lenksäulenteil (3) miteinander verbindet, sowie – mindestens einen Magnet (5) und eine Spulenanordnung (6), die dem mindestens einen Magnet (5) gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der mindestens eine Magnet (5) an dem ersten Lenksäulenteil (1) radial außenseitig angeordnet und axial und radial festgelegt ist, und – die Spulenanordnung (6) an dem zweiten Lenksäulenteil (3) radial außenseitig angeordnet und radial und axial festgelegt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentsensoranordnung für eine Lenksäule, umfassend ein erstes Lenksäulenteil, ein zweites Lenksäulenteil und ein Drehfederelement, welches das erste Lenksäulenteil und das zweite Lenksäulenteil miteinander verbindet, sowie mindestens einen Magnet und eine Spulenanordnung, die dem mindestens einen Magnet gegenüberliegend angeordnet ist.
Aus dem Stand der Technik ist bereits eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, mit denen das Lenkmoment in einer elektromechanischen Lenkung gemessen werden kann. Über das Lenkmoment lässt sich dann mit Hilfe einer Steuereinheit unter Berücksichtigung weiterer Fahrzeugparameter das Ausmaß einer elektrischen Lenkkraftunterstützung einstellen.
Herkömmliche Sensoranordnungen verwenden oftmals optische oder mechanische Messprinzipien. Insbesondere die Dehnungsmesstechnik ist für die Messung von Lenkmomenten im Kraftfahrzeugbau weit verbreitet, da sie im Vergleich zu optischen Messprinzipien weniger anfällig gegen Erschütterungen ist. So ist es bekannt, mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen an Komponenten der Lenksäule wie beispielsweise dem Drehfederelement eine durch das Lenkmoment verursachte Verformung abzugreifen und auszuwerten. Jedoch ist hierbei oftmals eine hohe Empfindlichkeit gegen Fertigungstoleranzen zu beobachten.
Weiterhin ist bekannt, zur Erfassung des Lenkmoments induktive oder magnetische Messprinzipien zu verwenden. In der EP 1 271 120 A1 , welche eine Anordnung der eingangs genannten Art offenbart, werden hierzu PLCD-Sensoren (PLCD = permanent linear magnet contactless displacement) genannt, welche einen Permanetmagnet und eine Spulenanordnung aufweisen.
Insbesondere offenbart die EP 1 271 120 A1 einen Mechanismus, mit dem eine Relativdrehung zwischen dem ersten Lenksäulenteil und dem zweiten Lenksäulenteil in eine Axialbewegung übersetzt wird. Diese Axialbewegung wird dann durch einen neben der Lenksäule angeordneten PLCD-Sensor erfasst, der ein das Lenkmoment repräsentierendes Signal erzeugt. Allerdings ist der Fertigungs- und Montageaufwand bei der bekannten Konstruktion beträchtlich.
Weitere Drehmomentsensoranordnungen für Lenksäulen mit Permanetmagneten, deren Magnetfeld berührungslos durch einen Sensor ausgelesen wird, sind aus US 6,443,017 B1 und DE 199 39 046 A1 bekannt. In beiden Fällen kommen Hall-Sensoren zum Einsatz. Zudem sind die Magnete und Sensoren axial zwischen Strinseiten der Lenksäulenteile angeordnet.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drehmomentsensoranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen einfachen Aufbau und eine hohe Robustheit gegen mechanische Toleranzen auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Drehmomentsensoranordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 vorgeschlagen.
Hierdurch lässt sich eine Relativbewegung zwischen dem ersten Lenksäulenteil und dem zweiten Lenksäulenteil sehr einfach in ein Messsignal umsetzen. Das gewählte elektromagnetische Messprinzip ist sehr robust, so dass radiale Abstandschwankungen zwischen dem bzw. den Magneten und der bzw. den Spulenanordnungen sich nur marginal auf das Messsignal auswirken, so dass die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung gegen Radialabweichungen unempfindlich ist.
Die Spulenanordnung erfolgt derart, dass diese im Wesentlichen nur auf rotatorische Positionsänderungen des bzw. der Magneten reagiert. Infolgedessen kann bei der Befestigung der Elemente der Sensorik mit größeren Toleranzen gearbeitet werden. Dies bedeutet eine Verminderung des Fertigungs- und Montageaufwands.
Eine redundante Ausführung lässt sich durch die Erhöhung der Anzahl der Wicklungen an der Spulenanordnung sehr einfach verwirklichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bleibt die Sensorik aufgrund ihrer kompakten Bauweise auf den Bereich um die Schnittstelle zwischen dem ersten Lenksäulenteil und dem zweiten Lenksäulenteil beschränkt.
Dabei können sowohl für den bzw. die Magneten sowie eine oder mehrere Spulenanordnungen jeweils eigene Träger vorgesehen werden, mit denen das jeweilige Ensemble am ersten bzw. zweiten Lenksäulenteil befestigt wird.
Bevorzugt arbeiten der Magnet und die Spulenanordnung nach dem Prinzip eines PLCD-Sensors (PLCD = permanent linear magnet contactless displacement). Dieses Messprinzip zeichnet sich durch eine besonders hohe Robustheit aus. Positionsfehler beim Verbau können durch Trimmen beseitigt werden.
Prinzipiell kann die Übertragung der Messsignale drahtlos erfolgen. Es jedoch auch möglich, bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Signalübertragung eine Wickelfeder einzusetzen. Dabei kann der PLCD-Sensor radial innerhalb der Wickelfeder angeordnet werden, wodurch Bauraum eingespart und das Handling der Bauteile vereinfacht wird.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Drehmomentsensoranordnung nach der Erfindung.
Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Drehmomentsensoranordnung für eine Lenksäule einer elektromechanischen Lenkung eines Kraftfahrzeugs. Über die Drehmomentsensoranordnung wird ein fahrerseitig eingebrachtes Lenkmoment erfasst und einer Steuereinrichtung zugeführt, welche im Verbund mit weiteren Fahrzeugparametern das Ausmaß einer elektrischen Lenkunterstützung ermittelt.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drehmomentsensoranordnung im Bereich des Anschlusses der Lenksäule an ein Lenkgetriebe angeordnet, so dass diese im Lenkgetriebegehäuse aufgenommen werden kann. Jedoch ist eine Platzierung an einer anderen Stelle der Lenksäule ebenfalls möglich.
Die Drehmomentsensoranordnung umfasst ein erstes Lenksäulenteil 1, das über ein Drehfederelement 2 mit einem zweiten Lenksäulenteil 3 verbunden ist. Das erste Lenksäulenteil 1 zeigt dabei in Richtung des Lenkrads, wohingegen das zweite Lenksäulenteil 3 auf Seiten eines Ritzels 4 der Lenkung angeordnet ist. Beide Lenksäulenteile 1 und 3 sind gegeneinander verdrehbar. Der Drehwinkel wird dabei durch die Torsionselastizität des Drehfederelements 2 bestimmt.
Liegt an der Lenksäule ein Lenkmoment an, so kann die Relativbewegung zwischen dem ersten Lenksäulenteil 1 und dem zweiten Lenksäulenteil 3 dazu genutzt werden, eine das Lenkmoment repräsentierende Messgröße zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist im Bereich um die Schnittstelle zwischen dem ersten Lenksäulenteil 1 und dem zweiten Lenksäulenteil 3 eine kompakte Sensorik angeordnet, die mindestens einen Magnet 5 an dem einen Teil und mindestens eine Spulenanordnung 6 an dem anderen Teil aufweist. Diese Komponenten sitzen radial außenseitig an dem ersten und zweiten Lenksäulenteil 1 bzw. 3, wobei die Spulenanordnung 6 wiederum an der radialen Außenseite des Magnets 5 angeordnet ist. Eine Relativbewegung zwischen den Lenksäulenteilen 1 und 3 verursacht eine entsprechende Relativbewegung zwischen jeweils einer Spulenanordnung 6 und einem Magnet 5, wodurch an der Spulenanordnung 6 ein die Winkelstellung repräsentierendes Messsignal abgreifbar ist.
Dabei arbeiten der bzw. die Magnete 5 und die mindestens eine Spulenanordnung 6 nach dem Prinzip eines PLCD-Sensors. Es jedoch auch möglich, eine nach dem Prinzip eines Hall-Sensors arbeitende Sensorik zu verwenden.
Wie 1 zeigt, ist mindestens ein Magnet 5 über einen ringförmigen Magnethalter 7 axial und radial an dem ersten Lenksäulenteil 1 festgelegt. Für die Spulenanordnung 6 ist ein ringförmiges Sensormodul 8 vorgesehen, mit dem diese an dem zweiten Lenksäulenteil 3 radial und axial festgelegt ist. Über die Halter 7 und 8 lassen sich insbesondere mehrere Sensorkomponenten schnell und einfach an dem jeweiligen Lenksäulenteil 1 bzw. 3 befestigen.
Das Sensormodul 8 umfasst neben der Spulenanordnung 6 des PLCD-Sensors weiterhin eine Wickelfeder 9 zur Signalübertragung und eine Koppelhülse 10 zur stabilen Befestigung des Sensormoduls 8 an dem zweiten Lenksäulenteil 3. Die Wickelfeder 10 umgibt das Gehäuse des Sensormoduls 8 und ist an einem feststehenden Gehäuseteil der Lenkung, hier dem Lenkgetriebegehäuse angeschlossen. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauweise erzielt.
Die verhältnismäßig dünnwandige Koppelhülse 10 sitzt mit einem Hülsenabschnitt 11 auf dem Außenumfang des zweiten Lenksäulenteils 3 und weist an einem axialen Ende einen radial nach außen abstehenden Abschnitt 12 auf, der in eine Nut 13 an der Innenseite des Sensormoduls 8 eingreift. Über diesen Abschnitt 12 wird das Sensormodul 8 in Axialrichtung festgelegt und gegenüber der Längsachse des zweiten Lenksäulenteils 3 ausgerichtet. Das gegenüberliegende Ende 14 der Koppelhülse 10 ragt axial aus dem scheibenförmigen Sensormodul 8 heraus und ist dort über einen Gewindebolzen 15 an der Außenwand des zweiten Lenksäulenteils 3 fixiert. Über den Gewindebolzen 15 wird eine Einstellmöglichkeit in Umfangsrichtung geschaffen, die es erlaubt, das Sensormodul 8 korrekt zu den Magneten 5 an dem ersten Lenksäulenteil 1 auszurichten.
Die vorstehend erläuterte Drehmomentsensoranordnung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und eine einfache Montage aus. Sie ist darüber hinaus unempfindlich gegen mechanische Toleranzen.
Jedoch ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise in kinematischer Umkehr der Anordnung der Spulenanordnung 6 und des bzw. der Magnete 5 auch erstere über einen Halter an dem zu dem Lenkrad führenden Lenksäulenteil 1 und der bzw. die Magnete 5 mit dem zu dem Lenkgetriebe führenden Lenksäulenteil 3 fest verbunden sein.
Auch kann die Festlegung der Koppelhülse 10 in anderer Art und Weise als mit einem Gewindebolzen erfolgen. Möglich sind alle bekannnten Verbindungstechniken. Neben einer kraftschlüssigen Verbindung sind auch stoffschlüssige oder formschlüssigen Verbindungen denkbar. Die Hülse 10 kann auch verklebt werden. Weiterhin ist bekannt, die Hülse 10 zu verstemmen.
Weitere Abwandlungen im Rahmen der beigefügten Patentansprüche sind möglich.
Bezugszeichenliste

1: erstes Lenksäulenteil
2: Drehfederelement
3: zweites Lenksäulenteil
4: Lenkungsritzel
5: Magnet
6: Spulenanordnung
7: Magnethalter
8: Sensormodul
9: Wickelfeder
10: Koppelhülse
11: Hülsenabschnitt
12: abstehender Abschnitt
13: Nut
14: gegenüberliegender Endabschnitt
15: Gewindebolzen

Claims

Drehmomentsensoranordnung für eine Lenksäule, umfassend: – ein erstes Lenksäulenteil (1), – ein zweites Lenksäulenteil (3), – ein Drehfederelement (2), welches das erste Lenksäulenteil (1) und das zweite Lenksäulenteil (3) miteinander verbindet, sowie – mindestens einen Magnet (5) und eine Spulenanordnung (6), die dem mindestens einen Magnet (5) gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der mindestens eine Magnet (5) an dem ersten Lenksäulenteil (1) radial außenseitig angeordnet und axial und radial festgelegt ist, und – die Spulenanordnung (6) an dem zweiten Lenksäulenteil (3) radial außenseitig angeordnet und radial und axial festgelegt ist.
Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (5) und die Spulenanordnung (6) im Bereich um die Schnittstelle zwischen dem ersten Lenksäulenteil (1) und dem zweiten Lenksäulenteil (3) angeordnet sind.
Drehmomentsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (6) radial außenseitig des Magnets (5) angeordnet ist.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Lenksäulenteil (1) ein ringförmiger Magnethalter (7) mit mehreren Magneten (5) befestigt ist.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Lenksäulenteil (2) ein ringförmiges Sensormodul (8) mit mehreren Spulenanordnungen (6) befestigt ist.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (8) über eine Koppelhülse (10) radial und axial an dem zweiten Lenksäulenteil (2) festgelegt ist.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (8) über eine Koppelhülse (10) an dem zweiten Lenksäulenteil (2) befestigt ist, die axial aus dem Sensormodul (8) herausragt.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (8) an seinem Außenumfang eine Wickelfeder (10) zur Signalübertragung aufweist, die an einem feststehenden Gehäuseteil der Lenkung angeschlossen ist.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (5) und die Spulenanordnung (6) nach dem Prinzip eines PLCD-Sensors (PLCD = permanent linear magnet contactless displacement) arbeiten.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (5) und die Spulenanordnung (6) nach dem Prinzip eines Hall-Sensors arbeiten.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenksäulenteil (1) in Richtung eines Lenkrads weist und das zweite Lenksäulenteil (3) in Richtung eines Lenkungsritzels (4) weist.
Drehmomentsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (5) und die Spulenanordnung (6) in einem Gehäuse eines Lenkgetriebes angeordnet sind.