Diese Erfindung bezieht sich aufeine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe zur Messung eineran einer Welle auftretenden Torsionskraft, wie z.B. einer Kraftfahrzeuglenksäule oder Ähnlichem.Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf magnetoelastischeDrehmomentsensor-Baugruppen mit einem gegossenem Kunststoffkörper, dereinen Kanal zur Aufnahme der Welle definiert, und mit Magnetfühlern, diemit einem Trägerstreifenverbunden sind und in dem gegossenen Kunststoffkörper in einer bestimmten Anordnungrelativ zur Welle eingebettet sind.
Es ist bekannt, dass ein magnetoelastischer Effektgenutzt wird, um Schwankungen der an einer Welle auftretenden Torsionskraftzu messen. Die Welle ist mit einem magnetischen umlaufenden Band ausgestattet.Ein Magnetflusssensor wird benachbart zum Elektroband angeordnetund erkennt Schwankungen im Magnetfluss über die Welle, sobald eine Torsionskraftaufgebracht wird. Üblicherweisesind mehrere Sensoren umlaufend um die Welle angeordnet, um dieSensitivitätzu erhöhen.Um Schwankungen im Magnetfluss infolge lateraler (seitlicher) Verschiebungder Welle zu differenzieren, ist es ebenfalls wünschenswert die Sensoren einanderdiametral gegenüberliegendPaaren anzuordnen.
Ein Anwendungsvorschlag einer magnetoelastischenDrehmomentsensor-Baugruppeist der, die auf eine Kraftfahrzeuglenksäule in einem Kraftfahrzeugeinwirkende Torsionskraft zu messen und die Messergebnisse während desLenkens zu verwenden, um ein elektronisches Lenkunterstützungssystemzu regeln. Eine sorgfältigeAnordnung der Sensoren um die Welle ist für eine zuverlässige Messungerforderlich. Die manuelle Anordnung der Sensoren ist zeitaufwendigund füreine Massenproduktion nicht geeignet. Im Stand der Technik ist vorgeschlagen,die Sensoren auf einer Art Klammer oder Greifer oder einen Gelenkhebelzu montieren. Die Sensorempfindlichkeit ist jedoch sowohl Schwankungenim Schluss der Klammer als auch in der Anordnung der Klammer relativzur Welle unterworfen. Auch sind feste Anordnungen bekannt, diesedecken aber nur einen Bereich des Wellenumfangs ab und ordnen dieSensoren nicht in diametral gegenüberliegender Anordnung an.
Es besteht daher ein Bedarf für eine magnetoelastischeDrehmomentsensor-Baugruppedie leicht an einer Welle, wie zum Beispiel einer Lenksäule, installiertwerden kann, um ein Sensorarray in einer festen Anordnung sowohlrelativ zur Welle als auch zueinander, eingeschlossen diametralentgegengesetzter Sensoren, anzuordnen. Dies ist Aufgabe der vorliegendenErfindung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einemagnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe mit den Merkmalen desAnspruchs 1 oder des Anspruchs 7 gelöst.
In Übereinstimmung mit der vorliegendenErfindung wird eine magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppezur Messung der auf eine Welle wirkenden Torsionskraft vorgestellt.Die Baugruppe umfasst einen vorzugs- aber nicht notwendigerweise gegossenenKunststoffkörper,der einen Kanal definiert, mit einer Achse und einer verlängertenAxialöffnungzur radialen Aufnahme der Welle, um die Welle koaxial innerhalbdes Kanals zu positionieren. Der gegossene Kunststoffkörper beinhaltetein erstes und ein zweites Seitenteil, jeweils mit einem Abstand angeordnetum die Achse. Ein U-förmiger Trägerstreifenist in den gegossenen Kunststoffkörper eingebettet. Der Trägerstreifenumfasst ein Mittelstück, einsich vom Mittelstückim ersten Seitenteil des gegossenen Kunststoffkörpers erstreckendes erstes Seitenstück und einsich vom Mittelstückim zweiten Seitenteil des gegossenen Kunststoffkörpers erstreckendes zweitesSeitenstück.Das Mittelteil umfasst Anschlussklemmen, geeignet für externeelektrische Anschlüssemit dem Kanalträgerstreifen.Der magnetoelastische Drehmomentsensor umfasst ebenso mindestenseinen ersten und einen zweiten Magnetflusssensor, befestigt am Trägerstreifen,wobei der erste Sensor im ersten Seitenteil und der zweite Sensorim zweiten Seitenteil eingebettet sind. Vorzugsweise sind der ersteund zweite Sensor in einer Ebene parallel zur Achse entweder diametralgegenüberliegendeoder axial beabstandet angeordnet. Der magnetoelastische Drehmomentsensorist leicht herstellbar, wobei der Trägerstreifen genutzt wird, um dieMagnetflusssensoren in der gewünschtenAnordnung währenddes Giessens anzuordnen, und um elektrische Verbindungen zu denSensoren nach dem Einbetten zu gewährleisten. Zur Verwendung bietetder gegossene Kunststoffkörpereine robuste Baugruppe, die leicht an der Welle installiert werden kann,währenddie Position der Magnetflusssensoren nicht nur untereinander sondernauch relativ zur Welle festgesetzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird mitBezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert, wobei:
1:einen Querschnitt eines magnetoelastischen Drehmomentsensors in Übereinstimmung miteiner bevorzugten Ausführungder vorliegenden Erfindung;
2:einen Querschnitt des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus 1 entlang der Linie 2-2 inRichtung der Pfeile;
3:eine perspektivische Ansicht des magnetoelastischen Drehmomentsensorsaus 1;
4:eine perspektivische Ansicht, die einen Kanalträgerstreifen und ein Sensorarrayfür den magnetoelastischenDrehmomentsensor aus 1 darstellt;und
5:eine Aufsicht des magnetoelastischen Drehmomentsensors aus 1 zeigt.
In Ühereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung dervorliegenden Erfindung, ist in den Figuren eine magnetoelastischeDrehmomentsensor-Baugruppe 10,geeignet zur Messung der auf eine Welle 12 einer Kraftfahrzeuglenksäulenbaugruppeaufgebrachten Torsionskraft gezeigt. Als Beispiel für dieseAusführungumfasst die Welle 12 ein Ritzel (nicht dargestellt) einesZahnstangenlenksystems und beinhaltet beabstandete Lager (nichtdargestellt). Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 istkonstruiert, um zwischen den Lagern an der Welle 12 installiertzu werden. Die Welle 12 ist um eine zentrale Längsachse 11 rotierbar. Umdie Torsionskraft zu messen, ist die Welle 12 mit einemersten Elektroband 14 mit einem magnetischen Feld in Richtung 16 undeinem zweiten Elektroband 18 mit einem magnetischen Feldin entgegengesetzter Richtung 20 versehen. Beim Lenken desFahrzeugs verursacht die Rotation der Welle 12 um die zentraleLängsachse 11 messbareSchwankungen in den Magnetfeldern der Bänder 14 und 18 undbietet so eine Möglichkeitder Messung der Torsionskraft auf die Welle 12. In diesemAusführungsbeispielbieten die von der magnetoelastischen Drehmomentsensor-Baugruppe 10 aufgenommenenMomentmessungen einen Eingabewert für ein elektronisches Lenkunterstützungssystemeines Kraftfahrzeugs.
Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 umfasstals wesentliche Bauteile ein Array von zwei oder mehr Magnetflusssensoren 24a-h, befestigtan einem Kanal-Trägerstreifen 26 undeingebettet in einen gegossenen Kunststoffkörper 28.
Der gegossene Kunststoffkörper 28 besteht auseinem polymeren Material mit nichtmagnetischen Eigenschaften undbesitzt eine U-Form, um einen Kanal 30 zu definieren, inGröße und Formgeeignet, die Welle 12 aufzunehmen. Der Kanal 30 erstrecktsich entlang einer zentralen Längsachse 11, diemit der Achse der Welle 12 zusammenfällt, wenn die Welle 12 installiertist. Der Kanal 30 umfasst eine Axialöffnung 32, wodurchder Kunststoffkörper 28 mit einemersten Seitenteil 33 und einem zweiten Seitenteil 35 lateralum die Welle 12 angeordnet werden kann. Der Kunststoffkörper 28 schließt einenMittelteil 34 ein, in das die Sensorelemente 24 eingebettet sind.Der Mittelteil 34 besitzt eine im allgemeinen zylindrischeAußenfläche 36 undschließteine Aussparung 38 zur Aufnahme mikroelektronischer Bauteile, wieweiter unten beschrieben, ein. Der Kunststoffkörper 28 umfasst ebensoeinen vergrößerten Endbereich 40,der eine Aussparung 42 zur Aufnahme einer elektrischenAnschlussbuchse 78 zur Verbindung mit einem externen elektrischenSchaltkreis definiert.
Die Magnetflusssensoren 24 sindim Kunststoffkörper 28 naheam Kanal 30 angeordnet. Geeignete Sensoren sind elektrischeInduktoren (elektrische Induktionsspulen), die eine Drahtspule umeinen weichmagnetischen zylindrischen Kern besitzen und so angeordnetsind, dass die Zylinderachse parallel zur zentralen Längsachse 11 verläuft. Indiesem Ausführungsbeispielumfasst das Array vier Sensoren 24a, 24c, 24e, 24g,die so angeordnet sind, dass sie einen magnetischen Fluss im erstenElektroband 14 erfassen, und vier Sensoren 24b, 24d, 24f, 24h, dieso angeordnet sind, dass sie einen magnetischen Fluss im zweitenElektroband 18 erfassen. Zwei der Sensoren (24a, 24e)für daserste Elektroband 14 und zwei der Sensoren (24b, 24f)für daszweite Elektroband 18 sind im ersten Seitenteil 33 desKanals 30 eingelassen, während die verbliebenen zwei Sensoren(24c, 24g) fürdas erste Elektroband 14 und die beiden. Sensoren (24d, 24h)für daszweite Elektroband 18 im zweiten Seitenteil 35 desKanals 30 eingelassen sind. Mit besonderer Bedeutung für die bevorzugteAnordnung umfasst das Array in einer Ebene durch die zentrale Längsachse 11 angeordneteMagnetflusssensoren 24. In diesem Beispiel liegen die Sensoren 24a,b, g, h in einer Ebene durch die zentrale Längsachse 11, während dieSensoren 24c, d, e, f in einer zweiten Ebene durch diezentrale Längsachse 11 liegen.Jede Ebene beinhaltet Magnetflusssensoren 24, die einanderdiametral gegenüberliegen,zum Beispiel 24a und 24g, und Magnetflusssensoren 24,die axial versetzt zueinander angeordnet sind, zum Beispiel 24a und 24h.Auf diese Weise könnenSignale von gegenüberliegenden Sensorenleicht prozessiert werden, um Abweichungen im Magnetfluss infolgelateraler Verschiebung der Welle 12 zu unterscheiden, unddadurch füreine zuverlässigereMessung der Signale, die aus einer auf die Welle 12 wirkendenTorsionskraft resultieren, sorgen. Während dieses Ausführungsbeispielals bevorzugte Ausführungmit einem Array aus acht Magnetflusssensoren 24, die für redundanteMessungen übermultiple Wellenmagnetfelder zur Erhöhung der Sensibilität und Zuverlässigkeitsorgen, beschrieben worden ist, können Messungen entsprechendunter Verwendung von maximal zwei Magnetflusssensoren 24 inaxial-diametraler Beziehung, entweder einander direkt gegenüber oderzueinander axial versetzt, erhalten werden.
Die Magnetflusssensoren 24 sindan einem U-förmigenTrägerstreifen 26 befestigt,der ebenfalls in den gegossenen Kunststoffkörper 28 eingelassen ist.
Wie 4 zeigt,umfasst der Trägerstreifen 26 eineReihe diskreter Stränge 50,die den elektrischen Anschluss an die Magnetflusssensoren 24 bereitstellen.Der Trägerstreifen 26 istaus einem verkupferten Blech hergestellt, das gestanzt ist, um die Stränge 50 auszubilden,und gebogen ist, um ein erstes Seitenstück 52, angeordnetim ersten Seitenteil 33 des gegossenen Kunststoffkörpers 28,ein zweites Seitenstück 55,eingelassen im zweiten Seitenteil 35 des gegossenen Kunststoffkörpers 28,und ein Mittelstück 56 dazwischenzu bilden. Innerhalb jeden Bereiches verlaufen die Stränge 50 imWesentlichen planar. Der Trägerstreifen 26 umfasstweiterhin eine Reihe von Anschlüssen 60,die sich in die Aussparung 42 des vergrößerten Endbereichs 40 erstrecken,um externe elektrische Anschlüssezu ermöglichen.
In Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispielbeinhaltet die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 einenMikroprozessor 62 zur Prozessierung der elektrischen Signalevon den Magnetflusssensoren 24. Der Mikroprozessor 62 befindetsich in der Aussparung 38 und ist über die Anschlüsse 58 mitdem Trägerstreifen 26 verbunder. Daherwerden die elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren 24 durchden Trägerstreifen 26 zumMikroprozessor 62 zur Prozessierung geleitet. Der Mikroprozessor 62 istebenso überdie Anschlüsse 58 mitden Anschlüssen 60 zurHerstellung eines externen elektrischen Anschlusses verbunden.
Ein wesentlicher Vorteil der magnetoelastischenDrehmomentsensor-Baugruppe 10 istder, das sie leicht unter Anwendung üblicher Herstellungsprozessehergestellt werden kann. Ein verkupfertes Blech wird gestanzt, umdie Stränge 50 zudefinieren. Die Magnetflusssensoren 24 werden auf die Stränge 50 gelötet, undder Trägerstreifen 26 wirdgebogen, um sowohl das erste Seitenstück 52 und das zweite Seitenstück 55 alsauch 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 Anordnungwährendder Bearbeitungs- und Kunststoffgussarbeitsschritte und werden anschließend entfernt,um die Stränge 50 zuisolieren. Mit den befestigten Reitern wird der Trägerstreifen 26 imHohlraum einer Gussform mit einer dem Kunststoffkörper 28 korrespondierendenForm angeordnet. Kunststoff wird in die Form injiziert, um den Kunststoffkörper 28 zuformen und die Magnetflusssensoren 24 und den Trägerstreifen 26 imKunststoffkörper 28 einzulassen.Danach werden die mit den Anschlüssen 58 und 60 verbundenenReiter entfernt, um die Stränge 50 zutrennen.
Ein weiterer großer Vorteil der magnetoelastischenDrehmomentsensor-Baugruppe 10 istder, das sie leicht an einer Welle 12 während der Herstellung des Lenksystems,beispielsweise einem Selbstlenksystem, eingebaut werden kann. Nachdem Einbau der Welle 12 in das Fahrzeugchassis wird die magnetoelastischeDrehmomentsensor-Baugruppe 10 durch die Axialöffnung 32 umdie Welle 12 installiert, so dass die Welle 12 koaxialim Kanal 30 liegt. Eine Metallabschirmung 70 wirdaxial entlang der Welle 12 geschoben und über derzylindrischen Außenfläche 36 desKunststoffkörpers 28 angeordnet. DieMetallabschirmung 70 umgibt die Magnetflusssensoren 24,um die Magnetflusssensoren 24 von externen magnetischenFeldern abzuschirmen. Anschließendwird ein Gehäuse 74 über derWelle 12 montiert. Das Gehäuse 74 beinhalteteine Öffnung, diemit der Aussparung 42 im vergrößerten Endbereich 40 fluchtet.Eine elektrische Steckverbindung 78 wird durch die Öffnung geschoben,um die Anschlüsse 60 mitdem Kabelbaum zur Kommunikation mit dem elektrischen Steuersystemdes Kraftfahrzeugs zu verbinden. Die Steckverbindung 78 sichert zusätzlich diemagnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 gegen Dreh-und Axialverschiebung, wodurch die Verwendung zusätzlicherBefestigungsmittel nicht notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung bietetdaher eine robuste magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10,in der ein Array von Magnetflusssensoren 24 in einen Kunststoffkörper 28 ineiner festgelegten und starren Anordnung zueinander eingelassenist, um Abweichungen bzw. Verschiebungen im Betrieb zu vermeiden.Die Sichelform des Kunststoffkörpers 28 erlaubteinen leichten Einbau der magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 umdie Welle 12, wobei die Magnetflusssensoren 24 inder gewünschtenAnordnung um die Achse angeordnet sind. Die magnetoelastische Drehmomentsensor-Baugruppe 10 kannleicht unter Verwendung eines Trägerstreifens 26 hergestellt werden,um die Magnetflusssensoren 24 während der Kunststoffgussbearbeitungexakt zu positionieren und eine zuverlässigen elektrische Verbindungzu den Magnetflusssensoren 24 während des Betriebs zu gewährleisten.Es ist ein Vorteil der bevorzugten Ausführung, dass ein Mikroprozessor 62 zurProzessierung der elektrischen Signale von den Magnetflusssensoren 24 inden Kunststoffkörper 28 eingebautwerden kann. Dieses gestattet es der gesamten magnetoelastischenDrehmomentsensor-Baugruppe 10 einschließlich desMikroprozessors 62, in einer Metallabschirmung 70 angeordnetund vor externen elektromagnetischen Feldern geschützt zu werden.
Währenddie vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformenbeschrieben worden ist, ist diese nicht als auf diese beschränkt anzusehen,sondern nur in dem Rahmen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiertwird.