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DE102006054179A1 - Torque moment i.e. steering moment, measuring device, has shaft divided into input and output shafts, which are connected by torsion unit with reduced rigidity, which carries magnetic coding, where torsion unit is coupled with clutch - Google Patents

Torque moment i.e. steering moment, measuring device, has shaft divided into input and output shafts, which are connected by torsion unit with reduced rigidity, which carries magnetic coding, where torsion unit is coupled with clutch Download PDF

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torsion element
torsion
torsion unit
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Andreas Reichert
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

The device has a magnetic transmitter unit integrated in a shaft (10), where the coding of the transmitter unit is changeable by torsion. A sensor unit (34, 36) is attached to the transmitter unit, where the sensor unit includes an inductive sensor. The shaft is divided into input and output shafts (12, 14), which are connected by a torsion unit with reduced rigidity, which carries magnetic coding. The torsion unit is coupled with an overload clutch (18).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle, insbesondere zur Messung des Lenkmomentes einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges, mit einer in die Welle integrierten magnetischen Gebereinheit, deren Kodierung durch Torsion veränderbar ist. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der Veröffentlichung der US-Patentanmeldung 2005/0193834 A1 oder der PCT-Veröffentlichung WO 2005/064301 A1 bekannt. Diese Druckschriften beschreiben Vorrichtungen zur Erfassung des Drehmomentes an einer nahe der Oberfläche kreisringförmig magnetisierten Welle aus ferromagnetischem Material, wobei der Geberbereich der Welle umlaufend aneinander gereihte Einzelmagnete ausbildet, welche eine in sich geschlossene, ringförmige magnetische Gebereinheit bilden. Beim Auftreten eines Drehmomentes an der Welle wird diese ringförmige Magnetisierung entsprechend der Materialverwindung in den Einzelbereichen der Teilmagnete sektorweise ausgelenkt, wobei der von der Umfangsrichtung abweichende vektorielle Anteil der Magnetisierung außerhalb der Welle durch eine Sensoreinheit erfasst werden kann. In dieser bekannten Messanordnung dient die Welle selbst als Gebereinheit, wobei nur geringe Torsionswege für die Auswertung zur Verfügung stehen.The invention is based on a device for measuring the torque on a shaft, in particular for measuring the steering torque of a rack-and-pinion power steering system of a motor vehicle, having a magnetic encoder unit integrated in the shaft, the coding of which can be changed by torsion. Such a device is known for example from the publication of US patent application 2005/0193834 A1 or the PCT publication WO 2005/064301 A1 known. These documents describe devices for detecting the torque at a near the surface annularly magnetized wave of ferromagnetic material, wherein the donor region of the shaft circumferentially lined up individual magnets forming, which form a self-contained, annular magnetic encoder unit. When a torque occurs on the shaft, this annular magnetization is deflected sector by sector in accordance with the material distortion in the individual regions of the partial magnets, wherein the vectorial component of the magnetization deviating from the circumferential direction can be detected outside the shaft by a sensor unit. In this known measuring arrangement, the shaft itself serves as a transmitter unit, with only small torsion paths being available for the evaluation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das Messergebnis kann gegenüber bekannten Vorrichtungen deutlich verbessert werden, wenn erfindungsgemäß ein die magnetische Kodierung tragendes Torsionselement mit gegenüber der Welle reduzierter Steifigkeit in den Wellenzug integriert wird, wobei zweckmäßigerweise die maximale Verdrehung begrenzt wird, um bleibende Verformungen des Torsionselementes zu verhindern. Dies geschieht in grundsätzlich bekannter Weise durch den Einbau eines mechanischen Überlastschutzes zwischen den Enden zweier Teilwellen im Wirkungsbereich des Torsionselementes.The Measurement result can be opposite Known devices are significantly improved if according to the invention a magnetic coding torsional element with respect to the Shaft of reduced stiffness is integrated into the wave train, wherein expediently the maximum twist is limited to permanent deformations to prevent the torsion element. This happens in basically known Way by installing a mechanical overload protection between the ends two partial waves in the range of action of the torsion element.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass die grundsätzlich bekannte magnetostriktive Messung des Drehmomentes an einer sich drehenden oder stillstehenden Welle für neue Anwendungen durch die Erzeugung eines ausreichend großen, gut erfassbaren Messsignals nutzbar gemacht werden kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Torsionselement im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist und an den Enden der Teilwellen angreift, an denen innerhalb des Torsionselementes auch die Überlastkupplung ausgebildet ist. Diese ist vorzugsweise als Klauenkupplung gestaltet, wobei die Klauen ohne Vergrößerung des Wellendurchmessers direkt an den Enden der Eingangswelle und der Ausgangswelle ausgebildet werden können. Hierbei sind die Wellenenden durch einen beidseitig eingreifenden, axial ausgerichteten Lagerstift zentriert und gehalten, sodass auftretende Biegemomente ebenfalls ohne Vergrößerung des Wellendurchmessers abgefangen werden können.The inventive device with the characteristics of the independent Claim has the advantage that the basically known magnetostrictive Measuring the torque on a rotating or stationary Wave for new applications by generating a big enough, good detectable measurement signal can be harnessed. Here is it is particularly advantageous if the torsion element substantially sleeve-shaped is and at the ends of the partial waves attacks, in which the torsion element and the overload clutch is trained. This is preferably designed as a dog clutch, wherein the claws without enlargement of the Shaft diameter directly at the ends of the input shaft and the Output shaft can be formed. Here are the shaft ends centered by a bilaterally engaging, axially aligned bearing pin and held so that bending moments occurring also without increasing the Shaft diameter can be intercepted.

Die Magnetisierung des Torsionselementes und seine Verbindungen mit den Wellenenden sind vorzugsweise symmetrisch zu der Anordnung der Sensoreinheit ausgebildet, wodurch das Messergebnis weiter verbessert wird, da Messwertveränderungen so optimal erfasst werden können.The Magnetization of the torsion element and its compounds with The shaft ends are preferably symmetrical to the arrangement of the sensor unit formed, whereby the measurement result is further improved because Reading changes can be optimally captured.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.One embodiment The invention is illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine magnetostriktive Messeinrichtung zur Erfassung des Drehmomentes an einer Welle, die im Bereich einer Trennstelle durch ein Torsionselement überbrückt ist, welches seinerseits durch eine Überlastkupplung vor plastischer Verformung geschützt ist.The FIG. 1 shows a schematic representation of a magnetostrictive measuring device for detecting the torque on a shaft, which is in the range of Separation point is bridged by a torsion element, which in turn through an overload clutch protected plastic deformation is.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der Figur ist mit 10 eine Welle bezeichnet, an welcher ein zu übertragendes Drehmoment M gemessen werden soll. Die Welle ist unterteilt in eine Eingangswelle 12 und eine Ausgangswelle 14, welche einerseits durch ein Torsionselement 16 und andererseits durch eine Überlastkupplung 18 miteinander gekoppelt sind. Hierbei besitzt die Überlastkupplung 18 einen freien Verdrehwinkel, beispielsweise von +/–6°, durch den die Verwindung des Torsionselementes 16 begrenzt und dessen plastische Verformung verhindert wird. In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Torsionselement 16 mit der Eingangswelle 12 durch eine Verstiftung 20 und mit der Ausgangswelle 14 durch eine Verpressung 22 fest verbunden. Andere Verbindungen wie zum Beispiel Schweißen sind ebenfalls möglich.In the figure is with 10 denotes a shaft at which a torque to be transmitted M is to be measured. The shaft is divided into an input shaft 12 and an output shaft 14 , which on the one hand by a torsion element 16 and on the other hand by an overload clutch 18 coupled together. Here has the overload clutch 18 a free angle of rotation, for example of +/- 6 °, by the torsion of the torsion element 16 limited and its plastic deformation is prevented. In the embodiment shown in the figure, the torsion element 16 with the input shaft 12 through a pinning 20 and with the output shaft 14 by a compression 22 firmly connected. Other connections such as welding are also possible.

Die Wellen 12 und 14 besitzen an ihren Enden 24 und 26 jeweils eine zentrale Bohrung 28, 29 zur spielfreien Aufnahme eines Lagerstiftes 30, welcher einerseits die beiden Wellen 14, 16 und die klauenartig ineinander greifenden Teile der Überlastkupplung 18 zueinander zentriert und andererseits eventuell auftretende Biegemomente aufnimmt. Anstelle des Lagerstiftes 30 könnte jedoch auch eine Lagerstelle, beispielsweise in Form eines Nadellagers, zwischen der Torsionshülse 16 und der Überlastkupplung 18 vorgesehen werden.The waves 12 and 14 own at their ends 24 and 26 one central hole each 28 . 29 for play-free recording of a bearing pin 30 , on the one hand the two waves 14 . 16 and the claw-like interlocking parts of the overload clutch 18 centered on the other hand and on the other hand absorbs any bending moments occurring. Instead of the bearing pin 30 However, a bearing point, for example in the form of a needle bearing, between the Torsionshülse could 16 and the overload clutch 18 be provided.

Das Torsionselement 16 weist an seinem Umfang eine ringförmige Magnetisierung 32 auf, wie sie in den beiden eingangs zum Stand der Technik erwähnten Druckschriften US 2005/0193834 A1 und WO 2005/064301 A1 oder in der Firmendruckschrift von NCTE, 0406-01.05 vom Februar 2005 beschrieben ist, letztere veröffentlicht im Internet unter www.NCTE.de . Die entlang des Umfangs des Torsionselementes 16 gebildeten magnetischen Teilstücke in der Form von Ringsegmenten werden beim Auftreten eines Drehmomentes M an der Welle 10 zusammen mit dem Torsionselement 16 verdreht und dabei aus ihrer ursprünglichen, senkrecht zur Achse der Welle verlaufenden Kreisringanordnung in Achsrichtung der Welle ausgelenkt. Hierdurch entsteht ein Vektor des magnetischen Feldes, welcher durch die Sensorelemente 34 und 36 erfassbar ist. Das Torsionselement 16 besteht hierbei aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise aus einem Werkszeugstahl mit einem geringen Ni- und/oder Cr-Anteil oder aus einem Werkszeugstahl S155 entsprechend DIN 1.6928. Der Ni- und/oder Cr-Anteil der ferromagnetischen Legierung soll dabei einen Wert von 10% nicht überschreiten. Die Messung des Torsionswinkels erfolgt durch Erfassung der außerhalb des Torsionselementes 16 verlaufenden Feldlinien. Hierbei kann die Formgebung des Torsionselementes von der dargestellten Form einer zylindrischen Hülse abweichen, beispielsweise durch Veränderung der Materialstärke, um eine spezielle Verformung zu erzielen.The torsion element 16 has an annular magnetization at its periphery 32 on, as in the two mentioned in the prior art documents US 2005/0193834 A1 and WO 2005/064301 A1 or in the Company publication of NCTE, 0406-01.05 of February 2005 is described, the latter published on the Internet at www.NCTE.de , The along the circumference of the torsion element 16 formed magnetic portions in the form of ring segments are at the occurrence of a torque M on the shaft 10 together with the torsion element 16 twisted and thereby deflected from their original, perpendicular to the axis of the shaft extending annulus assembly in the axial direction of the shaft. This creates a vector of the magnetic field which passes through the sensor elements 34 and 36 is detectable. The torsion element 16 consists of a ferromagnetic material, preferably a tool steel with a low Ni and / or Cr content or a tool steel S155 according to DIN 1.6928. The Ni and / or Cr content of the ferromagnetic alloy should not exceed a value of 10%. The measurement of the torsion angle is carried out by detecting the outside of the torsion element 16 extending field lines. Here, the shape of the torsion element may differ from the illustrated shape of a cylindrical sleeve, for example, by changing the material thickness to achieve a special deformation.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung eignet sich in besonderer Weise für die Messung des Lenkmomentes einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges, weil hierbei eine hohe und sehr exakte Signalauflösung für das Drehmoment aus Systemregelungs- und Sicherheitsgründen gefordert wird. Diese Erhöhung der Signalauflösung ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung eines separaten Torsionselementes sehr präzise und sicher möglich, wobei gleichzeitig irreversible Verformungen durch die Überlastkupplung 18 bei Erreichen eines vorgegebenen Verdrehwinkels verhindert werden. Durch die Anordnung der Überlastkupplung innerhalb der magnetostriktiven Auswerteeinheit mit dem rohrförmig die Wellen 12 und 14 umgreifenden Torsionselement 16 können die Sensorelemente 34 und 36 problemlos in geeigneter Weise sehr nahe bei der magnetischen Kodierung des Torsionselementes 16 angeordnet werden, wodurch man auch bei kleinen Änderungen des Magnetfeldes gute Messergebnisse erhält.The measuring device according to the invention is particularly suitable for the measurement of the steering torque of a rack power steering system of a motor vehicle, because in this case a high and very accurate signal resolution for the torque is required for system control and safety reasons. This increase in the signal resolution is possible very precisely and safely with the aid of the arrangement according to the invention of a separate torsion element, with irreversible deformations occurring simultaneously through the overload coupling 18 be prevented when reaching a predetermined angle of rotation. Due to the arrangement of the overload clutch within the magnetostrictive evaluation unit with the tubular waves 12 and 14 encompassing torsion element 16 can the sensor elements 34 and 36 easily suitably very close to the magnetic coding of the torsion element 16 can be arranged, which gives good results even with small changes in the magnetic field.

Für die Messung des Drehmomentes als Funktion der Veränderung des Magnetfeldes am Umfang des Torsionselementes 16 genügt grundsätzlich die Anordnung eines einzelnen Sensorelementes 34 oder 36. Vorzugsweise wird hierbei ein induktives Sensorelement verwendet, weil derartige Sensoren thermisch und mechanisch sehr widerstandsfähig sind. Alternativ ist jedoch auch die Verwendung von Hall- oder AMR-Sensoren möglich. Die Anordnung von zwei Sensorelementen 34 und 36 bietet dabei den Vorteil, dass diese bei der Auswertung der Signale in einer nicht dargestellten Auswerteelektronik so verschaltet werden können, dass sich die Messsignale addieren, während Störsignale durch eine entgegengesetzte Polung weitgehend unterdrückt werden. Die spezielle Art der magnetischen Kodierung des Torsionselementes 16 ist in den zum Stand der Technik genannten Druckschriften beschrieben und braucht hier nicht nochmals detailliert erörtert werden.For the measurement of the torque as a function of the change of the magnetic field at the periphery of the torsion element 16 basically satisfies the arrangement of a single sensor element 34 or 36 , Preferably, in this case an inductive sensor element is used, because such sensors are thermally and mechanically very resistant. Alternatively, however, the use of Hall or AMR sensors is possible. The arrangement of two sensor elements 34 and 36 offers the advantage that they can be connected in the evaluation of the signals in an evaluation, not shown, so that the measurement signals add, while spurious signals are largely suppressed by an opposite polarity. The special type of magnetic coding of the torsion element 16 is described in the cited prior art and need not be discussed again in detail here.

Claims (11)

Vorrichtung zur Messung des Drehmomentes an einer Welle (10), insbesondere zur Messung des Lenkmomentes einer Zahnstangen-Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges, mit einer in die Welle (10) integrierten magnetischen Gebereinheit, deren Kodierung durch Torsion veränderbar ist, und mit einer der Gebereinheit zugeordneten Sensoreinheit (34, 36), dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) in eine Eingangswelle (12) und eine Ausgangswelle (14) unterteilt ist, welche durch ein Torsionselement (16) mit reduzierter Steifigkeit verbunden sind, das die magnetische Kodierung (32) trägt.Device for measuring the torque on a shaft ( 10 ), in particular for measuring the steering torque of a rack power steering system of a motor vehicle, with a in the shaft ( 10 ) integrated magnetic encoder unit whose coding is modifiable by torsion, and with a sensor unit associated with the transmitter unit ( 34 . 36 ), characterized in that the shaft ( 10 ) in an input shaft ( 12 ) and an output shaft ( 14 ), which by a torsion element ( 16 ) are associated with reduced rigidity, which is the magnetic coding ( 32 ) wearing. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (16) mit einer Überlastkupplung (18) gekoppelt ist.Device according to claim 1, characterized in that the torsion element ( 16 ) with an overload clutch ( 18 ) is coupled. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (16) hülsenförmig ausgebildet ist und an den Enden (24, 26) der Teilwellen (10) angreift.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the torsion element ( 16 ) is sleeve-shaped and at the ends ( 24 . 26 ) of the partial waves ( 10 ) attacks. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastkupplung (18) innerhalb des Torsionselementes (16) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the overload clutch ( 18 ) within the torsion element ( 16 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastkupplung (18) als Klauenkupplung ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the overload clutch ( 18 ) is designed as a dog clutch. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastkupplung (18) und die Wellenenden (24, 26) durch einen beidseitig eingreifenden, axial ausgerichteten Lagerstift (30) zentriert und gehalten sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the overload clutch ( 18 ) and the shaft ends ( 24 . 26 ) by a mutually engaging, axially aligned bearing pin ( 30 ) are centered and held. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Torsionselementes (16) durch eine Verstiftung (20) und/oder eine Verpressung (22) mit den Wellenenden (24, 26) verbunden sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the ends of the torsion element ( 16 ) by a pinning ( 20 ) and / or a compression ( 22 ) with the shaft ends ( 24 . 26 ) are connected. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens einen außerhalb des Torsionselementes (16) angeordneten Sensor (34, 36) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor unit at least one outside of the torsion element ( 16 ) arranged sensor ( 34 . 36 ) having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens einen induktiven Sensor (34, 36) besitzt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor unit comprises at least one inductive sensor ( 34 . 36 ) owns. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionselement (16) kreisringförmig magnetisiert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the torsion element ( 16 ) is magnetized annular. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung (32) des Torsionselementes (16) und die Verbindungen des Torsionselementes (16) mit den Wellenenden (24, 26) im Wesentlichen symmetrisch zu der Anordnung der Sensoreinheit (34, 36) ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetization ( 32 ) of the torsion element ( 16 ) and the connections of the torsion element ( 16 ) with the shaft ends ( 24 . 26 ) substantially symmetrical to the arrangement of the sensor unit ( 34 . 36 ) are formed.
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