DE102009057810A1

DE102009057810A1 - Torsionsmodul

Info

Publication number: DE102009057810A1
Application number: DE200910057810
Authority: DE
Inventors: Harald Donner; Oliver Maier; Stefan Garneyer; Stefan Schröder
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Beschrieben wird ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems, aufweisend ein Speichenrad mit einem an der Lenkspindel befestigbaren Innenring und einem über Biegespeichen mit dem Innenring verbundenen und konzentrisch zu diesem angeordneten Außenring, wobei das Torsionsmodul einen Stapel mehrerer miteinander verbundener Ringscheiben aufweist, die aus Blech geformt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems, aufweisend ein Speichenrad mit einem an der Lenkspindel befestigbaren Innenring und einem über Biegespeichen mit dem Innenring verbundenen und konzentrisch zu diesem angeordneten Außenring.
Drehmomenterfassungseinrichtungen der betreffenden Art werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das auf das Lenkrad ausgeübte Drehmoment zu erfassen, welches etwa als Eingangsgröße für elektrische Lenkkraftunterstützungssysteme benötigt wird. Zur Drehmomenterfassung ist dabei ein Torsionsmodul vorgesehen, das einen Drehwinkelversatz zwischen Lenkspindel und Lenkrad bei Anlegen eines Drehmoments gestattet.
Derartige Torsionsmodule sind beispielsweise aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 101 44 143 A1 und DE 101 44 054 A1 bekannt. Bei diesen Torsionsmodulen sind der Innenring und der Außenring durch ein bzw. zwei massive Teile ausgebildet, die aus Aluminium geschmiedet bzw. als Gussteil(e) mit umgossenen Stahlspeichen realisiert sind.
Die Herstellung derartiger Teile ist durch die erforderliche umfangreiche und zeitaufwändige mechanische Bearbeitung sehr kostenaufwändig.
Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung zu schaffen, das auf besonders einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Torsionsmodul einen Stapel mehrerer miteinander verbundener Ringscheiben aufweist, die aus Blech geformt sind.
Blechwerkstücke sind im Vergleich zu geschmiedeten oder massiv gegossenen Teilen schnell und mit einem geringen Bearbeitungsaufwand und damit sehr kostengünstig herstellbar. Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Torsionsmodul die Ringscheiben durch Stanzen oder Laserschneiden aus einem band- oder tafelförmigen Halbzeug geformt. Selbstverständlich können sich zur endgültigen Formgebung daran weitere Bearbeitungsschritte, wie zum Beispiel Biegen oder Bohren anschließen.
Die derart auf einfache und kostengünstige Weise hergestellten Ringscheiben sind miteinander zu einem Stapel verbunden, dessen Funktionsweise der von massiven Komponenten bekannter Torsionsmodule entspricht. Die Anzahl der vorgesehenen Ringscheiben kann zwischen zwei und mehreren Dutzend betragen, wobei bei einer größeren Anzahl von Ringscheiben deren Materialstärke entsprechend geringer vorgesehen wird. Hierdurch kann die Summe aus Material- und Bearbeitungsaufwand je nach Anwendungsfall variiert und unter Kostengesichtspunkten optimiert werden. Im Extremfall kann der Ringscheibenstapel aus einer Vielzahl sehr dünner Bleche, ähnlich einem Trafoblechpaket, zu einem Torsionsmodul paketiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Ringscheiben form- und vorzugsweise materialschlüssig miteinander verbunden sind. Hierdurch können auch geringfügige relative Verschiebungen zwischen den Ringscheiben verhindert werden, welche die Genauigkeit der sehr empfindlichen Torsionsmessverfahren beeinträchtigen könnten. Besonders vorteilhaft ist es, die Ringscheiben miteinander zu verschweißen oder mit einem Metall oder Kunststoff zu umspritzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus der folgenden Erläuterung von zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen
1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Torsionsmoduls,
3 und 4 Einzelteile des Torsionsmoduls gemäß der 1 und 2,
5 miteinander vormontierte Einzelteile des Torsionsmoduls,
6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Torsionsmoduls,
7 ein Einzelteil eines Torsionsmoduls gemäß der 6.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems in einem Kraftfahrzeug ist in den 1 und 2 in einer Vorder- und einer Rückansicht dargestellt. Das Torsionsmodul besteht aus einem Stapel von drei Ringscheiben (1a, 1b), deren Aufbau die 3 und 4 verdeutlichen und die vorzugsweise als einfache Blechstanzteile herstellbar sind.
Die in der 3 dargestellte Ringscheibe 1a besteht aus einen Außenring 3a, der konzentrisch einen Innenring 2a umfasst. Der Innenring 2a und der Außenring 3a sind über vier radial ausgerichtete Biegespeichen 4a miteinander verbunden. Die Ringscheibe 1a kann daher als Speichenrad bezeichnet werden. In die Fläche des Außenrings 3a sind vier Bohrungen 10a eingebracht.
Eine weitere Ringscheibe 1b zeigt die 4. Bei dieser Ringscheibe 1b sind der Außenring 3b und der Innenring 2b durch separate Teile ausgebildet. Das den Innenring 2b ausbildende Teil weist vier radial abstehende Anschlagspeichen 6b auf und wird daher im folgenden kurz als Anschlagspeichenring 5 bezeichnet. Die freien Endabschnitte der Anschlagspeichen 6b reichen bis in Ausnehmungen 11 des Außenrings 3b. Da die Ausnehmungen 11 etwas breiter ausgeführt sind als die eingreifenden Endabschnitte der Anschlagspeichen 6b ist der Anschlagspeichenring 5 drehbeweglich gegenüber dem Außenring 3b. Die Drehbeweglichkeit wird allerdings dadurch begrenzt, dass nach einem relativ geringen Winkelbetrag die freien Endabschnitte der Anschlagspeichen 6b auf Anschlagflächen 7 seitlich der Ausnehmungen 11 im Außenring 3b treffen.
Bei der Montage des Torsionsmoduls werden die Innenringe (2a, 2b) und die Außenringe (3a, 3b) mehrerer Ringscheiben (1a, 1b) kraft-, form- und vorzugsweise materialschlüssig miteinander verbunden. Hierzu können die Innenringe (2a, 2b) und die Außenringe (3a, 3b) beispielsweise miteinander verschweißt oder mit einer Metall- oder Kunststoffumspritzung umgeben werden.
Wird der Innenring 2a des Speichenrades 1a beidseitig mit jeweils dem Innenring 2b eines Anschlagspeichenrings 5 verbunden, so ergibt sich die in der 5 in einer seitlichen Ansicht dargestellte Anordnung. Wird nun zusätzlich an jede Seite der Ringscheibe 1a noch jeweils ein Außenring 3b angefügt, so erhält man einen Aufbau, wie er in den 1 und 2 in einer Vorder- und in einer Rückansicht dargestellt ist. Zusätzlich ersichtlich ist hier noch eine Vielzahnhülse 9, die mit sämtlichen Innenringen der Ringscheiben (1a, 1b) in drehfester Verbindung steht.
Die Vielzahnhülse 9 dient zur formschlüssigen Anbindung des Torsionsmoduls an eine nicht dargestellte Lenkspindel, die an ihrer Umfangsfläche ein entsprechend geformtes Vielzahngegenstück aufweist. Die miteinander verbundenen Außenringe (3a, 3b) der Ringscheiben (1a, 1b) werden über die Bohrungen 10 mit einem, hier ebenfalls nicht dargestellten, Lenkrad verschraubt.
Die soweit beschriebene Anordnung dient zur Erfassung eines Lenkmomentes und funktioniert dem Prinzip nach wie folgt. Wird das Lenkrad gedreht, so wird die Lenkradbewegung von den miteinander verbundenen Außenringen (3a, 3b) über die Biegespeichen 4a des Speichenrades 1a und über die Vielzahnhülse 9 auf die nicht dargestellte Lenkspindel übertragen. Durch das auf die Außenringe (3a, 3b) einwirkende Drehmoment werden diese gegenüber den Innenringen (2a, 2b) verdreht, wodurch die Biegespeichen 4a eine Scherung erfahren. Der Betrag dieser Verformung ist ein Maß für das einwirkende Drehmoment und kann durch Messwertaufnehmer, ausgeführt beispielsweise durch Dehnungsmessstreifen, an den Biegespeichen 4a ermittelt werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, durch geeignete Wegsensoren die Verschiebung der Anschlagspeichen 6b relativ zu einem Außenring 3b zu ermitteln, und aus dieser Verschiebung das Drehmoment zu berechnen.
Die Anschlagspeichen 6b haben ansonsten die Funktion, eine Überlastung der Biegespeichen 4a durch zu große Drehmomente zu verhindern. Ist die Scherung der Biegespeichen 4a so groß, dass die Anschlagspeichen 6b gegen Anschlagflächen 7 des Außenrings 3b laufen, so wird die Lenkbewegung nun über den Anschlagspeichenring 5 auf die Lenkspindel übertragen, ohne dass die Scherung der Biegespeichen 4a weiter vergrößert wird.
Vorteilhaft ist auch, dass die Anschlagspeichen 6b gekröpfte Endabschnitte 8 aufweisen, die sich senkrecht aus der gemeinsamen Ebene der Ringscheibe 1b und des Anschlagspeichenrings 5 heraus erstreckt. Hierdurch weisen die gekröpfte Endabschnitte 8 der Anschlagspeichen 6b einen Abstand zu Außenringflächen 12 der Ringscheibe 1a auf, so dass bei einer Verdrehung des Anschlagspeichenring 5 die gekröpfte Endabschnitte 8 der Anschlagspeichen 6b nicht auf den Außenringflächen 12 reibend aufliegen. Im Falle einer axialen Verkippung der Lenkwelle durch Missbrauchskräfte am Lenkrad trifft aber wenigstens einer der gekröpften Endabschnitte 8 auf eine der Außenringflächen 12, die damit einen Begrenzungsanschlag für die Kippbewegung bildet. Damit werden zugleich die Biegespeichen 4a vor einer Überbeanspruchung geschützt.
Eine vorteilhafte, weil besonders einfache und kostengünstige Ausführungsform eines Torsionsmoduls ist den 6 und 7 abgebildet. Wie aus der 6 hervorgeht, weist das Torsionsmodul neben einer Vielzahnhülse 9c zur Anbindung an eine Lenkspindel ein Paket aus Ringscheiben 1c auf, die allesamt aus einem, im Vergleich zu den Ringscheiben (1a, 1b) der zuvor beschriebenen Ausführungsform, besonders dünnen Blech gefertigt sind. Besonders vorteilhaft ist, dass alle Ringscheiben 1c identisch ausgebildet sind, wodurch diese mit einem einzigen Werkzeug und somit besonders kostengünstig herstellbar sind.
Auch der Montageaufwand ist besonders gering, da das Anordnen identischer Ringscheiben 1c zu einem Stapel keine komplizierten Montageschritte erfordert und daher leicht auch durch Montageautomaten ausgeführt werden kann. Die aufgestapelten Ringscheiben 1c werden dann noch durch Verschweißen oder Umspritzen miteinander verbunden, was ebenfalls durch die identischen Ausführung der Ringscheiben 1c begünstigt wird.
Die 7 zeigt eine einzelne Ringscheibe 1c, die einstückig aus Blech gestanzt oder geschnitten ist. Die Ringscheibe 1c weist einen Außenring 3c und einen über vier Biegespeichen 4c angeformten Innenring 2c auf. Der Innenring 2c bildet zudem vier angeformte Anschlagsspeichen 6c aus, welche deutlich stabiler ausgeführt sind als die Biegespeichen 4c und die den Verdrehweg des Außenrings 3c gegen den Innenring 2c begrenzen und so die Biegespeichen 4c vor einer überlastenden Verformung schützen.
Die Ringscheibe 1c vereinigt somit die Eigenschaften eines Speichenrads 1a gemäß der 3 und eines Anschlagspeichenrings 5 gemäß der 4 in einem einstückig geformten Körper. Durch die Verbindung einer Vielzahl dieser Ringscheiben 1c zu einem Paketstapel wird die zur Verwendung als Torsionsmodul erforderliche Stabilität erreicht.
Bezugszeichenliste

1a, 1b, 1c: Ringscheiben (1a, 1c auch Speichenrad)
2a, 2b, 2c: Innenring
3a, 3b, 3c: Außenring
4a, 4c: Biegespeichen
5: Anschlagspeichenring
6b, 6c: Anschlagspeichen
7: Anschlagflächen
8: gekröpfte Endabschnitte
9, 9c: Vielzahnhülse
10, 10a, 10b: Bohrungen
11: Ausnehmungen
12: Außenringflächen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10144143 A1 [0003]
DE 10144054 A1 [0003]

Claims

Torsionsmodul für eine Drehmomenterfassungseinrichtung eines Lenksystems oder Lenkkraftunterstützungssystems, aufweisend ein Speichenrad (1a, 1c) mit einem an der Lenkspindel befestigbaren Innenring (2a) und einem über Biegespeichen (4a, 4c) mit dem Innenring (2a) verbundenen und konzentrisch zu diesem angeordneten Außenring (3a), dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsmodul einen Stapel mehrerer miteinander verbundener Ringscheiben (1a, 1b, 1c) aufweist, die aus Blech geformt sind.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheiben (1a, 1b, 1c) durch Stanzen, geformt sind.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheiben (1a, 1b, 1c) durch Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Drahterodieren geformt sind.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheiben (1a, 1b, 1c) form- oder materialschlüssig miteinander verbunden sind.
Torsionsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheiben (1a, 1b, 1c) durch eine Umspritzung miteinander verbunden sind.
Torsionsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringscheiben (1a, 1b, 1c) miteinander verschweißt sind.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsmodul einen paketierten Stapel aus mehreren gleichartig ausgebildeten Ringscheiben (1a, 1b, 1c) aufweist.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Torsionsmodul einen Stapel aus mindestens drei Ringscheiben (1a, 1b) aufweist, wobei mindestens eine im Stapel innenliegende Ringscheibe (1a) Biegespeichen (4a) aufweist.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine im Stapel außenliegende Ringscheibe (1b) angeformte Anschlagflächen (7) aufweist, die mit Anschlagspeichen (6b), welche mechanisch an die Lenkspindel ankoppelbar sind, zusammenwirken.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagspeichen (6b) gekröpfte Endabschnitte (8) aufweisen.
Torsionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ringscheibe (1a, 1b, 1c) mit einer Vielzahnhülse (9, 9c) verbunden ist, die mit der Lenkspindel verbindbar ist.