DE102011078281A1

DE102011078281A1 - Sensoranordnung mit magnetischem Index-Encoder in einer Lagerdichtung

Info

Publication number: DE102011078281A1
Application number: DE102011078281A
Authority: DE
Inventors: Henrik Antoni
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2012-02-09
Also published as: EP2601494A1; US9140617B2; WO2012016861A1; US20130118273A1

Abstract

Sensoranordnung, umfassend einen Drehmomentsensor (3) zur Messung des an eine erste Welle (1, 2) angreifenden Drehmoments und umfassend eine Drehwinkel-Indexeinheit, wobei die erste Welle (1, 2) mit wenigstens einem Lager (6) gelagert ist, wobei die Dichtung (7) dieses Lagers einen magnetischen Index-Encoder (7, 8, 9, 10) umfasst, welcher von zumindest einem Magnetfeldsensorelement (5) erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
In modernen Kraftfahrzeugen werden immer mehr elektronisch unterstützte Lenksysteme eingesetzt. Zur Regelung dieser Lenksysteme ist es erforderlich den Fahrerwunsch zu erfassen. Zur Regelung des Lenksystems wird dabei meist ein Drehmomentsensor genutzt. Zur Bestimmung des Lenkwinkels ist es möglich, anhand eines intelligenten Kommutierungssensors des Lenkunterstützungs-Motors und eines einfachen Indexsensors die Lenkposition zu ermitteln.
Durch den Wunsch den Bauraum in axialer Richtung zu minimieren, ist eine Lösung mit einem zusätzlichen Befestigungselement nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sensoranordnung vorzuschlagen, die eine Drehwinkel-Indexeinheit relativ kostengünstig und platzsparend realisiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung nach Anspruch 1.
Die bevorzugte Integration des magnetischen Index-Encoders in die Dichtung des Lagers zeichnet sich durch eine relativ hohe Robustheit aus.
Es ist bevorzugt, dass das Magnetfeldsensorelement dem Index-Encoder so zugeordnet ist, dass das Magnetfeldsensorelement detektiert bzw. detektieren kann, ob sich der Drehwinkel der Welle in einem definierten Drehwinkel oder Drehwinkelbereich befindet bzw. dass die Sensoranordnung so ausgelegt ist, dass sie die Winkelstellung der Welle bezüglich eines definierten Drehwinkels und/oder definierten Drehwinkelbereichs erfassen und/oder identifizieren kann.
Der Index-Encoder umfasst vorzugsweise magnetische Partikel, die in einem Elastomer angeordnet bzw. eingebettet sind, wobei dieses Elastomer insbesondere ringförmig ausgebildet ist und als Dichtung des Lagers angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Magnetfeldsensorelement als schaltendes Sensorelement ausgebildet ist, insbesondere als schaltendes Hallelement oder schaltendes magnetoresistives Magnetfeldsensorelement.
Der Index-Encoder weist vorzugsweise zumindest eine oder mehrere Magnetisierung/en als Indexmarke/n auf. Dabei weist die Magnetisierung der wenigstens einen Indexmarke insbesondere eine Magnetisierungsrichtung auf, die im Wesentlichen axial bezüglich der Welle ausgerichtet ist, wobei diese Magnetisierung besonders bevorzugt im Wesentlichen homogen innerhalb der Indexmarke ausgebildet ist. Ganz besonders bevorzugt weist der Index-Encoder genau eine Indexmarke oder mehrere Indexmarken mit einer solchen Magnetisierung auf.
Es ist bevorzugt, dass der Index-Encoder eine Haupt-Indexmarke und zwei oder eine Anzahl entsprechend ein Vielfaches von zwei, kleinere Neben-Indexmarken aufweist, wobei die Neben-Indexmarken rechts- und linksseitig bezüglich der Haupt-Indexmarke insbesondere symmetrisch ausgebildet und angeordnet sind. Zweckmäßigerweise weist die Haupt-Indexmarke eine andere magnetische Polarität und/oder Magnetisierungsrichtung auf, als die zwei zumindest direkt rechts- und linksseitig benachbarten Neben-Indexmarken.
Es ist zweckmäßig, dass der Index-Encoder eine einzige Haupt-Indexmarke und eine einzige kleinere Neben-Indexmarke aufweist, wobei die Haupt-Indexmarke bezogen auf den Ring der Dichtung mehr als die Hälfte des Umfangs, insbesondere mehr als 80% des Umfangs, umfasst, wobei die Haupt-Indexmarke eine andere magnetische Polarität und/oder Magnetisierungsrichtung als die Neben-Indexmarke aufweist.
Es ist bevorzugt, dass eine bzw. jede Indexmarke einen definierten Drehwinkel oder Drehwinkelbereich des magnetischen Index-Encoders bzw. der ersten Welle kennzeichnet bzw. erfassbar macht.
Es ist zweckmäßig, dass im Gehäuse des Drehmomentsensors oder seitlich am dem Drehmomentsensor das Magnetfeldsensorelement der Drehwinkel-Indexeinheit angebracht ist, das ein Magnetfeld misst, welches von der permanentmagnetischen Partikeln in der Dichtfläche des vorgelagerten Wälzlagers, also der magnetischen Codierung der Dichtung als magnetischem Index-Encoders, erzeugt wird.
Der Drehmomentsensor und die Drehwinkel-Indexeinheit sind vorzugsweise in einer gemeinsamen Baugruppe integriert. Hierdurch können Herstellungskosten und Einbaukosten gesenkt werden. Die Sensorelemente und/oder elektronische Bauelemente des Drehmomentsensors und der Drehwinkel-Indexeinheit sind insbesondere auf einer gemeinsamen Platine angeordnet und/oder auf einem gemeinsamen Chip.
Es ist bevorzugt, dass der Index-Encoder direkt oder indirekt mit der ersten Welle verbunden ist und sich mit dieser dreht und dass das korrespondierende Magnetfeldsensorelement der Drehwinkel-Indexeinheit ortsfest und berührungslos zur ersten Welle angeordnet ist.
Es ist bevorzugt, dass der Drehmomentsensor einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt der ersten Welle umfasst, die beide mittels eines Torsionsstabes miteinander verbunden sind und gegeneinander verdrehbar ausgebildet und angeordnet sind, wobei auf dem ersten Wellenabschnitt ein magnetischer Drehmoment-Encoder angeordnet ist und auf dem zweiten Wellenabschnitt zwei diesem Drehmoment-Encoder zugeordnete Statorelemente mit jeweils abragenden Fingern angeordnet sind. Insbesondere umfassen dabei die Statorelemente jeweils ein weichmagnetisches Ringelement, welches bezüglich der ersten Welle axial abragende, besonders bevorzugt im Wesentlichen trapezförmig ausgebildete, Finger aufweist, wobei die Finger der beiden Statorelemente berührungslos ineinander greifen und wobei den Statorelementen gemeinsam wenigstens ein Drehmoment-Magnetfeldsensorelement zugeordnet ist, mittels welchem direkt oder indirekt der relative Verdrehwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt erfasst wird, aus welchem auf das an der ersten Welle angreifende Drehmoment geschlossen wird. Solch ein Drehmomentsensor hat sich als relativ präzise und zuverlässig erwiesen. Diese Ausbildung trapezförmiger Finger hat sich als besonders geeignet für eine relativ präzise Leitung des magnetischen Feldes erwiesen.
Zweckmäßigerweise sind die beiden Wellenabschnitte jeweils in Form von auf der ersten Welle oder auf dem Torsionsstab befestigten Hülsen ausgebildet.
Alternativ vorzugsweise umfasst der Drehmomentsensor keinen Torsionsstab bzw. ist so ausgebildet, dass das Drehmoment an einer im Wesentlichen steifen Welle erfasst wird, wobei der Drehmomentsensor mindestens eines der folgenden Drehmoment-Sensorelemente aufweist,

– Dehnungsmessstreifen,
– piezoelektrisches und/oder piezoresistives Sensorelement,
– magnetostriktives Sensorelement,
– Sensorelement basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen,

Die Erfassung des magnetischen Index-Encoders durch das Magnetfeldsensorelement der Drehwinkel-Indexeinheit bzw. durch das Index-Sensorelement, ermöglicht vorzugsweise die Feststellung, ob der jeweils zu einem definierten Zeitpunkt anliegende, relative Verdrehwinkel zwischen der ersten Welle und einem ortsfesten Referenzpunkt bzw. dem Index-Sensorelement innerhalb eines definierten Indexbereiches bzw. eines definierten Überlappungsbereiches liegt.
Die Sensoranordnung umfasst vorzugsweise ein gemeinsames Gehäuse.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Drehmomentsensoranordnung mit Drehwinkel-Index-Erfassung, besonders bevorzugt in der Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
Zweckmäßigerweise bezieht sich die Erfindung außerdem auf ein Lenksystem mit einer der beanspruchten oder oben vorgeschlagenen Sensoranordnungen bzw. Sensoranordnungsvarianten, wobei die erste Welle mit einer Antriebseinheit, insbesondere einem Elektromotor oder einer hydraulischen Servoeinheit, direkt oder indirekt mechanisch gekoppelt ist, so dass die Antriebseinheit eine Drehbewegung der ersten Welle hervorrufen kann, wobei die Sensoranordnung einen Winkelsensor umfasst, welche den Drehwinkel der Antriebswelle der Antriebseinheit, als zweite Welle, erfasst, wobei der Winkelsensor und die Antriebseinheit insbesondere so ausgebildet sind, dass der Winkelsensor den Drehwinkel der zweiten Welle innerhalb einer Umdrehung absolut erfassen kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
Die 1 bis 5 zeigen schematische, beispielhafte Sensoranordnungen.
In 1 ist eine eingangsseitige Lenkwelle (Lenkradseitig) 1 und eine ausgangsseitige Lenkwelle (Lenkgetriebe-seitig) 2 dargestellt, die mit einem Torsionsstab verbunden sind. Diese Lenkwelle 1, 2 bildet die erste Welle, an der das angreifende Drehmoment durch den Drehmomentsensor 3 erfasst werden soll. Auf der Schnittstelle der Wellenenden ist ein Drehmomentsensor 3 dargestellt, auf dessen Platine 4 zusätzlich ein Magnetfeldsensorelement 5 einer Drehwinkel-Indexeinheit angebunden ist. Magnetfeldsensorelement 5 ist eine permanentmagnetisches Material aufweisende Dichtung 7, als Index-Encoder, zugeordnet, die als Dichtung 7 eines Wälzlagers 6 ausgebildet ist, welches erste Welle 1, 2 lagert.
In 2 ist der gleiche Aufbau, wie in 1 schematisch gezeichnet, wobei die Magnetisierung einer Indexmarke 8 axialer Richtung bezüglich der Welle 1, 2 ausgebildet ist. Ein magnetisierter Pol des magnetisierten Bereichs 8 des Index-Encoders 7, also der Indexmarke 8, ist mit „N” gekennzeichnet.
In 3 ist die magnetisierte Dichtung 7, als Index-Encoder, umfassend Indexmarke 8 dargestellt. Der magnetisierte Bereich bzw. Indexmarke 8, ruft ein Magnetfeld in axialer Richtung hervor, das in dem Diagramm rechts dargestellt ist. Der Schaltpunkt SP des Magnetfeldsensorelements der Drehwinkel-Indexeinheit ist deutlich größer als ein von außen zu erwartendes bzw. parasitäres Magnetfeld, das zu einer Fehlschaltung führen könnte. Der Verlauf der Flussdichte Bz über die Winkelposition gemessen zeigt, dass die Winkelposition des Schaltpunktes SP amplitudenabhängig ist. Diese Amplitudenabhängigkeit drückt sich in einem veränderten Schaltpunkt in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Magnetoberfläche und Sensorelement aus.
Zur Verbesserung der Schaltposition sind beispielhaft, wie in 4 als Index-Encoder-Ausführungsbeispiel dargestellt, vor und hinter bzw. links und rechts von einer Haupt-Indexmarke 10, Neben-Indexmarken 9.1 und 9.2 mit zur Haupt-Indexmarke gegenläufigen Polen magnetisiert bzw. ausgebildet. Die Amplitudenabhängigkeit Bz, SP ist somit deutlich geringer.
Alternativ kann die Magnetisierung auch, wie anhand des in 5 dargestellten Index-Encoder-Ausführungsbeispiels, über den gesamten Bereich des magnetisierten Dichtungselements ausgebildet sein. Das Magnetfeldsensorelement wird somit permanent von einem definierten Magnetfeld durchdrungen, dessen Richtung sich im Schaltpunkt SP ändert. In dieser Ausführung kann auf deutlich kleinere Magnetfelder zurückgegriffen werden, da der Schaltpunkt nicht mehr so stark vom Null-Magnetfeld abweichen muss. Der Index-Encoder weist dazu eine Haupt-Indexmarke 10 auf, welche mehr als 80% des Umfangs des Encoders umfasst und eine Neben-Indexmarke 9 auf.

Claims

Sensoranordnung, umfassend einen Drehmomentsensor (3) zur Messung des an eine erste Welle (1, 2) angreifenden Drehmoments und umfassend eine Drehwinkel-Indexeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Welle (1, 2) mit wenigstens einem Lager (6) gelagert ist, wobei die Dichtung (7) dieses Lagers einen magnetischen Index-Encoder (7, 8, 9, 10) umfasst, welcher von zumindest einem Magnetfeldsensorelement (5) erfasst wird.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsensorelement (5) dem Index-Encoder (7, 8, 9, 10) so zugeordnet ist, dass das Magnetfeldsensorelement (5) detektiert, ob sich der Drehwinkel der Welle (1, 2) in einem definierten Drehwinkel oder Drehwinkelbereich befindet.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Index-Encoder (7, 8, 9, 10) magnetische Partikel umfasst, die in einem Elastomer angeordnet und/oder eingebettet sind, wobei dieses Elastomer insbesondere ringförmig ausgebildet ist und als Dichtung (7) des Lagers (6) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeldsensorelement (5) als schaltendes Sensorelement ausgebildet ist, insbesondere als schaltendes Hallelement oder schaltendes magnetoresistives Magnetfeldsensorelement.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Index-Encoder (7, 8, 9, 10) zumindest eine Magnetisierung als Indexmarke (8, 9, 10) aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der wenigstens einen Indexmarke (8, 9, 10) eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die im Wesentlichen axial bezüglich der Welle (1, 2) ausgerichtet ist, wobei diese Magnetisierung insbesondere im Wesentlichen homogen innerhalb der Indexmarke ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Index-Encoder genau eine Indexmarke (8) oder mehrere Indexmarken (9, 10) mit einer solchen Magnetisierung aufweist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Index-Encoder eine Haupt-Indexmarke (10) und zwei oder eine Anzahl entsprechend ein Vielfaches von zwei, kleinere Neben-Indexmarken (9.1, 9.2) aufweist, wobei die Neben-Indexmarken rechts- und linksseitig bezüglich der Haupt-Indexmarke symmetrisch ausgebildet und angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Indexmarke (10) eine andere magnetische Polarität und/oder Magnetisierungsrichtung aufweist, als die zwei zumindest direkt rechts- und linksseitig benachbarten Neben-Indexmarken (9.1, 9.2).
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Index-Encoder eine einzige Haupt-Indexmarke (10) und eine einzige kleinere Neben-Indexmarke (9) aufweist, wobei die Haupt-Indexmarke bezogen auf den Ring der Dichtung (7) mehr als die Hälfte des Umfangs, insbesondere mehr als 80% des Umfangs, umfasst, wobei die Haupt-Indexmarke (10) eine andere magnetische Polarität und/oder Magnetisierungsrichtung als die Neben-Indexmarke (9) aufweist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (3) einen ersten und einen zweiten Wellenabschnitt (1, 2) der ersten Welle umfasst, die beide mittels eines Torsionsstabes miteinander verbunden sind und gegeneinander verdrehbar ausgebildet und angeordnet sind, wobei auf dem ersten Wellenabschnitt ein magnetischer Drehmoment-Encoder angeordnet ist und auf dem zweiten Wellenabschnitt zwei diesem Drehmoment-Encoder zugeordnete Statorelemente mit jeweils abragenden Fingern angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorelemente jeweils ein weichmagnetisches Ringelement umfassen, welches bezüglich der ersten Welle axial abragende, insbesondere im Wesentlichen trapezförmig ausgebildete, Finger aufweist, wobei die Finger der beiden Statorelemente berührungslos ineinander greifen und wobei den Statorelementen gemeinsam wenigstens ein Drehmoment-Magnetfeldsensorelement zugeordnet ist, mittels welchem direkt oder indirekt der relative Verdrehwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenabschnitt erfasst wird, aus welchem auf das an der ersten Welle angreifende Drehmoment geschlossen wird.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor (3) keinen Torsionsstab umfasst, wobei der Drehmomentsensor mindestens eines der folgenden Drehmoment-Sensorelemente aufweist, – Dehnungsmessstreifen, – piezoelektrisches und/oder piezoresistives Sensorelement, – magnetostriktives Sensorelement, – Sensorelement basierend auf der Nutzung von Oberflächenwellen, wobei dieses mindestens eine Drehmoment-Sensorelement direkt oder indirekt mit der ersten Welle verbunden ist und/oder so ausgebildet und angeordnet ist, dass es ein an die erste Welle angreifendes Drehmoment erfassen kann.
Verwendung der Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 in Kraftfahrzeugen.