Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lenkeinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, insbesondere für eine elektromechanische Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeuges.

Drehmomentsensoren weisen herkömmlicherweise einen Drehwinkelsensor auf. Hierbei werden zwei gegeneinander begrenzt verdrehbare Wellenteile über eine Torsionsfeder elastisch miteinander gekoppelt. Wenn ein Wellenteil durch ein vom Fahrer des Fahrzeugs aufgewendetes Drehmoment gegen den anderen Wellenteil verdreht wird, ist der relative Drehwinkel im Wesentlichen proportional zum eingeleiteten Drehmoment. Für eine genaue Bestimmung des Drehmoments ist es wichtig, den Drehwinkel präzise messen zu können.

Ein solcher Drehmomentsensor ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2007 043 502 Al bekannt. An der oberen Lenkwelle ist dabei ein Ringmagnet angeordnet, während auf der unteren Lenkwelle ein Halter mit einem magnetischen Stator angebracht ist, welcher dem Dauermagneten in radialer Richtung über einen kleinen Luftspalt gegenüberliegt. Über den Stator, welcher üblicherweise aus zwei separaten Statorteilen besteht, wird der magnetische Fluss des Magneten hin zu einem ersten und einem zweiten Flussleiter geleitet, welche dann den magnetischen Fluss an einen Magnetsensor - beispielsweise einen Hall-Sensor - abgeben. Nachteilig an dieser dreiteiligen Welle und dem Drehmomentsensor ist die große Anzahl an Einzelteilen, was entsprechend hohe Kosten verursacht.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lenkeinheit mit einer Drehmomentsensoreinheit vorzuschlagen, die weniger Einzelteile aufweist und einfacher zu montieren ist.

Diese Aufgabe wird von einer Lenkeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demnach ist eine Lenkeinheit aufweisend eine einteilige Sensorwelle und eine Drehmomentsensoreinheit zum Erfassen eines in die Sensorwelle eingeleiteten Drehmoments vorgesehen, wobei die Sensorwelle in einem ersten Endbereich einen Verbindungsbereich zum Verbinden mit einem Lenkmittel aufweist, und in ihrem zweiten Endbereich in einem Getriebegehäuse drehbar gelagert ist.

Die Drehmomentsensoreinheit weist einen magnetoelastischen Drehmomentsensor auf und eine auf der Sensorwelle sitzende Hülse, die wenigstens zwei magnetisch kodierte Zonen trägt, deren Permeabilität sich in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung verändert. Der magnetoelastische Drehmomentsensor ist dazu ausgelegt, eine zum eingeleiteten Drehmoment korrespondierende Magnetfeldänderung zu messen, die durch die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen hervorgerufen wird.

Die einteilige Sensorwelle ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen. Sie kann als Hohl- oder Vollwelle ausgebildet sein. Da eine Hülse die magnetisch kodierten Zonen trägt, können Materialkosten eingespart werden.

Vorzugsweise sind die wenigstens zwei magnetisch kodierten Zonen auf der Oberfläche der Hülse angeordnet und erstrecken sich koaxial zur Längsachse der Sensorwelle und vollumfänglich um die Sensorwelle herum, wobei die Zonen hintereinander in Längsrichtung liegen. Die Zonen können dabei unmittelbar aneinandergrenzen oder in Längsrichtung beabstandet sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind benachbarte Zonen in entgegengesetzter Kreisrichtung magnetisiert. Durch Vergleich der Signale der magnetisierten Zonen lässt sich ein Störeinfluss bestimmen. Externe magnetische Störeinflüsse wie das Erdmagnetfeld können so kompensiert werden.

Vorzugsweise weist der magnetoelastische Drehmomentsensor eine Anzahl an Spulenpaare auf.

Die Sensorwelle kann in dem Bereich der Hülse eine Schwächung aufweisen, die einen Sitz für die Hülse bildet.

Die Hülse kann mittels stoffschlüssiger, kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbindung auf die Sensorwelle aufgebracht ist.

Bevorzugt umfasst die Lagerung der Sensorwelle im zweiten Endbereich zwei Kugellager, die beidseitig von einem auf der Sensorwelle ausgebildeten Sitz für ein Schneckenrad angeordnet sind. Das Schneckenrad ist bevorzugt Teil einer Hilfskraftunterstützung. Um Bauraum optimal zu nutzen, ist die Drehmomentsensoreinheit dann vorzugsweise eingangsseitig vor den Lagern angeordnet.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Drehmomentsensoreinheit innerhalb eines inneren Mantelrohrs angeordnet, welches in einem äußeren Mantelrohr verschiebbar gelagert ist. Diese Anordnung ist besonders kompakt.

Es ist bevorzugt, dass der magnetoelastische Drehmomentsensor von einem Sensorgehäuse umgeben ist, das an einem Getriebedeckel befestigt ist, wobei der Getriebedeckel eine axiale Öffnung des Getriebegehäuses abdeckt.

Die Hülse ist vorzugsweise aus dem Werkstoff mit der Nr. 1.2767 oder einem ähnlichen Werkstoff hergestellt.

Weiterhin ist ein elektromechanisches Lenksystem für ein Kraftfahrzeug umfassend eine mit einem Lenkmittel verbindbare Lenkwelle, ein Zahnstangenlenkgetriebe aufweisend ein mit der Lenkwelle verbundenes Lenkritzel, welches mit einer in einem Gehäuse entlang einer Längsachse verschieblich gelagerten Zahnstange zur Lenkung von Rädern in Eingriff steht, vorgesehen, wobei das elektromechanische Lenksystem weiterhin wenigstens einen Elektromotor zur Lenkkraftunterstützung an der Lenkwelle, und eine zuvor beschriebene Lenkeinheit aufweist. Die einteilige Sensorwelle bildet dabei die Lenkwelle aus.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer elektromechanischen

Hilfskraftlenkung,

Figur 2: einen Längsschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte dreiteilige Welle mit Drehmomentsensoreinheit, sowie

Figur 3: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Welle mit magnetoelastischer Drehmomentsensoreinheit.

In der Figur 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die Lenkwelle 3 auf ein Lenkritzel 4 übertragen. Das Ritzel 4 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment 50 einer Zahnstange 5. Das Lenkritzel 4 bildet zusammen mit der Zahnstange 5 ein Lenkgetriebe. Die Zahnstange 5 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 5 mit Spurstangen 6 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 6 selbst sind in bekannter weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 7 des Kraftfahrzeugs verbunden.

Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 4 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 5 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 7. Die gelenkten Räder 7 erfahren über eine Fahrbahn 70 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegenwirkt. Zum Verschwenken der Räder 7 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 8 einer Servoeinheit 9 ist vorgesehen, um dem Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die Servoeinheit 9 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10,11,12 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 4 oder der Zahnstange 5 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10,11,12 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 4 und/oder in die Zahnstange 5 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungen 10,11,12 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt. Die Servoeinheit kann dabei als Überlagerungslenkung an der Lenksäule oder als

Hilfskraftunterstützungseinrichtung an dem Ritzel 4 oder der Zahnstange 5 angeordnet sein.

Figur 2 zeigt eine Drehmomentsensoreinheit 13, die die Verdrehung einer oberen Lenkwelle 30 gegenüber einer unteren Lenkwelle 31 als ein Maß des an der oberen Lenkwelle 30 manuell ausgeübten Drehmomentes erfasst. Die oberen Lenkwelle 30 und die unteren Lenkwelle 31 sind drehelastisch über einen Drehstab 32 miteinander gekoppelt. Die Verdrehung zwischen der oberen Lenkwelle 30 und die unteren Lenkwelle 31 kann über einen Drehwinkelsensor ermittelt werden. Dieser Drehwinkelsensor wird auch als Drehmomentsensor bezeichnet. Die Drehmomentsensoreinheit 13 weist einen drehfest mit der oberen Lenkwelle 30 verbunden Ringmagneten (Permanentmagneten) 14 und einen mit der unteren Lenkwelle 31 verbundenen Stator 15 auf. Eine dazugehörige Sensoreinheit 16 ist raumfest in einem Getriebedeckel der an der Lenkwelle angeordneten Hilfskraftunterstützung 11 gehalten. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 13 gemessen Drehmoments stellt die Servoeinheit der Hilfskraftunterstützung 11 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit.

Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Sensorwelle 17 der Drehmomentsensoreinheit 13 ist einteilig ausgebildet. Sie kann als Hohl oder Vollwelle ausgebildet sein. Die Sensorwelle 17 ist in einem Getriebegehäuse 18 mittels Kugellager 19 drehbar gelagert und fungiert als Lenkwelle 3. Die Lager 19 sind beidseitig von einem Sitz 20 für ein Schneckenrad 21 angeordnet. Das Schneckenrad 21 wird mittels einer nicht dargestellten Schnecke von einem Elektromotor zur Lenkunterstützung angetrieben. Eingangsseitig vor dem Rillenkugellager 19 ist die Sensorwelle 17 von einer Hülse 22 umgeben. Die Hülse 22 sitzt auf der Sensorwelle 17 im Bereich einer Schwächung 23. Auf diese Schwächung 23 kann verzichtet werden. Die Hülse 22 ist aus einem magnetoelastischen Material gebildet, insbesondere aus dem Werkstoff mit der Nummer 1.2767 (Durchhärterstahl, DIN: 45 NiCrMo 16) oder einem ähnlichen Material. Die Hülse 22 ist mittels stoffschlüssiger, kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbindung auf die Sensorwelle 17 aufgebracht, wodurch anfallende Materialkosten reduziert werden können. Auf der Oberfläche der Hülse 22 sind zwei oder mehrere magnetisch codierte Zonen 24 vorhanden. Die magnetische Codierung ist Teil der Drehmomentsensoreinheit 13, die eine magnetoelastische Drehmomentsensoreinheit ist. Bei magnetoelastischen Drehmomentmessungen wird das Drehmoment mit Hilfe des magnetoelastischen bzw. inversen magnetostriktiven Effekts bestimmt. Nickel- Eisen-Legierungen verändern ihre Permeabilität in Abhängigkeit von einer mechanischen Belastung. Bei Zug, Druck, Biegung oder Torsionsbelastung passt sich die Permeabilität der Belastung entsprechend an. Befindet sich das Material in einem externen magnetischen Feld, richten sich die Weiß'schen Bezirke dem Magnetfeld entsprechend aus, wodurch sich zum Beispiel eine Längenänderung oder andere Verformung des Materials ergibt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei magnetisch codierte Zonen 24 auf der Oberfläche der Sensorwelle 17 angeordnet. Die Zonen 24 erstrecken sich koaxial zur Längsachse 100 der Sensorwelle 17, vollumfänglich um die Hülse 22 herum. Sie liegen hintereinander in Längsrichtung und sind durch einen bevorzugt vorgesehenen kleinen Spalt voneinander getrennt. Die beiden Zonen 23 sind in entgegengesetzter Kreisrichtung magnetisiert, so dass die drehmomentabhängigen magnetischen Felder vom Betrag her gleiche, aber entgegengesetzte magnetische Polarität aufweisen.

Ein passiver magnetoelastischer Drehmomentsensor 25 misst die aufgrund einer Permeabilitätsänderung hervorgerufenen Magnetfeldänderung eines vormagnetisierten Materials. Wodurch auf das in die Sensorwelle 17 eingeleitete Drehmoment rückgeschlossen werden kann. Dafür weist der magnetoelastische Drehmomentsensor 25 eine Anzahl an Spulenpaare 26 auf. Die Spulen 26 messen das beim Lenkvorgang entstehende Drehmoment durch die Änderung der magnetischen Permeabilität der codierten Zonen 24 auf der Hülse 22.

Der magnetoelastischer Drehmomentsensor 24 ist vorzugsweise in einem nicht dargestellten Sensorgehäuse untergebracht, welches bevorzugt mit einem Getriebedeckel 27 in Längsrichtung 100 der Sensorwelle 17 in Anlage gebracht ist und mittels Schrauben befestigt ist. Die Befestigung kann beispielsweise auch durch Klipsen oder Kleben erfolgen. Der Getriebedeckel 27 deckt die axiale Öffnung des Getriebegehäuses 18 ab. Der magnetoelastische Drehmomentsensor 24 liegt innerhalb des inneren Mantelrohrs 28. Das innere Mantelrohr 28 ist in einem nicht dargestellten äußeren Mantelrohr verschiebbar gelagert. Das äußere Mantelrohr ist bevorzugt in einer Konsole gehalten, die an einer Fahrzeugkarosserie befestigt werden kann. Das äußere Mantelrohr kann gegenüber der Konsole in der Höhe verstellt werden, zudem ist eine Axialverstellung des inneren Mantelrohrs 28 gegenüber dem äußeren Mantelrohr erlaubt.