Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine drehbare Welle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung durch Montage eines Gebers an einer solchen Welle.

Es gibt zahlreiche Anwendungen für Sensor-Anordnungen, die an drehba- ren Wellen angeordnet werden. Beispiele hierfür sind bei Kraftfahrzeuglenkungen Sensoren zur Bestimmung des an der Lenkwelle anliegenden Drehmoments, das im allgemeinen dem Drehmoment entspricht, welches der Fahrer auf das Lenkrad ausübt und zur Messung des Drehwinkels der Lenkung, der zur Bestimmung der beabsichtigten oder tatsächlichen Fahrtrichtung des Fahrzeugs erforderlich ist. Bei beiden Sensoren ist es gerade im Kraftfahrzeugbereich erwünscht, die Messgröße mit möglichst geringem Fehler zu bestimmen. Die Sensoren sind üblicherweise so aufgebaut, dass ein Geber auf der Welle montiert ist und sich mit der Welle dreht, während ein zur Abtastung des Gebers geeigneter Sensor gegen- über dem Geber montiert ist und dessen relativ Drehung zu dem Sensor abtastet. Der Sensor kann dabei karosseriefest angeordnet sein, wenn der Drehwinkel einer Lenkwelle gemessen werden soll. Der Sensor kann auch auf einem zweiten Wellenteil befestigt werden, wenn der Relativ-

BESTÄTIGUNGSKOPIE Winkel zwischen zwei Wellenteilen gemessen werden soll, wie dies bei Drehmomentsensoren auf Basis eines Drehstabs üblich ist.

Die Geber sind im allgemeinen ringförmig ausgebildet und tragen eine Kodierung, die von dem Sensor abgetastet werden kann. Eine besonders hohe Genauigkeit der Sensoranordnung wird in einem solchen Fall nur dann erzielt, wenn der Geber zur aktuellen Position der Welle im Einbauzustand und der Sensor präzise koaxial zueinander justiert sind. Hierzu ist es erforderlich, den Geber mit hoher Genauigkeit auch koaxial auf der Welle anzuordnen, mit der der Geber sich im Betrieb dreht. Ebenso ist eine Verbindungstechnik erforderlich, die die Ausrichtung des Gebers auf der Welle während des Verbindungsvorgangs und später im Betrieb unverändert belässt.

Im Stand der Technik wird in der DE 10 2008 011467 AI eine Verbindung des Gebers mit der Welle durch eine Presspassung eines hülsenförmigen Teils des Gebers auf der Welle vorgeschlagen. Dazu kann eine Sicke in einer umlaufenden Nut auf der Welle verstemmt werden, um einen entsprechenden Formschluss darzustellen. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass bei dem Montageprozess Eigenspannungen in der Hülse entstehen, die zu Verformungen des Gebers führen können und damit das Messsignal verfälschen können.

In der DE 10 2006 057 022 AI wird vorgeschlagen, das Hülsenteil des Gebers mit einer Prägeoperation in eine negative Kontur der Welle einzu- formen und damit die Fixierung darzustellen. Auch hier besteht das Problem, dass bei dem Prägevorgang die Hülse verformt wird und diese Ver- formung negative Auswirkungen auf den Geber haben kann.

Im Dokument DE 10 2007 032 507 AI wird beschrieben, dass eine Kunststoffhülse auf einen Verzahnungsabschnitt einer Welle aufgebracht wird. Dabei wird die Hülse zunächst auf die erhitzte Welle aufgesetzt, dort erhitzt sich der verformbare Kunststoff und wird auf der Innenseite der Hülse plastifiziert. Danach kann die erweichte Hülse weiter auf die Verzahnung geschoben werden. Die DE 102 28 312 AI beschreibt die Verbindung zweier Werkstücke, wobei ein Werkstück zumindest teilweise aus Kunststoff besteht. Der Kunststoff wird in einem ersten Arbeitsschritt erwärmt und dann in einem zweiten Schritt gegen das andere Werkstück gepresst. In dem Kontaktbereich entsteht eine Verformung des Kunststoffs, wodurch die beiden Werkstücke unbeweglich miteinander verbunden werden.

Die DE 10 2008 047 466 AI schlägt die Montage einer Magnetbaugruppe mit einem Magnetring mittels einer Trägerhülse auf einer Welle vor. Die Trägerhülse wird dabei formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Mag- netring verbunden. Die Verbindung der Trägerhülse mit der Welle erfolgt jedoch über eine Spielpassung. Diese Spielpassung führt dazu, dass die Verbindung nicht dauerhaltbar ist.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lösung für eine dauerhaltbare Verbindung eines Geberelements mit einer Welle vorzuschlagen, die es ermöglicht, das Geberelement gezielt in einer bestimmten Position anzubringen und Verformungen oder Verlagerungen des Geberelements bei der Befestigung auszuschließen.

Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Der Sensor umfasst ein insgesamt als Geber bezeichnetes Bauteil, das drehfest auf einer Welle montiert ist. Der Geber selbst weist ein Geberelement auf, das mit einer für ein zugeordnetes Sensorelement lesbaren Kodierung versehen ist und das von einer Trägerhülse getragen ist. Die Trägerhülse ist aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt und weist zur Montage an der Welle einen durch eine Ultraschall-Sonotrode verformten Bereich auf, der in eine Ausnehmung der Welle eingeformt ist, wobei der verformte Bereich durch Wärme und Druck verformt ist. Dadurch kann die Trägerhülse ohne eine erhebliche Erwärmung der Welle mittels Ultraschallformung zur Montage so umgeformt werden, dass sie an einem Befestigungsbereich der Welle in Axialrichtung und in Umfangs- richtung dauerhaft und spielfrei befestigt ist.

Die Trägerhülse weist vorzugsweise eine Innenkontur auf, mit der sie an wenigstens drei über dem Umfang verteilten Stellen, sogenannte Kontaktbereiche, an der Welle anliegt. Die Innenkontur ist vorzugsweise aus drei achsparallel verlaufenden Stegen gebildet, die in einem Winkelabstand von etwa 120 ° voneinander über den inneren Umfang der Trägerhülse verteilt sind. Die Stege liegen, wenn die Trägerhülse auf die Welle aufgesetzt ist, vorzugsweise mit Vorspannung an der äußeren Oberfläche der Hülse an. Mit Vorzug ist die Trägerhülse in einem zusätzlichen Formbereich, der zwischen denen über den Umfang verteilten Kontaktbereichen, an denen die Trägerhülse an der Welle anliegt, mittels Ultraschalleinformung in eine Ausnehmung der Welle eingeformt.

Mit Vorzug ist die Welle zylindrisch ausgebildet und die Kontaktbereiche liegen an der glatten zylindrischen Außenoberfläche der Welle an.

Die Trägerhülse weist vorzugsweise eine Befestigungsstelle auf, die für die Umformung mittels Ultraschall-Sonotrode vorbereitet ist. Diese Befestigungsstelle liegt vorzugsweise zwischen zwei Stegen der Innenkontur.

Das Geberelement weist vorzugsweise die geometrische Form einer Scheibe mit einem innen liegenden Ringbund auf. Das Geberelement kann aus Metall gefertigt sein und optisch oder magnetisch kodiert sein. Im Bereich des inneren Umfangs des Geberelements kann ein Befestigungsbereich vorgesehen sein, mit dem das Geberelement an der Hülse dauerhaft befestigt ist. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung mit einem drehfest auf einer um eine Längsachse drehbaren Welle befestigten Geber gelöst, wobei der Geber ein Geberelement aufweist, das mit einer für ein zugeordnetes Sensorelement lesbaren Kodierung versehen ist und das von einer Trägerhülse getragen ist, wobei fol- gende Schritte ausgeführt werden : - Bereitstellen der Trägerhülse aus einem thermoplastischen Kunststoff,

- Positionieren der Trägerhülse auf der Welle derart, dass ein umformbarer Bereich radial und axial einer Ausnehmung der Welle benachbart ist,

- Umformen der Trägerhülse durch eine Ultraschall-Sonotrode, die den Bereich gleichzeitig durch Ultraschall erhitzt und das Material der Trägerhülse in die Ausnehmung der Welle eindrückt.

Das Material wird dabei durch Erwärmung plastisch verformbar, so dass die mechanische Belastung der Trägerhülse insgesamt gering bleibt und eine Verlagerung der im zweiten Verfahrensschritt positionierten Träger- hülse ausgeschlossen ist. Dabei wird besonders einfach die Sonotrode auch als Druck ausübendes Element in dem Umformvorgang eingesetzt.

Dies gilt insbesondere, wenn die Sonotrode eine Ultraschallfrequenz zur Erweichung des Materials aufweist und gegen die Trägerhülse gedrückt wird. Vorzugsweise kann das thermoplastische Material nach dem Abschalten der Sonotrode aushärten.

Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch Verwendung einer Ultraschall- Sonotrode zur Fertigung einer Sensoranordnung mit einem drehfest auf einer um eine Längsachse drehbaren Welle befestigten Geber, wobei der Geber ein Geberelement aufweist, das mit einer für ein zugeordnetes Sensorelement lesbaren Kodierung versehen ist und das von einer Trägerhülse getragen ist, wobei die Trägerhülse aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt ist und in einem Bereich zur Montage an der Welle mittels Ultraschallumformung durch die Sonotrode in eine Ausnehmung der Welle eingeformt wird. Bei der Positionierung kann die Trägerhülse mit dem verformbaren Bereich entweder unmittelbar über der Ausnehmung der Welle liegen, oder der Bereich liegt nicht direkt auf der Oberfläche der Welle auf, sondern befindet sich in einem Abstand von der Welle oberhalb der Ausnehmung, wie dies in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weiter unten be- schrieben und in der Zeichnung dargestellt ist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an- hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen :

Figur 1 : eine Sensoranordnung mit einem Geber und einem nur

schematisch dargestellten Sensor in einem Längsschnitt vor der festen Montage des Gebers; Figur 2: ie Sensoranordnung während der Befestigung des

uf der Welle in einer Ansicht entsprechend Figur 1 ; die Sensoranordnung aus Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Linie III - III; sowie

Figur 4: die Sensoranordnung aus Figur 2 in einem Querschnitt entlang der Linie IV - IV. in der Figur 1 ist eine Sensoranordnung mit einem insgesamt mit der Ziffer 1 bezeichneten Geber und einer Sensorkomponente 2, beispielsweise einen Magnetring, dargestellt. Der Geber 1 umfasst ein Geberelement 3 und eine Trägerhülse 4 und ist im wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Mittenachse, die in Figur 1 in der Zeichenebene liegt. Die Trägerhülse 4 ist auf eine Welle 5 aufgesetzt. Ein nicht dargestellter Sensor soll im Betrieb den Drehwinkel der Welle 5 gegenüber einem Bezugselement 6 messen, beispielsweise einem weiteren Wellenstumpf. Hierzu wird der durch den Sensor abgetastete Wert entsprechend der relativen Drehlage zwischen dem Geber 1 und der Sensorkomponente 2, im Beispiel dem Magnetring, moduliert und damit die relative Drehlage der Wellen 5 gegenüber dem Bezugselement 6 für den Sensor messbar.

Das Geberelement 3 ist als Kreisring ausgebildet und ist aus Metall hergestellt. Es trägt eine Kodierung, die von der Sensorkomponente 2 mo- duliert werden kann. Das Geberelement 3 weist an seinem inneren Umfang einen flanschartigen Anschlussbereich 7 auf, mit dem es in Axialrichtung der Anordnung an der Stirnseite der Trägerhülse 4 spielfrei und dauerhaft befestigt ist.

Die Welle 5 weist eine Ausnehmung 8 auf, die in Axialrichtung und in Um- fangsrichtung der Welle 5 begrenzt ist. Die Ausnehmung 8 ist von der Oberfläche her in die Welle 5 eingebracht, beispielsweise in Form einer Sackbohrung. Die Ausnehmung 8 ist so positioniert, dass sie bei montiertem Geber 1 von der Trägerhülse 4 überdeckt wird.

Die Trägerhülse 4 ist aus einem mit Ultraschall umformbaren Kunststoff gefertigt. Nur schematisch ist gegenüber der Ausnehmung 8 eine Sonotrode 9 dargestellt, die zur Umformung der Trägerhülse 4 verwendet wird.

Die Trägerhülse 4 sitzt in der Darstellung der Figur 1 auf der Welle 5 und trägt das Geberelement 3. Die Trägerhülse ist in dieser Darstellung je- doch noch nicht endgültig fixiert. Sie sitzt vielmehr reibschlüssig auf der Welle 5 und kann noch in Axialrichtung und in Umfangsrichtung ausgerichtet werden. Den Befestigungsvorgang, mit dem der Geber 1 dauerhaft und spielfrei auf der Welle 5 befestigt wird, veranschaulicht die Figur 2.

Zur Befestigung der Trägerhülse 4 und damit des gesamten Gebers 1 auf der Welle 5 wird die Sonotrode 9 aktiviert, beispielsweise mit einer Ultraschallfrequenz im üblichen Bereich von 20 kHz oder mehr. Die Sonotrode 9 wird dann in einer Radialrichtung der Trägerhülse 4 auf die Oberfläche der Trägerhülse 4 aufgesetzt und zwar genau dort, wo die Welle 5 ihre Ausnehmung 8 aufweist. Durch weiteren Druck formt die Sonotrode 9 den der Ausnehmung 8 unmittelbar gegenüber liegenden Bereich der Trägerhülse 4 um und presst diesen in die Ausnehmung 8 ein. Der Druck beziehungsweise die Kraft, die mit der Sonotrode 9 auf die Trägerhülse 4 ausgeübt werden muss, ist relativ gering, da durch Ultraschalleinwirkung das Material der Trägerhülse 4 lokal im Bereich der Ausnehmung 8 ther- moplastisch erweicht und deshalb leicht verformbar wird. Nach Abschalten der Anregungsfrequenz der Sonotrode 9 erstarrt das zuvor erweichte Material wieder durch Abkühlung und wird deshalb dauerhaft in der Ausnehmung 8 verbleiben.

Die Ultraschallerweichung der Trägerhülse 4 führt dazu, dass die Träger- hülse 4 selbst für ihre Maßhaltigkeit nur unwesentlichen Belastungen unterliegt und insbesondere keine Verspannung der Trägerhülse 4 bewirkt wird. Das an der Trägerhülse 4 befestigte Geberelement 3 wird deshalb gegenüber der Figur 1 nicht aus der gewählten Position verlagert, so dass die für die Messgenauigkeit wesentliche Relation zwischen dem Geberelement 3 und der Sensorkomponente 2 erhalten bleibt. Diese Relation wird durch die Umformung der Trägerhülse im Bereich der Ausnehmung 8 dauerhaft gesichert.

Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie III - III aus Figur 1. Die Trägerhülse 4 ist an ihrem äußeren Umfang 10 zylindrisch ausgebildet. Die Welle 5 weist ebenfalls einen im wesentlichen kreisrunden Quer- schnitt auf, der nur durch die Ausnehmung 8 lokal unterbrochen ist. Die Trägerhülse 4 weist weiter eine innere Umfangsfläche 11 auf, die nicht kreisrund ist, sondern drei Stege 12 aufweist. Die Stege 12 sind an der inneren Umfangsfläche 11 der Trägerhülse 4 etwa in einem Winkelabstand von 120 ° verteilt. Die Stege 12 verlaufen vorzugsweise parallel zu der Längsachse der Trägerhülse 4. Zwischen den Stegen 12 weist die

Trägerhülse 4 Bereiche 13 auf, in denen die Wandstärke reduziert ist. Die Querschnittsform der Trägerhülse 4 erlaubt es deshalb, dass die Trägerhülse 4 mit den drei Stegen 12 unter leichter Vorspannung auf der äußeren Oberfläche der Welle 5 sitzt. Die drei Stege 12 gewährleisten eine präzise Positionierung der Trägerhülse 4 in Bezug auf die Längsachse der Welle 5. Durch die drei Kontaktstellen ist diese Position genau definiert.

Die Sonotrode 9 ist während des Fügevorgangs gegenüber der Ausnehmung 8 angeordnet. In der Figur 3 ist die Trägerhülse 4 noch nicht verformt. Entsprechend der Beschreibung zu Figur 1 kann in dieser Situation die Trägerhülse 4 noch bezüglich der Welle 5 justiert werden. Es ist ersichtlich, dass die Sonotrode 9 einem Bereich 13 gegenüber liegt, der sich zwischen zwei Stegen 12 befindet.

Die Figur 4 veranschaulicht nun die Befestigung der Trägerhülse 4 auf der Welle 5 durch Ultraschallumformung. Figur 4 zeigt dazu einen Querschnitt entlang der Linie IV - IV aus Figur 2. Die Sonotrode 9 wird in dem Bereich 13 aufgesetzt und mit der gewählten Ultraschallfrequenz beaufschlagt. Bei dem Kontakt mit der Trägerhülse 4 entsteht dort aufgrund der inneren Reibung in dem Kunststoffmaterial Wärme, die das Material der Trägerhülse 4 plastisch verformbar macht und es ermöglicht, das Material bei der Ziffer 14 in die Ausnehmung 8 zu drücken. Nach Abschalten der elektrischen Leistung und Entfernen der Sonotrode 9 ist die Träger- hülse 4 spielfrei und dauerhaft mit der Welle 5 verbunden. Verspannun- gen der Trägerhülse 4 während und nach dem Fügevorgang treten bei geeigneter Ausführung des Prozesses nicht auf. Die Ausrichtung des Gebers 1 gegenüber der Sensorkomponente 2 bleibt durch den Fügevorgang unbeeinträchtigt. Die Trägerhülse 4 ist also aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt ist und weist einen Bereich 13 zur Montage an der Welle 5 mit einem durch eine Ultraschall-Sonotrode verformten Bereich auf, der in eine Ausnehmung 8 der Welle 5 eingeformt ist, wobei der verformte Bereich in besonders einfacher und dauerhaltbarer Weise durch Einwirkung der Ultraschall-Sonotrode 9 durch Wärme und Druck verformt ist.

Die beschriebene Sensoranordnung und das beschriebene Verfahren sind besonders geeignet für Drehwinkelsensoren und Drehmomentsensoren in elektronisch gesteuerten Servolenkungen für Kraftfahrzeuge.

Bezugsziffern

1. Geber

2. Sensorkomponente

3. Geberelement

4. Trägerhülse

5. Welle

6. Bezugselement

7. Anschlussbereich

8. Ausnehmung

9. Sonotrode

10. Umfang

11. Umfangsfläche

12. Stege

13. Bereiche