Drehwinkelstellunq einer drehbeweqlichen Welle

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur zeitgleichen Bestimmung eines Drehmomentes und einer Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle. Die Sensoranordnung kann zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einem rotierbaren Maschinenelement, insbesondere an einem Lenkelement verwendet werden.

Ein Verfahren zur Drehwinkelbestimmung ist aus der DE19506938 A1 bekannt. Das hierin beschriebene Verfahren dient zur Bestimmung der Drehwinkelstellung eines drehbaren Körpers über 360°, welche als Lenkungswelle eines Kraftfahrzeuges dienen kann. Dieser drehbare Körper, wirkt dabei mit wenigstens zwei weiteren drehbaren Körpern zusammen. Beispielsweise sind die drehbaren Körper Zahnräder oder Zahnkränze, deren Zähne ineinandergreifen. Die Winkelstellung der drehbaren Körper wird mittels zweier Sensoren ermittelt, welche mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden sind, die mittels eines Algorithmus die tatsächliche Drehwinkelstellung bestimmt. Die Zähnezahlen der weiteren drehbaren Körper unterscheiden sich von der Zähnezahl des ersten drehbaren Körpers, wodurch eine genauere Drehwinkelbestimmung ermöglicht wird.

Aus der EP 2 180296 A1 ist eine Drehwinkelbestimmungsvorrichtung zur Bestimmung der Drehwinkelstellung einer drehbeweglichen Welle bekannt, insbesondere zur Drehwinkelbestimmung einer Lenkungswelle oder einer damit gekoppelten drehbeweglichen Welle eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst einen Hauptrotor und einen mit dem Hauptrotor gekoppelten Zusatzrotor. Am Hauptrotor ist eine erste Sensoreinheit angeordnet, die als induktiv wirkender Sensor ausgebildet ist und einen mit dem Hauptrotor mitdrehenden Induktionsrotor sowie einen ruhenden Stator aufweist. Ferner ist am Zusatzrotor eine zweite Sensoreinheit angeordnet, welche als magnetisch wirkender Sensor ausgebildet ist, der ein Sensorelement und einen Magnetkörper aufweist, wobei das Sensorelement zur Erkennung einer Bewegung des Magnetkörpers ausgebildet ist. Aus der Praxis sind Drehwinkelbestimmungsvorrichtungen mit Sensoreinheiten bekannt, welche als Potentiometer ausgeführt sind. Diese unterliegen einem Verschleiß und sind störanfällig. Ferner ist die Messgenauigkeit auf einige Winkelgrade begrenzt. Sensoreinheiten, die auf einem magnetischen Messprinzip beruhen, können sich gegenseitig negativ beeinflussen, was eine Verfälschung des Messergebnisses bewirken kann.

Magnetisch wirkende Sensoreinheiten können als anisotrope magnetoresistive Sensoren (AMR), als giant magnetoresistive Sensoren (GMR) oder als Hall-Sensoren ausgeführt werden. Um einen Messbereich größer als 360° abzudecken, benötigen die bekannten Sensoreinheiten mindestens einen Antriebs- und mindestens ein Abtriebszahnrad. Die dadurch erhaltenen Signale werden mit Hilfe des Nonius- Algorithmus zu einem einzigen Winkelsignal verrechnet. Zudem können externe Magnetfelder als Störquelle wirken und die Messung in nicht unerheblichem Maße beeinflussen.

Ebenso sind Sensoreinheiten bekannt, welche optische Sensoren nutzen und beispielsweise eine aktive Fotodiode sowie einen optischen Maßstab aufweisen. Die Messgenauigkeit wird durch die Genauigkeit des optischen Maßstabs begrenzt. Die Herstellung ist daher teuer und die Sensoreinheiten sind schmutz und temperaturempfindlich. Weiterhin verlangen optische Sensoren einen vergleichsweise großen Bauraum. Bekannt sind auch Drehwinkelbestimmungsvorrichtungen, welche induktiv wirkende Sensoren aufweisen. Die Kombination mehrerer induktiv wirkender Sensoren ist nur bedingt möglich, da sich die Sensoren gegenseitig unerwünscht beeinflussen können.

Zur Messung an einem drehenden Maschinenelement werden Dehnungsmessstreifen bevorzugt. So ist aus der DE 102012208492 A1 ein Dehnungsmessstreifen als Direktbeschichtung zur Drehmomentmessung bekannt. Die Direktbeschichtung besteht aus einem metallischen Material mit aufgebrachter Isolationsschicht und darauf angeordneter verformungssensitiver Schicht. Die verformungssensitive Schicht wird mittels Laser entsprechend der gewünschten Sensorform strukturiert. In Ruse, H. et al. : „Magnetische Drehmomentmessung mit Low-Cost Sensor“ ist ein Verfahren zur Drehmomentmessung beschrieben, bei welchem die Änderung der Permeabilität des Materials einer drehbewegten Welle durch einen Sensor erfasst wird. Dies geschieht unter Nutzung des magnetoelastischen Effekts ferromagnetischer Materialien. Hierbei löst eine Längenänderung, welche durch ein außen anliegendes Moment hervorgerufen wird, eine Änderung der magnetischen Eigenschaften des Materials aus. Diese Änderungen werden mittels einer Kreuzspulenanordnung im Sensor erfasst. Anhand der gemessenen Permeabilitätsänderung des Materials kann auf das Drehmoment geschlossen werden. Hierbei verringert sich die Permeabilität in Stauchungsrichtung und vergrößert sich in Dehnungsrichtung. Der durch die Permeabilitätsänderung hervorgerufene Magnetfluss induziert eine zum Drehmoment proportionale Spannung, welche auf das Drehmoment schließen lässt.

Ausgehend vom Stand der Technik wird eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin gesehen, eine verbesserte, kostengünstige und bauraumreduzierende Sensoranordnung zum zeitgleichen Messen einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Welle, insbesondere einer Lenkwelle bereitzustellen.

Die genannte Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung zum Messen einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Welle gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist zur Messung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments an einer drehbeweglichen Welle ausgebildet. Vorzugsweise ist die Welle Bestandteil einer Lenkung eines Fahrzeuges. An die drehbewegliche Welle ist ein Hauptkörper gekoppelt, welcher mit der Welle gedreht wird und seine Drehung an zwei drehgekoppelte Zusatzkörper überträgt. An den Zusatzkörpern sind jeweils Winkelmarken ausgebildet bzw. angeordnet, die von Drehwinkelsensoren erfasst werden. Die Drehwinkelsensoren sind gegenüberliegend zu den Zusatzkörpern auf einer Platine angeordnet. Die Platine ist nicht rotierend bzw. gehäusefest angeordnet und trägt eine Auswerteeinheit, welche die von den Drehwinkelsensoren generierten Winkelsignale empfängt. Die Auswerteeinheit ermittelt unter Anwendung des Nonius-Prinzips die tatsächliche Drehwinkelstellung des Hauptkörpers und der mit diesem verbundenen, drehbaren Welle.

Der Hauptkörper ist koaxial an der Welle befestigt und ist bevorzugt als Hauptzahnrad gestaltet. Das Hauptzahnrad treibt die bevorzugt als Nebenzahnräder gebildeten Zusatzkörper in der Art eines Getriebes an. Vorteile von derart eingesetzten Zahnrädern sind, dass sie formschlüssig und schlupffrei arbeiten und hohe Drehmomente übertragen können. Alternativ können der Hauptkörper und die Zusatzkörper auch als Reibräder oder vergleichbare Getriebeelemente gestaltet sein.

Als Winkelmarken besitzen die Zusatzkörper bevorzugt Zähne, wobei sich die Zahnzahl der beiden Zusatzkörper vorzugsweise um einen Zahn unterscheiden, um so das Nonius-Prinzip darstellen zu können. Anhand dieses Prinzips kann die Bestimmungsgenauigkeit für die Drehwinkelstellung der Welle erhöht werden. Alternativ können die Zusatzkörper Reibräder oder Riemenscheiben sein, welche über einen Riemen mit dem Hauptkörper verbunden sind und von diesem angetrieben werden. Anhand von Winkelmarken, beispielsweise Markierungslinien, die auf der Riemenscheibe angeordnet sind, kann wiederum die Drehwinkelstellung der Welle ermittelt werden.

Bevorzugt wird die Platine, welche scheibenförmig gebildet ist, koaxial zur Wellenanordnung angebracht, sodass die drehbewegliche Welle durch eine Öffnung in der Platine hindurchläuft. Dies bringt den Vorteil einer Bauraum sparenden Anordnung.

Die Drehwinkelsensoren können vorzugsweise durch induktiv und magnetisch wirkende Sensoren gebildet sein. Die Vorteile einer Kombination aus solchen Sensoren bestehen darin, dass diese sich nicht gegenseitig beeinflussen können. Damit wird ein Höchstmaß an Sicherheit erreicht, da mehrere unabhängige Kanäle zur Signalauswertung zur Verfügung stehen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Anwendung der induktiven Sensoren als Feinspur der Nonius-Anordnung bei hohen Temperaturen, ohne dass eine Temperaturkompensation notwendig ist. Des Weiteren sind induktive und magnetische Sensoren schmutzunempfindlich. Gegenüber rein magnetisch wirkenden Sensoren bietet die vorgeschlagene Sensorkombination den Vorteil einer sehr genauen und störungsunempfindlichen Messung. Alternativ können die auf der Platine angeordneten Drehwinkelsensoren eine Kombination aus anderen Sensoren sein. Solche Kombinationen können beispielsweise aus einem optischen und einem induktiv wirkenden Sensor oder einem optischen und magnetisch wirkenden Sensor gebildet sein. Aber auch eine Kombination aus gleichartigen winkelbestimmungsfähigen Sensoren ist möglich.

Vorzugsweise befindet sich auf den Zusatzkörpern, welche auf der Platine angeordneten Drehwinkelsensoren gegenüber liegen, je ein Target für einen induktiv wirkenden Sensor oder ein Magnet für das Zusammenspiel mit einem magnetisch wirkenden Sensor.

Des Weiteren bestimmt ein Drehmomentsensor der Sensoranordnung zeitgleich das Drehmoment der drehbeweglichen Welle. Der Drehmomentsensor ist hierbei an die drehbewegliche Welle gekoppelt und vorzugsweise als eine Direktbeschichtung auf der Welle gebildet. Diese Direktbeschichtung bildet einen Dehnungssensor, der aufgrund wirkender Momente die auftretenden mechanischen Spannungen ermittelt und ein Drehmomentsignal generiert. Dieses Drehmomentsignal wird mit Hilfe einer Verbindungsleitung an die Auswerteeinheit auf der Platine weitergeleitet. Die Verbindungsleitung besitzt einen mehrfach um die drehbewegliche Welle gewundenen Abschnitt, um eine Drehung der Welle ausgehende von der Nullstellung um mindestens -/+ 360°, vorzugsweise mindestens -/+ 900° zu gestatten, ohne dass es zu einer Zerstörung der Verbindungsleitung oder zu einer Blockade der Welle kommt. Die Auswerteeinheit bestimmt aus dem Drehmomentsignal anhand implementierter Berechnungsvorschriften das an der drehbeweglichen Welle auftretende Drehmoment und gibt dieses ebenso wie die berechnete Drehwinkelstellung an übergeordnete Einheiten zur weiteren Verarbeitung aus. Aufgrund der Verbindungsleitung kann auf drahtlose Telemetrie oder Schleifkontakte an der Welle verzichtet werden.

Weiterhin werden die Auswerteeinheit und die Drehwinkelsensoren bevorzugt auf einer dem gewundenen Abschnitt der Verbindungsleitung abgewandten Fläche angeordnet. Die dem gewundenen Abschnitt der Verbindungsleitung zugewandte Seite der Platine dient stattdessen als Führungsfläche. Die Verbindungsleitung realisiert eine übertragungssichere, störungsunempfindliche, kabelgebundene und gleichzeitig schleifkontaktfreie Verbindung zwischen Drehmomentsensor und Auswerteeinheit.

Die Direktbeschichtung besteht vorzugsweise aus einem Mehrschichtsystem, zusammengesetzt aus mindestens einer Schutzschicht und mindestens einer Metallbeschichtung. Weiterhin kann das Mehrschichtsystem eine Isolationsschicht umfassen. Vorzugsweise ist die Metallbeschichtung dehnungsempfindlich ausgebildet und auf der drehbeweglichen Welle angeordnet. Die Schutzschicht ist bevorzugt auf der Metallbeschichtung ausgebildet. Die Direktbeschichtung kann insbesondere ein Mehrschichtsystem gemäß der DE102012208492 A1 sein. Besonders bevorzugt ist die Direktbeschichtung in Form einer sogenannten Sensotect ©-Beschichtung gestaltet. Vorteil einer derart angewandten Direktbeschichtung ist die präzise Messdatenerfassung. Weiterhin ist die Direktbeschichtung bauraumneutral.

Vorzugsweise ist die drehbewegliche Welle Teil einer elektromechanischen Lenkung oder mit dieser wenigstens drehgekoppelt angeordnet, um eine absolute Drehwinkelstellung und ein Drehmoment der elektromechanischen Lenkung zeitgleich zu ermitteln.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer Seitenansicht;

Fig. 2 eine Draufsicht der Sensoranordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 01 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Sensoranordnung 01 dient zur Bestimmung einer Drehwinkelstellung und eines Drehmoments einer drehbeweglichen Welle 02, welche Teil einer elektromechanischen Lenkung sein kann und insbesondere eine Lenkwelle ist. Auf dieser Lenkwelle 02 ist ein Hauptkörper 03 in Form eines Zahnrades angeordnet, welcher mit der drehbeweglichen Lenkwelle 02 rotiert. An diesem Zahnrad 03 sind zwei drehgekoppelte Zusatzkörper 04, 05 in Form von verzahnten Sensorrädern angeordnet, welche vom Zahnrad 03 zur Drehung veranlasst werden.

Es besteht die Möglichkeit den Hauptkörper 03 größer als die Zusatzkörper bzw. Sensorräder 04, 05 auszuführen, wodurch die Zusatzkörper 04, 05 eine größere Drehgeschwindigkeit als der Hauptkörper 03 zeigen. Alternativ kann sich die räumliche Anordnung der Zusatzkörper 04, 05 am Hauptkörper 03 von der Anordnung in der Fig. 1 unterscheiden. Auf jedem der Sensorräder 04, 05 sind Winkelmarken angebracht, die im einfachsten Fall durch die Zähne gebildet sind. Die Sensorräder 04 ,05 haben hierbei eine unterschiedliche Zahnanzahl, welche sich um einen Zahn unterscheidet und somit das Nonius-Prinzip ermöglicht. Somit gestatten diese Sensorräder eine präzisere Winkelbestimmung als wenn nur am Hauptkörper 03 eine Winkelerfassung erfolgen würde. Unmittelbar gegenüber den Sensorrädern 04, 05 sind zwei Drehwinkelsensoren 07, 08 auf einer Platine 06 angeordnet, welche die Winkelmarken auswerten, um die Winkelsignale zu ermitteln und an eine Auswerteeinheit 09 (siehe Fig 2) weiter zu leiten. Die Auswerteeinheit 09 ist vorzugsweise ein Mikro-Controller, der mit weiteren elektronischen Bauteilen auf der Platine 06 befestigt ist.

Die scheibenförmige Platine 06 ist koaxial zur Lenkwelle 02 angeordnet. Die Platine 06 kann ggf. auch der drehbeweglichen Lagerung der Lenkwelle 02 dienen.

Die Sensoranordnung umfasst weiterhin einen Drehmomentsensor 10, der durch eine Direktbeschichtung 11 gebildet ist. Die Direktbeschichtung 11 ist in einem axialen Bereich an der Oberfläche der Lenkwelle 02 aufgebracht, nah an der Seite der Platine 06, auf welcher vorzugsweise keine Bauteile angeordnet sind. Vorzugsweise ist diese Direktbeschichtung 11 eine sogenannte Sensotect®-Struktur, welche das Drehmoment der Lenkwelle 02 erfasst und als Drehmomentsignal über eine Verbindungsleitung 12 (siehe Fig. 2) an die Auswerteeinheit 09 liefert. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Sensoranordnung 01 gemäß Fig. 1. Wie in der Draufsicht erkennbar ist, umgibt die Platine 06 die Lenkwelle, indem sie einen Wellendurchlass besitzt. Auf nicht weiter gezeigte Weise ist die Platine 06 dabei drehfest angeordnet, dies kann beispielsweise durch eine Befestigung am Gehäuse oder ein Lager auf der Lenkwelle 02 realisiert sein. Weiterhin zeigt die Fig. 2, dass sich die Verbindungsleitung 12 spiralförmig um die Lenkwelle 02 windet und auf der Platine 06 aufliegt. Weiterhin sitzt auf der Platine 06 die Auswerteeinheit 09, jedoch auf der von der Verbindungsleitung abgewandten Seite der Platine.

Bezuqszeichenliste

01 Sensoranordnung 02 drehbewegliche Welle 03 Hauptkörper

04 erster Zusatzkörper 05 zweiter Zusatzkörper 06 Platine

07 erster Drehwinkelsensor 08 zweiter Drehwinkelsensor

09 Auswerteeinheit

10 Drehmomentsensor

11 Direktbeschichtung

12 Verbindungsleitung