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 Sensorwelle weist wenigstens eine Flachstelle auf, bevorzugt zwei sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Flachstellen. Die wenigstens eine Flachstelle erstreckt sich parallel zur Längsachse der Lenkwelle. Auf einer der Flachstellen ist ein drahtlos abfragbarer Oberflächenwellensensor der Drehmomentsensoreinheit angeordnet. Eine Sende- und Empfangsantenne, ist dazu eingerichtet, den Oberflächenwellensensor anzusprechen und abzufragen. Die Antenne umgibt die Sensorwelle im Bereich des Oberflächenwellensensors umfangseitig über einen Winkelbereich von mindestens 150°, bevorzugt mindestens 190°, insbesondere mindestens 270°. Die einteilige Sensorwelle ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen. Sie kann als Hohl- oder Vollwelle ausgebildet sein. Die kleine Bauform ermöglicht es die Drehmomentsensoreinheit im Innenrohr zu platzieren, wodurch kein Getriebedeckel für das Getriebegehäuse mehr benötigt wird. Da die Antenne die Sensorwelle umfangseitig über zumindest einen großen Winkelbereich umgibt, wird die Signalübertragung deutlich verbessert.

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 bevorzugt eingangsseitig vor den Lagern angeordnet.

Der Oberflächenwellensensor weist bevorzugt zwei Sensormodule auf, die in einem Winkel von 45° zur Längsachse der Sensorwelle angeordnet sind, und deren Längsachsen einen Winkel von 90° zueinander einschließen.

Vorzugsweise ist die Antenne innerhalb eines Innenrohrs angeordnet, welches ein Mantelrohr umgibt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Drehmomentsensoreinheit eine Kunststoffhülse auf, die die Antenne umfangseitig umgibt, und die derart ausgebildet ist, dass sie an dem Innenrohr befestigbar ist. Die Kunststoffhülse ist bevorzugt in der Art eines Anschlussstutzens ausgebildet. Die Kunststoffhülse kann geschlitzt ausgebildet sein, d. h. sie umgibt die Antenne um einen Winkelbereich von mehr als 270°, bevorzugt wenigstens 350°.

Die Sensormodule können mittels Spannschrauben in Ausnehmungen der Flachstelle der Sensorwelle befestigt sein, oder mit der Sensorwelle verklebt, verglast oder verlötet sein.

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,

Figur 3: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Welle mit

Drehmomentsensor,

Figur 4: eine räumliche Ansicht der Drehmomentsensoreinheit der Figur 3,

Figur 5: eine räumliche Ansicht der Welle der Drehmomentsensoreinheit der Figur 3,

Figur 6: eine Explosionszeichnung der Komponenten des

Drehmomentsensors, sowie

Figur 7: eine räumliche Ansicht des Drehmomentsensors.

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 dritten 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 entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 7 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 8 mit einem Rotorlagensensor 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 9 eine Lenkunterstützung für den Fahrer bereit.

Die Figuren 3 bis 7 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Sensorwelle 17 der Drehmomentsensoreinheit 13 ist einteilig ausgebildet. Sie kann als Hohl- oder Vollwelle ausgebildet sein. Wie in Figur 3 dargestellt, ist die Sensorwelle 17 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 Schnecke von einem Elektromotor zur Lenkunterstützung angetrieben. Eingangsseitig vor dem Rillenkugellager 19 weist die Sensorwelle 17 einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt und zwei sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende Flachstellen 22,23 auf. Auf einer der Flachstellen 23 sind zwei Sensormodule 24 eines Oberflächenwellensensors 130 (OFW-Sensor, englisch SAW(Surface Acoustic Waves)-Sensor) angeordnet. Oberflächenwellensensoren sind passive, über Funk berührungslos abfragbare Bauelement ohne eigene Energieversorgung.

Die Sensorwelle 17 ist im Bereich der Sensormodule 24 umfangseitig von einer Antenne 25 der Drehmomentsensoreinheit 13 umgeben, über die elektromagnetische Impulse zu dem OFW-Sensor gelangen und wieder zurückgesendet werden. Diese elektromagnetischen Wellen werden von einem Wandler in mechanische Wellen umgesetzt, die über den OFW-Sensor 130 laufen. Die zwei Sensormodule 24 weisen jeweils einen Reflektor 26 auf. Es können auch mehrere Reflektoren vorgesehen sein. Die beiden Reflektoren 26 liegen, wie aus Figur 5 ersichtlich, in einem Winkel von 45° zur Längsachse der Sensorwelle 100. Die Längsachsen der Sensormodule 101,102 schließen einen Winkel von 90° ein. Die Sensormodule bestehen im Wesentlichen aus zwei dünnschichtigen, fingerförmig ineinander greifende Metallelektroden auf einem piezoelektrischen Substrat, wie z. B. Quarz. Bei einem in die Sensorwelle 17 eingeleiteten Drehmoment entsteht eine Verformung des Substrats und damit eine Änderung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit des auf die Welle aufgebrachten Drehmoments.

Bei einer Drehung eines mit der Sensorwelle 17 verbundenen Lenkrads im Uhrzeigersinn wird das erste Sensormodul mit einer Druckspannung und das zweite Sensormodul mit einer Zugspannung belastet, wodurch sich die Resonanzfrequenzen ändern. Ein hochfrequenter Abfrageimpuls wird somit zeitverzögert reflektiert, wobei die Zeitverzögerung durch die relativ langsame Ausbreitungsgeschwindigkeit von mechanischen Wellen im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen hervorgerufen wird. Die Antenne 25 ist innerhalb eines Innenrohrs 27 angeordnet. Das Innenrohr

27 umgibt ein Mantelrohr, welches im Crashfall verschieblich ausgebildet ist.

Da die Drehmomentsensoreinheit vollständig im Innenrohr 27 angeordnet ist, wird kein Getriebedeckel benötigt, denn das Innenrohr 27 selbst schließt das Getriebegehäuse 18 ab.

Wie in den Figuren 4, 6 und 7 im Detail dargestellt, weist die Drehmomentsensoreinheit 13 eine Kunststoffhülse 28 auf, die die Antenne 25 umfangseitig umgibt. Die Kunststoff hülse 28 hat einen Ausschnitt 29, durch den eine für die Antenne 25 vorgesehene Signalleitung 30 geführt werden kann. Die Signalleitung übermittelt das Signal an die ECU. Die Kunststoffhülse

28 ist an der Außenseite des Getriebegehäuses mittels Schrauben befestigt.

Der Getriebedeckel wird durch das Innenrohr ersetzt. Stirnseitig an dem Innenrohr ist eine Platte/Flansch angeschweißt, welche anstelle des Getriebedeckels an das Getriebegehäuse befestigt wird. Im Inneren des Innenrohres ist die Kunststoffhülse mit dieser Platte/Flansch verbunden.

Figur 6 zeigt den OFW-Sensor 130 im Detail. Der OFW-Sensor 130 weist die zwei Sensormodule 24 auf. Jedes Sensormodul 24 weist einen auf einem Träger 31 angeordneten Sensorchip 32 auf. Der Sensorchip 32 sitzt auf einer Leiterplatte 33. Die Module 24 werden bevorzugt mittels Spannschrauben in Ausnehmungen, auf der Flachstelle der Sensorwelle 17 befestigt. Alternativ können die Module 24 auch mit der Sensorwelle 17 verklebt, verglast oder verlötet werden.