DE60032830T2

DE60032830T2 - Drehmomentmessgerät

Info

Publication number: DE60032830T2
Application number: DE60032830T
Authority: DE
Inventors: Leonid Troy Bogdanov
Original assignee: TRW Automotive US LLC
Current assignee: ZF Active Safety and Electronics US LLC
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 2000-04-25
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2020-04-26
Also published as: JP2000321154A; EP1046893A3; DE60032830D1; JP3243467B2; US6467360B1; EP1046893A2; BR0001654A; EP1046893B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abfühlen von einem Drehmoment und insbesondere auf eine Drehmomentabfühlvorrichtung zum Messen des Drehmoments ansprechend auf einen Sättigungszustand eines Magnetgliedes.
Hintergrund der Erfindung
Zahlreiche Drehmomentabfühlsysteme besitzen magnetoelastische Ringe, die an einer drehbaren Welle befestigt sind. Wenn das Drehmoment um eine Längsachse der Welle herum angelegt wird, wird die Drehbeanspruchung der Welle auf den magnetoelastischen Ring übertragen. Die Drehbeanspruchung verändert die magnetische Durchlässigkeit des magnetoelastischen Ringes typischer Weise in einer axialen Richtung. Der Ring sieht ebenfalls ein entsprechendes Magnetfeld vor. Viele herkömmliche Drehmomentabfühleinrichtungen verwenden Sensorspulen oder integrierte Schaltungssensoren, um das Magnetfeld oder die Magnetdurchlässigkeit des Ringes zu detektieren. Die Sensoren detektieren typischer Weise eine Veränderung der Impedanz oder eine Veränderung in einer induzierten Spannung der Sensorkomponenten gemäß dem Magnetfeld, das durch den Ring vorgesehen wird. Der Betrag des angelegten Drehmoments wird ansprechend auf derartige Veränderungen, die durch den Sensor detektiert werden, bestimmt.
EP-A-1 037 029 bildet einen Teil des Standes der Technik unter Art. 54(3) EPC und offenbart eine Drehmomentabfühlvorrichtung, in dem eine Welle Torsion um ihre Achse erfährt, und zwar ansprechend auf ein angelegtes Drehmoment. Ein zylindrisches magnetoelastisches Glied ist koaxial um die Welle befestigt. Das magnetoelastische Glied besitzt erste und zweite voneinander beabstandete Endteile. Jeder Endteil ist in einem vorbestimmten Winkel mit Bezug auf eine Ebene, die sich senkrecht zu der Wellenachse erstreckt, abgeschrägt bzw. abgefast. Das magnetoelastische Glied sieht ein Magnetfeld ansprechend auf die Torsion der Welle vor. Ein Detektor ist benachbart zu dem magnetoelektrischen Glied positioniert zum Abfühlen des Magnetfeldes und zum Vorsehen eines Signals, das eine Anzeige für das angelegte Drehmoment bildet.
US-A-4,896,544 offenbart einen magnetoelastischen Drehmomentsaufnehmer zum Vorsehen eines elektrischen Signals, das eine Anzeige für das Drehmoment bildet, das an ein Glied angelegt wird, wobei das Glied ferromagnetische, magnetostriktive Mittel umfasst, die an einem Teil der Oberfläche des Drehmomentglieds befestigt sind, mit diesem assoziiert sind oder einen Teil davon bilden, und zwar zum Verändern der Magnetdurchlässigkeit ansprechend auf das Anlegen eines Drehmomentes an das Glied. Die ferromagnetischen, magnetostriktiven Mittel sind vorteilhafterweise aus einer thermisch gehärteten oder martensitisch härtbaren Eisen-Nickelstahllegierung gebildet, die durch eine im Wesentlichen isotrope Magnetostriktion mit einem Absolutwert von mindestens 5 ppm gekennzeichnet ist, und die von 0,05 bis 0,75 Gewichtsprozent Kohlenstoff umfasst und genügend von einem oder mehr Elementen ausgewählt aus Ni, Cr, Co, Ti, Al, Mn, Mo, Cu und B umfasst, um die Magnetostriktion der Legierung auf mindestens 5 ppm absolut anzuheben. Vorzugsweise sind die ferromagnetischen, magnetostriktiven Mittel aus Nickel-Maraging-Stahl gebildet. Der Aufnehmer weist ein Paar axial beabstandeter, ringförmiger Bänder auf, die in einem Bereich der ferromagnetischen, magnetostriktiven Mittel definiert sind, wobei die Bänder mit erzeugter Restspannung ausgestattet sind, jeweils symmetrischer rechts- und linksschraubenlinienförmig gerichteter magnetischer Anisotropie von einem ausreichend großen Betrag, das der Beitrag von irgendeiner zufälligen Anisotropie zu der Gesamt-Magnetanisotropie in dem Glied vernachlässigbar ist. In einem Aspekt der Erfindung besitzt jedes Band mindestens einen Umfangsbereich, der frei ist von unbeanspruchten Restflächen über mindestens 50% seiner Umfangslänge. In einem anderen Aspekt der Erfindung, wird die Legierung thermisch gehärtet bevor die Bänder mit der durch die Eigenbelastungs bzw. Restspannung erzeugten magnetischen Anisotrophie ausgestattet werden.
EP-A-0 525 551 offenbart einen Drehmomentsensor, der ein magnetoelastisch aktives Element und einen Magnetsensor, wie zum Beispiel einen Hall-Effekt-Sensor umfasst, der auf das Feld des magnetoelastisch aktiven Teils anspricht. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der magnetoelastisch aktive Teil einen Ring aus einem Material auf, das mit einer effektiven, uniaxialen, magnetischen Anisotropie so ausgestattet ist, dass die Umfangsrichtung die „leichte" Achse ist und magnetisch in einer im Wesentlichen Umfangsrichtung polarisiert ist. Der Ring ist an dem Drehmomentglied, zum Beispiel einer sich drehenden Welle, so angebracht, dass das legen eines Drehmoments an die Welle auf den Ring übertragen wird. Das Drehmoment an dem Ring reorientiert die magnetische Umfangsausrichtung des Ringes, wobei eine spiralförmige Magnetausrichtung erzeugt wird, die sowohl Umfangs- als auch Axialkomponenten besitzt. Ein Magnetfeld-Vektorsensor ist auf einem Flusssammler an einer festen Position relativ zu dem Ring angebracht und ist so ausgerichtet, dass er nur auf die axialen Magnetfeldkomponenten des Rings reagiert. Die Ausgangsgröße des Sensors ist somit proportional zu der Veränderung in der Ausrichtung der Magnetisierung resultierend aus dem Drehmoment, das an die Welle angelegt und auf den Ring übertragen wird.
Schließlich offenbart US-A-5,146,790, dass ein Drehmoment in einer Welle durch einen Drehmomentsensor gemessen wird, der mindestens einen Dehnungsmessstreifen aufweist. Der Dehnungsmessstreifen besitzt eine magnetische Schaltung, die ein magnetostriktives, weiches ferromagnetisches Element besitzt. Ein Antriebsmechanismus legt eine erste und eine zweite magnetomotorische Kraft an die Magnetschaltung an. Die zweite magnetomotorische Kraft besitzt einen der ersten magnetomotorischen Kraft entgegengesetzten Sinn. Ein Abfühlmechanismus fühlt den Zustand der Magnetisierung des ferromagnetischen Elements ab und ein Detektiermechanismus bestimmt die Größe des Magnetfeldes, das an das ferromagnetische Element durch die zweite magnetomotorische Kraft angelegt wird, die die Magnetisierung des Elements auf Null reduziert. Drehmoment wird von der Benspruchung abgeleitet, angezeigt durch eine Veränderung in dem Koerzitivfeld des ferromagnetischen Elements.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf den obigen, aktuellen Stand der Technik gemacht und soll den darin assoziierten Nachteil überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegend Erfindung sieht einen Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1 vor. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können aus den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorangegangenen und andere Merkmale der Erfindung werden dem Fachmann beim Berücksichtigen der folgenden Beschreibung der Erfindung und der begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden, in denen zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Drehmomentabfühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung einer Hysteresiskurve, die Betriebsmerkmale der Vorrichtung der 1 zeigt;
3a eine Darstellung des Stroms bezüglich der Zeit für einen Eingangsstrom der Vorrichtung der 1;
3b eine Darstellung des Stroms bezüglich der Zeit für einen Ausgangsstrom ansprechend auf ein Drehmoment, das an die Vorrichtung der 1 angelegt wird;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Drehmomentabfühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Drehmomentabfühlvorrichtung in Kombination mit einem Lenksystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
1 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Drehmomentabfühlvorrichtung, angezeigt bei 10, gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das Drehmomentabfühlvorrichtung 10 umfasst eine lang gestreckte Welle 12, die eine Längsachse 14 besitzt. Die Welle 12 besitzt ein befestigtes Ende und ein freies Ende (nicht gezeigt), so dass die Welle Torsion ansprechend auf ein angelegtes Drehmoment, angezeigt bei T, erfährt. Die Welle 12 ist aus einem im Allgemeinen steifen und elastischen Material hergestellt, vorzugsweise besitzt es eine niedrige magnetische Durchlässigkeit.
Ein lang gestrecktes magnetoelastisches Element 16, das eine zylindrische, rohrförmige Hülse sein kann, ist um einen Teil der Welle 12 herum verbunden. Das magnetoelastische Element 16 kann pressgepaßt, geschweißt oder anderweitig an der Außenoberfläche der Welle 12 befestigt sein, so dass es keinen Schlupf zwischen dem Element 16 und der Welle 12 gibt. Das magnetoelastische Element 16 ist koaxial mit der Welle 12 und umschreibt bzw. begrenzt diese. Vorzugsweise besitzt das magnetoelastische Element 16 kegelstumpfförmige Endteile 18 und 20, die mit einem Winkel von ungefähr 42°–48° von einer Ebene abgefast sind, die sich senkrecht zu der Schaftachse 14 erstreckt.
Das magnetoelastische Element 16 ist aus einem magnetischen anisotropen Material, wie zum Beispiel einem Maraging-Stahl-Material gebildet. Das magnetoelastische Element 16 ist magnetisch polarisiert in einer vorbestimmten Umfangsrichtung um die Wellenachse 14. Die Torsion der Welle 12 infolge des Drehmomentes T wird auf das magnetoelastische Element 16 übertragen. Das magnetoelastische Element 16 sieht ein Axialmagnetfeld ansprechend auf das angelegte Drehmoment T vor, das im Wesentlichen proportional zu einer Veränderung in seiner magnetischen Permeabilität ist. Das Drehmoment-ansprechende Feld besitzt Flusslinien (nicht gezeigt), die sich zwischen den Endteilen 18 und 20 des magnetoelastischen Elements 16 erstrecken.
Eine erste magnetische Anordnung, angezeigt bei 22, ist benachbart zu dem magnetoelastischen Element 16 positioniert. Die magnetische Anordnung 22 besitzt einen Eingang 24 und einen Ausgang 26. Das axiale Magnetfeld des magnetoelastischen Elements 16 wirkt auf die Magnetanordnung 22 gemäß dem angelegten Drehmoment T. Die Magnetanordnung 22 fühlt das Magnetfeld des magnetoelastischen Elements 16 ab und ist darauf ansprechend.
Wie in 1 gezeigt ist die Magnetanordnung 22 vorzugsweise aus einem Magnetglied gebildet, dargestellt als ein lang gestreckter Kern 28 eines Magnetmaterials. Der Kern 28 zum Beispiel kann aus einem paramagnetischen Material, einem ferromagnetischen Material, einem ferrimagnetischen Material, einem superparamagnetischen Material oder irgendeinem Material, das ein geeignetes Magnetverhalten besitzt, gebildet sein. Vorzugsweise ist der Kern aus einem gegossenen, amorphen Draht aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Die Länge des Kerns 28 entspricht der Länge des magnetoelastischen Elements 16, wobei der Kern 28 koextensiv dazu positioniert ist. Der Kern 28 besitzt eine Längsachse 30 parallel zu der Schaftachse 14. Die Kernachse 30 ist um einen vorbestimmten Abstand von der Außenoberfläche des magnetoelastischen Elements 16 beabstandet. Vorzugsweise reicht der Abstand zwischen dem magnetoelastischen Element 16 und der Kernachse 30 von ungefähr 1,0 mm bis ungefähr 1,75 mm. Die Magnetanordnung 22, und genauer gesagt, der Kern 28, besitzt einen Sättigungszustand, der sich ansprechend auf das angelegte Drehmoment T ändert.
Die Magnetanordnung 22 umfasst ebenfalls einen lang gestreckten Draht, der eine Vielzahl von Spulenwicklungen 32 besitzt, geeigneter Weise mehr als ungefähr 200 Umfangswicklungen, die um den Kern 28 als eine Vielzahl überlappender Schichten gewickelt ist. Ein Ende des Drahtes bildet den Eingang 24 der Magnetanordnung 22 und das andere Ende des Drahtes bildet den Ausgang 26. Der Draht ist aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, geeigneter Weise aus einem Kupferdraht.
Eine Wechselstromquelle, vorzugsweise eine Stromquelle 34 sieht Strom zu dem Eingang 24 der Magnetanordnung 22 vor. Der Strom in den Spulenwicklungen 32 treibt den Kern 28 wiederholt in positive und negative Magnetsätti gung, namentlich in eine Sättigungshysteresis. Eine Stromquelle wird bevorzugt, da sie die Steuerung des Sättigungszustandes des Kerns 28 ermöglicht.
Eine Darstellung einer Sättigungshysteresiskurve bzw. -schleife für den Magnetkern 28 ist in 2 gezeigt. Die Breite der Hysteresis-Schleife hängt davon ab, wie leicht der Kern 28 magnetisiert wird. Zum Beispiel besitzen leicht magnetisierte Materialien eine dünne Hysteresis-Schleife, während die Hysteresis-Schleife eines harten Magnetmaterials eine größere Fläche umfasst und somit eine größere Breite besitzt. Die Magnetflussdichte (B) ist als eine Funktion des Magnetfeldes (H) gezeigt. Das Phänomen von Hysteresis bewirkt, das B hinter H nacheilt, so dass die Magnetisierungskurve für sich vergrößernde und verkleinernde Magnetfelder nicht die gleiche ist. Bei positiver Sättigung in Zone I verändert sich B im Wesentlichen nicht ansprechend auf einen Zuwachs in H. Ähnlich verändert sich B im Wesentlichen nicht ansprechend auf eine Abnahme in H bei negativer Sättigung in Zone III.
Bei Sättigung richten sich im Wesentlichen alle atomaren Dipole des Kerns 28 mit dem Magnetfeld aus, das angelegt wird, so dass der Kern 28 somit zu einer Maximalausdehnung magnetisiert wird. Zusätzlich erreicht die Magnetdurchlässigkeit des Materials bei Sättigung Null. Vorteilhafter Weise eliminiert das Antreiben des Kerns 28 zur Sättigung die äußeren Wirkungen, wie zum Beispiel Temperatur und Belastungen, die sich anderweitig auf die Durchlässigkeit des Kerns 28 auswirken.
Im Bezug auf 1 und 3A sieht die Wechselstromquelle 34 vorzugsweise eine Sägezahn- bzw. Kippschwingung des Wechselstroms an den Eingang 24 vor. Die Stromquelle 34 liefert Strom mit einer vorbestimmten Frequenz. Die Frequenz sollte wesentlich schneller sein als die Rate, mit der Drehmoment angelegt wird, geeigneter Weise um 20 kHz. Wenn kein Drehmoment an die Welle 12 angelegt wird ist der Strom an dem Ausgang 26 der Magnetanordnung im Wesentlichen gleich dem Strom an dem Eingang bei 24. Die Sättigungsmerkmale des Kerns 28 sind bekannt. Demgemäß wird die Amplitude der Stromquelle 34 gesteuert, um den Kern 28 zu sättigen ungefähr bei sei nem Maximal- und Minimalstrom, angezeigt bei I_SAT und bei –I_SAT. Genauer gesagt sättigt der Maximalstrom I_SAT den Kern 28 zu einer Zeit angezeigt bei t_SAT.
Es wird Fachleuten klar sein, dass andere Typen von Wechselströmen ebenfalls verwendet werden können, wie zum Beispiel eine Sinusschwingung, eine Rechteckschwingung oder irgendein anderer Wechselstrom. Es wird ferner klar sein, dass andere Typen von Leistungsquellen, wie ein äußeres Magnetfeld oder eine Spannungsquelle, verwendet werden können, um den Kern 28 in die Magnetsättigung zu treiben.
Wenn das Drehmoment T angelegt wird, sieht das magnetoelastische Element 16 ein Magnetfeld vor, das auf die Magnetanordnung 22 wirkt und genauer gesagt auf seinen assoziierten Kern 28. Das Magnetfeld infolge des angelegten Drehmoments T plus dem Strom durch die Spulenwicklungen 32, bewirkt dass sich der Kern 28 schneller gesättigt wird als wenn nur Strom angelegt wird. Mit Bezug auf 3B resultiert das Anlegen des Drehmoments T in einer Richtung im Uhrzeigersinn zum Beispiel in einer Stromspitze in dem Ausgangsstrom. Dies bewirkt, dass der Kern 28 zu einer Zeit angezeigt bei t_SAT gesättigt wird. Dies entspricht einer positiven Sättigung, wie zum Beispiel in Zone I der 2. Die Zeitdifferenz zwischen dem Erreichen der Sättigung, wenn kein Drehmoment angelegt wird und wenn Drehmoment angelegt wird ist bei Δt_SAT angezeigt. Der Δt_SAT Wert steht funktionsmäßig in Bezug zu der Größe des angelegten Drehmoments. Ähnlich resultiert Drehmoment, das in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird, oder gegen den Uhrzeigersinn, in einer negativen Stromspitze (nicht gezeigt) an dem Ausgang 26 der Magnetanordnung 22, wenn sich der Eingangsstrom I_SAT nähert. Das Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn ermöglicht somit das schnellere Erreichen einer negativen Sättigung, wie zum Beispiel in Zone III der 2 gezeigt.
Eine Drehmomentbestimmungsschaltung 36 ist an den Ausgang 26 der Magnetanordnung 22 zum Detektieren des Sättigungszustandes der Magnetanordnung 22 gekoppelt. In dem Ausführungsbeispiel der 1 detektiert die Drehmomentbestimmungsschaltung 36 den Ausgangsstrom der Spulenwicklungen 32. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 36 ist ebenfalls an die Stromquelle 34 gekoppelt. Demgemäß fühlt die Schaltung 36 den Eingangsstrom ab, der zu dem Eingang 24 der Magnetanordnung 22 vorgesehen wird. Er kann ebenfalls Feedback vorsehen um den Eingangsstrom zu steuern. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 36 vergleicht den Strom an dem Eingang 24 der Magnetanordnung 22 mit dem Strom am Ausgang 26 der Magnetanordnung 22, um eine Veränderung in dem Sättigungszustand der Magnetanordnung 22 zu bestimmen.
Die Sättigungsmerkmale des Kerns 28 können empirisch durch Testen bestimmt und in der Drehmomentbestimmungsschaltung 36 gespeichert werden. Die Größe des Eingangsstroms wird ausgewählt, um den Kern 28 in Sättigung zu seinen ungefähren Maximal- und Minimalamplituden in der Abwesenheit eines angelegten Drehmoments zu treiben. Die Zeit, zu der die Sättigung erreicht wird, wenn kein Drehmoment im Wesentlichen mit den Spitze des Wechselstroms übereinstimmt, ist bei I_SAT und –I_SAT in 3A angezeigt. Deswegen kann ein Maß des Drehmoments T ansprechend darauf bestimmt werden, wie viel schneller der Kern 28 positive oder negative Magnetsättigung erreicht, wenn das Drehmoment T angelegt wird. Dies ist bei Δt_SAT in 3B angezeigt. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 36 sieht ein Signal vor, das eine Anzeige bildet für das angelegte Drehmoment T ansprechend auf den detektierten Sättigungszustand der Magnetanordnung 28. Das Drehmomentsignal wird an eine Steuervorrichtung 38 zur Steuerung der erwünschten Komponenten, wie unten in genauerem Detail beschrieben, geliefert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Drehmomentabfühlvorrichtung, angezeigt bei 100, ist in 4 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst eine lang gestreckte Welle 102, die eine Längsachse 104 besitzt. Ein Drehmoment, angezeigt bei T, kann an die Welle 102 um seine Achse 104 in einer Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn angelegt werden. Ein Paar lang gestreckter, magnetoelastischer Elemente 106 und 108 ist um die Welle 102 herum befestigt. Die magnetoelastischen Elemente 106 und 108 sind aus magnetischen anisotropen Materialien gebildet, wie zum Beispiel Maraging-Stahl. Das erste magnetoelastische Element 106 ist magnetisch in einer ersten Umfangsrichtung polarisiert, angezeigt bei 110. Das andere magnetoelastische Element 108 ist magnetisch in einer entgegengesetzten Umfangsrichtung angezeigt bei 112 polarisiert. Die magnetoelastischen Elemente 106 und 108 sind vorzugsweise axial voneinander durch ein isolierendes Abstandmaterial 114 beabstandet.
Eine Magnetanordnung 116 und 118 ist mit jedem entsprechenden magnetoelastischen Element 106 und 108 assoziiert. Die Magnetanordnung 116, die in 4 dargestellt ist, umfasst ein Paar diametral entgegengesetzter Magnetkerne 120 und 122. Die Kerne 120 und 122 sind benachbart und koextensiv zu dem magnetoelastischen Element 106 positioniert. Ein lang gestreckter elektrisch leitender Draht, der einen Eingang 124 und einen Ausgang 126 besitzt, ist um jeden Kern 120 und 122 herum gewickelt, um die jeweiligen Spulenwicklungen 128 und 130 zu bilden, die in Serie verbunden sind. Die Spulenwicklungen 128 sind geeignet in einer Vielzahl von überlappenden Schichten zwischen den Enden von jedem Kern 120 und 122 gewickelt.
Ähnlich umfasst die Magnetanordnung 118 diametral entgegengesetzte Magnetkerne 132 und 134, die benachbart und koextensiv zu dem magnetoelastischen Element 108 positioniert sind. Die Magnetanordnung 118 umfasst ebenfalls eine Vielzahl von Spulenwicklungen 136 und 138, die um jeden jeweiligen Kern 132 und 134 als eine Vielzahl von überlappenden Schichten des Drahtes gewickelt sind. Wie in 4 gezeigt sind die Spulenwicklungen 136 und 138 aus einem allgemeinen Draht gebildet, der in Serie geschaltet ist. Der Eingang der Spulenwicklungen 136 bildet einen Eingang 140 der Magnetanordnung 118. Der Ausgang der Spulenwicklungen 136 ist mit dem Eingang der Spulenwicklungen 138 verbunden und der Ausgang der Spulenwicklungen 138 bildet einen Ausgang 142 der Magnetanordnung 118.
Jede Magnetanordnung 116 und 118 wird durch eine Wechselstromquelle erregt, um die Kerne 120 und 122 und 132 und 134 von jeder jeweiligen Anord nung wiederholt in positive und negative Sättigung zu treiben. Vorzugsweise sieht ein Paar Wechselstromquellen 144 und 146 Eingangsstrom I_A bzw. I_B zu den Eingängen 124 und 140 vor. Jede Wechselstromquelle kann durch eine gängige Wechselstrom-Leistungsquelle mit Leistung versorgt werden, wie zum Beispiel eine Rechteckschwingungsspannungsquelle, die eine vorbestimmte Frequenz besitzt, obwohl andere Stromquellen genügen können. Wie mit Bezug auf 1 festgestellt sieht jede Wechselstromquelle 144 und 146 vorzugsweise einen Sägezahnschwingungsstrom vor, der eine vorbestimmte Frequenz besitzt, geeigneter Weise ungefähr 20 kHz und eine vorbestimmte Amplitude. Die Ströme I_A und I_B sind ausgewählt, um jede entsprechende Magnetanordnung 116 und 118 in magnetische Sättigung in Wesentlichen zu ihren Minimal- und Maximalamplituden zu treiben. Der Sättigungszustand von jeder Magnetanordnung 116 und 118 und genauer gesagt der jeweiligen Kerne 120 und 122 und der Kerne 132 und 134, verändert sich ansprechend auf das angelegte Drehmoment T. Genau gesagt sind die Kerne 120 und 122 zu unterschiedlichen Eingangsstromniveaus gesättigt und somit zu unterschiedlichen Zeiten, wenn das Drehmoment T angelegt wird.
Eine Drehmomentbestimmungsschaltung, angezeigt bei 150, ist elektrisch mit dem Ausgang 126 der ersten Magnetanordnung 116 und mit dem Ausgang 142 der zweiten Magnetanordnung 118 gekoppelt. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 150 ist mit jeder Wechselstromquelle 144 und 146 gekoppelt. Die Verbindung mit den Stromquellen 144 und 146 sieht Signale der Konditionierungsschaltung 150 vor, die eine Anzeige bilden für den Eingangsstrom. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 150 kann ebenfalls Feedback zu den Stromquellen 144 und 146 vorsehen, um die Frequenz und/oder Amplitude der jeweiligen Eingangsströme I_A und I_B zu steuern. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 150 umfasst vorzugsweise einen Mikrocomputer, der konfiguriert ist, um das angelegte Drehmoment T ansprechend auf die Veränderungen in den Sättigungszuständen der ersten und zweiten Magnetanordnungen 116 und 118 zu bestimmen. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 150 kann ebenfalls eine integrierte Schaltung, diskrete Komponenten oder eine Kombination von integrierten Schaltungen und diskreten Komponenten auf weisen, die konfiguriert sind, um die gewünschte Detektierung und Signalverarbeitungsfunktionen auszuführen.
Die Elemente in dem Drehmomentbestimmungsblock 150 stellen grafisch eine Übersicht der Funktionen dar, die durch die Drehmomentbestimmungsschaltung 150 ausgeführt werden. Die Signale, dier in die Drehmomentbestimmungsschaltung 150 eingegeben werden, werden in geeignet Art und Weise durch einen oder mehr Analog-zu-Digital (A/D) Konverter 152 digitalisiert. Die A/D Konverter 152 können außerhalb von der Schaltung 150, statt in der Schaltung 150, wie gezeigt, positioniert sein. Die Signale sollten ebenfalls gefiltert werden, passend durch geeignete digitale oder analoge Filter (nicht gezeigt), um Frequenzkomponenten zu entfernen, die bei der Bestimmung des angelegten Drehmomentes T unerwünscht sind.
Das digitalisierte Signal an den Ausgang 126 der Magnetanordnung 116 wird mit dem Eingangsstrom IA von der Stromquelle 144 in einer Vergleichsfunktion 154 verglichen. Das Signal von der Vergleichsfunktion 154 wird an eine Sättigungsbestimmungsfunktion 156 für Kanal A vorgesehen. Die Sättigungsbestimmungsfunktion 156 bestimmt eine Veränderung in dem Sättigungszustand der Magnetanordnung 116 ansprechend auf das angelegte Drehmoment T. Die Veränderung in den Sättigungszuständen der Kerne 120 und 122 resultiert in einer entsprechenden Veränderung in dem detektierten Ausgangsstrom, wie zum Beispiel einer Stromspitze bei Sättigung, ansprechend auf das Magnetfeld, das durch das magnetoelastische Element 106 vorgesehen wird. Die Sättigungsbestimmungsfunktion 156 für Kanal A bestimmt die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, wenn die Kerne 120 und 122 der Magnetanordnung 116 magnetische Sättigung erreichen ansprechend auf das angelegte Drehmoment T und wenn sie Sättigung erreichen, wenn kein Drehmoment angelegt wird. Dies entspricht Δt_SAT, das mit Bezug auf 3b gezeigt und beschrieben wurde. Wenn kein Drehmoment angelegt wird, wird die Sättigungsbestimmungsfunktion 156 anzeigen, dass es keine Veränderung in dem Sättigungszustand gibt.
Eine andere Vergleichsfunktion 158 vergleicht das digitalisierte Signal des Ausgangs 142 der Magnetanordnung 118 mit dem Eingangsstrom IB. Der Ausgang der Vergleichsfunktion 158 wird zu einer anderen Sättigungsbestimmungsfunktion 160 für Kanal B vorgesehen. Die Sättigungsbestimmungsfunktion 160 bestimmt eine Veränderung in dem Sättigungszustand der Magnetanordnung 118. Genau gesagt bestimmt die Sättigungsbestimmungsfunktion 160 die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, wenn die Kerne 132 und 134 magnetische Sättigung erreichen infolge des Magnetfeldes, das durch das magnetoelektrische Element 108 geliefert wird, und zwar ansprechend auf das angelegte Drehmoment T, und wann sie Sättigung erreichen, wenn kein Drehmoment angelegt wird.
Die Ausgänge der Sättigungsbestimmungsfunktionen 156 und 160 werden zu den jeweiligen Drehmomentbestimmungsfunktionen 162 und 164 geliefert. Eine Nachschlagetabelle 166 der Drehmomentbestimmungsschaltung 150 sieht ein Maß des Drehmoments für eine Vielzahl von Sättigungszuständen vor. Die entsprechenden Maße des Drehmoments für die verschiedenen Sättigungszustände können durch empirisches Testen bestimmt und in der Nachschlagetabelle 166 gespeichert werden.
Die Drehmomentbestimmungsfunktion 162 für Kanal A bestimmt ein Maß des angelegten Drehmoments T ansprechend auf die Veränderung in dem Sättigungszustand der Magnetanordnung 116 gemäß der Inhalte der Nachschlagetabelle 166. Ähnlich bestimmt die Drehmomentbestimmungsfunktion 164 für Kanal B ein Maß des angelegten Drehmoments T ansprechend auf die Veränderung in dem Sättigungszustand der Magnetanordnung 118. Weil die magnetoelastischen Elemente 106 und 108 entgegengesetzt polarisiert sind, sind die Drehmomentmaße von den assoziierten Magnetanordnungen 116 und 118 im Wesentlichen entgegengesetzt oder sind Differenz-Signale. Die Differenz-Drehmoment-Signale werden verglichen und gemittelt in Funktionalblock 168, um ein Maß des angelegten Drehmoments T zu bestimmen, einschließlich seiner Winkelrichtung. Der Funktionalblock 168 sieht ein Ausgangssignal vor, das eine Anzeige bildet für die Größe und Richtung des angelegten Drehmo ments T, angezeigt bei Funktionalblock 170. Die Schaltung 150 sieht ein Drehmomentsignal an einen Eingang einer geeigneten Steuervorrichtung 172 vor.
Im Bezug auf 5 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Drehmomentabfühlvorrichtung, angezeigt bei 200, schematisch in Kombination mit einem Lenksystem eines Fahrzeugs dargestellt. Ein Handlenkrad 210 ist mit einer Antriebswelle 212 verbunden. Ein Ritzelgetriebe 214 ist betriebsmäßig mit einer Abtriebswelle 216 gekoppelt. Die Antriebswelle 212 ist betriebsmäßig mit der Abtriebswelle 216 durch eine Torsionsstange 218 gekoppelt. Die Torsionsstange 218 entspricht der zuvor mit Bezug auf 1 und 4 beschriebenen Welle. Die Torsionsstange 218 dreht sich ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment, angezeigt bei T, wodurch relative Drehung zwischen der Antriebswelle 212 und der Abtriebswelle 216 zugelassen wird. Die Torsionsstange 218 besitzt eine vorbestimmte Federkonstante. Die Größe der relativen Drehung zwischen der Antriebswelle 212 und der Abtriebswelle 216 ansprechend auf das angelegte Lenkdrehmoment T steht funktionsmäßig in Bezug zu der Federkonstanten der Torsionsstange 218. Das Ritzelgetriebe 214 steht in Zahneingriff mit den Zahnstangenzähnen, die an einem Lenkzahnradglied 220 angeordnet sind. Das Lenkzahnradglied 220 ist mit lenkbaren Rädern 222 und 224 des Fahrzeugs in einer bekannten Weise verbunden. Die Drehung des Handlenkrades 210 bewirkt die Lenkbewegung der Räder 222 und 224.
Das Lenksystem umfasst ebenfalls einen elektrischen Motor 226, der das Lenkzahnstangenglied 220 umschreibt. Vorzugsweise ist der Elektromotor 226 ein Motor mit variabler Reluktanz, obwohl andere Motortypen ebenfalls verwendet werden können. Der Elektromotor 226 ist antriebsmäßig mit dem Lenkzahnstangenglied 220 verbunden, wie zum Beispiel durch einer Kugel-Mutter-Antriebsanordnung (nicht gezeigt). Eine annehmbare Kugel-Mutter-Antriebsanordnung ist in U.S. Patent Nr. 4,415,054 von Drutchas gezeigt und beschrieben. Andere Antriebsanordnungen können ebenfalls verwendet wer den. Der Elektromotor 226 sieht eine Hilfslenkkraft unter bestimmten Fahrzeugzuständen vor.
Der Elektromotor 226 ist mit einer Motorsteuerschaltung 228 durch eine Reihe von Leistungsschaltern 230 verbunden. Die Schalter 230 werden in einer bekannten Art und Weise durch die Steuervorrichtung 228 pulsweitenmoduliert. Die Pulsweitenmodulation von der Steuervorrichtung 228 liefert Strom an den Motor 226 gemäß der Richtung und der Größe der erforderlichen Hilfslenkkraft. Die Steuervorrichtung 228 ist an eine Drehmomentbestimmungsschaltung 232 gekoppelt. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 232 sieht ein Drehmomentsignal an die Steuervorrichtung 228 vor, das eine Anzeige bildet für die Größe und Richtung des angelegten Lenkdrehmoments T. Zusätzlich ist die Motorsteuervorrichtung 228 an einen Rotorpositionssensor 234 gekoppelt, der die Position des Rotors des Motors 226 mit variabler Reluktanz abfühlt. Der Rotorpositionssensor 234 sieht ein Signal vor, das eine Anzeige für die Rotorposition bildet. Die Steuervorrichtung 228 empfängt auch andere Eingangsgrößen, angezeigt bei 236. Die anderen Eingangsgrößen 236 können zum Beispiel Fahrzeuggeschwindigkeit, Temperatur des Elektromotors 26 ebenso wie eine weiche Startsteuerschaltung umfassen. Ansprechend auf die Eingangsgrößen, die das Drehmomentsignal, das Rotorpositionssignal und die anderen Eingangsgrößen umfassen, steuert die Steuervorrichtung 228 den Elektromotor 226, um bei der Drehung der Räder 222 und 224 zu helfen.
Die Drehmomentdetektorschaltung 200 soll in einer Weise wie oben dargelegt, konfiguriert werden. Ein Paar Wechselstromquellen 242 und 244 treiben wiederholt ein Paar Magnetanordnungen 246 und 248 in und aus positiver und negativer magnetischer Sättigung, namentlich in Sättigungshysteresis. Ein Paar magnetoelastischer Elemente 250 und 252 ist entlang der Torsionsstange 218 befestigt. Wenn sich die Torsionsstange 218 ansprechend auf das angelegte Drehmoment T dreht, wird die Torsion im Wesentlichen gleichmäßig auf jedes magnetoelastische Element 250 und 252 übertragen. Die magnetoelastischen Elemente 250 und 252 werden in entgegengesetzte Umfangsrichtungen polarisiert. Demgemäß sehen die magnetoelastischen Elemente 250 und 252 bei Anwendung des Drehmoments T ein axiales Magnetfeld vor mit Flusslinien, die sich im Wesentlichen in entgegengesetzte Richtungen fortbewegen.
Die Magnetanordnungen 246 und 248 sind benachbart und koextensiv zu jedem jeweiligen magnetoelastischen Element 250 und 252 positioniert. Jede Magnetanordnung 246 und 248 ist aus einem Paar diametral entgegengesetzter Magnetkerngliede 254, 256 und 258, 260 und assoziierter Spulenwicklungen 262, 264 bzw. 266, 268 gebildet. Die Magnetanordnungen 246 und 248 und genauer gesagt die entsprechenden Kernglieder 254, 256 und 258, 260 besitzen vorbestimmte Sättigungszustände. Die Sättigungszustände von jeder entsprechenden Magnetanordnung 252 und 254 verändern sich ansprechend auf die Magnetfelder, die durch die magnetoelastischen Elemente 246 und 248 erzeugt werden, wenn das Drehmoment T angelegt wird. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 232 bestimmt die Größe und Richtung des angelegten Drehmoments ansprechend auf die Veränderungen in den Sättigungszuständen der Magnetanordnungen 246 und 248, wie oben beschrieben. Die Drehmomentbestimmungsschaltung 232 sieht das Drehmomentsignal an die Steuervorrichtung 228 vor. Die Steuervorrichtung 228 bewirkt, dass der Elektromotor 226 bei der Drehung der Räder 222 und 224 ansprechend auf das Lenkdrehmoment T hilft, das durch Drehung des Handlenkrads 210 verursacht wird.

Claims

Ein Drehmomentsensor (10) zum Abfühlen eines Drehmoments, das an eine lang gestreckte Welle (12) mit einer Längsachse (14) angelegt wird, wobei der Drehmomentsensor Folgendes aufweist: ein erstes magnetoelastisches Element (16), das um einen Teil der Welle (12) herum verbunden ist, wobei das erste magnetoelastische Element (16) ein Magnetfeld vorsieht, und zwar ansprechend auf das an die Welle (12) angelegte Drehmoment; eine erste Magnetanordnung (22) mit einem Eingang (24) und einem Ausgang (26), wobei die erste Magnetanordnung (22) benachbart zu dem ersten magnetoelastischen Element (16) positioniert ist, wobei die erste Magnetanordnung (22) einen lang gestreckten Kern (28) aus einem Magnetmaterial aufweist und koextensiv mit dem ersten magnetoelastischen Element (16) ist, wobei der lang gestreckte Kern (28) eine Längsachse (30) besitzt, die parallel zu der Längsachse (14) der lang gestreckten Welle (12) verläuft, und einen lang gestreckten Draht mit einer Vielzahl von Spulenwicklungen (32), die um den lang gestreckten Kern (28) herum gewickelt sind; eine Wechselstromquelle (34), die angeordnet ist, um einen Strom an den Eingang (24) der ersten Magnetanordnung (22) zu liefern, um den lang gestreckten Kern (28) wiederholt in eine positive und negative Magnetsättigung zu treiben, wobei die erste Magnetanordnung (22) ansprechend auf den Strom einen ersten Sättigungszustand aufweist, wobei die erste Magnetanordnung (22) ansprechend auf sowohl das angelegte Drehmoment als auch den Strom einen zweiten Sättigungszustand aufweist; und eine Detektorschaltung (36), die an den Ausgang (26) der ersten Magnetanordnung (22) gekoppelt ist, wobei die Detektorschaltung (36) angeordnet ist, um ein Signal zu liefern, das eine Anzeige für das angelegte Drehmoment bildet, und zwar ansprechend auf den zweiten Sättigungszustand der ersten Magnetanordnung (22), wobei die Detektorschaltung (36) Mittel aufweist zum Bestimmen einer Zeitdifferenz (Δt_SAT) zwischen dem Erreichen der Sättigung, wenn kein Drehmoment angelegt wird, und wenn ein Drehmoment angelegt wird; und Mittel zum Bestimmen der Größe des angelegten Drehmoments basierend auf der Zeitdifferenz (Δt_SAT).
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1 in Kombination mit einem Lenkhilfesystem, wobei die Kombination Folgendes aufweist: eine Steuervorrichtung (228), die betriebsmäßig mit der Detektorschaltung (36; 232) verbunden ist, um ansprechend auf das Signal von der Detektorschaltung (36; 232) ein Steuersignal zu liefern; und Lenkhilfemittel (226) zum Vorsehen von Lenkhilfe ansprechend auf das Steuersignal.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1; der ferner Folgendes aufweist: ein zweites magnetoelastisches Element (108), das um einen Teil der Welle (102) herum angebracht ist, und zwar benachbart zu dem ersten magnetoelastischen Element (106), wobei das zweite magnetoelastische Element (108) ansprechend auf das angelegte Drehmoment ein Magnetfeld liefert; eine zweite Magnetanordnung (118) mit einem Eingang (140) und einem Ausgang (142), wobei die zweite Magnetanordnung (118) benachbart zu dem zweiten magnetoelastischen Element (108) positioniert ist; wobei die zweite Magnetanordnung (118) einen lang gestreckten Kern (132, 134) aufweist, der aus einem Magnetmaterial hergestellt ist und der koextensiv ist mit dem zweiten magnetoelastischen Element (108), wobei der lang gestreckte Kern (132, 134) eine Längsachse parallel zu der Längsachse (104) der lang gestreckten Welle (102) besitzt, und einen lang gestreckten Draht mit einer Vielzahl von Spulenwicklungen (136, 138), die um den lang gestreckten Kern (132, 134) herum gewickelt sind; eine zweite Wechselstromquelle (146), die einen Strom an den Eingang (140) der zweiten Magnetanordnung (118) liefert, um wieder holt den lang gestreckten Kern (132, 134) in eine positive und negative Magnetsättigung zu treiben, wobei die zweite Magnetanordnung (118) einen dritten Sättigungszustand, ansprechend auf den Strom der zweiten Wechselstromquelle (146), besitzt, wobei die zweite Magnetanordnung (118) einen vierten Sättigungszustand, ansprechend auf sowohl das angelegte Drehmoment als auch den Strom der zweiten Wechselstromquelle (146), besitzt; und die Detektorschaltung (150), die an den Ausgang (142) der zweiten Magnetanordnung (118) gekoppelt ist, wobei die Detektorschaltung ein Signal liefert, das eine Anzeige bildet für das angelegte Drehmoment, und zwar ansprechend auf die zweiten und vierten Sättigungszustände der entsprechenden ersten und zweiten Magnetanordnungen (116, 118), wobei die Detektorschaltung (150) Mittel aufweist zum Bestimmen einer Zeitdifferenz (Δt_SAT) zwischen dem Erreichen der Sättigung, wenn kein Drehmoment angelegt wird, und wenn ein Drehmoment angelegt wird; und Mittel zum Bestimmen der angelegten Drehmomentgröße, und zwar basierend auf der Zeitdifferenz (Δt_SAT).
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 3, wobei die Detektorschaltung (150) die Sättigungszustände der ersten und zweiten Magnetanordnungen (116, 118) vergleicht, um ein Signal zu liefern, das eine Anzeige bildet für die Größe und die Winkelrichtung des angelegten Drehmoments.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 3, wobei das erste magnetoelastische Element (106) in einer ersten Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist und wobei das zweite magnetoelastische Element (108) in einer Umfangsrichtung magnetisch polarisiert ist, die der ersten Umfangsrichtung entgegengesetzt ist.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Magnetanordnung (116) erste und zweite lang gestreckte Kerne (120, 122) aufweist, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind und die benachbart zu und im Wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten des ersten magnetoelastischen Elementes (106) positioniert sind.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Magnetanordnung (22) einen lang gestreckten Kern (28) aus einem ferromagnetischen Material aufweist, der benachbart und koextensiv zu dem ersten magnetoelastischen Element (16) positioniert ist.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Magnetanordnung (116) erste und zweite lang gestreckte Kerne (120, 122) aus einem ferromagnetischen Material aufweist, die benachbart zu und entlang gegenüberliegender Seiten des ersten magnetoelastischen Elementes (106) positioniert sind.
Drehmomentsensor gemäß Anspruch 6 oder 8, wobei die ersten und zweiten lang gestreckten Kerne (120, 122) bei unterschiedlichen Eingangsstromniveaus gesättigt werden.