CN104165601B - 角度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种角度测量装置包括轴(1)，该轴能够相对于主体(2)围绕在z方向上延伸的轴线(A)旋转地布置。其中具有端面(1.1.1)的量具(1.1)抗扭转地固定在轴(1)上，主体(2)具有用于扫描量具(1.1)的扫描装置(2.3)。滚动轴承(3，4)和密封单元(5；5’)布置在量具(1.1)的关于z方向朝向端面(1.1.1)的这一侧上。密封单元(5；5’)包括能够相对于彼此旋转的环(5.1，5.2；5.1’，5.2’)，所述环通过间隙彼此隔开地布置，其中间隙至少部分地填充有液体(5.3；5.3’)。

Description

角度测量装置
技术领域
本发明涉及一种角度测量装置。
角度测量装置，通常也被称为转速传感器(Drehgeber)，用于通过一个或者几个旋转能够旋转地支承的机器零件、特别是轴的旋转运动的测量。旋转运动被增量地或者绝对地检测。结合齿条和齿轮或者丝杠，借助角度测量装置也测量线性的运动。通常这种角度测量装置结合电动机用于产生换向信号。
角度测量装置必须满足测量精度方面相对高的要求，通常根据光学测量原理工作，其中量具通常设计为例如上面涂有角度刻度的玻璃环。角度刻度在这种情况下由反射光或者透射光扫描。为了确保高测量精度，重要的是，使得量具免受污染。特别不利的是，当润滑剂或其组分从滚动轴承中泄漏出来，并且沉积在量具、特别是角度刻度的范围内时。这种污染通常形成为液滴，并且产生类似于透镜的光学作用。相应地，在这样的情况下，光束偏转，这可能会导致不正确的测量。
背景技术
从申请人的EP 2378251 A2中已知一种角度测量装置，它具有带有槽的轴，所述槽与空腔连接，用于容纳润滑剂。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种角度测量装置，通过它可以可靠地并且持久地实现高测量精度。
该目的根据本发明通过角度测量装置而实现。
因此，角度测量装置包括轴，该轴能够借助至少一个滚动轴承相对于主体围绕在z方向上延伸轴线旋转地布置。量具抗扭转地固定在轴上，其中量具具有至少一个端面。主体具有用于扫描量具的扫描装置。滚动轴承和密封单元布置在量具的关于z方向朝向端面的这一侧上。密封单元包括可以相对于彼此旋转的环，环通过间隙，特别是在径向方向上彼此隔开地布置，其中间隙至少部分地填充有液体。密封单元特别是设计为无接触的。
角度测量装置用于测量旋转运动，例如确定现有的旋转位置或者旋转速度。
量具可以设计为环形的，从几何方面来看，是带有环绕的外层面的空心圆柱体，该外层面具有非常小的高度和环形地相互平行对准的端面，该端面也可以称为基面或者遮盖面。角度刻度或者角度编码可以涂覆在其中一个或者其中一个外层面上，有利的涂覆在位于外面的外层面上。
量具可以这样固定在轴上，使得所述的端面由具有在z方向上的方向分量(Richtungskomponente)的、在切点上的直线切分。特别的是，端面可以处于一个平面内，该平面利用关于z方向正交的方向分量定向。因此，可以分配给端面位于其中的平面一个法向量，该法向量具有与z方向平行的方向分量。优选的是端面正交地朝向z方向定向，或者所涉及的端面的法向量平行地对准z轴，并进而在z方向上定向。
事实上是，滚动轴承和密封单元布置在量具的关于z方向朝向端面这个面一侧上，意味着从量具开始在轴向方向上(z方向)沿着轴首先布置滚动轴承，然后布置密封单元。替代的是，也可以从量具开始在轴向方向上首先布置密封单元，然后布置滚动轴承。因此，量具不位于滚动轴承和密封单元之间。
角度装置优选地这样设置，使得密封单元具有安装在轴上的内部的环和安装在主体上的外部的环。环可以设计为使得安装在轴上的环的最大直径大于安装在主体上的环的最小直径。
有利的是，密封单元的安装在轴上的内部的环具有在径向方向上突出的凸缘，其中凸缘在角度测量装置运行时与液体接触。此外，角度测量装置可以设计为使得凸缘浸入在密封单元的另一个安装在主体上的环的环绕的槽内。
优选的是，密封单元的环中的至少一个设置为由多个部分组成，特别是由两部分组成。特别的是，安装在主体上的环可以设置为由多个部分组成。
在本发明的另一个设计中，角度测量装置可以具有两个滚动轴承，它们特别是带有轴向的垫片，即带有在z方向上布置在轴上的垫片。在这种结构中，密封单元可以具有安装在轴上的环和安装在主体上的环，其中环可以布置在滚动轴承之间。
根据本发明的改进方案，在角度测量装置的最终安装状态下，密封单元的环中的至少一个在z方向上预张紧。优选的是，特别是安装在主体上的环预张紧。
滚动轴承分别具有内环外环以及滚动体，该滚动体径向地布置在内环和外环之间，其中润滑剂位于滚动体的区域内。在本发明的特别的设计方案中，安装在主体上的密封单元的环可以预张紧，以使得能够产生在z方向上定向的力，滚动轴承的外环通过这个力彼此相对地在轴向上预张紧。替代的或者补充的是，密封单元的安装在轴上的环也可以预张紧，以使得能够产生在z方向上定向的力，滚动轴承的内环通过这个力彼此相对地在轴向上预张紧。
在本发明的另一个设计方案中，安装在轴上的环具有用于液体、例如油的容器。密封单元包括相对的能够彼此旋转的环，该环可以通过间隙在径向方向上彼此隔开地布置，其中该间隙至少部分地填充有液体。容器可以径向地布置在内部，这样在环旋转时，位于容器内的液体被挤压到间隙内。
本发明的其他特征和优点在下文的参照附图的两个实施例的描述中是显而易见的。
附图说明
图1为角度测量装置的纵截面图，
图2为角度测量装置的细节图，
图3为根据第二实施例的角度测量装置的细节图。
具体实施方式
在图1中在中间的纵截面图内示出的角度测量装置包括一个定子和一个转子。转子具有带有凸缘的轴1，量具1.1，例如通过粘合固定地并且只以相对于中心地轴线A的较小的公差偏差连接在该凸缘上。轴线A在z方向上延伸。在它的尺寸精确度和平面度方面，量具1.1制造为高精确度。量具1.1由玻璃制成，并且设计为环形。它自然具有两个端面1.1.1，1.1.2，其中在端面1.1.1，1.1.2中的一个上面涂覆有角度刻度。角度刻度可以设计为例如带有径向定向的刻度的增量的分度，其中附加地或者替代地也可以设置绝对编码。
端面1.1.1，1.1.2位于平面内，该平面利用关于z方向正交的方向分量定向。换句话说，法向量在端面1.1.1，1.1.2中的一个上面具有平行于z方向的方向分量。在所介绍的实施例中，端面1.1.1，1.1.2正交地朝向z方向定向，端面1.1.1，1.1.2的法向量平行地对准A轴线，并且并进而在z方向上定向。
轴1能够通过两个滚动轴承3，4旋转地安置在主体2的内部，主体分配给定子。
主体2具有光源2.2，它包括例如LED和准直仪透镜，这样通过光源2.2发射准直光线。该光线穿过量具1.1和它的角度刻度，并且相应于角度位置在转子和定子之间或在轴1和主体2之间被调整。调整过的光线由固定在主体2上的扫描装置2.3扫描。相应的光敏探测器位于设计为配备的印刷电路板的扫描装置2.3上。此外，扫描装置2.3还包括用于由探测器提供的扫描信号的信号形成-例如用于加强或者数字化的电子部件。通过在图中没有示出的连接电缆产生角度测量装置和后续电子元件之间的电连接，这样可以传递后续电子元件和角度测量装置之间的电信号和电能。
可以围绕主体2和其他定子侧的部件安装壳体，这样光源2.2，量具1.1和扫描装置2.3还可以免受环境的影响。这种壳体通常并不是气密的，例如在使用电子驱动器时。同样还可以完全省略壳体。
角度测量装置被确定以用于安装在机器上，其中轴1设计为抗扭转地连接在要测量的部件上，例如在发动机轴上。通过角度测量装置可以确定定子和转子之间或轴1和主体2之间的相对的角位置。这种角度测量装置通常也称为转速传感器。
在图2中展示了角度测量装置的详细图示。滚动轴承3，4分别包括内环3.1，4.1，外环3.2，4.2，以及径向地在内环3.1，4.1和外环3.2，4.2之间的球3.3，4.3以及盖片3.4，4.4。
密封单元5轴向地位于两个滚动轴承3，4之间，密封单元包括内部的环5.1和外部的环5.2。在转子侧，内部的环5.1安装在轴1上。环5.1包括径向上向外突出环绕的凸缘5.1.1。在定子侧，一个两部分组成的环5.2轴向地在外环3.2，4.2之间安装在主体2上。环5.2和凸缘5.1.1径向上重叠，这样安装在轴1上的内部的环5.1的最大直径D大于安装在主体2上的外部的环5.2的最小直径d。在轴向方向上在凸缘5.1.1的两侧分别存在带有宽度ζ的间隙。此外，凸缘5.1.1和安装在主体2上的外部的环5.2彼此相对地布置，并且通过环绕的间隙以这个宽度ρ在径向方向上隔开。
在安装角度测量装置时，油在安装在主体2上的环5.2和凸缘5.1.1之间的间隙内给出。该间隙相对较小，这样油膜5.3可以通过毛细力保持在这个间隙内。
在定子侧安装在主体2上的两部分组成的外部的环5.2在松弛状态下与滚动轴承3，4，特别是外环3.2，4.2在角度测量装置内的设置状态相比，具有更大的轴向上的高度。因为这个原因，外部的环5.2在完成安装后在角度测量装置内在z方向上预应力，或在轴向方向上弹性地压紧(gestaucht)。与此相对应，轴向的预应力被引导至外环3.2，4.2上。预应力通过球3.3，4.3和循环凹槽也传递到内环3.1，4.1上。内环3.1，4.1不可移动地，例如通过粘合或者压配合与轴1连接。因此，密封单元5不只满足密封功能，而且还用作用于实现滚动轴承3，4之间的机械预应力的元件。
为了角度测量装置的无缺点的运行必要的是，滚动轴承3，4被润滑，因此分别在内环3.1，4.1和外环3.2，4.2之间设置润滑剂或者润滑脂。环形的盖片3.4，4.4基本上用于使得润滑剂或者润滑脂保持在滚动轴承3，4内，而不会在能够光学扫描的量具2的方向上游移。盖片3.4，4.4分别与外环3.2，4.2固定地连接，这样在角度测量装置运行时，不会在盖片3.4，4.4和各个外环3.2，4.2之间发生相对运动。为了在角度测量装置内产生尽可能少的摩擦热量，盖片3.4，4.4不触动旋转的部件，特别是不触动内环3.1，4.1。
在角度测量装置运行时，环形的量具1.1可以以相当大的转速旋转。由此，类似于在径流式通风机情况下，建立径向的压力梯度，这样在径向的内部的在量具1.1上，特别是径向的内部的在端面1.1.1，1.1.2上的空气压力低于在径向的外部的区域内的空气压力。因此通过旋转的量具1.1似乎产生抽吸效果。因此在这种压力比下确保量具1.1不受滚动轴承3，4的润滑剂组分的污染，轴向地在滚动轴承3，4之间设置带有油膜5.3。因为通过密封单元5实现，即使在低压下在量具1.1的径向的内部的区域内，没有空气通过滚动轴承3，4流动。特别的是，当角度测量装置不具有壳体时或者具有不气密的壳体时，重要的是，禁止滚动轴承3，4与空气的穿流。轴1的旋转当然也促使密封单元5的内部的环5.1与它的凸缘5.1.1一起旋转。凸缘5.1.1-由毛细力或者界面张力效果引起-由油来湿润。在转速上升时，油膜5.3越来越压在径向的外部的区域内，这样确保在高转速下的密封。恰好在高转速下，另一方面上述抽吸效果由于旋转的量具1.1而最大化。密封单元5的内部的和外部的环5.1，5.2互相不触动。其结果是，密封单元以非常低的摩擦工作，因此实际上在角度测量装置内没有产生废热。
在图3中示出了第二实施例。它与第一实施例通过改变了的密封单元5’相区别。该密封单元5’包括安装在轴1上的内部的环5.1’，所述环具有径向上向外突出的环绕的凸缘5.1.1’。该凸缘5.1.1’具有三个环绕的空隙，它们用作用于油的容器。密封单元5’还包括外部的环5.2’，所述环设计为两部分组成，并且在定子侧轴向地安装在外环3.2，4.2之间在主体2上。
环5.2’和凸缘5.1.1’在第二实施例中也是径向地重叠的，这样安装在轴1上的内部的环5.1’的最大直径D’大于安装在主体2上的外部的环5.2’的最小直径d’。凸缘5.1.1和安装在主体2上的外部的环5.2彼此相对地布置，通过环绕的间隙以宽度ρ’在径向方向上隔开。
容器5.1.1.1’在环绕的间隙内以宽度ρ’径向地内部地布置，这样在角度测量装置运行时，即在环5.1’旋转时，位于容器5.1.1.1’内的油挤压到间隙内。
在安装状态下，如在图3中所示出的，安装在主体2上的环5.2’在z方向上预张紧，这样类似于第一实施例，通过密封单元5’也实现滚动轴承3，4的轴向上的预应力。
通过角度测量装置的特殊设计，现在可能的是，润滑剂残余，例如从润滑剂中泄露出来的油滴，避开量具。这种润滑剂残余通常会导致错误的测量，因为可能影响由光源2.2所发射的光线的光路。在高转速运行时也要确保润滑剂残余的这种避开。因为由此限制的离心力会改进密封单元的密封效果。尽管通过密封单元5，5’在运行时实现高密封效果，在实际中不会由于密封单元5，5’在角度测量装置内产生热量，因为它以非常低的摩擦工作。而这一事实也有助于实现非常精确的，即没有错误的测量结果。

Claims (10)

1.一种角度测量装置，包括轴(1)，所述轴能够借助滚动轴承(3，4)相对于主体(2)围绕在z方向上延伸的轴线(A)旋转地布置，其中
具有端面(1.1.1)的量具(1.1)抗扭转地固定在所述轴(1)上，
所述主体(2)具有用于扫描所述量具(1.1)的扫描装置(2.3)，
所述滚动轴承(3，4)以及密封单元(5；5’)布置在所述量具(1.1)的关于所述z方向朝向所述端面(1.1.1)这一侧上，
其特征在于，所述密封单元(5；5’)包括能够相对于彼此旋转的环(5.1，5.2；5.1’，5.2’)，所述环通过间隙彼此隔开地布置，其中所述间隙至少部分地填充有液体(5.3；5.3’)。
2.根据权利要求1所述的角度测量装置，其特征在于，所述密封单元(5；5’)具有安装在所述轴(1)上的环(5.1；5.1’)和安装在所述主体(2)上的环(5.2；5.2’)，其中所述环(5.1，5.2；5.1’，5.2’)设计为使得安装在所述轴(1)上的所述环(5.1；5.1’)的最大直径(D；D’)大于安装在所述主体(2)上的所述环(5.2；5.2’)的最小直径(d；d’)。
3.根据权利要求2所述的角度测量装置，其特征在于，安装在所述轴(1)上的所述环(5.1；5.1’)具有在径向方向上突出的凸缘，所述凸缘与所述液体(5.3；5.3’)接触。
4.根据权利要求2所述的角度测量装置，其特征在于，安装在所述轴(1)上的所述环(5.1；5.1’)具有在径向方向上突出的凸缘，所述凸缘浸入在安装在所述主体(2)上的所述环(5.2；5.2’)的环绕的槽内。
5.根据权利要求1所述的角度测量装置，其特征在于，所述环(5.1，5.2；5.1’，5.2’)中的至少一个由多个部分构成。
6.根据权利要求1所述的角度测量装置，其特征在于，所述角度测量装置具有两个滚动轴承(3，4)。
7.根据权利要求6所述的角度测量装置，其特征在于，所述密封单元(5；5’)具有安装在所述轴(1)上的环(5.1；5.1’)和安装在所述主体(2)上的环(5.2；5.2’)，其中所述环(5.1，5.2；5.1’，5.2’)布置在所述滚动轴承(3，4)之间。
8.根据权利要求7所述的角度测量装置，其特征在于，至少一个所述环(5.1，5.2；5.1’，5.2’)中的至少一个在z方向上预张紧。
9.根据权利要求7所述的角度测量装置，其特征在于，安装在所述主体(2)上的所述环(5.2；5.2’)在z方向上预张紧。
10.根据权利要求1所述的角度测量装置，其特征在于，安装在所述轴(1)上的所述环具有用于所述液体的容器(5.1.1.1’)。
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