DE10105824A1

DE10105824A1 - Rotational position sensor, particularly applicable to determining steering wheel position in a motor vehicle over angles greater than 360 degrees has roller bearing with optical or magnetic coding

Info

Publication number: DE10105824A1
Application number: DE2001105824
Authority: DE
Inventors: Mark Kocher
Original assignee: Mercedes Benz Lenkungen GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Presta Muelheim GmbH
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2002-08-08

Abstract

Roller bearing has an inner ring (1), an outer ring (2) and rollers (3) held between the rings by a bearing cage (4), with the cage having a rigidly attached scale element (5). An additional scale (6) is fixed to the inner or outer ring. The scales can have optical or magnetic coding that can be sensed using optical or magnetic sensors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager sowie einen Drehwinkelsensor auf Basis eines Wälzlagers und die Verwendung eines Drehwinkelsensors als Lenkradwinkelsen sor in einem Kraftfahrzeug.The present invention relates to a rolling bearing as well a rotation angle sensor based on a rolling bearing and the Use of a rotation angle sensor as a steering wheel angle sor in a motor vehicle.

Wälzlager mit magnetischen Markierungen auf einem der beiden Lagerringe sind aus der Praxis bekannt. Diese mag netischen Markierungen sind mit Sensoren abtastbar und zur Bestimmung der Drehzahl des in dem Lager gelagerten Bauelements vorgesehen. Im Kraftfahrzeugbau werden diese Lager als Sensorlager für Antiblockiersysteme und fahrdy namische Regelsysteme verwendet. Diese Wälzlager sind nicht dafür vorgesehen und geeignet, den absoluten Dreh winkel des darin gelagerten Bauteils gegenüber dem ruhen den Grundkörper zu bestimmen. Rolling bearings with magnetic markings on one of the both bearing rings are known from practice. This likes netic markings can be scanned with sensors and to determine the speed of the stored in the bearing Component provided. In automotive engineering, these are Bearings as sensor bearings for anti-lock braking systems and fahrdy Named control systems used. These bearings are not intended and suited to the absolute twist angle of the component stored in it compared to the rest to determine the basic body.

Auch wenn der markierte Lagerring mit einem eine Winkel auflösung ermöglichenden Skalenelement, beispielsweise in Form eines Barcodes oder Graycodes versehen wäre, wäre es doch nicht möglich, eine Winkelauflösung von mehr als ei ner vollen Umdrehung (360°) zu erreichen, da zwischen ei ner Drehung um x° und einer Drehung um x + 360° nicht zu unterscheiden wäre.Even if the marked bearing ring is at an angle resolution-enabling scale element, for example in It would be in the form of a barcode or graycode but not possible, an angular resolution of more than egg ner full rotation (360 °) to achieve, because between egg rotation by x ° and rotation by x + 360 ° would be different.

Für die Detektion von Drehbewegungen mit geringem relati vem Verdrehwinkel von nur einigen Grad ist es bekannt, je einen Codering auf einen Lageraußenring und einen Innen ring eines Wälzlagers aufzubringen, so dass die Verdre hung der Lagerringe gegeneinander aufgelöst werden kann. Dieser Sensor wird in Verbindung mit einem Drehstab (Tor sionsfeder) zur Bestimmung von Drehmomenten in Lenkungen eingesetzt.For the detection of rotary movements with low relati The angle of rotation of only a few degrees is known, depending a code ring on a bearing outer ring and an inner ring of a rolling bearing so that the Verdre hung of the bearing rings can be resolved against each other. This sensor is used in conjunction with a torsion bar (gate sion spring) for determining torques in steering systems used.

Andere Drehwinkelsensoren sind entweder ebenfalls nicht für die Detektion von Drehwinkeln über 360° geeignet oder bestehen unter Zwischenschaltung eines Getriebes aus zahlreichen Bauelementen, die den Sensor entsprechend teuer machen.Other rotation angle sensors are either not either suitable for the detection of rotation angles over 360 ° or consist of a gearbox numerous components that match the sensor make expensive.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wälzlager zu schaffen, das eine Erfassung eines Drehwin kels der beiden Lagerringe gegeneinander von mehr als 360° ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehwinkelsensor mit einem Meßbereich von mehr als 360° zu schaffen.It is therefore an object of the present invention Rolling bearings to create a detection of a Drehwin kels of the two bearing rings against each other by more than Enables 360 °. It is also the task of the present Invention, a rotation angle sensor with a measuring range of more than 360 °.

Diese Aufgabe wird von einem Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von einem Drehwinkelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. This task is performed by a rolling bearing with the characteristics of claim 1 and a rotation angle sensor with the Features of claim 7 solved.

Weil der Käfig mit einem ersten Skalenelement insbesonde re drehfest verbunden ist, kann bei einer Drehung des In nenrings gegenüber dem Außenring die relative Drehung des Käfigs gegenüber dem Innenring oder dem Außenring gemes sen werden. Da sich der Käfig ähnlich wie der Planeten träger eines Planetengetriebes mit einer Winkelgeschwin digkeit dreht, die geringer ist als die relative Winkel geschwindigkeit der beiden Lagerringe zueinander, kann das Wälzlager so gestaltet werden, daß der Käfig und da mit das erste Skalenelement gegenüber dem Außenring oder dem Innenring eine Umdrehung ausführt, während das in dem Wälzlager gelagerte Bauelement zwei oder mehr Umdrehungen ausführt.Because the cage with a first scale element in particular re non-rotatably connected, when the In relative to the outer ring, the relative rotation of the Cage measured against the inner ring or the outer ring will be. Because the cage is similar to the planet Carrier of a planetary gear with an angular speed rotates less than the relative angle speed of the two bearing rings to each other, can the roller bearing can be designed so that the cage and there with the first scale element opposite the outer ring or the inner ring makes one turn while that in the Rolling bearing mounted component two or more revolutions performs.

Außerdem kann wenigstens ein zweites Skalenelement mit dem Innenring oder dem Außenring insbesondere drehfest verbunden sein, so dass neben der Drehung des Käfigs auch die Drehung des jeweiligen Rings unmittelbar mit einer höheren möglichen Winkelauflösung gemessen werden kann.In addition, at least one second scale element can be used the inner ring or the outer ring in particular rotatably be connected so that in addition to the rotation of the cage the rotation of the respective ring immediately with a higher possible angular resolution can be measured.

Wenn weiter die Skalenelemente eine optische Codierung, insbesondere einen Strichcode tragen, sind diese durch optische Mittel abtastbar. Die Codierung kann auch so gestaltet werden, dass die absolute Winkelposition des Skalenelements oder der Skalenelemente zueinander unmit telbar messbar ist, ohne die Skalenelemente bewegen zu müssen.If further the scale elements have an optical coding, especially carry a barcode, these are through optical means scannable. The coding can also be so be designed so that the absolute angular position of the Scale element or the scale elements to each other is measurable without moving the scale elements have to.

Für einen besonders großen Messbereich kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Satz von Wälzkörpern mit einem zweiten Käfig radial außerhalb der ersten Wälzkörper an geordnet ist und dass der zweite Käfig das erste Skalen element trägt. Damit kann zum einen das erste Skalenele ment im Durchmesser relativ groß gestaltet werden, so dass die Messgenauigkeit steigt. Zum anderen kann das Ü bersetzungsverhältnis zwischen dem ersten Skalenelement und dem Außenring bzw. dem Innenring oder dem zweiten Skalenelement ebenfalls vergrößert werden, so dass deut lich mehr als zwei Umdrehungen á 360° gemessen werden können.Can be provided for a particularly large measuring range be that a second set of rolling elements with a second cage radially outside of the first rolling elements is ordered and that the second cage scales the first element carries. On the one hand, this enables the first Scalenele ment to be made relatively large in diameter, so that the measurement accuracy increases. On the other hand, the Ü Gear ratio between the first scale element and the outer ring or the inner ring or the second Scale element can also be enlarged so that Deut Lich more than two revolutions of 360 ° are measured can.

Ein Drehwinkelsensor mit einem Wälzlager der bislang be schriebenen Art zeichnet sich durch einen besonders ro busten Aufbau mit wenig beweglichen Teilen aus. Da das Bauelement, dessen Bewegung zu detektieren ist, in vielen Fällen ohnehin in einem Wälzlager gelagert werden muss, kommen in diesen Fällen außer den Skalenelementen und dem Detektor keine weiteren mechanischen Bauelemente hinzu.A rotation angle sensor with a roller bearing that was previously written type is characterized by a particularly ro bust structure with few moving parts. Since that Component whose movement can be detected in many Cases must be stored in a roller bearing anyway, come in these cases besides the scale elements and that No additional mechanical components are added to the detector.

Für zahlreiche Anwendungen bei Kraftfahrzeuglenkungen ist von Vorteil, wenn bei einer Drehung des Innenrings gegen über dem Außenring um einen Winkel α der Käfig sich um einen Winkel von etwa α/2 gegenüber dem Außenring dreht. Dann sind rund zwei volle Umdrehungen detektierbar.For numerous applications in automotive steering systems of advantage if the inner ring turns against the cage turns over the outer ring by an angle α rotates an angle of approximately α / 2 with respect to the outer ring. Then around two full revolutions can be detected.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer mit den bislang beschriebenen Merkmalen versehenen Vorrichtung als Lenk radwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug, da sich hieraus eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei kostengünstigem und raumsparendem Aufbau ergibt.It is also advantageous to use one with the previous ones Features described device provided as a steering wheel angle sensor in a motor vehicle, because of this a particularly high level of reliability at low cost and space-saving construction results.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der vorlie genden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.In the following two embodiments of the present ing invention described with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1: Einen Ausschnitt aus einem erfindungsge mäßen Wälzlager in einer Seitenansicht; sowie Fig. 1: A section of an inventive roller bearing in a side view; such as

Fig. 2: einen Querschnitt durch ein Wälzlager mit zwei Sätzen von Wälzkörpern in einem achsparallelen Querschnitt. FIG. 2 shows a cross section through a rolling bearing with two sets of rolling bodies in an axially parallel cross-section.

In der Fig. 1 ist ein Wälzlager dargestellt, das einen Innenring 1 und einen Außenring 2 aufweist. Zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 befindet sich eine Anzahl von Wälzkörpern 3, die von einem Käfig 4 gehalten werden. Der Käfig 4 trägt ein erstes Skalenelement 5 in Gestalt eines aufgedruckten Strichcodes. Der Innenring 1 trägt ein zweites Skalenelement 6, ebenfalls in Gestalt eines aufgedruckten Strichcodes, der dem ersten Skalenelement 5 unmittelbar gegenübersteht.In FIG. 1, a rolling bearing is shown, which has an inner ring 1 and an outer ring 2. Between the inner ring 1 and the outer ring 2 there is a number of rolling elements 3 , which are held by a cage 4 . The cage 4 carries a first scale element 5 in the form of a printed bar code. The inner ring 1 carries a second scale element 6 , also in the form of a printed bar code, which is directly opposite the first scale element 5 .

In der Praxis kann das Wälzlager gemäß Fig. 1 beispiels weise als Lagerung für eine Lenksäule eines Kraftfahr zeugs verwendet werden. Dazu wird der Außenring 2 in ei nen feststehenden Lagersitz eingesetzt. Der Innenring 1 trägt dann die Lenksäule. Bei einer Drehung der Lenksäule wälzen sich die Wälzkörper 3 auf dem Lageraußenring 2 ab und bewegen den Käfig 4 und damit das erste Skalenelement 5 mit einer Drehwinkelgeschwindigkeit, die geringer ist als diejenige der Lenksäule und des damit verbundenen In nenrings 1 sowie folglich des zweiten Skalenelements 6.In practice, the rolling bearing according to FIG. 1 can be used, for example, as a bearing for a steering column of a motor vehicle. For this purpose, the outer ring 2 is inserted into a fixed bearing seat. The inner ring 1 then carries the steering column. When the steering column rotates, the rolling elements 3 roll on the bearing outer ring 2 and move the cage 4 and thus the first scale element 5 with an angular velocity that is lower than that of the steering column and the associated inner ring 1 and consequently the second scale element 6 ,

Ein geeignet angebrachter Sensor kann dabei die absolute Winkelstellung des ersten Skalenelements 5 detektieren, wobei die Skaleneinteilung des ersten Skalenelements 5 volle 360° in Umfangsrichtung des Käfigs 4 auflösen kann. Durch die Untersetzung nach Art eines Planetengetriebes entspricht dann der detektierbare Absolutwinkel, um den der Innenring 1 verdreht werden kann, mehr als 360°, bei spielsweise zwei vollen Umdrehungen gleich 720°, oder mehr. A suitably attached sensor can detect the absolute angular position of the first scale element 5 , the scale division of the first scale element 5 being able to resolve a full 360 ° in the circumferential direction of the cage 4 . The reduction in the manner of a planetary gear then corresponds to the detectable absolute angle by which the inner ring 1 can be rotated more than 360 °, for example two full rotations equal to 720 ° or more.

Der Innenring 1 mit dem zweiten Skalenelement 6 kann über einen zweiten Sensor ebenfalls ausgewertet werden. Da durch ist neben der durch die Untersetzung gröberen Auf lösung des ersten Skalenelements 5 eine Feinauflösung des Drehwinkels möglich. In Verbindung mit der Information des ersten Skalenelements 5 ergibt sich eine Drehwinkel information mit einem großen Messbereich (des Skalenele ments 5) und einer guten Winkelauflösung (des Skalenele ments 6).The inner ring 1 with the second scale element 6 can also be evaluated via a second sensor. As a result, in addition to the coarser reduction ratio of the first scale element 5, a fine resolution of the angle of rotation is possible. In connection with the information of the first scale element 5 , there is an angle of rotation information with a large measuring range (of the scale element 5 ) and a good angular resolution (of the scale element 6 ).

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 2 dargestellt. Dort wird ein Innenring 10 gegenüber einem Außenring 11 zweifach gelagert. Die erste Lagerung erfolgt über einen ersten Satz von Wälz körpern 12, der wiederum auf einen ersten Käfig 13 ab wälzt. Die zweite Lagerung erfolgt über einen zweiten Satz von Wälzkörpern 14, der einerseits auf dem ersten Käfig 13 und andererseits auf dem Außenring 11 abrollt. Der zweite Satz von Wälzkörpern 14 wird von einem zweiten Käfig 15 positioniert. Der zweite Käfig 15 trägt schließ lich ein in dieser Darstellung nicht sichtbares Skalen element 16, das zur Erfassung des Drehwinkels zwischen dem Innenring 10 und dem Außenring 11 dient.Another embodiment of the present invention is shown in FIG. 2. There, an inner ring 10 is mounted twice over an outer ring 11 . The first storage takes place via a first set of rolling bodies 12 , which in turn rolls on a first cage 13 . The second storage takes place via a second set of rolling elements 14 , which rolls on the one hand on the first cage 13 and on the other hand on the outer ring 11 . The second set of rolling elements 14 is positioned by a second cage 15 . The second cage 15 carries Lich a not visible in this illustration scale element 16 , which serves to detect the angle of rotation between the inner ring 10 and the outer ring 11 .

Durch die zweistufige Lagerung ist das Übersetzungsver hältnis zwischen dem zweiten Käfig 15 und dem Außenring 11 besonders groß. Es ergibt sich ein besonders großer messbarer Winkelbereich.Due to the two-stage storage, the ratio ratio between the second cage 15 and the outer ring 11 is particularly large. The result is a particularly large measurable angular range.

Der zur Absolutwinkelmessung ausgenutzte Effekt beruht also auf der Relativbewegung der Wälzkörper gegenüber dem Innenring und dem Außenring eines Wälzlagers. Die Erfin dung ist anwendbar für nahezu alle Lagerarten, bei denen ein Käfig die Wälzkörper führt. Durch eine entsprechende Auswahl der Größenverhältnisse zwischen Wälzkörper und Laufbahnen kann die Anzahl der eindeutig identifizierba ren Umdrehungen und die Auflösung des Sensors variiert werden.The effect used for the absolute angle measurement is based So on the relative movement of the rolling elements with respect to the Inner ring and the outer ring of a rolling bearing. The Erfin is applicable for almost all types of bearings where a cage guides the rolling elements. By an appropriate Selection of the size relationships between rolling elements and Careers can be the number of uniquely identifiable revolutions and the resolution of the sensor varies become.

Claims

1. Rolling bearing with an inner ring ( 1 , 10 ), an outer ring ( 2 , 11 ) and rolling elements ( 3 , 12 , 14 ) arranged in between which are guided in a cage ( 4 , 13 , 15 ), characterized in that the cage ( 4 , 13 , 15 ) is connected to a first scale element ( 5 , 16 ) in particular in a rotationally fixed manner.

2. Rolling bearing according to claim 1, characterized in that at least a second scale element ( 6 ) with the inner ring ( 1 , 10 ) or the outer ring ( 2 , 11 ) is in particular rotatably connected.

3. Rolling bearing according to one of the preceding claims, characterized in that with a relative rotation of the inner ring ( 1 , 10 ) at an angular velocity relative to the outer ring ( 2 , 11 ), the first scale element rotates at a lower angular velocity.

4. Rolling bearing according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one scale element ( 5 , 6 , 16 ) carries an optical coding, in particular a bar code.

5. Rolling bearing according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one scale element ( 5 , 6 , 16 ) carries a magnetic coding.

6. Rolling bearing according to one of the preceding claims, characterized in that the scale elements ( 5 , 6 , 16 ) are printed, etched or engraved with a laser.

7. Rolling bearing according to one of the preceding claims, characterized in that a second set of rolling elements ( 14 ) with a second cage ( 15 ) is arranged radially outside of the first rolling elements ( 12 ) and that the second cage ( 15 ) the first scale element ( 16 ) carries.

8. Angle of rotation sensor with a roller bearing according to one of the previous claims.

9. Angle of rotation sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one scale element ( 5 , 6 , 16 ) are scanned by means of optical sensors.

10. Angle of rotation sensor according to one of the preceding claims, characterized in that when the inner ring ( 1 , 10 ) rotates relative to the outer ring ( 2 , 11 ) by an angle α the cage ( 4 , 13 , 15 ) is at an angle of about α / 2 with respect to the outer ring ( 2 , 11 ) rotates.

11. Use of a device according to one of the preceding claims as a steering wheel angle sensor in one Motor vehicle.