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Die Erfindung betrifft ein Getriebe für einen Winkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, insbesondere einen Lenkwinkelsensor, sowie die Verwendung des Getriebes bzw. Lenkwinkelsensors in Kraftfahrzeugen.
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Absolut messende Multiturn-Winkelsensoren, d. h. Winkelsensoren, die einen Drehbereich von mehr als 360° erfassen, müssen einen Speicher für die Winkelposition aufweisen, der die Winkelinformation auch ohne Fremdenergie, d. h. bei Lenkwinkelsensoren bei abgeschalteter Zündung, erhält. Ursache ist die Aufgabe, unterschiedliche Lenkwellenumdrehungen auch bei gleicher Winkelstellung, bezogen auf den Vollkreis, zu unterscheiden. Dies lässt sich nur bei Betrachtung der „Vorgeschichte” der Lenkbewegung realisieren, weil an der Lenkwelle selbst ja kein Unterschied festzustellen ist zwischen zwei Positionen, die sich um eine ganzzahlige Anzahl voller Umdrehungen unterscheiden. Die „Vorgeschichte” muss daher dauerhaft gespeichert werden.
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„Speicher” ist dabei zunächst als abstrakte Bezeichnung für ein Objekt, das eine Information erhält, zu betrachten. Der Speicher kann als elektronischer Informationsspeicher ausgeführt sein, meistens wird jedoch ein Getriebe als Speicher verwendet, wobei die Position der verschiedenen Zahnräder des Getriebes insgesamt eine eindeutige Zuordnung erlaubt, um welche Umdrehung es sich bei einer bestimmten Winkelstellung der Lenkwelle handelt. Derartige Getriebe sind z. B. aus der
DE 10 2008 059 757 A1 oder der
DE 19506938A1 bekannt. Getriebe werden bevorzugt, weil die darin vorgenommene mechanische Speicherung der Winkelinformation ohnehin ohne Fremdenergie auskommt. Dadurch wird vermieden, eine Vorrichtung zu benötigen, die die Elektronik des Lenkwinkelsensors bei Lenkbewegungen mit ausgeschalteter Zündung aktiviert; ein Vorgang, der die Produktkomplexität erhöht und viele Probleme aufwirft.
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Für die Funktion des Lenkwinkelsensors ist das Getriebe als Winkelspeicher mit einer bestimmten Übersetzung erforderlich; die Präzision, Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit des Lenkwinkelsensors hängt stark von den Abweichungen der Übersetzung vom Nennwert ab. Solche Abweichungen treten auf als Spiel zwischen den Zahnflanken, Formabweichungen der Zähne, außermittig des Zahnkranzes platzierte Zahnradachsen und Spiel der Zahnräder in ihrer Lagerung. Das Zahnflankenspiel hängt dabei besonders von Toleranzen des Achsabstandes der Zahnräder ab.
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Es ist bekannt, besonders schädliches Zahnflankenspiel dadurch zu beseitigen, dass eines der Zahnräder einer Getriebestufe durch eine federgespannte Lagerung auf das andere gepresst wird, jedoch wird dadurch die Reibung erhöht, was Verschleiß, Geräusch und hohes Antriebsmoment (bezogen auf die Lenkwelle) zur Folge hat. Außerdem verschiebt sich dabei die Achsposition des entsprechenden Zahnrades, wodurch die Winkelmessung beeinträchtigt wird, weil die Vorrichtungen zur Winkelmessung konstruktiv meist nicht mitverschoben werden können.
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Aus Kostengründen müssen für das genannte Aufgabengebiet alle Teile des Getriebes (Zahnräder, Achsen, Lager, Gehäuse) im Kunststoff-Spritzguß hergestellt werden, daher sind die Form- und Positionstoleranzen recht hoch; die geringen Toleranzen spanend bearbeiteter Metallteile stehen für die Anwendung nicht zur Verfügung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Präzision der Winkelübertragung zu erhöhen, ohne eine nachteilige bewegliche Lagerung eines Zahnrades zu verwenden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß Patentanspruch 1.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird auf überraschende und einfache Weise ein Getriebe für einen Winkelsensor geschaffen, der insbesondere das Winkelspiel, das durch das Spiel zwischen den Zahnflanken entsteht, weitestgehend aufhebt.
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Infolge der koaxial zu den Zahnrädern der betreffenden Getriebestufen vorgesehenen Rollen wird das Ineinanderkämmen der Zahnräder als winkelbestimmende Bewegung durch das Abrollen der Rollen ergänzt. Die alleinige Verwendung von Rollen ist hingegen nicht zielführend, weil nicht sichergestellt werden kann, das sich die allein auf Reibung zwischen den Rollen gestützte relative Winkelposition dauerhaft erhält. Die Zahnräder sorgen jedoch dafür, dass Abweichungen der Winkelposition sich nicht akkumulieren können. Die Rollen, solange sie sich in Kontakt miteinander befinden, verhindern das Auftreten des Winkelspiels. Das bedeutet, die durch das Spiel bedingte freie Beweglichkeit der Zahnräder gegeneinander (in einem kleinen Winkelintervall) ist aufgehoben und im Stillstand des einen Zahnrades findet keine Bewegung des jeweils anderen Zahnrades statt. Dadurch wird vermieden, dass – beispielsweise aufgrund von mechanischen Schwingungen, die auf das Getriebe wirken – der Winkel hochfrequente Störungen aufweist, die sich am Ausgangssignal des Winkelsensors wie ein Rauschen zeigen können. Das Rauschen stört insbesondere bei der Verwendung des Ausgangssignals in Regelsystemen wie z. B. elektrischen Lenkungen. Es kann zwar prinzipiell zumindest teilweise elektronisch gefiltert werden, jedoch nur um den Preis einer Verzögerung im Signal, die regelungstechnisch ebenfalls unerwünscht ist.
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Dazu ist mindestens eine der Rollen so stark verformbar, dass bei minimalem Achsabstand im Rahmen der Toleranzen die Kräfte nicht zu hoch werden, während bei maximalem Achsabstand noch eine sichere Berührung der Rollen gegeben ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß einem Zahnkranz zwei koaxiale Rollen zugeordnet sind. Die koaxialen Rollen sind hierbei insbesondere gegenüberliegend angeordnet
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind zwei Zahnkränze einer Rolle zugeordnet.
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In zweckmäßiger Weise sind die Rollen kegelförmig ausgebildet. Durch diese Form ergeben sich axiale Kräfte, so dass sich die Rollen bzw. Zahnräder auf einfache Weise selbst zentrieren.
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Von besonderer Bedeutung bzgl. zweckmäßiger Ausführungsformen der Erfindung, ist die Auswahl und Abstimmung des Materials der Rollen bzw. Zahnräder.
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Als Material für die Rollen wie für die Zahnräder kommen unterschiedliche Kunststoffe oder Gummi in Frage, wobei folgende Möglichkeiten gegeben sind:
Die Rollen bzw. Zahnräder einer Paarung bestehen aus Materialien mit gleichen (Spezialfall: gleiches Material) oder unterschiedlichen E-Moduln; d. h. die Verformung verteilt sich symmetrisch oder asymmetrisch auf die Bauteile einer Paarung.
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Eine Kombination aus Zahnrad und koaxialer Rolle besteht aus einem Teil, aus mehreren Teilen gleichen Materials oder aus mehreren Teilen unterschiedlichen Materials.
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Eine Kombination aus Zahnrad und koaxialer Rolle besteht aus einem Träger sowie aus Kränzen mit Material, das auf die jeweilige Aufgabe (Rolle oder Zahnrad) optimiert ist; oder einem Kranz und einem Träger, der einteilig mit dem anderen Kranz gebaut ist.
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Die ineinanderkämmenden Zahnkränze bestehen aus Materialien, die hinreichend verformt werden können, ggf. mit unterschiedlichen E-Moduln; die Zahnkränze selbst übernehmen durch ihre Verformung die Aufgabe, die in obenstehender Beschreibung den Rollen zufällt (funktionale Integration von Verzahnung und Verformung). Die Variante „weiches Zahnrad drückt spielfrei in hartes Zahnrad” erscheint für Anwendungen besonders interessant.
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Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des Getriebes in Kraftfahrzeugen, insbesondere innerhalb eines Lenkwinkelsensors.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 eine einfache Getriebestufe gemäß dem Stand der Technik in der Draufsicht,
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2 eine Seitenansicht der Getriebestufe gem. 1,
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3 eine perspektivische Ansicht der Getriebestufe gem. 1 und 2,
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4 eine erfindungsgemässe Getriebestufe in der Draufsicht,
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5 eine Seitenansicht der Getriebestufe gem. 4,
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6 eine perspektivische Ansicht der Getriebestufe gem. 4 und 5,
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7 eine Seitenansicht einer Getriebesstufe, bei der einem Zahnrad zwei Rollen zugeordnet sind, und
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8 eine Seitenansicht einer Getriebestufe, bei der zwei Zahnrädern eine Rolle zugeordnet ist.
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1 bis 3 zeigen in verschiedenen Ansichten eine beispielshafte Darstellung einer bekannten einfachen Getriebestufe 2 für eine Winkelsensoranordnung, wobei eine Welle bzw. Lenkwelle 4 konzentrisch von einem Zahnkranz 6 umgeben ist und wobei diese Teile einstückig ausgeführt oder fest miteinander verbunden sind. Ein weiteres Zahnrad 8 der Getriebestufe kämmt mit dem Zahnkranz 6. Durch diese Anordnung, die aufgrund der Zahnradpaarung eine bestimmte Übersetzung aufweist wird ein ”Winkelspeicher” gebildet. Die Präzision, Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit des Winkelsensors hängt dabei stark von den Abweichungen der Übersetzung vom Nennwert ab. Solche Abweichungen treten auf als Spiel zwischen den Zahnflanken, Formabweichungen der Zähne, außermittig des Zahnkranzes angeordnete Zahnradachsen und Spiel der Zahnräder in ihrer Lagerung. Das Zahnflankenspiel hängt dabei besonders von den Toleranzen des Achsabstandes der Zahnräder ab.
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4 bis 6 zeigen eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Getriebestufe 10 einen auf einer Lenkwelle 12 fest angeordneten Zahnkranz 14 und ein Zahnrad 16 aufweist, die miteinander in kämmendem Eingriff sind, wobei die Winkelstellung des Zahnrades 14 mittels eines (hier nicht dargestellten) Sensors ermittelt werden kann. Dem Zahnkranz 14 ist koaxial eine zylindrische Rolle 18 zugeordnet. Auch dem Zahnrad 16 ist eine koaxiale Rolle 20 zugeordnet. Aufgrund dieser koaxialen Rollen 18, 20 wird das Ineinanderkämmen der Zahnräder 14, 16 als winkelbestimmende Bewegung durch das Abrollen der Rollen 18, 20 ergänzt. Die Zahnräder 14, 16 sorgen dafür, dass sich Abweichungen der Winkelposition nicht akkumulieren können. Dazu ist mindestens eine der Rollen 18 bzw. 20 so stark verformbar, dass bei einem minimalen Achsabstand im Rahmen der Toleranzen die Kräfte nicht zu hoch werden, während bei maximalem Achsabstand noch eine sichere Berührung der Rollen gegeben ist.
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Diese Bedingungen können durch verschiedene vorteilhafte Ausführungen der Erfindung realisiert werden. Die Rollen bzw. Zahnräder einer Paarung bestehen aus Materialien mit gleichem oder unterschiedlichen E-Moduln, insbesondere aus gleichem Material. Dadurch verteilt sich die Verformung symmetrisch oder asymmetrisch auf die Bauteile einer Paarung.
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Eine Kombination aus Zahnrad und koaxialer Rolle kann aus einem Teil bestehen oder aus mehreren Teilen gleichen oder unterschiedlichen Materials.
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Eine Kombination aus Zahnrad und koaxialer Rolle kann zweckmäßig aus einem Träger bestehen, sowie aus Kränzen mit Material, das auf die jeweilige Aufgabe (Rolle oder Zahnrad) optimiert ist oder aber aus einem Kranz und einem Träger, der einteilig mit dem anderen Kranz gebaut ist.
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Die ineinander kämmenden Zahnkränze können vorteilhaft aus Materialien gefertigt sein, die hinreichend verformt werden können, ggf. mit unterschiedlichen E-Moduln. Die Zahnkränze übernehmen durch ihre Verformung die in der obigen Beschreibung den Rollen zufällt (funktionale Verzahnung und Verformung). Insbesondere ist hierbei die Variante, bei der ein weiches Zahnrad spielfrei gegen hartes Zahnrad drückt vorteilhaft.
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Für alle Varianten besteht eine vorteilhafte Materialkombination aus POM (Polyoxymethylen) für die (harten) Zahnkränze und Gummi für die Oberfläche der Rollen bzw. einen weichen Zahnkranz. POM wird bereits nach dem Stand der Technik wegen seiner hohen Formbeständigkeit und geringen Reibung bevorzugt für Kunststoffzahnräder verwendet.
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Wie schematisch in 7 dargestellt ist, kann ein Zahnrad 22 zweckmäßig von zwei koaxialen Rollen 24, 26 eingerahmt sein, je eine auf jeder Seite. Der Vorteil besteht, je nach Lagerung, in der Verteilung der Kräfte auf beide Seiten der Verzahnung.
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8 zeigt schematisch die umgekehrte Anordnung, d. h. eine Rolle 28 ist von zwei Zahnrädern bzw. Zahnkränzen 30, 32 eingerahmt. Diese Anordnung ist durch die Symmetriewirkung gleichfalls vorteilhaft.
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Insbesondere können die Rollen kegelförmig ausgeführt sein, damit sich das System durch die axialen Kräfte der Kegelflächen selbst zentriert. Hierbei kann die Winkelstellung der Kegelfläche bzgl. der Drehachse variiert bzw. angepasst werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen Winkelsensor, insbesondere einen Lenkwinkelsensor, bei dem ein Getriebe der oben beschriebenen Art verwendet wird. Zusätzlich zu einem Getriebe weisen solche Sensoren noch weitere Komponenten auf, wie Sensorelemente und Signalverarbeitungseinrichtungen mit Auswerteschaltungen, die prinzipiell bekannt sind und auf deren nähere Beschreibung daher hier verzichtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Getriebestufe
- 4
- Welle bzw. Lenkwelle
- 6
- Zahnkranz
- 8
- Zahnrad
- 10
- Getriebestufe
- 12
- Lenkwelle
- 14
- Zahnkranz
- 16
- Zahnrad
- 18
- Rolle
- 20
- Rolle
- 22
- Zahnrad
- 24
- Rolle
- 26
- Rolle
- 28
- Rolle
- 30
- Zahnrad
- 32
- Zahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059757 A1 [0003]
- DE 19506938 A1 [0003]
