-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils des Fahrzeugs, mit einer Zahnradvorrichtung, welche mit dem Bauteil gekoppelt ist, wobei ein Zahnrad der Zahnradvorrichtung in eine gezahnte Struktur des Bauteils eingreift. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
-
Eine Vorrichtung zur Winkelmessung bei einem drehbaren Körper, insbesondere zur Ermittlung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs, ist aus der
DE 195 06 938 A1 bekannt.
-
Bei derartigen Vorrichtungen zur Lenkwinkelbestimmung sind die einzelnen Zahnräder mit ihren Lagen der Drehachsen ortsfest zueinander angeordnet. Deshalb und in Verbindung mit der Ausgestaltung der Zahnräder treten aufgrund der erforderlichen Drehachsenabstandstoleranzen spielbehaftete Bewegungsmuster auf. Es ist daher auch ein Spiel zwischen antreibenden und angetriebenen Zahnrad vorhanden, welches sich insbesondere bei Drehrichtungswechsel negativ auf den zu bestimmenden Winkel auswirkt (Hysterese), da die Drehbewegung permanent an das anzutreibende Zahnrad weitergegeben wird. Dies bedeutet, dass die einzelnen Zähne der ineinander greifenden Zahnräder in Umlaufrichtung betrachtet nicht so ineinander eingreifen können, dass sie jeweils mit gegenüberliegenden Zahnflanken direkt aneinander anliegen.
-
Des Weiteren tritt durch die erforderliche Achsabstandstoleranz ein Verklemmen der Zahnräder zueinander auf, welches zu Ablaufgeräuschen führen kann.
-
Des Weiteren ist in 1 in einer schematischen Draufsichtdarstellung ein Teilausschnitt einer bekannten Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Lenkwinkels einer Lenkwelle 2 gezeigt. Dabei greift ein Zahnrad 4 einer Zahnradvorrichtung 3 in eine gezahnte Struktur 5 der Lenkwelle 2 ein. Es ist zu erkennen, dass ein Zahn 6 des Zahnrads 4 in Umlaufrichtung um die Achse A betrachtet spielbehaftet in den Bereich zwischen zwei Zähnen 7 der gezahnten Struktur 5 eingreift. So liegt in diesem Zusammenhang eine erste Zahnflanke 8 des Zahns 6 an einer Zahnflanke 9 des unteren Zahns 7 der gezahnten Struktur 5 an. Allerdings ist eine weitere Zahnflanke 10 des Zahns 6 beabstandet zu einer Zahnflanke 11 des oberen Zahns 7 angeordnet. Dieser Abstand d ist gemäß der gezeigten Situation gegeben, so dass die Zahnflanke 10 über ihre gesamte Länge entsprechend dem Zahn 6 berührungsfrei mit der Zahnflanke 11 des oberen Zahns 7 angeordnet ist. Die beiden Drehachsen A und B des Zahnrads 4 einerseits und der Lenkwelle 2 andererseits sind ortsfest zueinander angeordnet, was bedeutet, dass sie in der Figurenebene keine Relativbewegung zueinander durchführen können.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit welcher bzw. bei welchem das Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils genauer erfolgen kann.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Fahrzeug, welches die Merkmale nach Anspruch 14 aufweist, gelöst.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils eines Fahrzeugs umfasst eine Zahnradvorrichtung, welche mit dem Bauteil gekoppelt ist. Ein Zahnrad der Zahnradvorrichtung greift in eine gezahnte Struktur des Bauteils ein. Das Zahnrad der Zahnradvorrichtung und die gezahnte Struktur des Bauteils sind so angeordnet, dass die Lage ihrer Drehachsen relativ zueinander verschiebbar sind. Es wird also eine Vorrichtung geschaffen, die eine Flexibilität im Hinblick auf die Lagen des Zahnrads und der gezahnten Struktur zueinander gewährleistet. Diese Relativposition-Änderungsmöglichkeit gewährleistet stets einen spielfreien Eingriff der Zähne des Zahnrads der Zahnradvorrichtung in die gezahnte Struktur des Bauteils. Die Genauigkeit der Positionswinkelerfassung kann dadurch wesentlich verbessert werden.
-
Vorzugsweise ist die Lage der Drehachse der gezahnten Struktur in einer Richtung senkrecht zur Drehachse des Zahnrads der Zahnradvorrichtung ortsfest ausgebildet und die Lage der Drehachse des Zahnrads der Zahnradvorrichtung in Richtung senkrecht zu dieser Achse des Zahnrads relativ dazu bewegbar angeordnet. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann somit die Lagetoleranzausgleichsgestaltung durch Positionsveränderung des Zahnrads der Zahnradvorrichtung ermöglicht werden. Da dies üblicherweise einfacher als die Lageveränderung der gezahnten Struktur des Bauteils vonstatten geht, ist dies eine besonders vorteilhafte Ausführung.
-
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Vorspanneinrichtung, mit welcher eine Lagerung des Zahnrads der Zahnradvorrichtung senkrecht zur Drehachse dieses Zahnrads in Richtung der Drehachse der gezahnten Struktur verschiebbar ist. Diese Ausgestaltung ist besonders hervorzuheben, da damit ein kontinuierlicher Lageausgleich sowohl hin zur gezahnten Struktur als auch gegebenenfalls weg davon gewährleistet ist. Durch die Vorspanneinrichtung wird dies auch sehr unverzüglich und zeitnah gewährleistet, so dass das Auftreten von unerwünschtem Spiel beim Eingriff der Zähne des Zahnrads in die gezahnte Struktur vermieden ist.
-
Vorzugsweise weist die Vorspanneinrichtung eine Feder auf, welche insbesondere als Bügelfeder oder Blattfeder ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung ist mechanisch sehr stabil und verschleißarm. Darüber hinaus können die erforderlichen Kräfte und die schnellen Reaktionszeiten der Vorspanneinrichtung besonders erfüllt werden.
-
Vorzugsweise ist die Feder auf der der gezahnten Struktur gegenüber liegenden Seite des Zahnrads der Zahnradvorrichtung angeordnet und ist insbesondere auch symmetrisch zu einer Geraden ausgebildet, welche durch die beiden Drehachsen verläuft. Dadurch wird ein besonders gleichmäßiger in eine ganz spezifische Richtung gewünschter Krafteinfluss auf das Zahnrad der Zahnradvorrichtung gewährleistet. Unerwünschte Krafteinflüsse in unerwünschte Richtungen können dadurch vermieden werden, wodurch auch der Verschleiß der Vorrichtung gering gehalten wird. Nichtzuletzt wird dadurch auch eine besonders gleichmäßige Bewegungsführung gewährleistet, wodurch auch eine besonders präzise Erfassung des Positionswinkels gewährleistet ist.
-
Vorzugsweise ist die Lageverschiebung der Drehachse des Zahnrads der Zahnradvorrichtung in beiden Richtung entlang dieser Geraden zwischen den beiden Drehachsen, erzeugbar. Lageausgleich in mehrere Richtung ist dadurch gewährleistet.
-
In einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Vorspanneinrichtung ein elastisches Pufferelement aufweist, welches an einem Halteteil zum Lagern des Zahnrads angeordnet ist. Das Pufferelement ist insbesondere aus einem Elastomer ausgebildet und einstückig hergestellt. Auch durch eine derartige Ausgestaltung, bei der nicht explizit eine Feder vorgesehen ist, kann die relative Bewegbarkeit der Drehachsen des Zahnrads und der gezahnten Struktur zueinander gewährleistet werden.
-
Vorzugsweise ist das Pufferelement kappenartig ausgebildet und weist einen hohlzylinderförmigen Hohlbereich auf, der nach unten hin geöffnet ist und nach oben hin geschlossen ist. Vorzugsweise ist das Pufferelement mit einem Anschlagelement ausgebildet. Dieses Anschlagelement sitzt auf der Außenseite der Oberseite des Hohlbereichs. Vorzugsweise weist das Anschlagelement eine zylinderförmige Formgebung auf. Das radiale Ausmaß dieses Anschlagelements ist vorzugsweise kleiner bemessen als das radial Außenmaß des Hohlbereichs.
-
Dadurch kann das Anliegen an einem Anschlagteil der Vorrichtung besonders effektiv und die federnde und vorspannende Wirkung besonders vorteilhaft gewährleistet werden. Zum einen wird das Anschlagelement eine besonders direkte Übertragung der Bewegung auf den Hohlbereichen gewährleistet, wobei sich andererseits dieser Hohlbereich, insbesondere auch durch die Ausmaßdimensionierung gegenüber dem Anschlagelement entsprechend verformen lässt.
-
Vorzugsweise ist das Pufferelement an einem Ende des Halteteils auf einem Haltedorn des Halteteils befestigt. Diese Position ermöglicht eine sehr gezielte federnde Lagerung und eine besonders direkte Wirkung der Bewegungsverschiebung, so dass diese äußerst präzise erfolgen kann.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Haltedorn zumindest einen zumindest bereichsweise umlaufenden Steg aufweist, welcher im verbundenen Zustand mit dem Pufferelement in eine Nut an einer Innenseite des Pufferelements eingreift. Dadurch ist eine besonders mechanisch stabile Befestigung des Pufferelements an dem Halteteil gewährleistet.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Pufferelement mit einem axial orientierten und gegenüber der Breite des Hohlbereichs des Pufferelements mit einem kleineren radialen Ausmaß ausgebildeten Anschlagelement an einem Anschlagteil der Vorrichtung anliegt und das Zahnrad in Richtung der gezahnten Struktur bewegbar vorgespannt ist.
-
Vorzugsweise ist zumindest ein Sensor vorgesehen, welcher zur Erfassung der Drehstellung des Zahnrads der Zahnradvorrichtung ausgebildet ist. Abhängig von der Drehstellung des Zahnrads ist dann die Position und somit auch der Positionswinkel des drehbaren Bauteils bestimmbar. Die Vorrichtung umfasst dazu vorzugsweise eine Steuereinheit, welche zur Auswertung der Sensorinformationen ausgebildet ist. Da das Zahnrad der Zahnradvorrichtung mit der gezahnten Struktur des Bauteils gekoppelt ist und deren ursprünglich anfängliche relative Position zueinander bekannt und abgespeichert ist, kann somit über diese indirekte Vorgehensweise der Positionswinkel des drehbaren Bauteils bestimmt werden.
-
Vorzugsweise ist der Verlauf einer Zahnflanke im Hinblick auf ihre Konturgestaltung eines Zahnes der Zahnradvorrichtung vom Zahnfuß bis zum Zahnkopf stufenfrei bzw. eckenfrei ausgebildet und/oder der Verlauf einer Zahnflanke eines Zahnrads der gezahnten Struktur vom Zahnfuß bis zum Zahnkopf stufenfrei ausgebildet.
-
Insbesondere ist das drehbare Bauteil eine Lenkwelle des Fahrzeugs und der Positionswinkel ist der Lenkwinkel.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer vorteilhaften Ausgestaltung davon.
-
Durch die Vorrichtung kann somit die Lagerung von mindestens einem Zahnrad so ausgestaltet werden, dass durch Verschiebung der Lagerachse das Spiel zwischen den Zahnrädern verändert werden kann. Dadurch, dass insbesondere auch eine permanente Anpassung des Achsabstands der Drehachsen erfolgt, wird der Einfluss von Geometrieabweichungen der Komponenten auf das Spiel des Zahnradssystems ausgeglichen, was zu weitgehender Spielfreiheit führt. Insbesondere durch die vorteilhafte Ausgestaltung mit der Feder ist ein permanenter spielfreier Eingriff der Zähne des Zahnrads in die gezahnte Struktur des Bauteils gewährleistet und die Hysterese wird weitestgehend eliminiert.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Draufsicht in Teilausschnitt auf eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung;
-
2 einen Teilausschnitt auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsichtdarstellung;
-
3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
-
4 eine vergrößerte Teilansicht eines Ausschnitts der Vorrichtung in 3.
-
In de Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 2 ist in einer Draufsicht eine Vorrichtung 1 gezeigt, welche zur Erfassung eines Positionswinkels, und zwar eines Lenkwinkels 4, einer Lenkwelle 2 ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 ist in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Sie umfasst eine Zahnradvorrichtung 3 mit zumindest einem Zahnrad 4, welches um eine senkrecht zur Figurenebene orientierte Drehachse A drehbar angeordnet ist. Die Lenkwelle 2 ist um eine senkrecht zur Figurenebene angeordnete Drehachse B drehbar gelagert. Die Lenkwelle 2 weist an ihrer Außenseite eine gezahnte Struktur 5 mit Zähnen 7 auf. Lediglich ein Zahn ist der Übersichtlichkeit dienend mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Entsprechend ist das Zahnrad 4 der Zahnradvorrichtung 3 mit Zähnen 6 versehen, von denen auch lediglich nur ein Zahn mit dem Bezugszeichen 6 versehen ist.
-
Das Zahnrad 4 ist im Ausführungsbeispiel relativ zur ortsfest angeordneten Lenkwelle 2 bewegbar. In diesem Sinne sind insbesondere die Drehachsen A und B, die sich parallel zueinander erstrecken, in der Figurenebene relativ zueinander bewegbar. In diesem Zusammenhang ist die Drehachse B ortsfest angeordnet und die Drehachse A kann in der Figurenebene relativ dazu verschoben werden. Dazu umfasst die Vorrichtung 1 eine Vorspanneinrichtung 12. Die Vorspanneinrichtung 12 umfasst eine Feder 13, die als Bügelfeder oder Blattfeder ausgebildet ist. Sie ist auf der der Lenkwelle 2 gegenüber liegenden Seite des Zahnrads 4 angeordnet und drückt das Zahnrad 4 und somit auch die Drehachse A in Richtung der Drehachse B. Die Krafteinwirkung ist dabei durch den Pfeil F gekennzeichnet. Die Vorspanneinrichtung 12 umfasst darüber hinaus ein Halteteil 14, an dem die Feder 13 befestigt ist. Das Halteteil 14 ist über Befestigungen 15 und 16 gehalten. Die Feder 13 ist so angeordnet, dass sie die Krafteinwirkung gemäß der Pfeilrichtung des Kraftvektors F erzeugt und somit im Wesentlichen entlang einer Verbindungsgeraden 17 zwischen den Drehachsen B und A generiert. Durch eine derartige symmetrische Ausgestaltung und symmetrische Krafteinwirkung ist eine besonders leichte und verschleißarme Konstruktion gewährleistet. Durch die Bewegungsmöglichkeit des Zahnrades 4 kann entlang der Geraden 17 eine Lageverschiebung der Drehachse A hin zur Drehachse B als auch weg davon ermöglicht werden. Beliebige Toleranzen können dadurch ausgeglichen werden. Durch eine derartige Vorspanneinrichtung 12 mit ihrer spezifischen Ausgestaltung und ihrer konstruktionsbedingten ganz spezifschen Krafteinleitung kann gewährleistet werden, dass die Zähne 6 des Zahnrads 4 so in die Freiräume zwischen Zähnen 7 der gezahnten Struktur 5 eingreifen bzw. darin kämmen, dass die Zahnflanken 8 und 10 beim Eingriff eines Zahns 6 in einen Freiraum zwischen zwei Zähnen 7 gleichzeitig die Zahnflanken 9 und 11 kontaktieren, so dass in Umlaufrichtung um die Achse B ein spielfreier Eingriff gewährleistet ist. Eine Ausgestaltung wie sie in 1 gezeigt ist, ist dadurch vermieden, und ein Spiel mit einem Abstand d ist verhindert.
-
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 zumindest einen Sensor 18, der mit einer Steuereinheit 19 verbunden ist. Mittels dem zumindest einen Sensor 18 wird die Drehstellung des Zahnrades 4 umfasst und abhängig davon dann der Lenkwinkel 4 der Lenkwelle 2 bestimmt.
-
In 3 ist in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 gezeigt. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 2 ist hier vorgesehen, dass die Vorspanneinrichtung 12 keine Feder aufweist, sondern ein elastisches Pufferelement 20 umfasst. Das elastische Pufferelement 20 ist einstückig ausgebildet und beispielsweise aus einem Elastomer hergestellt. Das elastische Pufferelement 20 ist als Kappe ausgebildet und an einem Ende 21 des einen hohlen Ringabschnitts darstellenden Halteteils 14 für das Zahnrad 4 angeordnet. Im in 3 gezeigten zusammengebauten Zustand ist das Pufferelement 20 zwischen diesem Ende 21 und einem an einem Gehäuse 23 angeordneten plattenartigen Anschlagteil 22 angeordnet. Das Pufferelement 20 liegt auch an diesem Anschlagteil 22 an. Durch diese Anordnung und Positionierung und das Anschlagen an diesem Anschlagteil 22 ist die Vorspannung des Zahnrads 4 in Richtung der gezahnten Struktur 5 erreicht. Durch das Pufferelement 20 werden diesbezüglich entsprechende Bewegungen der Zahnräder 4 und 5 und somit eine positionelle Verschiebung der Achsen A und B ermöglicht.
-
In 3 ist das bereits angesprochene Gehäuse 23 gezeigt. In diesem ist ein Schaltungsträger 24 in Form einer Plantine eingelegt, wobei auf diesem Schaltungsträger 24 das Zahnrad 4, das Halteteil 14 und das Pufferelement 20 montiert sind. Auf diesem Schaltungsträger 24 können auch die in 2 angesprochenen und dort schematisch gezeigten Bauteile in Form des Sensors 18 und der Steuereinheit 19 angeordnet sein.
-
In 4 ist in einer vergrößerten Darstellung ein Teilausschnitt der Ausführung in 3 gezeigt, wobei insbesondere das Halteteil an seinem Ende 21 mit dem Pufferelement 20 detaillierter gezeigt ist. Das Pufferelement 20 ist dabei im Schnitt gezeigt, so dass auch das Innere des Pufferelements 20 eingesehen werden kann.
-
Wie zu erkennen ist, ist an dem Ende 21 des Halteteils 14 ein erhabener Haltedorn 25 ausgebildet. Dieser ist im Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder ausgestaltet. An seiner Außenseite bzw. Mantelseite weist der Haltedorn 25 einen oder mehrere zumindest bereichsweise umlaufende radial nach außen stehende Stege 26 auf. Dieser Steg 26 greift in eine Nut 30 an einer Innenseite 31 des Pufferelements 20 ein. Das Pufferelement 20 ist diesbezüglich zumindest bereichsweise hohl ausgebildet und weist einen unteren Hohlkörper 27, der einen Hohlraum 28 aufweist, auf. Dieser ist nach unten hin offen und somit im Hinblick auf die Befestigung am Haltedorn 25 offen ausgebildet. Nach oben hin ist dieser Hohlkörper 27 gemäß der kappenartigen Ausgestaltung geschlossen. An der Außenseite dieser oben geschlossenen Formgebung ist ein Anschlagelement 29 ausgebildet. Dieses liegt im in 3 gezeigten zusammengebauten Zustand an dem Anschlagteil 22 an. Wie zu erkennen ist, ist das Anschlagelement 29 massiv und somit nicht hohl ausgebildet und ist als Zylinderform konzipiert. Darüber hinaus weist es radial geringere Ausmaße auf, als der Hohlkörper 27. Das Anschlagelement 29 ist rotationssymmetrisch zur Längsachse C des Pufferelements 20 ausgebildet.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Anschlagelement 29 einen Durchmesser kleiner 3 mm, insbesondere 2,8 mm aufweist. Der Hohlkörper 27 weist vorzugsweise einen Außendurchmesser kleiner 8 mm, insbesondere 5,8 mm auf. Die Höhe des Haltedorns 25 beträgt vorzugsweise kleiner 3 mm, insbesondere 2,8 mm.
-
Im Hinblick auf die Montage der Vorrichtung 1, wie sie in 3 gezeigt ist, wird zunächst das Gehäuse 23 bereitgestellt und dann der Schaltungsträger 24 darin angeordnet und montiert. Dann wird die gezahnte Struktur 5 montiert, wobei dann im nachfolgenden eine Buchse der Befestigung 16 montiert wird.
-
Im nachfolgenden wird dann das Halteteil 14 mit dem Zahnrad 4 und dem Pufferelement 20 montiert. Im weiteren wird dann mit einer Schraube die Befestigung des Halteteils 14 an der Befestigung 16 durchgeführt. In einem letzten Schritt wird dann die nicht gezeigte Codescheibe aufgelegt, ein Verstemmen durchgeführt sowie ein Lichtleiter und eine Wickelfeder montiert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
