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Die Erfindung geht aus von einem Winkelsensor zur Erfassung von Drehwinkeln eines rotierenden Bauteils nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einer Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einer rotierenden Welle in einem Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 6.
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Lenkwinkelsensoren sollen bis zu sechs Umdrehungen eines Lenkrades messen, was einem Winkelbereich von etwa 2000° entspricht. Somit muss zusätzlich zur Winkelmessung eine Zählung von Umdrehungsperiodizitätsabschnitten gewährleistet werden. Aus dem Stand der Technik sind Lenkwinkelsensoren bekannt, welche den Lenkwinkel für mehrere Umdrehungen des Lenkrades mit Hilfe zweier Zahnräder messen, die über ein großes Zahnrad an einer Lenkradwelle gekoppelt sind. In der Mitte der Zahnräder sind Permanentmagnete angeordnet und mit Hilfe von Magnetfeldsensoren kann der Winkel der Zahnräder bestimmt werden. Die beiden Zahnräder haben eine leicht unterschiedliche Anzahl von Zähnen, so dass am Verhältnis der Winkel zueinander auch die jeweilige Umdrehung der Zahnräder bestimmt werden kann. Somit kann der Winkel des Lenkrades über mehrere Umdrehungen bestimmt werden. Für diese bekannte Ausführungsform sind zwei Zahnräder und somit auch zwei Magnetfeldsensoren zur Bestimmung des aktuellen Drehwinkels erforderlich.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 011 448 A1 wird beispielsweise eine Anordnung zur Erfassung eines Drehwinkels beschrieben. Die beschriebene Anordnung umfasst Geber und Sensoren, welche in Abhängigkeit von einer Drehwinkeländerung eines rotierenden Bauteils von den Gebern erzeugte Änderungen einer physikalischen Größe als digital auswertbare Signale detektieren. Das rotierende Bauteil weist mindestens einen an seinem Umfang gekoppelten, durch seine Rotation sich drehenden Satelliten kleineren Umfangs, vorzugsweise mit einem Winkelsensor auf, welcher über ein axial gekoppeltes Hypozykloidgetriebe eine ebenfalls rotierende Hyperzykloidscheibe oder Hypozykloidzahnrad antreibt, deren Umdrehungsgeschwindigkeit durch das Hypozykloidgetriebe derart untersetzt ist, dass hieraus eine Umdrehungszahl des rotierenden Bauteils und der absolute Lenkwinkel über mehrere Umdrehungen der Lenkwelle mit einem Umdrehungssensorsystem ermittelbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Winkelsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Sensoranordnung haben demgegenüber den Vorteil, dass die Geräuschentwicklung und eine axiale Bewegung der rotierenden Bauteile, welche zur Erfassung des Drehwinkels einer rotierenden Welle in einem Fahrzeug eingesetzt werden, reduziert werden können. Zudem kann durch Ausführungsformen der Erfindung die Kippgefahr der rotierenden Bauteile deutlich reduziert werden und ein Luftspalt bzw. Abstand zwischen einem Messwertgeber und einem Messwertaufnehmer in vorteilhafter Weise über die Lebensdauer nahezu konstant gehalten werden. Des Weiteren können Ausführungsformen der Erfindung verhindern, dass das rotierende Bauteil an einer Komponente des Winkelsensors, wie beispielsweise einer Leiterplatte, schleift und dort vorhandene elektrisch leitende Strukturen, wie beispielsweise Leiterbahnen, beschädigt.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Winkelsensor zur Erfassung von Drehwinkeln eines rotierenden Bauteils mit einem Messwertgeber und einem Messwertaufnehmer zur Verfügung, welcher eine von der Rotationsbewegung des rotierenden Bauteils abhängige Winkelinformation erzeugt. Hierbei ist eine erste Komponente des Winkelsensors mit dem rotierenden Bauteil drehfest verbunden und eine zweite Komponente des Winkelsensors ist mit einem vorgegebenen axialen Abstand zur ersten Komponente ortsfest angeordnet. Erfindungsgemäß ist das rotierende Bauteil in einer Führung axial und radial geführt, wobei mindestens eine elastische Federanordnung das rotierende Bauteil axial in die Führung drückt.
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So kann beispielsweise ein als Permanentmagnet ausgeführter Messwertgeber mit dem rotierenden Bauteil verbunden werden und sich mit diesem mitbewegen. Ein als Hallsensor ausgeführter Messwertaufnehmer ist dann ortsfest mit einem vorgegebenen axialen Abstand zum Permanentmagneten angeordnet und erfasst die durch die Rotationsbewegung bewirkte Änderung des Magnetfelds. Diese Anordnung ermöglicht eine einfache elektrische Kontaktierung des Hallsensors. Alternativ kann der Hallsensor mit dem rotierenden Bauteil verbunden werden und der Permanentmagnet kann ortsfest angeordnet werden.
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Des Weiteren wird eine Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einer rotierenden Welle in einem Fahrzeug mit einem ersten Winkelsensor, welcher eine von der Rotationsbewegung der rotierenden Welle abhängige erste Winkelinformation erzeugt, und mit einem zweiten Winkelsensor vorgeschlagen, welche eine von der Rotationsbewegung der rotierenden Welle abhängige zweite Winkelinformation erzeugt. Der aktuelle Drehwinkel der rotierenden Welle ist in einem vorgegebenen Wertebereich eindeutig aus der ersten Winkelinformation und der zweiten Winkelinformation ermittelbar. Hierbei ist die rotierende Welle mit einem Drehgeber gekoppelt, welcher die Bewegung der rotierenden Welle an den ersten Winkelsensor und an den zweiten Winkelsensor überträgt. Zudem ist der Drehgeber in einer Führung axial und radial geführt, wobei eine elastische erste Federanordnung den Drehgeber axial in die Führung drückt.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann im Fahrzeug beispielsweise zur Erfassung des Lenkwinkels oder eines Pedalwegs eingesetzt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Winkelsensors zur Erfassung von Drehwinkeln eines rotierenden Bauteils und der im unabhängigen Patentanspruch 6 angegebenen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einer rotierenden Welle in einem Fahrzeug möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die ortsfeste Komponente des Winkelsensors auf einer Leiterplatte angeordnet werden kann. Die mindestens eine elastische Federanordnung kann an einer Abstandsplatte angeordnet werden, welche zwischen der Leiterplatte und dem rotierenden Bauteil angeordnet werden kann und im Bereich der Komponenten des Winkelsensors eine Aussparung aufweisen kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Winkelsensors kann die mindestens eine elastische Federanordnung zwei Federelemente aufweisen, welche an einander gegenüberliegenden Seiten der Aussparung angeordnet werden und entgegengesetzt zueinander verlaufen können, so dass die zwei Federelemente an zwei einander gegenüberliegenden Auflagepunkten axial auf das rotierende Bauteil wirken. Dadurch kann die Kippneigung des rotierenden Bauteils reduziert und ein planes Aufliegen des rotierenden Bauteils am Boden der Führung bewirkt werden. Die Abmessungen und die Materialwahl für das rotierende Bauteil und die Führung sind so aufeinander abgestimmt und angepasst, dass diese nahezu spielfrei zusammenwirken, um die Rotationsbewegung des radial und axial geführten Bauteils zu ermöglichen. Vorzugsweise können die Federelemente als Federzungen ausgeführt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Winkelsensors kann das rotierende Bauteil als Zahnrad ausgeführt werden, an dessen Grundkörper ein Zahnkranz und ein Führungsrand angeformt werden können, auf welchen die mindestens eine Federanordnung wirken kann. Durch die Ausführung als Zahnrad kann der Grundkörper einfach mit einem anderen Zahnrad gekoppelt und von diesem angetrieben werden, so dass der Winkelsensor eine entsprechende Winkelinformation für die Bewegung des anderen Zahnrads erzeugen kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die elastische erste Federanordnung mindestens zwei Federelemente umfassen, welche auf einen Führungsrand wirken können, welcher an einer die rotierende Welle umgreifenden Öffnung des Drehgebers angeordnet werden kann. So können die mindestens zwei Federelemente an einander gegenüberliegenden Seiten der Öffnung angeordnet werden und entgegengesetzt zueinander verlaufen, so dass die zwei Federelemente an zwei einander gegenüberliegenden Auflagepunkten axial auf den Drehgeber wirken können. Dadurch kann die Kippneigung des Drehgebers reduziert und ein planes Aufliegen des rotierenden Drehgebers am Boden der Führung bewirkt werden. Vorzugsweise können vier Federelemente eingesetzt werden, welcher beispielsweise als Federzungen ausgeführt werden können, um die Kippneigung weiter zu reduzieren.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann der Drehgeber einen Hauptzahnkranz aufweisen, welcher die Bewegung der rotierenden Welle auf einen ersten Zahnkranz eines ersten Zahnrades und auf einen zweiten Zahnkranz eines zweiten Zahnrades übertragen kann, wobei sich die Anzahl der Zähne des ersten Zahnkranzes von der Anzahl der Zähne des zweiten Zahnkranzes unterscheiden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung ein mehrteiliges Gehäuse aufweisen, in welcher der erste Winkelsensor und der zweite Winkelsensor angeordnet werden können. Hierbei können die ortsfesten Komponenten der Winkelsensoren auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet werden. Zudem kann eine gemeinsame Abstandsplatte mit zwei Aussparungen und mindestens zwei elastischen Federanordnungen jeweils zwischen dem ersten Zahnrad und der Leiterplatte und dem zweiten Zahnrad und der Leiterplatte angeordnet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können die mindestens zwei Federelemente der ersten Federanordnung beispielsweise am Rand einer Öffnung, welche die rotierende Welle zumindest teilweise umfasst, eines ersten Gehäuseteils angeordnet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Führung des Drehgebers am Rand einer Öffnung, welche die rotierende Welle zumindest teilweise umfasst, eines zweiten Gehäuseteils angeordnet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einer rotierenden Welle in einem Fahrzeug.
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2 zeigt eine schematische Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Winkelsensors für die erfindungsgemäße Sensoranordnung aus 1.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Winkelsensors aus 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 zur Erfassung von Drehwinkeln an einer nicht dargestellten rotierenden Welle in einem Fahrzeug einen ersten Winkelsensor 3, welcher eine von der Rotationsbewegung der rotierenden Welle abhängige erste Winkelinformation erzeugt, und einen zweiten Winkelsensor 4, welcher eine von der Rotationsbewegung der rotierenden Welle abhängige zweite Winkelinformation erzeugt. Ein aktueller Drehwinkel der rotierenden Welle kann in einem vorgegebenen Wertebereich eindeutig aus der ersten Winkelinformation und der zweiten Winkelinformation ermittelt werden.
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Die erste Winkelsensor 3 und der zweite Winkelsensor 4 zur Erfassung von Drehwinkeln eines rotierenden Bauteils 20, 30 umfassen jeweils einen Messwertgeber 26, 36 und einen Messwertaufnehmer 12, 14 und erzeugen eine von der Rotationsbewegung des rotierenden Bauteils 20, 30 abhängige Winkelinformation. Hierbei ist eine erste Komponente des Winkelsensors 3, 4 mit dem rotierenden Bauteil 20, 30 drehfest verbunden und eine zweite Komponente des Winkelsensors 3, 4 ist mit einem vorgegebenen axialen Abstand L zur ersten Komponente ortsfest angeordnet. Erfindungsgemäß ist das rotierende Bauteil 20, 30 in einer Führung 7.3 axial und radial geführt, wobei mindestens eine elastische Federanordnung 44 das rotierende Bauteil 20, 30 axial in die Führung 7.3 drückt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Messwertgeber 26, 36 als Permanentmagnet ausgeführt und in einer Aufnahme 24, 34 des rotierenden Bauteils 20, 30 angeordnet und drehfest mit diesem verbunden. Der Messwertaufnehmer 12, 14 ist als Hallsensor ausgeführt und ortsfest mit einem vorgegebenen axialen Abstand L zum Messwertgeber 26, 36 auf einer Leiterplatte 10 angeordnet. Dies ermöglicht eine einfache elektrische Kontaktierung und Versorgung des Messwertaufnehmers 20, 30. Alternativ kann der Messwertaufnehmer 12, 14 mit dem rotierenden Bauteil 20, 30 verbunden werden und der Messwertgeber 26, 36 ortsfest auf der Leiterplatte 10 angeordnet werden.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, ist die mindestens eine elastische Federanordnung 44 an einer Abstandsplatte 40 angeordnet, welche zwischen der Leiterplatte 10 und dem rotierenden Bauteil 20, 30 angeordnet ist und im Bereich des Messwertaufnehmers 12, 14 und des Messwertgebers 26, 36 eine Aussparung 42 aufweist. Die mindestens eine elastische Federanordnung 44 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwei als Federzungen ausgeführte Federelemente 44.1, 44.2 auf, welche an einander gegenüberliegenden Seiten der Aussparung 42 angeordnet sind und entgegengesetzt zueinander verlaufen, so dass die zwei Federelemente 44.1, 44.2 an zwei einander gegenüberliegenden Auflagepunkten axial auf das rotierende Bauteil 20, 30 wirken. Die mindestens eine Federanordnung 44 kann auch mehr als zwei Federelemente 44.1, 44.2 aufweisen, um an mehr als zwei Auflagepunkten axial auf das rotierende Bauteil 20, 30 zu wirken, wobei die Federelemente 44.1, 44.2 dann so angeordnet sind, dass die Auflagepunkte gleichmäßig verteilt am Umfang des rotierenden Bauteils 20, 30 angeordnet sind. Die Abmessungen und die Materialwahl für das rotierende Bauteil 20, 30 und die Führung 7.3 sind so aufeinander abgestimmt und angepasst, dass diese nahezu spielfrei zusammenwirken, um die Rotationsbewegung des radial und axial geführten Bauteils 20, 30 in der Führung 7.3 zu ermöglichen.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, ist das rotierende Bauteil 20, 30 jeweils als Zahnrad ausgeführt, an dessen Grundkörper ein Zahnkranz 22, 32 und ein Führungsrand 28, 38 angeformt sind, auf welchen das mindestens eine Federelement 44 wirkt.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist die Sensoranordnung 1 einen Drehgeber 2 mit einem Hauptzahnkranz 2.2 auf, welcher über mindestens einen Mitnehmer 2.1 mit der nicht dargestellten rotierenden Welle gekoppelt werden kann. Der Hauptzahnkranz 2.2 überträgt die Bewegung der rotierenden Welle auf einen ersten Zahnkranz 22 eines ersten Zahnrades 20 und auf einen zweiten Zahnkranz 32 eines zweiten Zahnrades 30. Hierbei unterscheidet sich die Anzahl der Zähne des ersten Zahnkranzes 22 von der Anzahl der Zähne des zweiten Zahnkranzes 32. Der erste Winkelsensor 3 erzeugt die erste Winkelinformation basierend auf der Zahnanzahl des ersten Zahnkranzes 22 des ersten Zahnrades 20 mit einer ersten Periodizität, und der zweite Winkelsensor 4 erzeugt die zweite Winkelinformation basierend auf der Zahnanzahl des zweiten Zahnkranzes 32 des zweiten Zahnrades 30 mit einer zweiten Periodizität. Durch die unterschiedliche Anzahl von Zähnen kann am Verhältnis der Winkelinformationen zueinander auch die jeweilige Umdrehung der Zahnräder bestimmt werden. Somit kann der Winkel der rotierenden Welle über mehrere Umdrehungen durch aus dem Stand der Technik bekannte Berechnungsverfahren eindeutig bestimmt werden.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist der Drehgeber 2 in einer Führung 7.4 axial und radial geführt, wobei eine elastische erste Federanordnung 6.2 den Drehgeber 2 axial in die Führung 7.4 drückt. Die elastische erste Federanordnung 6.2 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel vier Federelemente 6.3, welche auf einen Führungsrand 2.3 wirken, welcher an einer die rotierende Welle umgreifenden Öffnung 2.4 des Drehgebers 2 angeordnet ist.
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Wie aus 1 bis 3 weiter ersichtlich ist, weist die dargestellte Sensoranordnung 1 ein mehrteiliges Gehäuse 5 auf, in welchem der erste Winkelsensor 3 und der zweite Winkelsensor 4 angeordnet sind, wobei die ortsfesten Messwertaufnehmer 12, 14 der Winkelsensoren 3, 4 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 10 angeordnet sind. Zudem ist eine gemeinsame Abstandsplatte 40 mit zwei Aussparungen 42 und mindestens zwei Federelementen 44 jeweils zwischen dem ersten Zahnrad 20 und der Leiterplatte 10 und dem zweiten Zahnrad 30 und der Leiterplatte 10 angeordnet. Wie insbesondere aus 1 weiter ersichtlich ist, besteht das Gehäuse 5 aus einem ersten Gehäuseteil 6, der in 1 oben dargestellt ist, und einem zweiten Gehäuseteil 7, der in 1 unten dargestellt ist. Beide Gehäuseteile 6, 7 weisen eine Öffnung 6.4, 7.5 auf, durch welche die rotierende Welle geführt wird, deren Drehwinkel erfasst werden soll. Das bedeutet, dass die Gehäuseteile 6, 7 die rotierende Welle zumindest teilweise umgreifen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 6.4, 7.5 kreisrund ausgeführt und umgreifen die rotierende Welle vollständig. In dem kreisrunden Gehäusebereich, welcher die rotierende Welle umgreift ist der Drehgeber 2 drehbeweglich geführt. Hierbei ist die Führung 7.4 des Drehgebers 2 am Rand der Öffnung 7.5 am zweiten Gehäuseteil 7 angeordnet, welche die rotierende Welle zumindest teilweise umgreift. Die vier Federelemente 6.3 der ersten Federanordnung 6.2 sind am Rand der Öffnung 6.4 des ersten Gehäuseteils 6 angeordnet, welche die rotierende Welle zumindest teilweise umfasst.
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An den kreisrunden Gehäusebereich schließt sich ein rechteckiger Gehäusebereich an, in welchem die Leiterplatte 10, die beiden Zahnräder 20, 30 und die Abstandsplatte 40 angeordnet sind. Die beiden Zahnräder 20, 30 sind so angeordnet, dass der Hauptzahnkranz 2.2 die Zahnkränze 22, 32 der Zahnräder 20, 30 an einem Kämmbereich kämmen und diese antreiben kann. Die beiden Zahnräder 20, 30 sind bis auf den Kämmbereich von einer Wandung umschlossen, welche am zweiten Gehäuseteil 7 ausgebildet ist und als Auflage 7.2 für die Abstandsplatte 40 verwendet wird. Zudem sind am zweiten Gehäuseteil 7 zwei Führungszapfen 7.1 ausgebildet, auf welche die Abstandsplatte 40 und die Leiterplatte 10 über entsprechende Führungsbohrungen 46, 16 lagerichtig aufgesteckt werden. Die beiden Gehäuseteile 6, 7 werden über nicht näher bezeichnete Clipsverbindungen miteinander verbunden. Zudem ist am ersten Gehäuseteil 6 eine Steckeraufnahme 6.1 ausgebildet, welche einen nicht dargestellten Stecker zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zu Kontaktelementen 18 aufnehmen kann, welche auf der Leiterplatte 10 angeordnet sind. Am zweiten Gehäuseteil 7 sind nicht näher bezeichnete Befestigungslaschen bzw. Durchgangsbohrungen vorgesehen, über welche das Gehäuse 5 im Fahrzeug befestigt werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Winkelsensor und eine korrespondierende Sensoranordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an einer rotierenden Welle in einem Fahrzeug zur Verfügung, welche in vorteilhafter Weise zur Erfassung eines Lenkwinkels oder eines Pedalwegs eingesetzt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011448 A1 [0003]
