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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung für ein Kugelgelenk, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln sowie auf ein Sensorsystem.
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Aus der
DE 103 50 640 B4 ist ein Kugelgelenk für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem eine Messanordnung vollständig außerhalb des Lagerungsbereichs für die Gelenkkugel des Kugelgelenks angeordnet ist. Mehrere Sensoren bzw. die Einzelsensoren eines Sensors-Arrays können in einem Kreis angeordnet sein.
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Der
US 5,712,478 A ist ein Sensor zur Positionsbestimmung eines Kugelgelenks zu entnehmen, wobei drei einzelne Emitter einerseits und mindestens zwei Kollektoren andererseits zum Einsatz kommen. Hierbei erzeugt jeder der Emitter ein eigenständiges Signal.
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Aus der
US 5,416,392 A ist ein Kugelmotor bekannt, wobei zur Bestimmung der Lage ein Sensorsystem eingesetzt wird, das zwei Bildsensoren in dem Kugelgehäuse und ein Kugelgitterraster auf der Kugelfläche des Rotors hat.
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Ein Kugelgelenk weist drei Freiheitsgrade um drei Rotationsachsen auf, während lineare Bewegungen entlang aller drei Achsen übertragen werden. Drehungen um zwei der Rotationsachsen resultieren in einem kombinierten Knickwinkel des Kugelgelenks. Ein Messen des kombinierten Knickwinkels ist mit konventionellen Winkelmesssystemen schwierig.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Sensorvorrichtung für ein Kugelgelenk, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Ermitteln sowie ein verbessertes Sensorsystem gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Wird ein Kugelzapfen innerhalb einer ihn umschließenden Kugelschale in einer Schnittebene geschnitten, resultieren eine kreisrunde Schnittfläche einer Kugel des Kugelzapfens und eine Schnittfläche der Kugelschale mit einer kreisrunden Aussparung. Die Aussparung und die Kreisfläche sind dabei gleich groß. Wird der geschnittene Kugelzapfen in der Kugelschale verdreht, neigt sich die Schnittebene der Kugel gegenüber der Schnittebene der Kugelschale und beide Schnittebenen schneiden sich in einer Geraden. An einer Trennfläche zwischen der Kugel und der Kugelschale verläuft die Gerade durch zwei charakteristische Schnittpunkte.
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Positionen der Schnittpunkte sind dabei unmittelbar abhängig von einer Richtung und einem Winkel, um den der Kugelzapfen verdreht worden ist. Im Umkehrschluss kann dabei von den Positionen beider Schnittpunkte direkt auf die Richtung und den Winkel geschlossen werden.
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Es wird eine Sensorvorrichtung für ein Kugelgelenk vorgestellt, wobei das Kugelgelenk eine Kugelschale und einen in der Kugelschale drehbar gelagerten Kugelzapfen aufweist, wobei die Sensorvorrichtung ein in einer Sensorebene der Kugelschale angeordnetes, zumindest teilweise ringförmiges Sensorelement und ein in einer Geberebene des Kugelzapfens angeordnetes, von dem Sensorelement erfassbares, zumindest teilweise ringförmiges Geberelement aufweist, wobei das Sensorelement dazu ausgebildet ist, das Geberelement zu erfassen und eine erste Schnittpunktkoordinate und eine zweite Schnittpunktkoordinate bereitzustellen, wobei die erste Schnittpunktkoordinate einen ersten Schnittpunkt zwischen der Geberebene und dem Sensorelement repräsentiert und die zweite Schnittpunktkoordinate einen zweiten Schnittpunkt zwischen der Geberebene und dem Sensorelement repräsentiert.
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Unter einer Sensorebene kann eine Bezugsebene verstanden werden. Eine Geberebene beziehungsweise ein Geberelement kann ein zu erfassendes Messobjekt sein. Eine Schnittpunktkoordinate kann zumindest einen Zahlenwert umfassen. Beispielsweise kann die Schnittpunktkoordinate einen Winkelwert eines Schnittpunkts zu einem Bezugspunkt abbilden.
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Ein Sensorabstand der Sensorebene zu einem Kugelmittelpunkt des Kugelzapfens und ein Geberabstand der Geberebene zu dem Kugelmittelpunkt können im Wesentlichen gleich sein. Alternativ dazu können der Sensorabstand und der Geberabstand voneinander abweichen oder eine Differenz aufweisen. Wenn der Sensorabstand und der Geberabstand gleich sind, kann der Winkel zwischen dem Kugelzapfen und der Kugelschale unmittelbar erfasst werden. Wenn der Sensorabstand und der Geberabstand eine Differenz aufweisen beziehungsweise zueinander versetzt angeordnet sind, kann ein Toleranzbereich um eine Nullstellung unerfasst bleiben. Dabei resultiert jedoch außerhalb des Toleranzbereichs eine hohe Messgenauigkeit.
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Das Geberelement kann an einer Oberfläche einer Kugel des Kugelzapfens angeordnet sein. Das Geberelement kann beispielsweise eine kreisförmige Markierung auf der Oberfläche sein. Das Geberelement kann im Bereich einer Kugeloberfläche des Kugelzapfens angeordnet sein.
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Das Geberelement kann als eine Kante einer in der Geberebene angeordneten Polfläche einer Kugel des Kugelzapfens ausgebildet sein. Eine Polfläche kann eine ebene Abflachung des Kugelzapfens sein. Durch die Polfläche entsteht eine kreisrunde Kante am Kugelzapfen, die gut erfasst werden kann.
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Das Geberelement kann im Wesentlichen orthogonal zu einer Längsachse eines Zapfens des Kugelzapfens ausgerichtet sein. An einem rotationssymmetrischen Kugelzapfen kann das Geberelement besonders einfach mit einer orthogonalen Ausrichtung ausgebildet werden.
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Das Sensorelement kann an einer Oberfläche der Kugelschale angeordnet sein. Das Sensorelement kann Bestandteil der Oberfläche sein. Durch die Anordnung im Bereich der Oberfläche kann das Geberelement gut erfasst werden.
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Das Sensorelement kann induktiv, kapazitiv und/oder optisch messend ausgeführt sein. Durch berührungslose Messverfahren kann der Winkel sicher und störungsarm erfasst werden. Zum Messen sind keine beweglichen Teile erforderlich.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Winkels zwischen einer Kugelschale eines Kugelgelenks und einem Kugelzapfen des Kugelgelenks vorgestellt, wobei in einem Schritt des Ermittelns der Winkel unter Verwendung einer ersten Schnittpunktkoordinate, einer zweiten Schnittpunktkoordinate und eines Kugelmittelpunkts des Kugelzapfens ermittelt wird, wobei die erste Schnittpunktkoordinate einen ersten Schnittpunkt zwischen einer Geberebene des Kugelzapfens und einem in einer Sensorebene der Kugelschale angeordneten, ringförmigen Sensorelement repräsentiert und die zweite Schnittpunktkoordinate einen zweiten Schnittpunkt zwischen der Geberebene und dem Sensorelement repräsentiert.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Ferner wird ein Sensorsystem mit einer Sensorvorrichtung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz und einer mit der Sensorvorrichtung verbundenen Vorrichtung zum Ermitteln gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
- 1 eine Darstellung eines Sensorsystems mit einer Sensorvorrichtung für ein Kugelgelenk und einer Vorrichtung zum Ermitteln gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine Darstellung eines verkippten Kugelgelenks mit einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine Prinzipskizze eines Ermittelns eines Winkels eines Kugelgelenks gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln eines Winkels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung eines Sensorsystems 100 mit einer Sensorvorrichtung 102 für ein Kugelgelenk 104 und einer Vorrichtung 106 zum Ermitteln gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kugelgelenk 104 weist eine Kugelschale 108 und einen in der Kugelschale 108 um zwei Drehachsen drehbaren Kugelzapfen 110 auf. Die Kugelschale 108 kann als Pfanne bezeichnet werden. Der Kugelzapfen 110 besteht dabei aus einem im Wesentlichen zylindrischen Zapfen 112 und einer an einem Ende des Zapfens 112 angeordneten Kugel 114. Der Kugelzapfen 110 ist in der Kugelschale 108 um einen Mittelpunkt 116 der Kugel 114 drehbar. Der Kugelmittelpunkt 116 liegt auf einer Längsachse 118 des Zapfens 112. Die Kugelschale 108 umschließt die Kugel 114 teilweise. Die Kugelschale 108 weist auf einer Innenseite eine im Wesentlichen einem Abdruck der Kugel 114 entsprechende Kontur auf.
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Die Sensorvorrichtung 102 ist hier an einer von dem Zapfen 112 abgewandten Seite der Kugelschale 108 und der Kugel 114 angeordnet. Die Sensorvorrichtung 102 weist ein mit der Kugelschale 108 gekoppeltes Sensorelement 120 und ein mit dem Kugelzapfen 110 gekoppeltes Geberelement 122 auf. Das Sensorelement 120 ist ringförmig um die Kugel 114 umlaufend in einer Sensorebene 124 der Sensorvorrichtung angeordnet. Das Geberelement 122 ist ebenfalls ringförmig um die Kugel 114 umlaufend in einer Geberebene 126 der Sensorvorrichtung 102 angeordnet. Die Sensorebene 124 weist einen Sensorabstand 128 zu dem Kugelmittelpunkt 116 auf. Die Geberebene 126 weist einen Geberabstand 130 zu dem Kugelmittelpunkt 116 auf. Hier sind der Sensorabstand 128 und der Geberabstand 130 identisch. Die Geberebene 126 ist orthogonal zu der Längsachse 118 ausgerichtet. Die Sensorebene 124 und die Geberebene 126 sind bei der hier dargestellten Nullstellung des Kugelgelenks 104 parallel zueinander angeordnet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kugel 114 des Kugelzapfens 110 auf einer dem Zapfen 112 gegenüberliegenden Seite abgeflacht. Die Abflachung bildet eine Polfläche 132 aus. An einem Übergang von der Polfläche 132 zu einer Kugeloberfläche der Kugel 114 resultiert dadurch eine Kante 134. Die Kante 134 ist durch das Sensorelement 120 erfassbar und bildet das Geberelement 122 aus.
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Wenn der Kugelzapfen 110 um einen Winkel aus der Nullstellung heraus gedreht wird, so verkippt die Geberebene 126 mit dem Geberelement 122 gegenüber der Sensorebene 124 mit dem Sensorelement 120 um diesen Winkel. Das Geberelement 122 schneidet dann die Sensorebene 124 in zwei Schnittpunkten. Das Sensorelement 120 erfasst eine Lage der Schnittpunkte und bildet eine erste Position des ersten Schnittpunkts in einer ersten Schnittpunktkoordinate 136 ab. Eine zweite Position des zweiten Schnittpunkts wird in einer zweiten Schnittpunktkoordinate 130 abgebildet. Die Schnittpunktkoordinaten 136, 138 sind dabei beispielsweise Polarkoordinaten um einen Mittelpunkt des Sensorelements 120 oder den Kugelmittelpunkt 116, wobei ein Radius der Polarkoordinaten durch einen bekannten Radius des Sensorelements 120 beziehungsweise der Kugel 114 vorgegeben ist. Die Sensorvorrichtung 102 ist mit der Vorrichtung 106 zum Ermitteln über eine Signalleitung verbunden. Beide Schnittpunktkoordinaten 136, 138 werden für die Vorrichtung 106 zum Ermitteln bereitgestellt.
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Das Sensorelement weist beispielsweise eine Vielzahl von einzelnen in der Sensorebene 124 nebeneinander angeordneten Sendern und/oder Rezeptoren mit je einer bekannten Position auf. Durch ein Zuordnen der Schnittpunkte zu zumindest zwei dieser Rezeptoren und/oder Sendern können die Schnittpunktkoordinaten 136, 138 bestimmt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel erfasst das Sensorelement 120 das Geberelement 122 optisch. Beispielsweise werden die Schnittpunkte durch je einen Hell-dunkel-Übergang an der Kante 134 erkannt, der einem oder mehreren Rezeptoren und/oder Gebern zugeordnet wird.
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In einem Ausführungsbeispiel erfasst das Sensorelement 120 das Geberelement 122 induktiv. Dabei wird von dem Sensorelement ein elektromagnetisches Feld emittiert. Das Geberelement 122 beeinflusst das elektromagnetische Feld. Wenn die Kante 134 die Sensorebene 124 durchdringt, resultiert eine starke Veränderung der Induktivität an einem oder mehreren der Rezeptoren und/oder Geber.
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In einem Ausführungsbeispiel erfasst das Sensorelement 120 das Geberelement 122 kapazitiv. Dabei beeinflusst das Geberelement 122 eine Kapazität des Sensorelements. Wenn die Kante 134 die Sensorebene 124 durchdringt, resultiert eine starke Veränderung der Kapazität an einem oder mehreren der Rezeptoren und/oder Geber.
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2 zeigt eine Darstellung eines verkippten Kugelgelenks 104 mit einer Sensorvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensorvorrichtung 102 entspricht dabei im Wesentlichen der Sensorvorrichtung in 1. Hier ist der Kugelzapfen 110 um einen Winkel 200 innerhalb der Kugelschale 108 verdreht. Dabei ist eine Seite der Polfläche 132 gegenüber der Sensorebene 128 abgesunken, während die gegenüberliegende Seite der Polfläche 132 gegenüber der Sensorebene 128 angehoben ist. Mit anderen Worten steht die Geberebene 126 gegenüber der Sensorebene 128 schief und schneidet die Sensorebene 128 in einer durch zwei Schnittpunkte 202, 204 definierten Schnittgeraden 206.
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Die Sensorvorrichtung 102 erfasst die die Schnittpunktkoordinaten der Schnittpunkte 202, 204 und sendet sie an die Vorrichtung zum Ermitteln.
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Es wird ein alternatives Messprinzip zum Messen des Knickwinkels 200 in einem Kugelgelenk 104 vorgestellt. Dazu ist ein Sensor 102 in der Kugelschale 108 beziehungsweise dem Kugelgehäuse angeordnet. Der hier vorgestellte Sensor 102 kann beispielsweise für einen Höhensensor an einer PKW-Achse verendet werden. Bedingt durch die geometrische Anordnung wird ein präziseres, genaueres Ergebnis erwartet, als bei herkömmlichen Messmethoden in Kugelgelenken 104. Es ist eine Anwendung in sämtlichen Gelenken möglich.
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Der Kippwinkel 200 kann auch aus Relativabständen zwischen Sensoren und der Polfläche 132 errechnet werden. Dabei sind mehrere Sensoren gegenüber der Polfläche 132 erforderlich, damit das System bestimmt ist. Die Relativabstände sind nicht linear zum Kippwinkel 200, sondern verhalten sich wie eine Parabel.
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Bei dem hier vorgestellten Sensorkonzept ist der Sensor 102 beziehungsweise der Sensorring 120 umlaufend zur Polfläche 132 positioniert und bildet so einen Kreisring. Der Sensor 120 selektiert die Kante 134 der Polfläche 132 beziehungsweise der Kugel 114. Auch die umlaufende Kante 134 bildet einen Kreis 122.
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Verkippt der Kugelzapfen 110 so verkippt auch der Kreis 122 im Sensorring 120. Durch die geometrische Bindung zum Kugelmittelpunkt 116 erzeugt die Verkippung des Zapfens 110 immer, dass der Kreis 122 den Sensorring 120 an zwei Punkten 202, 204 schneidet. Aus diesen beiden Schnittpunkten 202, 204 kann die Winkelstellung des Zapfens 110 im Raum errechnet werden.
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3 zeigt eine Prinzipskizze eines Ermittelns eines Winkels eines Kugelgelenks 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kugelgelenk 104 entspricht im Wesentlichen dem in den 1 und 2 dargestellten Kugelgelenk. Im Gegensatz dazu weist die Sensorebene 124 hier einen Versatz zu der Geberebene 126 auf. Mit anderen Worten weisen der Sensorabstand und der Geberabstand eine Differenz auf. Dadurch weist die Sensorvorrichtung 102 einen Winkelbereich auf, in dem kein Winkel erfasst werden kann, da sich kein Schnittpunkt der Sensorebene 124 mit dem Geberelement 122 ergibt. Bei einem durch den Versatz definierten Berührwinkel berührt das Geberelement 122 die Sensorebene 124 in einem einzelnen Schnittpunkt, der als zwei Schnittpunkte 202, 204 interpretiert werden kann, bei denen die Schnittpunktkoordinaten identisch sein können.
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Im hier dargestellten Winkel durchdringt das Geberelement 122 die Sensorebene 124 und es resultieren die zwei Schnittpunkte 202, 204. Unter Verwendung von trigonometrischen Funktionen und geometrischen Zusammenhängen kann der Winkel ermittelt werden.
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In der Ebene 124 des Sensorrings 120 ergeben die beiden Schnittpunkte 202, 204 einen Kreisausschnitt. Unter Verwendung eines Einheitsradius von eins wird der Winkel β des Kreisausschnitts gebildet. Mit dem Winkel β sowie dem Offset, der Polfläche 132 zum Mittelpunkt kann der Winkel α errechnet werden. Der Offset kann beispielsweise h = 0,9 r betragen. Der Offset kann als Geberabstand bezeichnet werden. Das Prinzip kann auf verschiedene Messsysteme, wie beispielsweise induktiv, kapazitiv oder optisch angewandt werden.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Ermitteln eines Winkels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 400 kann auf einer Vorrichtung zum Ermitteln, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Verfahren 400 weist einen Schritt 402 des Ermittelns auf, in dem der Winkel unter Verwendung einer ersten Schnittpunktkoordinate, einer zweiten Schnittpunktkoordinate und eines Kugelmittelpunkts des Kugelzapfens ermittelt wird. Die erste Schnittpunktkoordinate repräsentiert wie in 3 dargestellt einen ersten Schnittpunkt zwischen einer Geberebene des Kugelzapfens und einem in einer Sensorebene der Kugelschale angeordneten, ringförmigen Sensorelement. Die zweite Schnittpunktkoordinate repräsentiert einen zweiten Schnittpunkt zwischen der Geberebene und dem Sensorelement.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 einen Schritt 404 des Messens auf, in dem die erste Schnittpunktkoordinate und die zweite Schnittpunktkoordinate unter Verwendung einer Sensorvorrichtung, wie sie beispielsweise in den 1 bis 3 dargestellt ist, gemessen werden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 einen Schritt 406 des Bereitstellens auf. Im Schritt 406 des Bereitstellens wird ein den Winkel repräsentierendes Winkelsignal zum weiteren Verwenden bereitgestellt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sensorsystem
- 102
- Sensorvorrichtung
- 104
- Kugelgelenk
- 106
- Vorrichtung
- 108
- Kugelschale
- 110
- Kugelzapfen
- 112
- Zapfen
- 114
- Kugel
- 116
- Kugelmittelpunkt
- 118
- Längsachse
- 120
- Sensorelement
- 122
- Geberelement
- 124
- Sensorebene
- 126
- Geberebene
- 128
- Sensorabstand
- 130
- Geberabstand
- 132
- Polfläche
- 134
- Kante
- 136
- erste Schnittpunktkoordinate
- 138
- zweite Schnittpunktkoordinate
- 200
- Winkel
- 202
- ersten Schnittpunkt
- 204
- zweiten Schnittpunkt
- 206
- Schnittgerade
- 400
- Verfahren zum Ermitteln
- 402
- Schritt des Ermittelns
- 404
- Schritt des Messens
- 406
- Schritt des Bereitstellens
