DE102017215387A1

DE102017215387A1 - Positionsermittlung eines Betätigungselements

Info

Publication number: DE102017215387A1
Application number: DE102017215387.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Geis-Esser; Christian Huber; Martin Fieber; Markus Eissner
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Position (X) eines Betätigungselements (3) aus einer Translationsverschiebung (2) des Betätigungselements (3) offenbart, aufweisend:
- ein Umsetzungsmittel (4), das dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung (2) in eine Rotationsbewegung (5) umzuwandeln, und
- ein Erfassungsmittel (6), das dazu ausgebildet ist, die Rotationsbewegung (5) zu erfassen, und
- ein Bestimmungsmittel (7), das dazu ausgebildet ist, aus der erfassten Rotationsbewegung (5) die Position (X) des Betätigungselements (3) zu bestimmen, wobei
das Umsetzungsmittel (4) vorzugsweise dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung (2) in eine direkt proportionale Rotationsbewegung (5) umzuwandeln.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsermittlung eines translatorisch verschiebbaren Betätigungselements.
Translatorisch verschiebbare Betätigungselemente kommen in diversen technischen Anwendungen zum Einsatz. Beispielsweise wird eine Kupplung über ein solches Betätigungselement ausgerückt.
Um Translationsverschiebungen von Betätigungselementen zu bestimmen, um diese bspw. einem Steuergerät zuzuführen, sind in der Regel relativ groß bauende und teure Sensoren nötig, die insbesondere über den gesamten möglichen Verschiebeweg des Betätigungselements verteilt angeordnet werden müssen, um die Position aus einer Translationsverschiebung des Betätigungselements zuverlässig zu ermitteln.
Dabei stellt der Platzbedarf solcher Sensoren hinsichtlich Bauraum vor allem im Fahrzeugbau, insbesondere im Getriebebau, ein großes Problem dar.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, um eine Position eines Betätigungselements zuverlässig zu bestimmen, wobei die Vorrichtung einen reduzierten Bauraumbedarf aufweisen soll.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Betätigungselements aus einer Translationsverschiebung des Betätigungselements vorgesehen, wobei die Vorrichtung ein Umsetzungsmittel, das dazu ausgebildet ist die Translationsverschiebung des Betätigungselements in eine Rotationsbewegung umzuwandeln, und ein Erfassungsmittel, das dazu ausgebildet ist die Rotationsbewegung zu erfassen, und ein Bestimmungsmittel, das dazu ausgebildet ist aus der erfassten Rotationsbewegung die Position des Betätigungselements zu bestimmen, aufweist.
Auf diese Weise wird ermöglicht, eine Translationsverschiebung in eine Rotationsbewegung zu überführen, wobei eine Rotationsbewegung lediglich an einer Stelle, nämlich beispielsweise durch einen Drehwinkelsensor erfasst werden muss.
Eine derartige Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie wesentlich platzsparender ausgeführt werden kann, da das Abgreifen bzw. übersetzen der Translationsverschiebung in eine Rotationsbewegung auf einen vergleichsweise kleinen Bauraum beschränkt erfolgen kann.
Auch sind vorhandene Drehwinkelsensoren in ihrem Bauraum relativ beschränkt, sodass ein Verbau solcher Sensoren in dieser Vorrichtung platzsparende Vorteile ermöglicht.
Vorzugsweise ist das Umsetzungsmittel dazu ausgebildet, die Translationsverschiebung in eine direkt proportionale Rotationsbewegung umzuwandeln.
So kann vorteilhafterweise aus der Erfassung der direkt proportionalen Rotationsbewegung, insbesondere aus dem daraus bestimmten Drehwinkel oder der bestimmten Drehgeschwindigkeit, direkt auf eine Translationsverschiebung geschlossen werden, welche anschließend zur Bestimmung der Position des Betätigungselements verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist das Betätigungselement in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, und darin vorzugsweise translatorisch verschiebbar gelagert, wobei besonders bevorzugt mindestens ein Ende des Betätigungselements aus der Vorrichtung herausragt und mit einem Gegenstück, insbesondere zur Betätigung von weiteren Vorrichtungen in Kontakt steht oder damit in Kontakt gebracht werden kann.
Vorzugsweise ist in der Vorrichtung weiterhin ein Antriebsmittel vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung des Betätigungselements durch eine Antriebsbewegung in Form einer Rotationsbewegung und/oder einer Translationsbewegung durchzuführen.
Durch die Ergänzung der Vorrichtung um ein Antriebsmittel, wird die Vorrichtung vorteilhafterweise dahingehend ausgebildet, dass sie selbsttätig in der Lage ist, dem Betätigungselement eine Translationsverschiebung aufzuprägen.
So kann eine komplette Einheit zur Verfügung gestellt werden, welche als Aktuator ausgebildet ist, und welche selbstständig das Betätigungselement antreibt.
Vorzugsweise wird die Antriebsbewegung des Antriebsmittels direkt form- und/oder kraftschlüssig auf das Betätigungselement übertragen, beispielsweise in Form eines antriebsseitigen Ritzels, welches mit dem Betätigungselement, welches beispielsweise als Zahnstange ausgeführt ist, in Eingriff steht.
Durch die direkte Übertragung besteht der Vorteil, die Vorrichtung möglichst platzsparend auszuführen und deren Komplexität, insbesondere deren Bauteilzahl, gering zu halten.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Vorrichtung möglichst wenige Elemente aufweist, an denen, beispielsweise durch Reibung, im Betrieb Energie vernichtet wird.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Antriebsbewegung indirekt über mindestens ein Zwischenelement form- und/oder kraftschlüssig auf das Betätigungselement übertragen.
Dies wird beispielsweise durch ein Zahnrad erreicht, welches zwischen dem motorseitigen Ritzel und dem als Zahnstange ausgeführten Betätigungselement vorgesehen ist.
So kann vorteilhafterweise durch geschickte Auslegung der einzelnen Übersetzungen ein Antriebsmittel mit wenig Drehmoment vorgesehen werden, wobei sich durch eine hohe Übersetzung, eine vergleichsweise hohe Betätigungskraft auf das Betätigungselement für dessen Translationsverschiebung ergibt.
Dieses mindestens eine Zwischenelement ist vorzugsweise als eine form- und/oder kraftschlüssige Übersetzung ausgebildet.
Vorzugsweise ist diese Übersetzung als Zahnradpaarung, und/oder Reibradpaarung und/oder Riementrieb, und/oder Spindeltrieb, und/oder Kugelumlauftrieb, und/oder Kurbeltrieb, und/oder hydraulische Übersetzung, und/oder pneumatische Übersetzung ausgebildet.
Es besteht somit vorteilhafterweise die Möglichkeit, diese Übersetzung auf verschiedene Anforderungen hin anzupassen.
Soll die Vorrichtung möglichst kostengünstig gestaltet werden, so kann diese als Riementrieb ausgebildet werden. Ist hingegen eine Umsetzung einer rotatorischen in eine translatorische Bewegung gewünscht, so kann die Übersetzung bspw. als Spindel-, oder Kugelumlauf-, oder Kurbeltrieb ausgebildet werden. Ist eine platzsparende oder beliebig anzuordnende Übersetzung nötig, kann die Übersetzung pneumatisch oder hydraulisch mit beliebig verlegbaren Leitungen ausgebildet sein.
Vorzugsweise steht das Umsetzungsmittel weiterhin direkt oder indirekt über ein zweites Zwischenelement mit dem Betätigungselement form- und/oder kraftschlüssig in Kontakt.
Bei einer direkten Verbindung, ohne Zwischenelemente, besteht der Vorteil die Vorrichtung entsprechend platzsparender ausbilden zu können und zudem Bauteile einsparen zu können, die bspw. einen Widerstand entgegen der Translationsverschiebung des Betätigungselements und/oder entgegen einer Antriebsbewegung des Antriebsmittels erzeugen können.
Bei einer indirekten Anbindung des Umsetzungsmittels an das Betätigungselement kann das mindestens eine zweite Zwischenelement derart ausgebildet werden, dass das Umsetzungsmittel eine veränderte Rotationsbewegung vollführt, wobei diese beispielsweise an die Sensorauflösung eines Rotationssensors angepasst sein kann, wodurch eine zuverlässige Erfassung der Rotationsbewegung des Umsetzungsmittels sichergestellt werden kann.
Vorzugsweise sind das Erfassungsmittel und das Bestimmungsmittel einstückig ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, dass sie zu einer kompakteren Einheit zusammengefasst werden können, wodurch sich wiederum Bauraumvorteile ergeben. Weiterhin können zudem Bauteile, wie beispielsweise Signalverbindungen entfallen, wodurch sich die Komplexität und die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung reduzieren.
Das Erfassungsmittel weist vorzugsweise einen Drehwinkelsensor auf, der dazu ausgebildet ist, einen Drehwinkel und/oder eine Winkelgeschwindigkeit aus der Rotationsbewegung des Umsetzungsmittels berührend oder berührungslos zu bestimmen.
Vorzugsweise ist das Umsetzungsmittel so ausgebildet, dass eine maximale Translationsverschiebung in eine Richtung parallel zu einer Betätigungsrichtung des Betätigungselements eine Rotationsbewegung mit einem Winkel von 360° verursacht. Somit kann die translatorische Position eindeutig einem Winkel zugeordnet werden.
Dieser Drehwinkelsensor arbeitet vorzugsweise nach einem magnetischen, und/oder induktiven, und/oder optischen, und/oder resistiven, und/oder kapazitiven Verfahren.
Drehwinkelsensoren dieser Art sind grundsätzlich bekannt. Es kann hier vorteilhafterweise zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf vorhandene Sensoren zurückgegriffen werden.
Vorzugsweise weist das Bestimmungsmittel eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist beispielsweise als Mikrocontroller, oder als Steuergerät ausgebildet, wobei die Bestimmung der Position des Betätigungselements vorzugsweise softwarebasiert erfolgt.
In der Datenverarbeitungsvorrichtung sind vorzugsweise Randbedingungen der Vorrichtung, insbesondere geometrische Randbedingungen, wie Abmessungen, und/oder Radien, und/oder Übersetzungsverhältnisse, und/oder Ganghöhen von Gewinden oder Umsetzungsmitteln hinterlegt.
Mithilfe dieser Randbedingungen ist das Bestimmungsmittel, insbesondere die Datenverarbeitungsvorrichtung, vorzugweise in der Lage, aus einem erfassten Drehwinkel oder einer erfassten Drehgeschwindigkeit eine Position des Betätigungselements zu bestimmen.
Vorzugweise ist das Antriebsmittel als elektrisches und/oder druckbetriebenes Antriebsmittel ausgebildet.
Insbesondere kann das Antriebsmittel als Elektromotor, Linearmotor, oder Pneumatik- oder Hydraulikzylinder ausgeführt sein.
So kann die Vorrichtung vorteilhafterweise verschiedenen Anforderungen angepasst werden.
Ein Elektromotor stellt eine bauraumoptimale und kostengünstige Antriebsmöglichkeit des Betätigungselements dar, wohingegen ein Linearmotor bzw. ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder schnelle Reaktionen bzw. hohe Kräfte ermöglicht.
Vorzugsweise ist das Umsetzungsmittel dazu ausgebildet, form- und/oder kraftschlüssig durch das Betätigungselement angetrieben zu werden, und/oder dieses anzutreiben.
Das Umsetzungsmittel ist zu diesem Zweck beispielsweise als Zahnrad, und/oder Reibrad, und/oder Riementrieb, und/oder Spindeltrieb, und/oder Kugelumlauftrieb und/oder Kulissentrieb und/oder Kurbeltrieb ausgebildet, welches durch die Translationsverschiebung des Betätigungselements angetrieben wird.
Durch diese Ausführungen des Umsetzungsmittels kann sichergestellt werden, dass eine Rotationsbewegung des Umsetzungsmittels direkt proportional zu einer Translationsverschiebung des Betätigungselements erfolgt.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiterhin mindestens ein zweites Umsetzungsmittel auf, das dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung in eine zweite Rotationsbewegung, die im Wesentlichen nicht gleichförmig gegenüber der ersten Rotationsbewegung ausgeprägt ist, umzuwandeln.
Vorzugsweise weist das Erfassungsmittel einen berührenden oder berührungslosen Drehwinkelsensor auf, der dazu ausgebildet ist, aus der zweiten Rotationsbewegung einen zweiten Drehwinkel und/oder eine zweite Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen.
Durch das zweite Umsetzungsmittel kann ein zweiter Drehwinkel zur Verfügung gestellt werden, wobei vorzugsweise das Bestimmungsmittel dazu ausgebildet ist, aus dem Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel eine Position des Betätigungselements zu bestimmen.
Durch diese Ausführungsform wird erreicht, dass der Messbereich auf mehr als 360° eines Umsetzungsmittels erweitert wird, ohne dass die Übersetzung zwischen Betätigungselement und Umsetzungsmittel angepasst werden muss.
Vorzugsweise erstreckt sich das Betätigungselement im Wesentlichen in Richtung der Translationsverschiebung.
Es ist somit bspw. als Stange ausgebildet, die bei Translationsverschiebung vorzugsweise in Erstreckungsrichtung, eine Ausrückbewegung einer Kupplung, oder eine Betätigung eines automatisierten Getriebes, vorzugsweise in einem Fahrzeug, besonders bevorzugt in einem Nutzfahrzeug, bewirkt.
Die Vorrichtung ist somit vorzugsweise dazu ausgebildet, in einem Fahrzeug, und/oder in einem Nutzfahrzeug, und/oder in einem Getriebe, und/oder in einem Kupplungssteller eingesetzt zu werden.
Die Vorrichtung eignet sich, insbesondere durch ihre kompakte Bauweise, für den Einsatz in Anwendungen wie den oben genannten, die wenig Konstruktionsspielraum erlauben.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Steuerleitung, die vorzugsweise zwischen dem Bestimmungsmittel und dem Antriebsmittel verläuft, auf, wobei das Bestimmungsmittel dazu ausgebildet ist, über die Steuerleitung das Antriebsmittel anzusteuern, um das Betätigungselement an eine vorgegebene Position unter Berücksichtigung der Position zu bewegen.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein separates Steuermittel vorgesehen, welches vorzugsweise dazu ausgebildet ist, über eine Steuerleitung die Position des Betätigungselements zu empfangen und vorzugsweise dazu ausgebildet ist, über eine weitere Steuerleitung das Antriebsmittel anzusteuern.
Dazu weist das Steuermittel oder das Bestimmungsmittel vorzugsweise Datenverarbeitungsmittel auf. Diese sind vorzugsweise als mechanische und/oder hydraulische und/oder pneumatische und/oder elektrische Logik und/oder besonders bevorzugt als Microcontroller, oder programmierbare Verarbeitungsmittel ausgeführt.
Dadurch kann vorteilhafterweise eine kompakt bauende Vorrichtung realisiert werden, die zudem durch Rückführung der Position des Betätigungselements, dazu ausgebildet ist, das Betätigungselement an eine vorgegebene Position zu verfahren. Es ist somit eine Steuermöglichkeit des Betätigungselements ausgebildet.
Vorzugsweise kann die vorgegebene Position der Vorrichtung von außen, bspw. über die Eingabe eines Anwenders, oder über eine Datenleitung, bspw. durch andere Vorrichtungen vorgegeben werden.
Vorzugsweise ist weiterhin das Umsetzungsmittel dazu ausgebildet, bei einer kleinstmöglichen Translationsbewegung des Betätigungselements einen Winkel von vorzugsweise mehr als 5°, besonders bevorzugt von mehr als 10° zu überstreichen.
Durch ein Antriebsmittel, welches das Betätigungselement lediglich schrittweise antreibt, also eine kleinstmögliche Translationsverschiebung des Betätigungselements bewirkt, könnte ein durch diese Schritte zu kleiner Drehwinkel des Umsetzungsmittels erzeugt werden, welcher bspw. von einem optischen Impulssensor nicht erfasst werden kann, da sich der Drehwinkel innerhalb der Winkelabstände zweier Pulse befindet.
Daher ist das Umsetzungsmittel dazu ausgebildet, einen bestimmten Mindestwert an Winkelgraden zu überstreichen, wenn das Antriebsmittel einen Antriebsschritt ausführt.
Damit wird vorteilhafterweise erreicht, dass ein stets messbarer Drehwinkel durch das Umsetzungsmittel bereitgestellt wird.
Vorzugsweise ist das Umsetzungsmittel dazu ausgebildet, eine Translationsverschiebung des Betätigungselements spielfrei vorzugsweise in eine Richtung der Translationsverschiebung, besonders bevorzugt in beide Richtungen der Translationsverschiebung, in eine Rotationsbewegung umzusetzen.
Eine spielfreie Umsetzung, erlaubt, insbesondere bei einem Wechsel der Richtung der Translationsverschiebung des Betätigungselements, zu jedem Zeitpunkt eine Umsetzung der Translationsverschiebung des Betätigungselements in eine Rotationsbewegung.
Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem der Kontakt zwischen Umsetzungsmittel und Betätigungselement und/oder zwischen Umsetzungsmittel und zweitem Zwischenelement, und/oder zwischen Betätigungselement und zweitem Zwischenelement, durch Vorspannung belastet ist und beispielsweise als vorgespannte Zahnradstufe, oder vorgespannter Riementrieb ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Betätigungselements vorgesehen, wobei ein Erfassen einer Rotationsbewegung und/oder einer zweiten Rotationsbewegung, die durch die Translationsverschiebung verursacht werden, sowie ein Bestimmen der Position aus der Rotationsbewegung und/oder der zweiten Rotationsbewegung, durchgeführt wird.
Vorzugsweise wird weiterhin ein Bestimmen eines Drehwinkels und/oder einer Winkelgeschwindigkeit aus der Rotationsbewegung und/oder eines zweiten Drehwinkels und/oder einer zweiten Winkelgeschwindigkeit aus der zweiten Rotationsbewegung, ausgeführt, wobei das Bestimmen der Position mittels des Drehwinkels und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder des zweiten Drehwinkels und/oder der zweiten Winkelgeschwindigkeit erfolgt.
Vorzugsweise weist das Verfahren einen weiteren Schritt auf der ein Antreiben des Betätigungselements an eine gewünschte Position durch ein Antriebsmittel beinhaltet, wobei das Antreiben unter Berücksichtigung der Position des Betätigungselements erfolgt.
Auf diese Weise kann die Position des Betätigungselements durch Kenntnis des Drehwinkels und/oder des zweiten Drehwinkels, der sich entweder direkt bestimmen lässt, oder welcher indirekt bspw. über die Winkelgeschwindigkeit und/oder die zweite Winkelgeschwindigkeit ermittelt werden kann, bestimmt werden und an eine gewünschte Position verfahren werden, welche vorzugsweise von außen durch einen Anwender, oder besonders bevorzugt durch eine weitere Vorrichtung bereitgestellt werden kann.
Nachfolgend erfolgt die Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung mittels der beigefügten Zeichnungen.
Im Einzelnen zeigt:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionsermittlung eines Betätigungselements.
2a eine Umsetzungsmöglichkeit einer Translations- in eine Rotationsbewegung.
2b, 2c eine weitere Umsetzungsmöglichkeit einer Translations- in eine Rotationsbewegung.
3 eine Umsetzungsmöglichkeit einer Translations- in zwei unterschiedliche Drehbewegungen.
4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
8 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Positionsermittlung eines Betätigungselements 3.
Es ist eine Vorrichtung 1 gezeigt, welche ein Betätigungselement 3 aufweist, das mittels einer Translationsverschiebung 2 parallel zu einer X-Richtung verschiebbar vorgesehen ist.
Weiterhin ist ein Umsetzungsmittel 4 gezeigt, welches drehbar gelagert ist, und mit dem Betätigungselement 3 in Kontakt steht. Die Kontaktstelle ist dabei so ausgebildet, dass bei einer Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3 das Umsetzungsmittel 4 angetrieben wird, und somit eine Rotationsbewegung 5 vollzieht.
Dem Umsetzungsmittel 4 zugeordnet ist ein Erfassungsmittel 6, welches dazu ausgebildet ist, die Rotationsbewegung 5 des Umsetzungsmittels 4 zu erfassen.
Beispielsweise kann bei der Erfassung eine Drehzahl/Winkelgeschwindigkeit des Umsetzungsmittels 4, oder dessen Drehwinkel φ erfasst werden.
Weiterhin ist eine Signalverbindung 11 vorgesehen, die das Erfassungsmittel 6 mit einem Bestimmungsmittel 7 signaltechnisch verbindet. Hierüber kann dem Bestimmungsmittel 7 der erfasste Drehwinkel, und/oder die erfasste Drehzahl/Winkelgeschwindigkeit des Umsetzungsmittels 4 zur Verfügung gestellt werden.
Das Bestimmungsmittel 7 ist dabei derart ausgebildet, dass es aus dem erfassten Drehwinkel, oder der erfassten Drehzahl/Winkelgeschwindigkeit eine Position X des Betätigungselements 3, ausgehend von einer Ausgangsposition X0, bestimmen kann.
Dazu verfügt das Bestimmungsmittel 7 über geometrische Randbedingungen der Vorrichtung 1, wie beispielsweise das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Betätigungselement 3 und dem Umsetzungsmittel 4.
So ist beispielsweise ein effektiver Radius des Umsetzungsmittels 4 bekannt, wobei ein Drehwinkel über den Umfang des Umsetzungsmittels 4 in eine Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3 umgerechnet werden kann.
2a zeigt eine Möglichkeit, eine Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3 in eine Drehbewegung 5 eines Umsetzungsmittels 4 umzuwandeln.
Hierzu ist das Betätigungselement 3 als Zahnstange mit einer Verzahnung 12 ausgeführt, welche mit dem Umsetzungsmittel 4, das als Ritzel ausgeführt ist, in Eingriff steht. Bei einer Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3 wird mittels der Verzahnung 12 dem Umsetzungsmittel 4 eine Rotationsbewegung 5 aufgeprägt.
Hieraus resultiert ein Drehwinkel φ, welcher direkt proportional zur Translationsverschiebung 2 ist. Dieser Drehwinkel φ kann beispielsweise über ein Erfassungsmittel 6 (nicht dargestellt) abgegriffen werden, woraus wiederum die Position des Betätigungselements 3 ermittelt werden kann.
2b, 2c zeigen eine weitere Möglichkeit, eine Translationsbewegung in eine Rotationsbewegung zu übersetzen.
In 2b ist ein Betätigungselement 3 gezeigt auf dessen Mantelfläche eine sich um das Betätigungselement 3 windende Kulisse in Form einer Nut 13 vorgesehen ist, wobei das Betätigungselement 3 als ein ringförmiges Umsetzungsmittel 4 geführt ist, welches keine Translationsverschiebung 2 ausführen kann.
2c zeigt dieses ringförmige Umsetzungsmittel 4 in einer Schnittansicht A-A.
Es ist eine Bohrung 14 gezeigt, durch welche das Betätigungselement 3 (nicht dargestellt) geführt wird. Die Bohrung weist einen Stift 15 auf, welcher mit der Nut 13 des Betätigungselements 3 korrespondiert. D.h. befindet sich Betätigungselement 3 in der Bohrung 14, so greift der Stift 15 in die Nut 13 ein.
Erfolgt nun eine Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3, so erfährt der Stift 15 durch die Seitenflächen der Nut 13 eine Kraft nach links bzw. rechts in 2c. Infolgedessen dreht sich das Umsetzungsmittel 4 nach links bzw. rechts, wobei der Drehwinkel φ des Umsetzungsmittels 4 bestimmt werden kann.
Aufgrund der direkten Proportionalität des Drehwinkels φ zur Translationsverschiebung 2, kann der Drehwinkel φ zur Positionsermittlung des Betätigungselements 3 verwendet werden.
In 3 ist eine Möglichkeit gezeigt, eine Translationsbewegung 2 in zwei unterschiedliche Rotationsbewegungen in 5, 10 zu übersetzen.
Es ist ein Zwischenelement 17 gezeigt, das mit dem Betätigungselement 3 in Kontakt steht und dabei drehbar gelagert ist. Beispielsweise ist dieser Kontakt als Zahnradstufe ausgeführt.
Mit dem Zwischenelement 17 stehen weiterhin das Umsetzungsmittel 4 und ein zweites Umsetzungsmittel 9 in Kontakt. Beide Umsetzungsmittel 4, 9 sind ebenfalls drehbar gelagert, wobei diese Kontakte ebenfalls als Zahnradstufen ausgeführt sein können.
In diesem Beispiel weist weiterhin das Umsetzungsmittel 4 einen größeren Radius als das zweite Umsetzungsmittel 9 auf.
Bei einer Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3 wird das Zwischenelement 17 angetrieben, wobei es eine Zwischenrotationsbewegung 22 ausführt. Dadurch werden weiterhin die beiden Umsetzungsmittel 4, 9 angetrieben, wobei sie eine Rotationsbewegung 5 und eine zweite Rotationsbewegung 10 ausführen.
Aufgrund der unterschiedlichen Radien beider Umsetzungsmittel 4, 9, dreht sich das Umsetzungsmittel 4 langsamer als das zweite Umsetzungsmittel 9. Dies hat zur Folge, dass ein Drehwinkel des Zwischenelements 17 in zwei unterschiedliche Drehwinkel φ, φ2 der Umsetzungsmittel 4, 9 übersetzt wird.
Aufgrund der Tatsache, dass eine Positionsbestimmung des Betätigungselements 3 bei einer Translationsverschiebung 2, welche am Umsetzungsmittel 4 einen größeren Winkel als 360° hervorruft, erschwert ist, kann mithilfe dieser Anordnung ein größerer Messbereich abgedeckt werden, da aus beiden Drehwinkeln φ, φ2 eine Position X des Betätigungselements 3 bestimmt werden kann.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend der Darstellung in 1, jedoch um ein Antriebsmittel 8 ergänzt.
Dieses Antriebsmittel 8, beispielsweise als elektrischer und/oder druckbetriebener Motor ausgeführt, verfügt über ein Ritzel 18, welches mit dem Betätigungselement 3 in Kontakt steht, wodurch es dem Antriebsmittel 8 ermöglicht wird, dem Betätigungselement 3 eine Translationsverschiebung 2 aufzuprägen.
Weiterhin sind in dieser Ausführungsform das Erfassungsmittel 6 und das Bestimmungsmittel 7 einstückig ausgeführt, wodurch eine Signalverbindung 11 entfallen kann.
Zudem ist eine Steuerleitung 21 gezeigt, welche das Bestimmungsmittel 7 mit dem Antriebsmittel 8 verbindet, und die dazu ausgebildet ist, Steuerbefehle von dem Bestimmungsmittel 7 an das Antriebsmittel 8 zu übermitteln.
Die aus dieser Translationsverschiebung 2 resultierende Position X des Betätigungselements 3 wird wie in 1 beschrieben mithilfe des Umsetzungsmittels 4, des Erfassungsmittels 6 und des Bestimmungsmittels 7 bestimmt.
Das Bestimmungsmittel 7 ist zudem derart ausgebildet, dass es auf Basis der ermittelten Position X des Betätigungselements 3 das Antriebsmittel 8 über die Steuerleitung 21 derart ansteuert, dass das Betätigungselement 3 in eine gewünschte Position verfahren wird.
Das Bestimmungsmittel 7 weist zu diesem Zweck beispielsweise Datenverarbeitungsvorrichtungen auf.
Das Steuerprinzip in dem das Bestimmungsmittel 7 das Antriebsmittel 8 über eine Steuerleitung 21 ansteuert, kann in allen weiteren Ausführungsformen angewandt werden, aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde jedoch in den weiteren Zeichnungen 5 bis 8 auf eine Darstellung einer Steuerleitung 21 verzichtet.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das Antriebsmittel 8 ist hier unterhalb des Betätigungselements 3 vorgesehen. Es besitzt kein eigenes Ritzel 18 mehr, sondern treibt das Umsetzungselement 4 an.
In diesem Fall erfolgt also eine Erfassung der Rotationsbewegung 5, welche hier nicht durch die Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3 hervorgerufen wurde, sondern welche durch das Antriebsmittel 8 hervorgerufen wurde.
Diese Ausführungsform stellt eine bauteilsparende Ausführungsform im Gegensatz zu der in 4 da, da Umsetzungsmittel 4 und Ritzel 18 zusammenfallen.
6 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform. Hier ist das Antriebsmittel 8 nicht mehr als Motor ausgeführt, welcher eine Drehbewegung zum Antrieb des Betätigungselements erzeugt. Vielmehr ist das Antriebsmittel 8 als lineares Betätigungselement ausgeführt, welches dem Betätigungselement 3 eine Translationsverschiebung 2 aufprägt.
Beispielsweise kann dieses Antriebsmittel 8 in Form eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders ausgeführt sein, wobei die Kolbenstange 19 parallel zur X-Richtung ein- und ausgefahren werden kann.
Alternativ wäre auch ein elektrischer Linearmotor denkbar, welcher ebenso eine Translationsverschiebung 2 auf das Betätigungselement 3 aufzuprägen vermag.
Die weitere Positionsermittlung erfolgt entsprechend der Ausführungen aus 1.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Hier ist das Antriebsmittel 8 als rotatorisch arbeitender Motor ausgeführt, der über eine Übersetzung 20, in diesem Fall eine Zahnradübersetzung, eine Spindelstange antreibt, welche als Umsetzungsmittel 4 vorgesehen ist.
Weiterhin ist koaxial zu dem Umsetzungsmittel 4 ein Erfassungsmittel 6 angeordnet, welches die Drehbewegung des Umsetzungsmittels 4 erfasst.
Auf dem Umsetzungsmittel 4 ist eine Spindelmutter vorgesehen, welche hier als Betätigungselement 3 ausgebildet ist. Die Spindelmutter ist dabei drehfest gelagert und kann nur parallel zur X-Richtung aufgrund der Drehung des Umsetzungsmittels 4 verschoben werden. Spindelstange und Spindelmutter bilden hierbei einen Spindeltrieb.
Bringt das Antriebsmittel 8 eine Drehbewegung auf die Übersetzung 20 auf, so beginnt sich das Umsetzungsmittel 4 zu drehen. Durch diese Drehbewegung wird das Betätigungselement durch den Spindeltrieb parallel zur X-Richtung verschoben.
Gleichzeitig wird die Drehbewegung, beispielsweise der Drehwinkel, oder die Drehzahl/Winkelgeschwindigkeit durch das Erfassungsmittel 6 über die koaxiale Anbindung zum Umsetzungsmittel 4 erfasst und daraus, entsprechend der vorhergehenden Beispiele, eine Position X des Betätigungselements 3 im Bestimmungsmittel 7 bestimmt.
In diesem Beispiel können zudem mehrere Zwischenelemente 16 ausgemacht werden, welche die Antriebsbewegung indirekt auf das Betätigungselement 3 übertragen. Zum einen kann das große Zahnrad der Übersetzung 20 als Zwischenelement 16 gesehen werden, wenn das Ritzel als zu dem Antriebsmittel 8 gehörig angesehen wird. Weiterhin stellt auch das Umsetzungsmittel 4, in diesem Fall die Spindelstange, ein Zwischenelement 16 dar.
In 8 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Es ist ein Betätigungselement 3 in Form einer Spindelstange gezeigt, welche parallel zur X-Richtung verschiebbar ist.
Weiterhin ist auf der Spindelstange ein Umsetzungselement 4 in Form einer Spindelmutter vorgesehen, welche nicht verschiebbar gegenüber dem Betätigungselement 3 vorgesehen ist.
Auf dem Umfang des Umsetzungselements 4 ist eine Verzahnung vorgesehen, welche mit einem Ritzel in Kontakt steht. Ritzel und Verzahnung bilden dadurch eine Übersetzung 20 aus.
Weiterhin ist ein Antriebsmittel 8 vorgesehen, das drehfest mit dem Ritzel der Übersetzung 20 verbunden ist. Zugleich ist eine drehfeste Verbindung des Antriebmittels 8, genauer von dessen Abtriebswelle zu einem Erfassungsmittel 6 vorgesehen.
Das Erfassungsmittel 6 ist somit in der Lage, den Drehwinkel des Antriebsmittels 8 zu erfassen und an ein mit ihm verbundenes Bestimmungsmittel 7 zu übergeben.
Dreht nun das Antriebsmittel 8 über die Übersetzung 20 das Umsetzungsmittel 4, so wird durch den Spindeltrieb die Spindelstange bzw. das Betätigungselement 3 in X-Richtung verschoben.
Eine Translationsverschiebung 2 des Betätigungselements 3 ist dabei direkt proportional zu einer Verdrehung des Umsetzungsmittels 4 und somit über die Übersetzung 20 zu einem Drehwinkel des Ritzels, das mit dem Antriebsmittel 8 verbunden ist. Dieser Drehwinkel wird durch das Erfassungsmittel 6 erfasst und an das Bestimmungsmittel 7 übergeben, wobei dieses daraus die Position des Betätigungselements 3 bestimmen kann.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele haben keine beschränkende Wirkung auf den Gegenstand der Erfindung. Vielmehr lassen sich weitere Ausführungsformen der Erfindung durch Kombination einzelner Merkmale verschiedener gezeigter Ausführungsformen bilden. Weitere Ausführungsformen können darüber hinaus durch naheliegende Ausgestaltungen einzelner Merkmale erhalten werden. So können beispielsweise die in den Ausführungsbeispielen meist als formschlüssige, insbesondere als Zahnradstufen, beschriebenen Übertragungsstellen auch als kraftschlüssige Übertragungsstellen, wie Riementriebe oder Reibräder ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Translationsverschiebung
3: Betätigungselement
4: Umsetzungsmittel
5: Rotationsbewegung
6: Erfassungsmittel
7: Bestimmungsmittel
8: Antriebsmittel
9: zweites Umsetzungsmittel
10: zweite Rotationsbewegung
11: Signalverbindung
12: Verzahnung
13: Nut (Kulisse)
14: Bohrung
15: Stift
16: Zwischenelement
17: zweites Zwischenelement (Zwischenelement)
18: Ritzel
19: Kolbenstange
20: Übersetzung
21: Steuerleitung
22: Zwischenrotationsbewegung
X: Position
X0: Ausgangsposition
φ: Drehwinkel
φ2: zweiter Drehwinkel

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Position (X) eines Betätigungselements (3) aus einer Translationsverschiebung (2) des Betätigungselements (3) aufweisend: - ein Umsetzungsmittel (4), das dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung (2) in eine Rotationsbewegung (5) umzuwandeln, und - ein Erfassungsmittel (6), das dazu ausgebildet ist, die Rotationsbewegung (5) zu erfassen, und - ein Bestimmungsmittel (7), das dazu ausgebildet ist, aus der erfassten Rotationsbewegung (5) die Position (X) des Betätigungselements (3) zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Umsetzungsmittel (4) dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung (2) in eine direkt proportionale Rotationsbewegung (5) umzuwandeln.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin aufweisend: - das Betätigungselement (3), wobei mindestens ein Ende des Betätigungselements (3) aus der Vorrichtung herausragt und mit einem Gegenstück in Kontakt gebracht werden kann, und/oder - ein Antriebsmittel (8), das dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung (2) des Betätigungselements (3) durch eine Antriebsbewegung in Form einer Rotationsbewegung und/oder einer Translationsbewegung durchzuführen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei das Antriebsmittel (8) derart konfiguriert ist, dass es die Antriebsbewegung direkt, und/oder indirekt über mindestens ein Zwischenelement (16), auf das Betätigungselement (3) form- und/oder kraftschlüssig überträgt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine Zwischenelement (16) als mindestens eine form- und/oder kraftschlüssige Übersetzung (20) rotatorischer und/oder translatorischer Art ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine rotatorische und/oder translatorische Übersetzung (20) als - Zahnradpaarung, und/oder - Reibradpaarung, und/oder - Riementrieb, und/oder - Spindeltrieb, und/oder - Kugelumlauftrieb, und/oder - Kurbeltrieb, und/oder - hydraulische Übersetzung, und/oder - pneumatische Übersetzung ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Umsetzungsmittel (4) direkt oder indirekt über mindestens ein zweites Zwischenelement (17) mit dem Betätigungselement (3) form- und/oder kraftschlüssig in Kontakt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Erfassungsmittel (6) und das Bestimmungsmittel (7) einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Erfassungsmittel (6) einen berührenden oder berührungslosen Drehwinkelsensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, aus der Rotationsbewegung (5) einen Drehwinkel (φ) und/oder eine Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen, und/oder das Umsetzungsmittel (4) so ausgebildet ist, dass eine maximale Translationsverschiebung des Betätigungselements (3) eine Rotationsbewegung (5) mit einem Winkel (φ) von 360° verursacht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei der Drehwinkelsensor nach einem - magnetischen, und/oder - induktiven, und/oder - optischen, und/oder - resistiven, und/oder - kapazitiven Verfahren arbeitet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Bestimmungsmittel (7) eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei das Antriebsmittel (8) ein elektrisch betriebenes und/oder druckbetriebenes Antriebsmittel (8) beispielsweise - ein Elektromotor, - ein Linearmotor, - ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Umsetzungsmittel (4) dazu ausgebildet ist, form- und/oder kraftschlüssig durch das Betätigungselement (3) angetrieben zu werden, und/oder dieses anzutreiben, wobei das Umsetzungsmittel (4) beispielsweise als - Zahnrad, und/oder - Reibrad, und/oder - Riementrieb, und/oder - Spindeltrieb, und/oder - Kugelumlauftrieb, und/oder - Kulissentrieb, und/oder - Kurbeltrieb ausgebildet ist, welches durch die Translationsverschiebung (2) des Betätigungselements (3) angetrieben wird.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiterhin aufweisend: - mindestens ein zweites Umsetzungsmittel (9), das dazu ausgebildet ist, die Translationsverschiebung (2) in eine zweite Rotationsbewegung (10), die im Wesentlichen nicht gleichförmig gegenüber der ersten Rotationsbewegung (5) ausgeprägt ist, umzuwandeln, wobei das Erfassungsmittel (6) einen berührenden oder berührungslosen Drehwinkelsensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, aus der zweiten Rotationsbewegung (10) einen zweiten Drehwinkel (φ2) und/oder eine zweite Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Betätigungselement (3) sich im Wesentlichen in Richtung der Translationsverschiebung (2) erstreckt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, - in einem Fahrzeug, und/oder - in einem Nutzfahrzeug, und/oder - in einem Getriebe, und/oder - in einem Kupplungssteller eingesetzt zu werden.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 16, aufweisend: eine Steuerleitung (21), die zwischen dem Bestimmungsmittel (7) und dem Antriebsmittel (8) verläuft, wobei das Bestimmungsmittel (7) dazu ausgebildet ist, über die Steuerleitung (21) das Antriebsmittel (8) anzusteuern, um das Betätigungselement (3) an eine vorgegebene Position unter Berücksichtigung der Position (X) zu bewegen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Umsetzungsmittel (4) dazu ausgebildet ist, bei einer kleinstmöglichen Translationsbewegung (2) des Betätigungselements (3) einen Winkel von vorzugsweise mehr als 5°, besonders bevorzugt von mehr als 10° zu überstreichen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Umsetzungsmittel (4) dazu ausgebildet ist, eine Translationsbewegung (2) des Betätigungselements (3) spielfrei in eine Rotationsbewegung umzusetzen.
Verfahren zur Bestimmung einer Position (X) eines Betätigungselements (3) aus einer Translationsverschiebung (2) des Betätigungselements (3), aufweisend folgende Schritte: - Erfassen einer Rotationsbewegung (5) und/oder einer zweiten Rotationsbewegung (10), die durch die Translationsverschiebung (2) verursacht wird, - Bestimmen der Position (X) aus der Rotationsbewegung (5) und/oder der zweiten Rotationsbewegung (10).
Verfahren nach Anspruch 20, aufweisend einen weiteren Schritt: - Bestimmen eines Drehwinkels (φ) und/oder einer Winkelgeschwindigkeit aus der Rotationsbewegung (5) und/oder eines zweiten Drehwinkels (φ2) und/oder einer zweiten Winkelgeschwindigkeit aus der zweiten Rotationsbewegung (10), wobei das Bestimmen der Position (X) mittels des Drehwinkels (φ) und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder des zweiten Drehwinkels (φ2) und/oder der zweiten Winkelgeschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, aufweisend einen weiteren Schritt: - Antreiben des Betätigungselements (3) an eine gewünschte Position durch ein Antriebsmittel (8), wobei das Antreiben unter Berücksichtigung der Position (X) des Betätigungselements (3) erfolgt.