DE19908091A1

DE19908091A1 - Einrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE19908091A1
Application number: DE19908091A
Authority: DE
Inventors: Georg Eibler; Hans-Dieter Horter; Walter Kuhn; Andelko Vesenjak; Juergen Wafzig
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2000-08-31

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels (phi) mit einem um eine Achse (1) drehbaren zylindrischen Körper (2), an dessen Kontur (8, 9) mindestens ein Sensor (3, 4, 5, 6, 7) im Abstand (11, 12, 13, 14, 15, 16) angeordnet ist. DOLLAR A Zum Vereinfachen und Verbessern der Auflösung des Drehwinkelmeßbereichs wird vorgeschlagen, daß der Sensor (3, 4, 5, 6, 7) den Abstand (11, 12, 13, 14, 15, 16) erfaßt, der sich während der Drehung des Körpers (2) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (phi) ändert. Gleichzeitig kann ein axialer Stellweg erfaßt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Zum Erfassen von Drehwinkeln und Drehgeschwindigkeiten werden in der Regel Einrichtungen verwendet, bei denen eine kreisförmige Scheibe mit einem drehbaren Teil verbunden ist und die Drehachse durch den Mittelpunkt des Kreises ver läuft. Der Scheibenumfang ist in gleichmäßige Winkelab schnitte unterteilt, die als Signalgeber dienen und im Abstand an einem Sensor vorbeidrehen und so einen Impuls erzeugen. Eine Zähleinheit erfaßt die Anzahl der Impulse und ermittelt daraus einen Drehwinkel bzw. einen Drehwinkel pro Zeiteinheit, die Winkelgeschwindigkeit. Die Auflösung dieser Einrichtungen hängt von der Unterteilung des Umfangs ab und ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend, insbesondere für die Antriebstechnik und den Getriebebau. Außerdem bauen sie so groß, daß sie nicht oder nur mit Schwierigkeiten in dem vorgegebenen Bauraum untergebracht werden können.

Es sind Drehwinkelsensoren bekannt (DE 196 35 159), bei denen zwischen den relativ zueinander drehbaren Bautei len, z. B. einem Achsschenkelbolzen und einem mit der Fahrzeugachse verbundenem Gelenkgehäuse, ein Drehpotentio meter als Spannungsteiler angeordnet ist und ein drehwinke labhängiges Teilspannungssignal erzeugt. Drehpotentiometer mit schleifenden Kontakten sind störanfällig, weil sie leicht verschleißen, oxidieren und durch Feuchtigkeit zu Kurzschlüssen führen. Deshalb müssen sie sorgfältig gegen Schmutz und Feuchtigkeit geschützt werden.

Ferner ist aus der gleichen Druckschrift bekannt, daß Reedkontakte, die über den Winkelbereich gleichmäßig verteilt und vollständig gekapselt sind, von einem oder mehreren Magneten berührungsfrei geschaltet werden. Dadurch werden je nach Drehwinkelposition ein oder mehrere Wider stände, die ebenfalls gekapselt sein können, in einem Spannungsteiler zugeschaltet, wodurch ein drehwinkelabhän giges Teilspannungssignal erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein richtung zum Erfassen eines Drehwinkels mit einer großen Auflösung des Winkelbereichs zu schaffen, die wenig Bauraum beansprucht und für den Einsatz in Getrieben aller Art geeignet ist. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung ändert der Körper während der Drehung seinen Abstand vom Sensor in Abhängigkeit vom Drehwinkel. Dabei erfaßt der Sensor den Abstand und erzeugt ein entsprechendes Signal, das in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet wird. Jedem Abstand kann eine konkrete Drehwin kelposition zugeordnet werden, so daß aus der Differenz zweier Drehwinkelpositionen der Drehwinkel sehr präzise und mit einer großen Auflösung des Winkelbereichs bestimmt werden kann. Die Veränderung der Drehwinkelposition pro Zeiteinheit ergibt die Drehwinkelgeschwindigkeit, deren Ableitung nach der Zeit zur Drehwinkelbeschleunigung führt.

Der Abstand des Körpers vom Sensor kann während der Drehung leicht in Abhängigkeit vom Drehwinkel geändert werden, indem seine Kontur, die dem Sensor benachbart ist, über den Drehbereich einen unterschiedlichen Abstand von der Drehachse hat. In einfacher Weise läßt sich dies erreichen, indem der Körper einen Kreisquerschnitt hat und um eine exzentrisch zum Kreismittelpunkt liegende Achse drehbar ist. Wird der Sensor im Bereich des Umfangs des Körpers fest angeordnet, ändert sich der Abstand zwischen ihm und dem Körper während der Drehung des Körpers in Abhängigkeit vom Drehwinkel kontinuierlich. Durch die Größe der Exzentrizität der Lage der Achse kann die Abstandsände rung pro Winkeleinheit in einem Winkelbereich bestimmt werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, den Meßbereich der Einrichtung auf einen vorgegebenen Winkel zu begrenzen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Körper einen ellipsenförmigen Querschnitt. Dieser ist um eine Achse drehbar, die im Mittelpunkt der Ellipse liegt oder davon exzentrisch versetzt verläuft. Auch hierbei ändert sich der Abstand zwischen Sensor und Körper kontinu ierlich während der Drehbewegung.

Eine weitere Variante besteht darin, daß der Körper eine geneigt zur Achse verlaufende Fläche besitzt, an der in einem axialen Abstand ein Sensor vorgesehen ist. Soll neben dem Drehwinkel eine axiale Verschiebung des Körpers erfaßt werden, wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Körper eine senkrecht zur Achse verlaufende Fläche besitzt, an der in einem axialen Abstand ein Sensor angeordnet ist. Da sich in diesem Fall der Abstand zwischen der Fläche und dem Sensor nicht mehr in Abhängigkeit vom Drehwinkel ändert, erfaßt dieser Sensor nur noch die axiale Verlagerung des Körpers und damit z. B. einen axialen Stellweg.

Aus Gewichtsgründen wird der Körper zweckmäßigerweise als Topf ausgebildet, dessen Boden mit einem drehbaren Bauteil verbunden ist. Die Sensoren können in diesem Fall wahlweise mit der inneren und/oder äußeren Kontur des Topfes zusammenwirken. Um den Einfluß von Störgrößen auszuschalten bzw. zu reduzieren, ist es zweckmäßig, mehrere Sensoren diametral zur Achse anzuordnen. Der Boden des Topfes kann in einfacher Weise als Fläche dienen, die geneigt oder senkrecht zur Achse verläuft.

Als Sensoren können alle marktüblichen Sensoren verwendet werden, die zum Erfassen eines Abstands geeignet sind und auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen, z. B. mechanische, optische, pneumatische, hydrau lische, elektrische usw. Meßgeräte. In der Praxis hat sich ein Wirbelstrom-Wegsensor ausgezeichnet, der mit einem Körper zusammenwirkt, der aus einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht. Dabei hat sich gezeigt, daß ein Körper aus Stahl oder Aluminium oder einer Legierung aus diesen Werkstoffen besonders günstige Meßverhältnisse ergibt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungs beispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeils II in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Variante zu Fig. 2.

Die dargestellte Einrichtung besitzt einen topfförmi gen Körper 2, der an einer Welle 24 befestigt und um eine Achse 2 drehbar ist. Wie Fig. 2 zeigt, liegt die Achse 1 exzentrisch zu einem Mittelpunkt 23 einer kreisförmigen Querschnittebene des Körpers 2, während die Querschnittebe ne des Körpers 2 nach Fig. 3 ellipsenförmig ist und die Achse 1 durch den Mittelpunkt der Ellipse verläuft. Sie kann aber auch in der Varianten nach Fig. 3 exzentrisch zum Mittelpunkt verlaufen und insbesondere in den Brennpunk ten 19 bzw. 20 der Ellipse liegen. Durch die Form der Ellipse läßt sich die Veränderung des Abstands pro Winkel einheit beeinflussen.

Der topfförmige Körper 2 besitzt am inneren Umfang eine Kontur 9 und am äußeren Umfang eine Kontur 8. Die innere Fläche des Bodens 17 ist mit 25 und die äußere Fläche des Bodens 17 mit 10 bezeichnet.

Ein Sensor 3 in Form eines Wirbelstrom-Wegsensors ist im Abstand 11 von der äußeren Kontur 8 des Körpers 2 angeordnet. Während sich der Körper 2 um die Achse 1 dreht, verändert sich der Abstand 11 kontinuierlich, der vom Sensor 3 gemessen wird. Jedem Abstand 11 ist ein bestimmter Winkel ϕ zugeordnet, so daß mit der Einrichtung sowohl die absolute Drehwinkelposition als auch ein Differenzwinkel zwischen zwei Drehwinkelpositionen ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck ist der Sensor 3 über eine Signalleitung 21 mit einer Auswerteeinrichtung 22 verbunden.

Um Störgrößen auszugleichen bzw. ihren Einfluß zu reduzieren, ist diametral zum Sensor 3 ein weiterer Sen sor 4 angeordnet, der einen Abstand 12 zwischen der äußeren Kontur 8 des Körpers 2 und dem Sensor 4 mißt.

Der topfförmige Körper 2 besitzt eine ausreichende axiale Erstreckung, so daß eine axiale Verlagerung des Körpers 2 die Messung des Drehwinkels ϕ nicht beeinträch tigt. Soll zu dem Drehwinkel ϕ auch die axiale Verlagerung erfaßt werden, wird ein weiterer Sensor 7 in einem axialen Abstand 16 zur Fläche 10 des Bodens 17 angeordnet. Der Sensor 7 mißt den Abstand 16 und aus der Differenz der gemessenen Abstände 16 läßt sich die axiale Verlagerung durch die Auswerteeinheit 22 ermitteln, mit der die Senso ren 3 bis 7 insgesamt verbunden sind.

Falls keine axiale Verlagerung ermittelt werden muß, kann der Sensor 7 auch den Drehwinkel ϕ erfassen, indem die Fläche 10 des Bodens 17 eine zur Achse 1 geneigte Lage 18 annimmt, die gestrichelt angedeutet ist. Dadurch ändert sich der Abstand 16 während der Drehung in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ. Das Maß, in dem sich die Abstände 11 bis 16 in Abhängigkeit vom Drehwinkel ϕ ändern, kann durch die Neigung der Lage 18 bzw. durch die Exzentrizität der Achse 1 oder die Gestalt der Ellipse bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich zu den äußeren Sensoren 3, 4 und 7 können in dem topfförmigen Körper 2 Sensoren 5 und 6 vorgesehen werden, die ihre Abstände 13, 14 und 25 zur inneren Kontur 9 des Körpers 2 bzw. der Fläche 25 des Bodens 17 erfaßt. Dabei sind im Sensor 6 zwei Einheiten integriert, durch die sowohl der radiale Abstand 14 als auch der axiale Abstand 15 erfaßt werden können.

In Kombination mit den Wirbelstrom-Wegsensoren 3 bis 9 ist es zweckmäßig, den Körper 2 aus Stahl oder Aluminium oder einer Legierung aus diesen Werkstoffen herzustellen.

Eine solche Einrichtung baut extrem klein und ist öl- und temperaturbeständig. Sie kann daher im vorhandenen Getriebebauraum untergebracht werden. Ferner sind Auflösun gen des Winkelbereichs in weniger als 0,1 Grad und des axialen Weges in weniger als 0,01 Millimeter möglich. Wird ein Empfindlichkeitsverlauf über der Temperatur in Schrit ten von 15°C hinterlegt, läßt sich eine Temperaturdrift von weniger als 0,01% v.E./K erreichen. Schließlich liegt die Meßdynamik über einem Kilohertz.

Bezugszeichen

1

Achse

2

Körper

3

Sensor

4

Sensor

5

Sensor

6

Sensor

7

Sensor

8

Kontur

9

Kontur

10

Fläche

11

Abstand

12

Abstand

13

Abstand

14

Abstand

15

Abstand

16

Abstand

17

Boden

18

Lage

19

Brennpunkt

20

Brennpunkt

21

Signalleitung

22

Auswerteeinheit

23

Kreismittelpunkt

24

Welle

25

Fläche
ϕ Drehwinkel

Claims

1. Einrichtung zum Erfassen eines Drehwinkels (ϕ) mit einem um eine Achse (1) drehbaren zylindrischen Körper (2), an dessen Kontur (8, 9) mindestens ein Sensor (3, 4, 5, 6, 7) im Abstand (11, 12, 13, 14, 15, 16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen sor (3, 4, 5, 6, 7) den Abstand (11, 12, 13, 14, 15, 16) erfaßt, der sich während der Drehung des Körpers (2) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ϕ) ändert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Körper (2) einen Kreisquerschnitt hat und um eine exzentrisch zum Kreismit telpunkt (23) liegende Achse (1) drehbar ist, wobei der Sensor (3, 4, 5) im Bereich des Umfangs des Körpers (2) fest angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Körper (2) einen ellipsenförmigen Querschnitt hat und um eine Achse (1) drehbar ist, die im Mittelpunkt der Ellipse oder exzen trisch dazu liegt, wobei der Sensor (3, 4) im Bereich des Umfangs des Körpers (2) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) die Gestalt eines Topfes hat, dessen Boden (17) mit einem drehbaren Bauteil (24) verbunden ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren (3, 4) diametral zur Achse (1) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (5, 6) innerhalb des Topfs liegen.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) eine geneigt zur Achse (1) verlaufende Fläche besitzt, an der im axialen Abstand (16) ein Sensor (7) vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kör per (2) eine senkrecht zur Achse verlaufende Fläche be sitzt, an der im Abstand (16) ein Sensor (7) vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht und der Sensor (3, 4, 5, 6, 7) ein Wirbelstrom-Wegsensor ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Körper (2) aus Stahl oder Aluminium oder einer Legierung daraus besteht.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinrichtung (22) ein Empfindlichkeitsverlauf der Meßwerte in Abhängigkeit von der Temperatur hinterlegt ist.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich des Drehwinkels (ϕ) auf ca. 70° begrenzt ist.