DE19942322A1 - Untersetzungsgetriebe für Dreh- und Schwenkbewegungen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Untersetzungsgetriebe für Dreh- und Schwenkbewegungen, insbesondere für Meß- und Antriebseinheiten, welches an die zu vermessende Einheit oder den Antrieb ankoppelbar ist und welches eine untersetzte, den Meßbereich erweiternde Meßbewegung oder eine stark untersetzte Antriebsbewegung erzeugt. Das Getriebe ist dabei als differentielles Planetengetriebe auf einer Gestellplatte gemeinsam mit einer drehbar gelagerten Winkelblende montiert, die den Drehwinkel und/oder die Rundenzahl des zu vermessenden Objektes lichtoptisch anzeigbar macht. Das differentielle Planetengetriebe besteht aus einem als Wechselrad ausgebildeten Antriebsrad, welches mit der zu vermessenden Welle kämmt. Neben dem Antriebsrad ist ein innenverzahntes ringförmig ausgebildetes Referenzrad gestellfest angebracht, wobei zwischen einem auf der Nabe des Antriebsrades sitzenden Ritzel und der Innenverzahnung des Referenzrades ein Planetenrad angeordnet ist, das sowohl mit der Innenradverzahnung als auch mit einem Abtriebsrad im Eingriff steht, das gegenüber dem Referenzrad eine geänderte Zähnezahl aufweist, wobei das Abtriebsrad mit einem Schwenkhebel in eine Klaue der Winkelblende eingreift und Antriebsrad, Referenzrad, Abtriebsrad und Ritzel konzentrisch zu einer gemeinsamen Rotationsachse angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Untersetzungsgetriebe für Dreh- und Schwenkbewegungen, insbesondere für Meß- und Antriebseinheiten, welches an die zu vermessende Einheit oder den Antrieb ankoppel­ bar ist und welches eine untersetzte, den Meßbereich erweiternde Meßbewegung oder eine stark untersetzte Antriebsbewegung er­ zeugt.

Untersetzungsgetriebe für Dreh- und Schwenkbewegungen sind bei­ spielsweise bei Fahrsimulatoren bekannt. Dort wird meistens auf elektronischem Wege der Drehwinkel eines Lenkrades in Form einer 3D-Simulation auf einem Bildschirm für die Darstellung eines Fahrzustandes verwertet.

Neuerdings werden Drehwinkelmeß- und Rundenzählvorrichtungen auch für Lenkwinkelsensoren bei Kraftfahrzeugen benötigt. Hier bestehen allerdings spezielle Anforderungen hinsichtlich der Einbaumaße, der Funktionssicherheit und der Genauigkeit der Meßvorrichtung.

Aus der DE 44 09 892 A1 ist ein Lenkwinkelsensor der eingangs genannten Art bekannt. Er besteht aus einer ersten Sensorein­ heit, dessen Rotor an die Drehbewegung des Lenkrades gekoppelt ist und einer zweiten Sensoreinheit, die eine Rundenzählung vornimmt. Der Rotor der zweiten Sensoreinheit ist daher mit einem getrieblichen Untersetzungsverhältnis von 4 : 1 nach Art eines Planetengetriebes mit dem Rotor der ersten Sensoreinheit verbunden. Die Drehachsen der beiden Rotoren sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der innenliegende Rotor drehfest mit der Lenkspindel verbunden ist und bei einer Drehung des Lenkrades den über das Planetengetriebe angetriebenen außenlie­ genden Rotor der zweiten Sensoreinheit antreibt.

Die konzentrische Anordnung zwischen der Lenkspindel, dem Rotor der ersten Sensoreinheit und dem Rotor der zweiten Sensoreinheit bewirkt, daß der bekannte Lenkwinkelsensor in radialer Erstrec­ kung zur Längsachse einen relativ groß bemessenen Einbauraum benötigt. Ferner benutzen die bekannten Lenkwinkelsensoren als Codierung für die Sensoreinheit magnetische Markierungen nach Art eines Gray-Codes und als Detektionseinrichtung sogenannte Hallsensoren, die zum Abtasten der Magnetcodierung am Umfang der Codescheibe angeordnet sind. Hierdurch werden relativ aufwendi­ ge, Platz beanspruchende Hardware-Komponenten benötigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Drehwin­ kelmeß- und Rundenzählantrieb für Wellenachsen oder Radpositio­ nierungen zu entwickeln, der eine Meßgenauigkeit von ≦ 0,5 Bo­ gengrad innerhalb eines Temperaturbereichs von -40 bis +80° aufweist und dessen maximaler Durchmesser < 2 mal Lenkrohrdurch­ messer ist bei einer maximalen Gehäusetiefe von 1/2 Lenkrohr­ durchmesser.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein Untersetzungsgetriebe für Meß- und Antriebszwecke kann bei­ spielsweise in einen Lenkwinkelsensor zum Bestimmen der absolu­ ten Winkelstellung des Lenkrades eines Kraftzeuges integriert sein. Hierbei wird eine erste Sensoreinheit, bestehend aus einem eine erste Codierung tragenden, an die Drehbewegung des Lenkra­ des gekoppelten Rotor und aus einer statorseitig angeordneten Detektionseinrichtung zum Abtasten der Codierung des Rotors innerhalb eines Winkelsegments aus dem gesamten Lenkraddreh­ bereich mit einer zweiten Sensoreinheit verbunden. Die zweite Sensoreinheit besteht aus einem getrieblich an den Rotor der ersten Sensoreinheit gekoppelten Rotor, einer durch den Rotor bewegbaren Codierung und einer statorseitig angeordneten Detek­ tionseinrichtung zum Abtasten dieser Codierung innerhalb des gesamten Lenkraddrehbereiches.

Die Detektionseinrichtung der ersten Sensoreinheit kann durch eine Vielzahl aneinandergrenzender Wandlerelemente als Sensor array ausgebildet sein, wobei diese Sensor array sowohl zum Abtasten der Codierung des Rotors der ersten Sensoreinheit als auch zum Abtasten der Codierung der zweiten Sensoreinheit ge­ eignet ist. Der Rotor der ersten Sensoreinheit ist als Code­ scheibe ausgebildet und das Sensor array mit seiner Längser­ streckung radial zur Drehachse der Codescheibe und mit seinen Wandlerelementen zu der die Codierung tragenden Flachseite der Codescheibe angeordnet.

Die getriebliche Kopplung des Rotors der zweiten Sensoreinheit an den Rotor der ersten Sensoreinheit wird durch ein differen­ tielles Planetengetriebe realisiert, das ein als Wechselrad ausgebildetes, mit dem Rotor der ersten Sensoreinheit kämmendes Antriebsrad und neben dem Antriebsrad ein innenverzahntes, ring­ förmig ausgebildetes, gestellfest angeordnetes Referenzrad um­ faßt. Zwischen einem auf der Nabe des Antriebsrades sitzenden Ritzel und der Innenverzahnung des Referenzrades ist ein Plane­ tenrad angeordnet, das sowohl mit der Innenradverzahnung als auch mit dem als Abtriebsrad des Getriebes ausgebildeten, gegen­ über dem Referenzrad eine geänderte Zähnezahl aufweisenden Rotor der zweiten Sensoreinheit im Eingriff steht. Der Rotor greift dann mit einem Schwenkhebel in eine Klaue eines die Codierung der zweiten Sensoreinheit tragenden, schwenkbar zwischen dem Rotor und der Sensor array gelagerten Arm ein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes miniaturisier­ tes Getriebe,

Fig. 2 Gesamtansicht mit Lenkgetriebe.

Gemäß Fig. 1 ist das Antriebsrad 1 auf einer Achse 7 angeord­ net, die in der Gestellplatte 10 und Deckplatte 11 gelagert ist. Ebenfalls auf der Achse 7 ist ein Abtriebsrad 9 gelagert, das als Hohlrad ausgebildet ist und eine Innenverzahnung 9a auf­ weist.

Zwischen Innenverzahnung 9a und Ritzel 12 des Antriebsrades 1 befindet sich ein Planetenrad 6. Bei einer Bewegung des An­ triebsrades 1 wird die Drehbewegung über das Planetenrad 6 auf das Abtriebsrad 9 übertragen, an dessen äußerem Umfang ein Schwenkhebel 3 ausgebildet ist. Dieser Schwenkhebel 3 steckt in einer Klaue 4, die mit einer drehbaren Winkelblende 13 verbunden ist. Die Welle der drehbaren Winkelblende ist an der Gestell­ platte (10) fest montiert.

Anhand der Fig. 2 kann der Bewegungsvorgang im einzelnen erläu­ tert werden. Sobald das Antriebsrad 1 von dem zu vermessenden Objekt 14 bewegt wird, dreht sich auch das als Nabe des An­ triebsrades ausgebildete Ritzel 12.

Zusammen mit dem Ritzel 12 wird das Planetenrad 6 in Bewegung gesetzt, wobei es auf der Innenverzahnung 9a des Abtriebsrades abrollt.

Wegen der Zähnezahldifferenz zwischen Abtriebsrad 9 und Refe­ renzrad 2 wird bei dem Umlauf des Planetenrades 6 das Abtriebs­ rad 9 bewegt und damit der Schwenkhebel 3, der in der Klaue 4 steckt.

Als Beispiel für das erfindungsgemäße Untersetzungsgetriebe ist eine Drehwinkelmeß- und Rundenzählvorrichtung in Fig. 2 darge­ stellt. Man erkennt das Lenkgetriebe 15, die Lenksäule 16 und den Antriebszahnkranz 17, der mit dem Antriebsrad 1 kämmt.

Auf der Abtriebsseite ist die mit der Klaue 4 verbundene Winkel­ blende 18 zu erkennen, die einen Winkelbereich 19 des Sensors 20 überstreicht. Aus Platzgründen sind die Antriebs- und Abtriebs­ räder ineinander gesteckt, wobei konzentrisch zum und innerhalb des Antriebsrades 1 das innenverzahnte Referenzrad 2 ortsfest angebracht ist, dessen Innenverzahnung ein ebenfalls innen ver­ zahntes Abtriebsrad 9 mit gegenüber dem Referenzrad 2 geänderter Zähnezahl umgreift.

Das Ritzel des Antriebsrades 1 treibt ein Planetenrad 6, so daß das Planetenrad in dem Referenzrad 2 und gleichzeitig in dem Abtriebsrad 9 abwälzt. Durch die Zähnezahldifferenz zwischen Referenzrad 2 und Abtriebsrad 9 und infolge des gemeinsamen Abwälzens des Planetenrades 6 wird eine Schwenken des Abtriebs­ rades bewirkt.

Das Antriebsrad 1, das Referenzrad 2 und Abtriebsrad 9 können eine zylinderförmige Baueinheit bilden, deren Planflächen aus jeweils einer Seitenfläche von Antriebs- und Abtriebsrad beste­ hen und deren Zylindermantelfäche von der Ringfläche des Refe­ renzrades gebildet werden. Dadurch wird das erfindungsgemäße Untersetzungsgetriebe als eine kompakte, in unterschiedlichen Meß- und Antriebseinheiten integrierbare Baueinheit realisiert.

Als Variante zu dem in Fig. 1 dargestellten Anwendungsbeispiel kann das Antriebsrad auch als Kupplung ausgebildet sein und das Abtriebsrad einen zentralen Wellenausgang ausweisen, der die Übertragung des Abtriebs auf andere Wellen, Zahnräder oder Dreh­ teile ermöglicht. Das kuppelbare Antriebsrad soll - je nach Schaltzustand - die Verbindung zu einer Antriebseinheit her­ stellen.

In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Untersetzungs­ getriebes sind die Gestellplatte bzw. die Deckplatte des An­ triebs bzw. Abtriebs derart ausgebildet, daß sie direkt mit einem Antrieb oder mit einem Abtrieb zu einer Einheit verbunden werden können. Dieses erfolgt zweckmäßigerweise über entspre­ chend ausgebildete Flansche, die beispielsweise durch Schrauben oder Klemmverschlüsse lösbar miteinander verbunden sind.

Die Antriebseinheit kann auch aus einem linear bewegten Schlit­ ten, beispielweise von Bearbeitungsmaschinen oder Textilmaschi­ nen bestehen. Dann wird die Linearbewegung über einen geeigneten Bewegungswandler in einer Eingangs-Drehbewegung des Getriebes umgewandelt. Analog zu dem eingangs beschriebenen Anwendungsfall "Lenkwinkelsensor" kann eine inkrementale Wegmessung der Maschi­ ne übergeeignete Detektionseinrichtungen, wie z. B. Taktschei­ ben, erfolgen und die Signale über das erfindungsgemäße Unter­ setzungsgetriebe in eine Endschalterfunktion für die Linearbewe­ gung überführt werden.

Claims (5)

1. Untersetzungsgetriebe für Dreh- und Schwenkbewegungen, ins­ besondere für Meß- und Antriebseinheiten, welches an die zu vermessende Einheit oder den Antrieb ankoppelbar ist und welches eine untersetzte, den Meßbereich erweiternde Meß­ bewegung oder eine stark untersetzte Antriebsbewegung er­ zeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe als differentielles Planetengetriebe auf einer Gestellplatte (10) gemeinsam mit einer drehbar gela­ gerten Winkelblende (13) montiert ist, die den Drehwinkel und/oder die Rundenzahl des zu vermessenden Objektes licht­ optisch anzeigbar macht,
wobei das differentielle Planetengetriebe aus einem als Wechselrad ausgebildeten Antriebsrad (1) besteht, welches mit der zu vermessenden Welle kämmt,
daß neben dem Antriebsrad (1) ein innenverzahntes ringför­ mig ausgebildetes Referenzrad (2) gestellfest angebracht ist, wobei zwischen einem auf der Nabe des Antriebsrades (1) sitzenden Ritzel (12) und der Innenverzahnung (12a) des Referenzrades (2) ein Planetenrad (6) angeordnet ist, das sowohl mit der Innenradverzahnung (12a) als auch mit einem Abtriebsrad (9) im Eingriff steht, das gegenüber dem Refe­ renzrad (2) eine geänderte Zähnezahl aufweist,
und daß das Abtriebsrad (9) mit einem Schwenkhebel (3) in eine Klaue (4) der Winkelblende (13) eingreift, wobei An­ triebsrad (1), Referenzrad (2), Abtriebsrad (9) und Ritzel (12) konzentrisch zu einer gemeinsamen Rotationsachse (5) angeordnet sind.

2. Drehwinkelmeß- und Rundenzählvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelblende (13) unter einer Federvorspannung gehalten wird.

3. Untersetzungsgetriebe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Gestellplatte (10) eine Deckplatte (11) angeordnet ist, in der die Achse (7) und die Winkelblende (13) gelagert sind.

4. Untersetzungsgetriebe nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsrad (1) als Kupplung zu einer Antriebsein­ heit ausgebildet ist und das Abtriebsrad (9) einen zen­ tralen Wellenausgang aufweist, welcher als Abtriebseinheit ausgebildet ist.

5. Untersetzungsgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und Abtriebseinheit in Gestellplatte und Deckplatte gelagert sind, wobei das Getriebe an den Antrieb angeflanscht und mit ihm eine Einheit bildet.