DE68911238T2 - Drehgeschwindigkeitsmessaufnehmereinheit. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Drehgeschwindigkeitssensoren und speziell auf kompakte, einstückige Drehgeschwindigkeitssensoren.
Beschreibung des technischen Gebiets
• Drehgeschwindigkeitssensoren werden in vielen Steuerungs- und Anzeigesystemen verwendet. Ein oft verwendeter Typ benutzt das Prinzip des veränderlichen magnetischen Widerstands. Die üblichen Probleme bei solchen Sensoren nach dem Stand der Technik bestehen darin, die Vorrichtung kompakt zu halten, so daß sie in kleine Räume paßt, den Abstand zwischen Rotor und Stator sicher zu beherrschen und ein ausreichendes Ausgangssignal sowohl bezüglich der Signalamplitude als auch bezüglich der Impulsanzahl pro Umdrehung zu erzeugen.
• Den Effindern bekannte Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind unter anderem in den US-Patenten Nr. 2 462 761 und 3 480 812 von Hershberger, 3 596 122 von Stewart, 3 604 966 von Liggett, 3 649 859 von Watt, 4 027 753 von Lantz und 4 110 647 von Eslinger et al. offenbart. Insbesondere zeigt die Vorrichtung von Hershberger eine eingesetzte Anordnung des Rotors, des Magneten, der Spule und des Statorelements. Watt offenbart einen das Prinzip des magnetischen Widerstandes verwendenden Drehgeschwindigkeitssensor, der sich radial erstreckende Zähne auf dem Stator und dem Rotor verwendet. Die Vorrichtung von Lantz enthält ein abgedichtetes System. Allerdings kombiniert keine der oben genannten Vorrichtungen die verschiedenen Lehren der vorliegenden Erfindung, um eine deutlich kompaktere Ausführung zu erzielen, die in der Lage ist, einen höheren Ausgangssignalpegel zu erreichen, und die vielseitig genug zur Verwendung in vielen Umgebungen ist.
• Zusätzlich ist aus dem US-Patent Nr. 3 683 219 ein Drehgeschwindigkeitssensor zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit einer Radnabe bekannt. Der Drehgeschwindigkeitssensor ist über eine Achse anliegend an den Stator angebracht und gegen Verdrehen durch eine Nase in einem Spulengehäuse gesichert, welche in eine längsnut eingreift. Der Stator ist als ringförmiges Element mit U-förmigem Querschnitt aufgebaut. Das Spulengehäuse mit der Spulenwicklung ist in den U-förmigen Querschnitt eingesetzt. Ein innerer Schenkelabschnitt des Statorgehäuses trägt ein Radialgleitlager, welches den Rotor trägt.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Drehgeschwindigkeitssensor mit einem kompakteren Aufbau, der leichter herzustellen ist und der ein für seine Größe hohes Ausgangssignal erzeugen kann.
• Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung einen Drehgeschwindigkeitssensor mit einem Stator, der in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, auf ihm ausgebildete Zähne aufweist; einer Drahtspule, die koaxial zum Stator angeordnet ist; einem Magnet, der koaxial zum Stator angeordnet ist; einem Rotor, der sich um eine Rotationsachse drehen kann und eine erste und eine zweite Fläche aufweist, die axial voneinander beabstandet sind, sich radial erstrekken und in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Zähne enthalten; wobei die Zähne des Stators in unmittelbarer Nähe zu den Zähnen des Rotors angeordnet sind und diesen direkt gegenüberliegen, wodurch in der Spule bei einer Drehung des Rotors ein elektrischer Strom induziert wird; gemäß der Erfindung enthält der Stator zwei koaxial angeordnete, axial voneinander beabstandete Statorelemente, wobei jedes Statorelement zueinander entgegengesetzte, sich radial erstreckende Innen- und Außenflächen aufweist, wobei die Zähne auf jeder Innenfläche ausgebildet sind, wobei die Drahtspule zwischen den Statorelementen angeordnet ist, wobei der Magnet zwischen den Statorelementen angeordnet ist, wobei die Zähne des Rotors auf den ersten und den zweiten Flächen des Rotors ausgebildet sind und wobei der Rotor, die Spule und der Magnet koaxial zwischen die Statorelemente eingesetzt sind.
• Der vorliegende Drehgeschwindigkeitssensor verbessert den Geschwindigkeitssensor nach dem Stand der Technik, indem ein axial kompakter Aufbau verwendet wird, um genaue Messungen in einer Vielzahl von Umgebungen zu erzielen. Die ebene, allgemein kreisförmige Gestalt erlaubt dem Sensor, die Drehgeschwindigkeit entweder einer sich drehenden Welle oder einer sich drehenden Bohrung zu messen. Der Sensor ist so aufgebaut, daß die Auswirkungen von Exzentrizitäten und unerwünschter relativer Bewegung zwischen den Bauteilen des Sensors minimiert werden. Zum Beispiel hat sowohl ein radialer als auch ein axialer Schlag eine minimale Auswirkung auf das Ausgangssignal des Sensors. Zusätzlich versetzt die spezielle Gestaltung des in diesem Sensor verwendeten Magnetkreises ihn in die Lage, ein für seine Größe hohes Ausgangssignal zu erzeugen.
• Der vorliegende Geschwindigkeitssensor enthält einen Rotor und einen Stator, die jeweils Zähne besitzen, die Schlitze definieren, welche in Verbindung mit einem ringförmigen Magnet stehen, um den Magnetfluß im magnetischen Kreis zu erhöhen und zu vermindern, was eine Messung der Winkelgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Erhöhung oder der Verminderung des Flusses erlaubt. Die vom Rotorsystem erzeugten Veränderungen des Flusses induzieren in einer Drahtspule in bekannter Weise einen Wechselstrom, um Signale zu erzeugen, die die Winkelgeschwindigkeit angeben.
• Es werden zwei Ausführungen der Erfindung offenbart. In der ersten Ausführung umschließt ein ringförmiger, zwischen zwei den Stator enthaltenden Elementen angeordneter Magnet eine Erfassungsspule mit einem in ihr angeordneten, emheiflichen Rotor. In einer zweiten Ausführung ist ein Magnet zwischen zwei Hälften angeordnet, die einen Rotor enthalten, wobei der gesamte Aufbau in eine Erfassungsspule eingesetzt und zwischen den beiden Statorelementen angeordnet ist. Jede Ausführung kann mit kleinen Veränderungen in Umgebungen verwendet werden, in denen sich ein rotierender Schaft innerhalb einer feststehenden Bohrung dreht oder in denen eine rotierende Bohrung sich um eine feststehende Welle dreht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführung des vorliegenden Geschwindigkeitssensors, die den in einer stationären Bohrung angebracht und von einer rotierenden Welle angetriebenen Sensor darstellt;
• Fig. 2 ist eine Explosionsansicht der Bauteile des Sensors aus Fig. 1;
• Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang den Linien III-III aus Fig. 1;
• Fig. 4 ist ein Querschnitt des in Fig. 3 gezeigten Sensors, aber mit einem abweichenden Statoraufbau;
• Fig. 5 ist ein Querschnitt des Sensors entsprechend der zweiten offenbarten Ausführung;
• Fig. 6 ist eine Explosionsansicht der Bauteile des in Fig. 5 gezeigten Sensors;
• Fig. 7 zeigt den entsprechenden Sensor mit einem abweichenden Aufbau, der zum Messen der Geschwindigkeit einer rotierenden Bohrung geeignet ist;
• Fig. 8 ist eine Ansicht des in Fig. 5 gezeigten Sensors, der in einem Einstellring eines Differentialgehäuses eingebaut ist, um die Geschwindigkeit des Differentialgehäuses zu messen;
• Fig. 9 ist ein Querschnitt einer Modifikation der in Fig. 8 gezeigten Anordnung;
• Fig. 10 ist eine Ansicht des an einer Radachse innerhalb einer Radkappe angebrachten Sensors zum Messen der Radgeschwindigkeit; und
• Fig. 11 ist eine Ansicht des in Fig. 5 gezeigten Sensors, der im Abtriebsende eines Übertragungsgehäuses angebracht ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
• Ein vorzugsweise ringförmiger Drehgeschwindigkeitssensor, der in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ist in Fig. 1 allgemein mit 10 bezeichnet. Der Sensor ist in einer feststehenden Bohrung 12 angebracht und wird von einer rotierenden Welle 14 angetrieben. Elektrische Anschlüsse 16 führen zu einer inneren Erfassungsspule.
• Fig. 2 ist eine Explosionsansicht der Grundbauteile, die in einer beispielhaften Ausführung des Geschwindigkeitssensors 10 verwendet werden. Wie in Fig. 2 dargestellt, lassen sich die Bauteile der ersten Ausführung von links in ein Sensorrückhalteelement 18 einschieben. Ein Rand 20 wird zum Zusammenwirken mit einer Lippe 22 umgebogen, um die Sensorbauteile im Rückhalteelement 18 zurückzuhalten. Der in Fig. 2 gezeigte, doppellippige Aufbau ist nur ein Beispiel für geeignete Rückhaltemittel, die in der vorliegenden Ausführung verwendet werden können. Es können verschiedene andere Rückhaltemittel verwendet werden, auch Kleber. Ringförmige Statorelemente 24 und 26 bilden für den oben genannten magnetischen Flüß einen Magnetweg aus, der sich vom inneren Rand 28 zum äußeren Rand 30 erstreckt. Auf der inneren Seite der Statorelemente 24 und 26 sind in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, radial angeordnete Zähne 32 und Schlitze ausgebildet, die in Verbindung mit entsprechenden, im Rotor 36 ausgebildeten Zähnen wirken, um die Mittel zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit bereitzustellen, wie weiter unten ausführlicher beschrieben. Ein axial gepolter, ringförmiger Magnet 38 bildet einen magnetischen Fluß für den Sensor 10 aus. Eine Erfassungsspule, die eingekapselt als 40 dargestellt ist, besteht aus einer einfachen Mehrwindungswicklung, die so gewickelt ist, daß ihre Achse mit der linearen Achse des zusammengebauten Sensors zusammenfällt. Von den beiden Enden der Spule 40 erstrecken sich Anschlußdrähte 16, um einen die Drehgeschwindigkeitssignale darstellenden Wechselstrom zu einer externen (nicht dargestellten) Signalverarbeitungseinheit zu übertragen.
• In dieser ersten, beispielhaften Ausführung wird der Rotor 16 von einer Welle 14 in Drehung versetzt. Sowohl der Rotor 36 als auch die Statorelemente 24, 26 besitzen eine gleiche Anzahl von radial angeordneten Zähnen und Schlitzen. Die radiale Lange der Rotorzähne 34 ist vorzugsweise geringfügig kleiner als die Länge der Statorzähne 32, und die Rotorzähne 34 sind relativ zu den Statorzähnen 32 so positioniert, daß die Rotorzähne 34 innerhalb der Lange der Statorzähne 32 liegen. Durch diese Gestaltung werden Signalverluste aufgrund von magnetischen Kurzschlüssen und radialen Schlägen reduziert. Der Rotor 36 ist in die Spule 40 eingesetzt, und die Rotor-Spulen-Kombination ist axial in den Magneten 38 eingesetzt. Diese Anordnung ist wiederum koaxial zu den Statorelementen 24 und 26 und zwischen diesen angeordnet.
• Fig. 3 ist ein Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Sensors enflang den Linien III-III mit einer Blickrichtung in Richtung der Pfeile. In dieser Ansicht ist das eingesetzte Verhältnis zwischen dem Rotor 36, der Spule 40 und dem Magneten 38 dargestellt.
• Die Statorelemente 24 und 26 sind relativ dünne Elemente, die z.B. aus 22er Stahl (22 gauge steel) hergestellt sind. In der dargestellten Anordnung sind die Statorelemente 24, 26 durch eine Schicht aus nicht magnetischem Material verstärkt, wie z.B. aus Spritzgußkunststoff, wie mit 44 bezeichnet. Die Statorelemente 24, 26 sind mit dem Rückhalteelement 18 durch geeignete Mittel verbunden, z.B. durch Verbinden der Verstärkungsschicht 44 mit dem Rückhalteelement 18 mittels Klebstoff. Dieser spezielle Querschnitt der Statorelemente 24 und 26 zeigt bei 31 einen Schlitz in jedem Statorelement. Die Zähne und Schlitze in den Statorelementen können durch viele verschiedene Verfahren ausgebildet werden, inklusive Pressen oder Ätzen. Im endgültigen Aufbau sind die Schlitze 31 vorzugsweise mit einem Verstärkungsmaterial 44 ausgefüllt. Das Auffüllen der Schlitze ergibt eine glatte, durchgehende Oberfläche auf der Innenseite jedes Statorelementes, so daß, wenn der Rotor 36 an ihr reibt, keine Beschädigung auftritt. Die Statorelemente 24 und 26 müssen relativ zueinander so positioniert sein, daß die Zähne und Schlitze axial ausgerichtet sind. Dies kann durch viele verschiedene Verfahren erzielt werden, inklusive Vorsprünge auf den Statorelementen, die in Vertiefungen in der Spule 40, im Magneten 38 oder in einem optionalen Abstandselement 42 passen.
• Die Spule 40 ist von einem Spulenkörper 46 eingeschlossen dargestellt. Mit den Enden der Spule 40 bestehen Verbindungen über Anschlußdrähte 16, die sich durch eine Zugentlastung 48 des Spulenkörpers 46 erstrecken. Das Statorelement 24 und das Verstärkungsmaterial 44 sind mit einer Öffnung versehen, um einen Durchgang der Zugentlastung 48 zu erlauben.
• Der Rotor 36 ist geringfügig dünner als der Abstand zwischen den Statorelementen 24 und 26, um einen Bewegungsspielraum zu erhalten, und der Außendurchmesser des Rotors 36 ist geringer als der Innendurchmesser der Spule 40, um einen ausreichenden Abstand im Hinblick auf Exzentrizität und Abmessungstoleranzen zu erhalten.
• Zur Herstellung des Rotors 36 können verschiedene Techniken verwendet werden, inklusive Sintern von Eisenpulver. Der Rotor 36 kann ein einstückiges Element sein oder zwei ausgerichtete Hälften mit nach außen gerichteten Zähnen enthalten, die in der gleichen Weise wie der einstückige Rotor arbeiten. Der Rotor ist vorzugsweise in Kunststoff oder ein anderes geeignetes Material (z.B. Verstärkungsmaterial 44) so eingekapselt, daß die Schlitze 33 bis zur Höhe der Zähne 34 ausgefüllt sind, so daß ein einstückiges Element unabhängig von der ein- oder zweiteiligen Ausführung gebildet wird.
• Ein auf dem inneren Durchmesser des Rotors 36 dargestellter Kranz 50 hält einen elastischen Ring 52 fest. Der Ring 52 besitzt vier Funktionen. Erstens stellt er einen Reibschlußantrieb zwischen der Welle 14 und dem Kranz 50 des Rotors 36 her. Zweitens bildet er eine Isolation gegen Vibrationen des Rotors relativ zu seinem Antriebselement. Drittens bildet die Kontaktfläche zwischen den Statorelementen 24, 26 und dem Ring 52 eine Gleitdichtung, um Verunreinigungen von den sich relativ zueinander bewegenden Teilen des Sensors 10 fernzuhalten. Viertens bildet ein Zusammendrücken des Rings an der Dichtfläche des Statorelements eine Zentrierkraft für den Rotor 36, die das Bestreben hat, eine Berührung zwischen dem Rotor und den Statorelementen 24, 26 zu verhindern. Als zusätzliche Sicherheit gegen eine Berührung von Stator und Rotor können Rotorkränze enthalten sein, wie im folgenden mit Bezug auf Fig. 5 beschrieben.
• Das bevorzugte Antriebsmittel für den Drehgeschwindigkeitssensor ist ein Reibschlußantrieb des Rotors über den Ring 52; allerdings können auch andere Antriebsmittel wie an Schlitzen auf der sich drehenden Welle angreifende Mitnehmer oder Keile, die mit einer Dichtung versehen sind oder nicht, verwendet werden.
• Auf diese Weise ist ein torischer Magnetflußweg 53 um die Spule 40 gebildet, der sich axial von einer Seite des Magnetes 38 zu einem angrenzenden Statorelement, radial durch das Statorelement, axial in den Rotor 36 und aus dem Rotor 36 in das andere Statorelement und schließlich radial durch dieses zweite Statorelement zurück in den Magneten 38 erstreckt. Wenn sich der Rotor 36 dreht, bewegen sich die Rotor- und Statorzähne 34 und 32 in eine einander gegenüberliegende Stellung und aus dieser Stellung heraus, um abwechselnd den magnetischen Widerstand des Magnetweges zu vermindern und zu erhöhen. Die Widerstandsveränderung erhöht und vermindert den magnetischen Fluß im Magnetweg. Diese Veränderung des Flusses erzeugt eine Spannung in der Spule 40 in Übereinstimmung mit bekannten Prinzipien. Die Ausgangsspannung der Anschlüsse 16 wird eine Wechselspannung mit einer zur Drehgeschwindigkeit proportionalen Amplitude und mit einer Frequenz sein, die gleich der Drehgeschwindigkeit mal der Anzahl der Zähne je 360º ist.
• Bei der Ausführung aus Fig. 3 müssen die Rückhalteelemente 18 nicht-magnetisch sein, um einen Kurzschluß des magnetischen Flusses zu vermeiden. Zusätzlich muß, falls die Bohrung 12 ferromagnetisch ist, ein Distanzelement 42 enthalten sein, um ein Kurzschluß über die Bohrung zu vermeiden.
• Fig. 4 stellt den Querschnitt durch den Sensor aus Fig. 3 dar, der aber Statorelemente 24 und 26 enthält, die aus einem Verbundmaterial anstatt aus einer mit einem nicht-metallischen Verstärkungsmaterial verstärkten Metallplatte hergestellt sind. Die Statorelemente 24 und 26 können z.B. aus Kunststoff oder Nylon geformt sein, in das Eisenpulver in einer solchen Dichte eingestreut ist, daß ihre Permeabilität ausreichend ist, einen adäquaten magnetischen Weg auszubilden. Die Vorteile dieses Herstellungsverfahrens liegen in einer besseren Steuerung der Abmessungen der Bauteile und geringeren Kosten aufgrund des einfacheren Verfahrens. Die Schlitze 31 und 33 in den Statorelementen 24, 26 und dem Rotor 36 können mit einem nicht-magnetischen Material in der oben beschriebenen Weise aufgefüllt sein, um eine Beschädigung durch Reiben zu verhindern.
• Fig. 5 stellt eine zweite Ausführung eines Drehgeschwindigkeitssensors dar. Unter Bezugnahme auf sowohl Fig. 5 als auch Fig. 6 ist ein Rotor 136 in zwei Hälften geteilt mit einem Schichtmagneten 138 dargestellt. Der Magnet 138 besitzt weiter relativ geringe Innen- und Außendurchmesser, die nun ungefahr gleich denen der Rotorhälften 135 und 137 sind, so daß die Rotor-Magnet-Einheit in die Spule 140 zwischen die Statorelemente 124 und 126 eingesetzt ist. Die Spule 140 kann mit den Statorelementen 124, 126 verklebt oder anderweitig an ihnen befestigt sein. Solange die Dicke des Magneten 138 merklich größer als die beiden bei 154 und 156 gezeigten Luftspalte zusammen sind, wird der Betriebspunkt der Entmagnetisierungskurve des Magneten 138 hoch genug sein, so daß eine adäquate Veränderung des Flusses ausgebildet wird, um eine ausreichende Spannung der Spule 140 zu erzeugen. Daher kann der Magnet 138 so dünn wie unter Betriebsgesichtspunkten möglich ausgeführt sein. Diese Ausführung besitzt als Vorteile einen verminderten Platzbedarf, eine Verminderung der Kosten des Magneten 138 und eine Verhinderung des Kurzschlußeffekts der Stahlbohrung (wie bei 12) in der Nähe des Magneten 38, wie in der ersten Ausführung.
• Der Rotor 136 ist so ausgeführt, daß ein minimaler Abstand zwischen Rotor und Stator erhalten wird. In einem beispielhaften Aufbau besitzen die beiden ferromagnetischen Rotorhälften 135 und 137 Rastmarken, und sie sind in einem Spritzgußraum mit dem Magnet 138 zwischen sich angeordnet. Dann werden Rotorkränze 158 und 160 um die Rotorhälften 135 und 137 sowie den Magneten 138 geformt. Der Gußraum ist so aufgebaut, daß die Luftspalte 154 und 156 erzeugt werden. Diese Spalte liegen in der Größenordnung von 0,005 Inch.
• Durch Einsetzen des Magneten 138 zwischen die Rotorhälften 135 und 137 erstreckt sich der Magnetflußweg nun vom Magneten 138 über einen Luftspalt, radial durch das angrenzende Statorelement, dann axial durch das Rückhalteelement 118, radial nach unten durch das andere Statorelement und zurück zum Magneten 138.
• Die Rotorkränze 158 und 160 sind angrenzend an das Statorelement 124 mit einem Bewegungsspielraum zum Statorelement 126 dargestellt. Die Rotorkränze 158 und 160 können sich entweder in Berührung mit einem Statorelement oder schwimmend zwischen den Statorelementen drehen, sie befinden sich aber immer in einer Präventionsberührung mit dem Rotor 136 (das heißt, daß sie den Rotor 136 so berühren, daß die Rotorzähne 134 niemals die Statorzähne 132 berühren). Obwohl als Kränze dargestellt, können die Rotorkränze 158 und 160 jedes geeignete Abstandsmittel zum Aufrechterhalten des Abstands zwischen Rotor und Stator sein. Als Ausgangssignal der Spule 140 wird eine beinahe vollständige Sinuswelle ohne Anomalien erreicht, wenn ein Abstand von einigen tausendstel Inch zwischen dem Rotor und den Statorzähnen 134 und 132 aufrechterhalten wird, was durch die Kränze 158 und 160 erzielt wird.
• Da die Rotorkränze 158 und 160 als Lagerflächen wirken, die auf den Statorelementen 124 und 126 laufen, muß die Zusammensetzung der Kränze 158 und 160 zum Statormaterial passen, um die Abnutzung zu minimieren. Wenn z.B. Statorelemente aus Stahl verwendet werden, ist Nylon oder Nylon mit einem reibungsmindernden Zusatz zufriedenstellend. Wenn für die Statorelemente ein stahlgefüllter Verbundwerkstoff verwendet wird (wie in Fig. 5 dargestellt), besteht das Statorgrundmaterial vorzugsweise aus Polyethersulphon, das auf Nylonkränzen läuft. Als ein weiteres Verfahren zur Verminderung der Reibung kann der Sensor 110 mit Fett oder Öl gefüllt sein, wobei die den Statorelementen zugewandte Kranzfläche mit Schmierstegen versehen ist. Abhängig von der Abnutzungscharakteristik kann anstatt von zweien ein einziger Rotorkranz (z.B. 158 oder 160) verwendet werden.
• Der die Dichtung bei dieser zweiten Ausführung bildende elastische Ring 152 besitzt im wesentlichen die gleichen Funktionen wie der elastische Ring 52 der ersten Ausführung, aber er ist am Sensor der zweiten Ausführung anders angeordnet. Wie in Fig. 5 dargestellt, erstreckt sich der Ring 152 sowohl enflang der Verlängerung des Kranzes 160 als auch der Statorelemente 124 und 126, jedoch ist zwischen den beiden Statorelementen kein Hohlraum ausgebildet. Daher bildet der elastische Ring 152 eine axiale Dichtung mit geringer Reibung anstatt eine radiale Dichtung.
• Alle bis jetzt beschriebenen Ausführungen sind zur Erfassung der Geschwindigkeit einer sich drehenden Welle innerhalb einer feststehenden Bohrung vorgesehen. Der vorliegende Geschwindigkeitssensor kann modifiziert werden, um auch den Bedingungen einer feststehenden Welle und einer sich drehenden Bohrung zu genügen. Fig. 7 stellt einen Sensor 210 dar, der auf einer feststehenden Welle 214 angebracht ist und einen Rotor 236 enthält, der von einer sich drehenden Bohrung 212 angetrieben ist. Die in Fig. 7 dargestellte Anordnung arbeitet im wesenflichen in der gleichen Weise wie die Anordnung aus Fig. 5, hier ist jedoch die radiale Anordnung des elastischen Rings 152, des Rotors 136 und der Spule 140 umgekehrt. Fig. 7 zeigt, daß die Welle 214 verwendet wird, um den Magnetflußweg zu schließen. Daher muß sie aus einem Material bestehen, das in der Lage ist, einen Magnetflußweg auszubilden, z.B. aus Stahl. Wie in der Ausführung aus Fig. 5 können die Statorelemente an der Spule durch die Verwendung von Klebstoff befestigt sein.
• Eine Anwendung für einen ebenen, kompakten Geschwindigkeitssensor, wie der der vorliegenden Erfindung, besteht in der Messung der Radgeschwindigkeit an einer Antriebsachse eines Fahrzeugs. Fig. 8 stellt einen Sensor 110 dar, der dem in Fig. 5 gezeigten entspricht und der innerhalb eines Einstellringes 162 eines Differentialgehäuses eingesetzt ist. Das Achsgehäuseelement 164 ist feststehend und mit einem Fahrzeug über das Federungssystem verbunden. Das Differentialgehäuse 166 trägt ein Tellerrad 168 und wird durch ein Ritzel in Drehung versetzt. Das Differentialgehäuse 166 trägt auch Differentialräder 170 und 172, die eine Achse 174 über Keilwellen 176 drehen.
• Ein Kegelrollenlager 178 und ein gleiches (nicht dargestelltes) Lager auf der anderen Seite der Achse 174 erlaubt dem Differentialgehäuse 166, sich frei zu drehen. Der Einstellring 162 und ein gleicher Ring am anderen Ende der Achse 174 halten das Differentialgehäuse 166 durch die Kegelrollenlager 178 im Achsgehäuse 164 zurück und positionieren es. Der Einstellring 162 ist mit einem Außengewinde versehen, mit 180 bezeichnet, und ist in das feststehende Achsgehäuse 164 eingeschraubt. Durch die beiden Einstellringe 162 ist das Tellerrad 168 genau entlang der Drehachse der Achse 174 relativ zum Antriebsritzel positioniert. Die Einstellringe 162 besitzen Aussparungen, die dazu verwendet werden, die Position des Einstellrings 162 mit einem Keiltreiber festzulegen. Ein Flanschabschnitt 182 des Differentialgehäuses 166 erstreckt sich zwischen dem Einstellring 162 und der Achse 174 nach außen.
• Der Geschwindigkeitssensor 110 und der Einstellring 162 sind für einen leichten Preßsitz des Sensors 110 im Einstellring 162 bemessen. Für einen festeren Sitz kann auch ein Klebstoff verwendet werden. Der elastische Ring 152 gleitet über die Außenseite des Flansches 182 des Differentialgehäuses 166. Der Flansch 182 ist lang genug, um den Sensor 110 vor Beschädigungen zu schützen, wenn die Achse 174 in den Achsaufbau eingesetzt wird.
• Wie oben erwähnt, ist das bevorzugte Antriebsmittel für den Drehgeschwindigkeitssensor ein Reibschlußantrieb des Rotors über den elastischen Ring. Der Reibschlußantrieb erlaubt einen einfachen Zusammenbau, und er vermeidet mit dem Verriegeln des Rotors bezüglich des Antriebselementes verbundene Ausrichtungsprobleme (Flansch 182 der Ausführung aus Fig. 8). Ein Mitnehmerantrieb ist möglich, erfordert aber extrem enge Toleranzen, um ein Spiel zu vermeiden, welches falsche Geschwindigkeitssignale ergeben könnte.
• Allerdings kann unter gewissen Umständen ein Mitnehmerantrieb erforderlich sein, wenn ein hohes Antriebsdrehmoment die Reibkraft des Reibschlußantriebsmittels überwinden könnte. In einem solchen Fall wird eine Kombination des Reibschlußantriebes mit einem Mitnehmerantrieb bevorzugt. Fig. 9 stellt einen Teilquerschnitt durch die Mitte eines modifizierten Geschwindigkeitssensors dar, der wie bei der Ausführung aus Fig. 8 angebracht ist, aber einen kombinierten Reibschluß- und Mitnehmerantrieb enthält. Der Rotorkranz 160 enthält Mitnehmer 163 und 165, die durch Schlitze 151 und 153 im elastischen Ring 152 hervorstehen. Die Schlitze 151 und 153 sind axial in der Mitte des Rings 152 so angeordnet, daß sie die Unversehrtheit des Rings 152 aufrechterhalten. Der Flansch 182 besitzt in ihm ausgeformte Schlitze 185 und 187, um die Mitnehmer 163 und 165 aufzunehmen. Die Schlitze 185 und 187 können breiter als die Mitnehmer ausgeformt sein, um den Zusammenbau zu vereinfachen. Der Mitnehmerantrieb in der Anordnung aus Fig. 9 ist ein Sicherheitsantriebsmittel zum bevorzugten Reibschlußantrieb. Normalerweise wird eine Drehung durch die Reibkraft zwischen dem elastischen Ring 152 und dem Flansch 182 erzielt. Wenn aber das benötigte Drehmoment die Leistungsfähigkeit des Reibschlußes übersteigt, greifen die Mitnehmer 163 und 165 über die Schlitze 165 und 167 ein, um den Rotor anzutreiben.
• Auf diese Weise mißt der Sensor 110 die Drehgeschwindigkeit des Differentialgehäuses. Wenn das Fahrzeug keine Kurven fährt, drehen sich das Differentialgehäuse 166 und die (nicht dargestellten) Räder mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit. Wenn das Fahrzeug eine Kurve fährt, dreht sich das kurvenäußere Rad schneller als das kurveninnere Rad, und das Differentialgehäuse 166 dreht sich mit der durchschnittlichen Geschwindigkeit der beiden Räder auf dieser Achse (unter der Annahme, daß nur zwei Räder auf der Achse angeordnet sind). Ein Antiblockierbremssystem kann die Differentialgehäusegeschwindigkeit verwenden, um die Bremsen dieser Achse zu steuern.
• Die gleiche grundsätzliche Anordnung aus Fig. 8 kann auch für eine Traktionssteuerung verwendet werden, die eine Messung der Geschwindigkeit von beiden Rädern auf einer Achse benötigt. Für diese Anwendung ist ein Sensor 110 in beiden zur Positionierung des Differentialgehäuses 166 verwendeten Ringen 162 eingebaut. Allerdings ist der Flansch 182 entfernt, und die Sensorabmessungen sind verändert, so daß der Sensor 110 direkt von der Achse 174 angetrieben wird. Wenn die Geschwindigkeit jedes Rades bekannt ist, kann eine Bremse dazu verwendet werden, die Radgeschwindigkeiten auszugleichen.
• Fig. 10 stellt den Geschwindigkeitssensor 210 aus Fig. 7 dar, der zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines nicht angetriebenen Rades verwendet wird, die durch das Messen der Drehgeschwindigkeit der Radnabe 284 bestimmt wird. Ein elastischer Ring 252 berührt eine Nabenkappe 212 entlang ihrer Innenfläche 286. Die Nabenkappe 212 ist auf der Radnabe 284 durch einen Flanschabschnitt 288 geführt, um zu gewährleisten, daß die Nabenkappe 212 konzentrisch zur Radachse 214 ist. Wenn sich die Radachse 214 und die Radnabe 284 drehen, treibt die Nabenkappe 212 den Geschwindigkeitssensor 210 an.
• Der Sensor 210 arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die oben beschriebenen Sensoren. Wie allerdings in Fig. 10 dargestellt, ist der äußere Strukturaufbau des Geschwindigkeitssensors 210 verändert, um in die spezielle Umgebung des Beispiels zu passen. Die Statorelemente 224 und 226 sind Metallplatten, die in Verstärkungsschichten 244 in einer Weise eingegossen sind, die der mit Bezug auf Fig. 3 beschriebenen entspricht. Im Verstärkungsmaterial hinter dem Statorelement 224 und dem Statorelement 226 ist ein Kanal 290 ausgebildet, um eine Leitung für die Anschlüsse aus der Spule 240 zum Verbindungselement 292 und damit zu einem externen Verarbeitungskreis zu schaffen. Eine aus dem Verstärkungsmaterial des inneren Stators gebildete Sensornabe 294 gleitet auf einer Gegenbohrung 296 der Achse 214. Ein O-Ring 298 dichtet die Gegenbohrung 296 ab.
• Die Nabenkappe 212 dichtet das Nabenende ab und hält den Lagerschmierstoff zurück. Die Nabenkappe 212 ist vorzugsweise ein Spritzgußelement aus durchsichtigem Kunststoff, um eine einfache Sichtüberprüfung des Schmierstoffstandes zu erlauben. In der Nabenkappe 212 sind Kanäle 285 vorgesehen, um einen Fluß des Schmierstoffes von der Achsenseite des Sensors 210 zur Nabenkappenseite zu erlauben.
• Fig. 11 stellt eine weitere Anwendung für einen Drehgeschwindigkeitssensor dar, der dem aus Fig. 5 entspricht. Der Sensor 310 ist im Abtriebsende eines Übertragungsgehäuses 311 angebracht. Bei dieser Anbringung mißt der Sensor 310 die Geschwindigkeit der Übertragungsabtriebswelle 314, und er dient auch als Öldichtung der Abtriebswelle. Der Sensor 310 ist in eine Bohrung 312 im Gehäuse 311 eingepreßt. Anschlußdrähte 316 des Sensors 310 leiten das Wechselspannungssignal der Spule 314 zum Verbindungselement 392 und damit zu einem externen (nicht dargestellten) Verarbeitungskreis.
• Der Sensor 310 mißt die Geschwindigkeit der Welle 314 über eine Kreuzgelenkgabel 382, die auf die Welle 314 gleitet. Die Welle 314 und die Kreuzgelenkgabel 382 sind radial durch Keilwellen 376 verbunden, und sie werden axial durch eine (nicht dargestellte) Schraube mit einer Unterlegscheibe gehalten.
• Wenn die Kreuzgelenkgabel 382 auf dem Schaft 314 angebracht ist, greift eine Kreuzgelenkgabel-Dichtfläche 383 am elastischen Ring 352 an. Der elastische Ring 352 verhindert das Entweichen des Getriebeöls, da er eine feste Dichtung auf der Kreuzgelenkgabel-Dichtfläche 383 und eine Gleitdichtung auf den Statorelementen 324 und 326 darstellt, wie oben mit Bezug auf Fig. 10 beschrieben.
• Zusätzlich zur durch den elastischen Ring 352 gebildeten Dichtung ist eine Schmutzdichtung 353 vorgesehen. Diese elastische Dichtung 353 ist mit dem Rückhalteelement 318 verbunden. Die Seitenfläche 320 des Rückhalteelementes 318 ist sehr viel weiter als die entsprechende Seitenfläche 20 des in Fig. 2 dargestellten Rückhalteelementes 18, da die Schmutzdichtung 353 in der Nähe der inneren Durchmesserfläche des Sensors 310 getragen werden muß. Die Schmutzdichtung 353 verhindert, daß Schmutz und Wasser zum elastischen Ring 352 und hinter ihn gelangen. Zusätzlich kann der zwischen den Dichtungen 352 und 353 ausgebildete kreisförmige Ringspalt 355 mit Fett gefüllt sein, um jeden Schmutz zu binden, der hinter die Schmutzdichtung 353 gelangt.
• Ein Fachmann erkennt schnell, daß einige spezielle, in der obigen Beschreibung und den obigen Zeichnungen dargestellte Details beispielhaft sind und verändert werden können, ohne die Lehren dieser Offenbarung zu verlassen. Zum Beispiel sind die Statorzähne mit einer größeren radialen Lange als die Rotorzähne dargestellt, um einen axialen Schlag zu vermindern. Rotorzähne, die länger als die Statorzähne sind, erfüllen den gleichen Zweck. Außerdem ist das Erwähnen von Anschlußdrähten zum Verbinden der Sensorspule mit dem Verarbeitungskreis beispielhaft; jedes geeignete Verbindungsmittel kann verwendet werden. Die offenbarte Kombination aus Mitnehmerantrieb und Reibschlußantrieb ist zusätzlich bei vielen Anwendungen des Geschwindigkeitssensors möglich.

Claims (21)

1. Drehgeschwindigkeitssensor (10, 110, 210, 310) mit einem Stator (24, 26; 124, 126), der in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, auf ihm ausgebildete Zähne (32, 132) aufweist;

einer Drahtschleife (40, 140), die koaxial zum Stator (24, 26; 124, 126) angeordnet ist;

einem Magnet (38, 138), der koaxial zum Stator (24, 26; 124, 126) angeordnet ist;

einem Rotor (36, 136), der sich um eine Rotationsachse drehen kann und eine erste und eine zweite Fläche aufweist, die axial voneinander beabstandet sind, sich radial erstrecken und in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Zähne (34, 134) enthalten;

wobei die Zähne (32, 132) des Stators (24, 26; 124, 126) in unmittelbarer Nähe zu den Zähnen (34, 134) des Rotors (36, 136) angeordnet sind und diesen direkt gegenüberliegen, und wobei in der Schleife (40, 140) bei einer Drehung des Rotors (36, 136) ein elektrischer Strom induziert wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Stator zwei koaxial angeordnete, axial voneinander beabstandete Statorelemente (24, 26, 124, 126) enthält, wobei jedes Statorelement (24, 26, 124, 126) einander gegenüberliegende, sich radial erstreckende Innen- und Außenflächen aufweist, und wobei die Zähne (32, 132) auf jeder Innenfläche ausgebildet sind;

daß die Drahtschleife zwischen den Statorelementen (24, 26, 124, 126) angeordnet ist;

daß der Magnet (38, 138) zwischen den Statorelementen (24, 26, 124, 126) angeordnet ist;

daß die Zähne (34, 134) des Rotors (36, 136) auf den ersten und den zweiten Flächen des Rotors (36, 136) ausgebildet sind; und

daß der Rotor (36, 136), die Schleife (40, 140) und der Magnet (38, 138) koaxial zwischen die Statorelemente (24, 26, 124, 126) eingesetzt sind.

2. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (138) radial vom Rotor (36) beabstandet ist.

3. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht-ferromagnetisches Distanzelement (42) vorgesehen ist, um einen magnetischen Nebenschlußweg vom Magneten (38, 138) weg zu verhindern.

4. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (136) zwei koaxiale Hälften (135, 137) enthält und daß der Magnet (138) axial von den beiden Rotorhälften beabstandet ist.

5. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (36, 136) so in die Schleife 40, 140) eingesetzt ist, daß der Rotor (36, 136) von einem Antriebselement gedreht wird.

6. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife (40, 140) in den Rotors (36, 136) so eingesetzt ist, daß der Rotor (36, 136) von einem Freilauf-Antriebselement gedreht wird.

7. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Statorelement (24, 26, 124, 126) eine ferromagnetische Schicht und eine nicht-ferromagnetische Schicht (44) enthält.

8. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Statorelement (24, 26, 124, 126) ein ferromagnetisches Material enthält, in das ferromagnetische Partikel eingestreut sind.

9. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (36, 136) ein nicht-ferromagnetisches Material enthält, in das ferromagnetische Partikel eingestreut sind.

10. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Rückhalteelemente (18, 118) vorgesehen sind, die den Stator (24, 26, 124, 126), die Schleife (40, 140) und den Magnet (38, 138) in einer einheitlichen Anordnung zusammenhalten.

11. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den Rückhalteelementen (18, 118) zugeordnete, elastische Dichtungselemente vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß sie einen Durchgang von Verunreinigungen aus wenigstens einer Richtung verhindern.

12. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor Antriebszapfen (163, 165) und Reibschlußantriebselemente (152, 182) enthält.

13. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibschlußantriebselemente (152, 182) ein elastisches Element mit einer Öffnung (151, 152) enthalten, wobei die Öffnung (151, 152) so ausgeführt ist, daß sie die Antriebszapfen (163, 165) aufnimmt.

14. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente zum Ausbilden des Reibschlußantriebs für den Rotor (36, 136) und Dichtungselemente zum Verhindern des Eintritts von Verunreinigungen in den Sensor (10, 110, 210, 310) vorgesehen sind.

15. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Reibschlußantriebselemente als auch die Dichtungselemente ein einheitliches, elastisches Dichtungs- und Antriebselement (52, 152, 252) enthalten.

16. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (36, 136) ringförmig ist und sich diametral gegenüberliegende Innenund Außenrandflächen enthält, und daß das Dichtungs- und Antriebselement (52, 152, 252) sich entlang einer der Randflächen des Rotors (36, 136) erstreckt und dem Stator (24, 26, 124, 126) dichtend zugeordnet ist.

17. Drehgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Distanzelemente (42) vorgesehen sind, die dazu dienen, den axialen Abstand zwischen dem Rotor (36, 136) und den Statorzähnen (32) aufrechtzuerhalten.

18. Verwendung eines Drehgeschwindigkeitssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Messen der Drehgeschwindigkeit eines Differentialkäfigs (166) in einem Achsgehäuse, wobei der Differentialkäfig (166) einen drehbaren Flansch (182) aufweist, wobei der Rotor (36, 136) sich mit dem Flansch (182) dreht und wobei der Stator (24, 26; 124, 126) stationär durch einen Einstellring (162) gehalten wird, der mit dem Achsgehäuse verbunden ist, und den Einstellring (162) umschließt.

19. Verwendung eines Drehgeschwindigkeitssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Messen der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Welle, wonach die Welle (174) sich in Abhängigkeit von der Drehung eines Differentialkäfigs (166) dreht, und wonach der Differentialkäfig (166) einen Einstellring (162) enthält, wobei der Geschwindigkeitssensor so angeordnet ist, daß der Rotor (36, 136) sich in Abhängigkeit von der Drehung der Welle (174) dreht, und daß der Stator (24, 26; 124, 126) durch den Einstellring (162) stationär gehalten wird.

20. Verwendung eines Drehgeschwindigkeitssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Messen der Geschwindigkeit einer rotierenden Nabe (284), wobei die rotierende Nabe (284) eine an ihr befestigte Nabenkappe (212) aufweist, die sich im wesentlichen koaxial um eine Radachse (214) dreht, wobei der Rotor (36, 136) sich in Abhängigkeit von der Drehung der Nabenkappe (212) dreht und wobei der Stator (24, 26, 124, 126) von der Radachse (214) stationär gehalten wird.

21. Verwendung eines Drehgeschwindigkeitssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Messen der Drehgeschwindigkeit einer Übertragungsausgangswelle (314), wobei die Ausgangswelle (314) sich in Abhängigkeit von der Drehung einer Kreuzgelenkgabel (382) dreht, die in einem durch eine Bohrung (312) in einem Übertragungskäfig gebildeten Hohlraum angeordnet ist, wobei der Rotor (36, 136) sich in Abhängigkeit von der Drehung der Kreuzgelenkgabel (382) dreht und wobei der Stator (24, 26; 124, 126) durch die Bohrung (312) im Übertragungskäfig stationär gehalten wird.