WO2010070014A1

WO2010070014A1 - Winkelsensor

Info

Publication number: WO2010070014A1
Application number: PCT/EP2009/067346
Authority: WO
Inventors: Lukas Fiala; Alexander Trinn; Knut Moldenhauer; Martin Deitmerg
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: DE102008063951A1

Abstract

Ein Winkelsensor zur Erfassung der Drehstellung einer drehbaren Welle mit einem drehmomentübertragend mit der Welle verbundenen Antriebszahnrad und zumindest einem durch dieses angetriebenen Messzahnrad, wobei aus der Winkelstellung des/der Messzahnrades/-räder die Winkelstellung der Welle ermittelbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebszahnrad mittels eines Übertragungselements mit der Welle verbunden ist, welches Übertragungselement zum Ausgleich statischer und/oder dynamischer Abweichungen der Drehachse der Welle von der Drehachse des Antriebszahnrades dient.

Description

Winkelsensor

Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor zur Erfassung der Drehstellung einer drehbaren Welle mit einem drehmomentübertragend mit der Welle verbundenen Antriebszahnrad und zumindest einem durch dieses angetriebenen Messzahnrad, wobei aus der Winkelstellung des/der Messzahnrades/-räder die Winkelstellung der Welle ermittelbar ist.

Aus der EP 1 132 716 A1 ist ein Winkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt geworden. Den verschiedenen, dort gezeigten Sensorausführungen zur Erfassung der Drehstellung einer Welle ist gemeinsam, dass durch ein mit der Welle drehmomentübertragend verbundenes Antriebszahnrad ein oder mehrere Messzahnräder angetrieben werden. Die Messzahnräder sind mit Drehstellungssensoren versehen, durch die ihre jeweilige Winkelstellung erfassbar ist, wobei als Beispiele für solche Drehstellungssensoren Hall-Sensoren und Potentiometer genannt sind. Die Messzahnräder sind dabei über unterschiedlich ausgestaltete, federnde Lagerelemente spielfrei an das starr und fest mit der Welle verbundene Antriebszahnrad gekoppelt. Durch diese Art der Ankopplung ist es möglich, statische und/oder dynamische Abweichungen der Drehachse der Welle von der idealen Lage dieser Drehachse zu kompensieren. Um dies zu erreichen, muss jedoch in Kauf genommen werden, dass die Drehachsen der Messzahnräder statisch und/oder dynamisch von deren idealer Lage abweichen, was zu nicht unerheblichen Messfehlern führen kann, wenn beispielsweise ein in einem Messzahnrad aufgenommener Permanentmagnet sich im Bezug auf einen diesem zugeordneten Hall-Sensor statt um die vorgesehene Drehachse um eine davon abweichende Achse dreht, oder statt der allein vorgesehenen Drehbewegung um die vorgesehene Drehachse eine zusätzliche Relativbewegung gegenüber dieser ausführt. Der Winkelsensor gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber diesem vorbekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die Drehachsen der Messzahnräder fixiert werden können, so dass die vorgenannten Nachteile vermieden sind.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Antriebszahnrad mittels eines Übertragungselements mit der Welle verbunden ist, welches Übertragungselement zum Ausgleich statischer und/oder dynamischer Abweichungen der Drehachse der Welle von der Drehachse des Antriebszahnrades dient.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Winkelsensors ist es möglich, die Drehachse des Antriebszahnrades beispielsweise durch Lagerung im Gehäuse des Winkelsensors zu fixieren, so dass auch die Drehachsen der Messzahnräder in Relation zu dieser festgelegt werden können. Statische und/oder dynamische Abweichungen der Drehachse der drehbaren Welle sowohl hinsichtlich ihrer radialen Lage im Bezug auf die Drehachse des Antriebszahnrades als auch hinsichtlich einer möglichen Abweichung von der Parallelität ihrer Ausrichtung werden durch das Übertragungselement kompensiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Übertragungselement als ein mit vier Lageraufnahmen versehener ringförmiger, insbesondere kreisringförmiger Körper ausgebildet, wobei jeweils zwei der Lageraufnahmen bezüglich des Ringumfangs einander gegenüberliegend angeordnet und mit jeweils zwei einerseits der Welle und andererseits dem Antriebszahnrad zugeordneten Gegenlagern in Eingriff sind.

Durch ein Übertragungselement, das federelastische Eigenschaften aufweist und unter elastischer Vorspannung zwischen der Welle und dem Antriebszahnrad aufgenommen ist, ist in jeder Drehstellung der Welle ein spielfreier Kontakt des Antriebszahnrades mit der Welle bewirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Winkelsensors als magnetischer Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Übertragungselements in Kooperation mit den zugeordneten Gegenlagern

Fig. 3 den Lenkwinkelsensor aus Fig. 1 als Unterbaugruppe eines

Lenksäulenmoduls

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Winkelsensor in einer Ausführung als magnetischer Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Die drehbare Welle, deren Drehstellung durch den Winkelsensor erfasst wird, ist in diesem Falle die in der Zeichnung nicht dargestellte Lenkspindel des Kraftfahrzeugs.

In einem Gehäuseunterteil 9 des Winkelsensors ist ein außenseitig an einem topfförmigen Trägerelement 5 angeformtes Antriebszahnrad 1 drehbar gelagert. Dazu ist das topfförmige Trägerelement 5 mit seinem sich unterhalb des Zahnrades weiter erstreckenden, kurzen Schaft in einer passgenauen, ebenfalls topfförmigen Aufnahme 10 des Gehäuseunterteils 9 gehalten. In kämmenden Eingriff mit diesem Antriebszahnrad 1 gestellt sind zwei, ebenfalls in dem Gehäuseunterteil 9 auf zur Drehachse des Antriebszahnrades 1 parallel ausgerichteten Achsen 1 1 , 12 drehbar gelagerte Messzahnräder 2, 3. Die Messzahnräder 2, 3 sind kleiner als das Antriebszahnrad 1 und weisen unterschiedliche Zähnezahlen auf, so dass aus den jeweiligen

Winkelstellungen der Messzahnräder 2, 3 in einer beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 006 359 A1 bekannten Weise aus einem Schwebungswinkel die Winkelstellung des Antriebszahnrades 1 und somit der Welle auch über mehrere Umdrehungen eindeutig ermittelbar ist. Die Erfassung der Winkelstellung der Messzahnräder 2, 3 erfolgt in diesem Falle mittels auf einer Leiterplatte 13 angeordneter Magnetfeldsensoren, die jeweils die Ausrichtung der durch in den Messzahnrädern 2, 3 angeordnete Permanentmagneten 7, 8 hervorgerufenen Magnetfelder detektieren. Die Magnetfeldsensoren, bei denen es sich beispielsweise um Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren handelt, befinden sich auf der in der Zeichnung verdeckten Seite der Leiterplatte 13, auf der darüber hinaus weitere elektronische Bauelemente einer Mess- und Auswerteelektronik des Winkelsensors aufgenommen sind. Zur Verbindung mit anderen Steuergeräten sind am Rand der Leiterplatte 13 Kontaktflächen 14 zur Kontaktierung mit Leiterplatten-Randsteckverbindern vorhanden.

Eine drehmomentübertragende Verbindung des Antriebszahnrades 1 mit der drehbaren Welle, also mit der Lenkspindel, erfolgt mittels eines Übertragungselements 4. Als Übertragungselement 4 ist hier ein federelastisch ausgebildeter, vorzugsweise aus einem geeigneten Kunststoff hergestellter kreisringförmiger Körper eingesetzt, welcher mit vier Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 versehen ist. Dabei bilden jeweils zwei der Lageraufnahmen ein Paar und sind bezüglich des Kreisumfangs des Übertragungselements 4 einander gegenüberliegend angeordnet. Die Öffnungen der Lageraufnahmen 4.1 , 4.3 des ersten Paares weisen dabei nach unten und sind mit Gegenlagern 5.1 , 5.3 des Antriebszahnrades 1 in Eingriff gestellt. Die Öffnungen der Lageraufnahmen 4.2, 4.4 des zweiten Paares weisen nach oben und sind mit Gegenlagern 6.2, 6.4 eines mit der drehbaren Welle starr verbundenen Lagerringes 6 in Eingriff gestellt. Die Gegenlager 5.1 , 5.3 des Antriebszahnrades 1 sind in der vorliegenden Ausführung einstückig an dem Trägerlement 5 angeformt, die wellenseitigen Gegenlager 6.2, 6.4 des Lagerrings 6 sind einstückig mit diesem ausgebildet.

Im Idealfall sollten die Drehachsen der Welle und des Antriebszahnrades 1 identisch sein, d.h. auf einer Geraden im Raum liegen. Im realen

Zusammenbau spielen jedoch nicht unerhebliche Toleranzen bereits was die Lage dieser Achsen zueinander in einer festen Drehstellung angeht, also statische Toleranzen eine Rolle. Insbesondere im Falle des hier dargestellten Lenkwinkelsensors, bei dem die drehbare Welle durch die Lenkspindel des Kraftfahrzeugs gebildet ist, sind auch dynamische Toleranzen zu berücksichtigen, da bei der Lenkspindel ein gewisses Maß an Bewegungsspiel nicht zu eliminieren ist.

Mittels des Übertragungselements 4 werden Abweichungen der Drehachse der Welle von der Drehachse des Antriebszahnrades 1 kompensiert, und zwar sowohl Abweichungen in der radialen Lage der Achsen als auch Abweichungen von der Parallelität.

Zur Erläuterung der Funktionsweise dieser Drehübertragung ist in Fig. 2 a) und b) das Übertragungselement 4 mit den zugeordneten Gegenlagern 5.1 , 5.3, 6.2, 6.4 dargestellt, wobei die Welle und das Antriebszahnrad nur schematisch durch die dargestellten Achsstummel W, A angedeutet sind.

Das kreisringförmige Übertragungselement 4 ist mit vier Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 versehen, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegende ein Paar bilden. Wie besonders gut in der in Fig. 2b gezeigten Seitenansicht auf eine Lageraufnahme 4.4 des ersten, der Welle W zugeordneten Paares zu sehen, hat die nach oben gerichtete Öffnung der Lageraufnahme 4.4 im Schnitt die Form eines gleichschenkligen Trapezes, wobei die nach unten aufeinander zulaufenden Schenkel des Trapezes die Anlageflächen für das Gegenlager 6.4 bilden. Das Gegenlager 6.4 hat im Schnitt eine halbkreisförmige Kontur, so dass sich zwischen Lageraufnahme 4.4 und Gegenlager 6.4 definierte Berührungslinien ergeben.

Diese Art der Lagerung ermöglicht mehrere Freiheitsgrade der Drehachsen der Welle W und des Antriebszahnrades A zueinander, die in Fig. 2a durch Pfeile angedeutet sind. So sind die beiden Achsen einerseits in jeweils einer radialen Richtung verschiebbar, und andererseits um eine zu ihrer möglichen Verschieberichtung parallele Achse 15, 16 kippbar. Die Achse 15, 16 für die Kippung läuft dabei jeweils durch die Kreismittelpunkte der halbkreisförmigen Kontur der in dieser Richtung fluchtend angeordneten Gegenlager 5.1 , 5.3 bzw. 6.2, 6.4. Damit sind die beiden Drehachsen der Welle W und des Antriebszahnrades A durch eine Art kardanischer Lagerung miteinander verbunden, die noch zusätzliche Verschiebefreiheitsgrade aufweist. Die beiden Kippachsen 15, 16 und somit auch die beiden Richtungen für die radiale Verschiebung sind in diesem Falle senkrecht zueinander angeordnet, was vorteilhaft, jedoch nicht zwingend erforderlich ist.

Aus Fig. 2b wird deutlich, dass das Übertragungselement 4 zwischen der Welle W und dem Antriebszahnrad A unter axialer Vorspannung aufgenommen ist. Die durch die Gegenlager 5.1 , 5.3 des Antriebszahnrades A auf das Übertragungselement 4 wirkende Kraft 17 ist aufwärts gerichtet, die durch die Gegenlager 6.2, 6.4 der Welle W auf das Übertragungselement 4 wirkende Kraft 18 ist abwärts gerichtet. Die flachen Bereiche des ringförmigen Körpers des Übertragungselements 4 zwischen den Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 werden dadurch einer Biegung unterworfen. Aufgrund der federelastischen Eigenschaften resultieren aus dieser Biegung Gegenkräfte mit denen die Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 gegen die Gegenlager 5.1 , 6.2, 5.3, 6.4 drücken, so dass stets eine spielfreie Kopplung zwischen Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 und Gegenlagern 5.1 , 6.2, 5.3, 6.4 und somit in der Konsequenz auch zwischen Welle W und Antriebszahnrad A gegeben ist.

In Fig. 3 ist ein zentraler Bereich eines Lenksäulenmoduls für ein Kraftfahrzeug zu sehen. Der in Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäß ausgebildete Lenkwinkelsensor bildet in diesem Zusammenhang eine Unterbaugruppe dieses Lenksäulenmoduls. Eine weitere Unterbaugruppe bildet eine sogenannte Wickelfederkassette, in der ein Flachbandkabel zum Übertragen von Energie und/oder Signalen zwischen dem Lenkrad und der Lenksäule in Windungen innerhalb eines ringförmigen Hohlraumes eines seine Längsachse konzentrisch umgebenden Gehäuses aufgenommen ist. Über die Anschlussstellen einer solchen Vorrichtung kann z.B. ein Airbagsystem, eine Lenkradheizung, eine Schalteinrichtung usw. mit der bzw. mit den zu seiner Funktion notwendigen Spannung und Signalen versorgt werden.

Die Wickelfederkassette besteht aus einem Rotoroberteil 19 und einem Rotorunterteil 20, die drehbar in einem aus einem Statoroberteil 21 und einem Statorunterteil 22 bestehenden Gehäuse aufgenommen sind. In dem zwischen Stator 21 , 22 und Rotor 19, 20 vorhandenen ringförmigen Hohlraum ist das hier nicht dargestellte Flachbandkabel in mehreren Windungen aufgewickelt. Das Statorunterteil 22 der Wickelfederkassette bildet dabei gleichzeitig ein Gehäuseoberteil des Lenkwinkelsensors mit den bereits zuvor beschriebenen Komponenten, so dass sich ein kompakter Zusammenbau ergibt. Die starre Verbindung des den Lenkwinkelsensor antreibenden Lagerrings 6 mit der Lenkspindel erfolgt dabei ausgehend von dem mit der Lenkspindel verbundenen Lenkrad über das Rotoroberteil 19, das mit zwei Zapfen 24 in zugeordnete, passende Öffnungen in der Lenkradbasis eingreift. Das Rotoroberteil 19 ist wiederum über Clipsverbindungen starr mit dem Rotorunterteil 20 und dieses wiederum in gleicher Weise mit dem Lagerring 6 verbunden. Im Gesamtzusammenbau sind die Gehäuseteile über Clips- und zusätzliche Schraubverbindungen aneinander festgelegt. Das gesamte Lenksäulenmodul umfasst neben den Komponenten Wickelfederkassette und Lenkwinkelsensor noch weitere Komponenten, insbesondere hier nicht dargestellte Lenkstockschalter, die seitlich an der hier gezeigten Baugruppe befestigt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Winkelsensor zur Erfassung der Drehstellung einer drehbaren Welle (W) mit einem drehmomentübertragend mit der Welle (W) verbundenen Antriebszahnrad (1 , A) und zumindest einem durch dieses angetriebenen Messzahnrad (2, 3), wobei aus der Winkelstellung des/der Messzahn rades/-räder (2, 3) die Winkelstellung der Welle (W) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebszahnrad (1 , A) mittels eines Übertragungselements (4) mit der Welle (W) verbunden ist, welches Übertragungselement (4) zum Ausgleich statischer und/oder dynamischer Abweichungen der Drehachse der Welle (W) von der Drehachse des Antriebszahnrades (1 , A) dient.

2. Winkelsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (4) ein mit vier Lageraufnahmen (4.1 , 4.2, 4.3, 4.4) versehener ringförmiger Körper ist, wobei jeweils zwei der Lageraufnahmen (4.1 , 4.3; 4.2, 4.4) bezüglich des Ringumfangs einander gegenüberliegend angeordnet und mit jeweils zwei einerseits der Welle (W) und andererseits dem Antriebszahnrad (1 , A) zugeordneten Gegenlagern (5.1 , 5.3; 6.2, 6.4) in Eingriff sind.

3. Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (4) federelastische Eigenschaften aufweist und unter elastischer Vorspannung zwischen der Welle (W) und dem Antriebszahnrad (1 , A) aufgenommen ist.

4. Winkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elastische Vorspannung in jeder Drehstellung der Welle (W) ein spielfreier Kontakt des Antriebszahnrades (1 , A) mit der Welle (W) bewirkt ist.

5. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messzahnrad (2, 3) mit einem Permanentmagneten (7, 8) versehen ist, dessen Winkelstellung durch einen zugeordneten Magnetfeldsensor erfasst wird.

6. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites durch das Antriebszahnrad (1 , A) direkt oder indirekt angetriebenes Messzahnrad (3) vorhanden ist, und dass aus der Winkelstellung der beiden Messzahnräder (2, 3) die Winkelstellung der Welle über mehr als eine vollständige Umdrehung hinaus ermittelbar ist.

7. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor einen Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug ausbildet.