WO2015144189A1 - Vorrichtung zur erfassung der winkellage einer welle eines eingabegeräts sowie eingabegerät mit einer derartigen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung der winkellage einer welle eines eingabegeräts sowie eingabegerät mit einer derartigen vorrichtung Download PDF

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WO2015144189A1
WO2015144189A1 PCT/EP2014/000953 EP2014000953W WO2015144189A1 WO 2015144189 A1 WO2015144189 A1 WO 2015144189A1 EP 2014000953 W EP2014000953 W EP 2014000953W WO 2015144189 A1 WO2015144189 A1 WO 2015144189A1
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WO
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shaft
input
housing
gear
input device
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Application number
PCT/EP2014/000953
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Inventor
Peter Licht
Michael Heim
Original Assignee
Schaltbau Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C17/00—Arrangement or disposition of parts; Details or accessories not otherwise provided for; Use of control gear and control systems
    • B61C17/12—Control gear; Arrangements for controlling locomotives from remote points in the train or when operating in multiple units
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G1/00—Controlling members, e.g. knobs or handles; Assemblies or arrangements thereof; Indicating position of controlling members
    • G05G1/04—Controlling members for hand actuation by pivoting movement, e.g. levers

Definitions

  • the present invention relates to a device for detecting the angular position of a shaft of an input device according to the preamble of independent claim 1.
  • the present invention relates to a device for detecting the angular position of a switching shaft of a travel switch.
  • the generic device comprises a transmission comprising an input gear rotatably connected to the shaft and an output gear meshing with the input gear.
  • the device has a donor element, which is non-rotatably connected to the output gear and scanned by a sensor.
  • the solution according to the invention offers the advantage that the device for detecting the angular position can be used as an independent component module in a large number of different or at least similar input devices. Both the construction of the input device itself as well as the manufacture and assembly simplify considerably. The functional test of a printed circuit board used together with the transmission, which carries the sensor of the device according to the invention, also simplifies itself because even with different input devices one and the same test device can always be used.
  • the invention is suitable both for devices with simple position detection and for devices with a redundant system in which two identical modules can be used.
  • the assembly is attached to a housing of the input device, from which the shaft protrudes at least on one side.
  • the output gear meshes directly with the input gear.
  • the transmission is therefore preferably designed as a simple spur gear.
  • the gears of the transmission are made of plastic. Since in most applications no high speeds or high forces must be transmitted, the gears can be made of plastic, which can be saved in comparison to conventional solutions considerable manufacturing costs. In particular, when the device is produced in large quantities, it is particularly advantageous if the gears are made by injection molding. In principle, the gears can also be machined from plastic. Since the injection molding process requires expensive tools, but is cheaper for large quantities, it is recommended for large series. The milling process does not require tooling. Due to the higher unit costs, however, it is more suitable for small series.
  • the independent assembly comprises a housing in which the gears are rotatably mounted and which encloses the transmission.
  • This embodiment has the advantage that the device can be mounted particularly easily, and also both the gears and the donor element attached to the output gear are effectively protected against contamination.
  • the rotatable mounting of the gears is preferably carried out by hollow cylindrical projections of the housing, which engage in corresponding rotationally symmetrical recesses of the gears. Preferably, this is a rotationally symmetrical groove of the corresponding gear. In this way, a particularly easy to implement storage of the gears is achieved.
  • the engagement of the hollow cylindrical projections of the housing in the grooves of the gears also creates a kind of labyrinth seal that contributes to effective protection against contamination.
  • the housing is preferably composed of two halves, which are fastened together by means of a snap mechanism. This embodiment allows a particularly simple installation of the device itself.
  • the housing is made of plastic and manufactured by injection molding.
  • the entire device can be manufactured in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the housing can be machined from plastic.
  • this production variant is recommended only for small batches due to the higher unit costs.
  • the encoder element is inserted in a form-fitting manner in a central recess of the output gear.
  • a particularly simple positioning and fastening of the transmitter element is achieved on the output gear.
  • the donor element in most cases a donor magnet, adhered in a complex and expensive bonding method on the front side of the switch shaft or on the front side of a corresponding gear. Since the encoder element must be positioned as accurately as possible, this conventional method requires the use of expensive positioning aids or a corresponding positioning device. In the embodiment according to the invention, this requirement is completely eliminated.
  • the central recess of the output gear has clamping or latching elements which pinch this when inserting the donor element or latch with an edge of the donor element.
  • clamping or latching elements which pinch this when inserting the donor element or latch with an edge of the donor element.
  • no adhesive or other fasteners are required.
  • the attachment of the donor element to the output gear is thereby particularly fast and easy.
  • the encoder element preferably has at least one lateral flattening in order to ensure a secure positive connection between the output gear and the encoder element and to preclude relative rotation of the two components. Further preferably, the donor element for this purpose on two opposite lateral flattening conditions.
  • the donor element is designed as a magnet. It should be noted that, of course, other donor elements can be used. For example, it is possible to attach an optical encoder element to the output gear. However, an optical scanning usually requires larger sensors and is also dirt-prone and relatively sensitive to condensation of the donor element.
  • the independent assembly further comprises the sensor and a printed circuit board on which the sensor is housed.
  • a particularly advantageous modular design of the corresponding input device can be achieved.
  • the installation of the input device simplifies considerably.
  • the tolerances between the encoder element and the sensor are determined only by the tolerances of the independent module.
  • the sensor is designed as an encoder chip, which either itself has a corresponding electronics or is connected to an evaluation, which is housed on the circuit board.
  • the printed circuit board is thereby preferably equivalent to an electronic module. In this embodiment, a particularly space-saving design results.
  • the housing in the region of the donor element has an opening, wherein the opening is covered by the circuit board.
  • the opening ensures a perfect scan of the Donor element through the sensor.
  • the covering of the opening by the circuit board ensures that effective protection against soiling is ensured.
  • the housing has a positioning aid for positioning the housing on the printed circuit board.
  • the printed circuit board is preferably screwed to the housing.
  • the housing preferably has corresponding bores.
  • the housing is fastened to the printed circuit board by means of a snap connection. Other types of attachment are conceivable.
  • the input gear on a continuous central opening, in which the shaft of the input device or a corresponding extension piece of the shaft can be inserted, so that a rotationally positive fit between the middle opening and shaft or extension piece is formed.
  • the continuous central opening of the input gear has preferably a polygonal, more preferably a polygonal cross-section, which substantially corresponds to the cross section of the shaft, so that an effective rotationally positive form-fit is given. In principle, any cross section can be used that allows a positive connection.
  • a splined, a one-sided flattening of the shaft or a groove are conceivable.
  • the design as a hexagon is particularly well suited for injection molding.
  • the shaft of hexagonal material is inexpensive to manufacture.
  • the housing on both sides of the input gear on an opening so that the independent assembly can be completely plugged onto the shaft of the input device.
  • This embodiment has the advantage that the shaft of the input device can be equipped with a plurality of devices according to the invention.
  • the devices can be made identical and stacked, for example, in the axial direction. This is a redundant te or even multiple redundant detection of the angular position by using several identical modules possible.
  • the two openings through which projects the shaft of the input device are preferably the only openings that appear in the pre-assembled state of the device according to the invention to the outside, so that there is very little attack surface for the pollution of the interior of the device according to the invention.
  • the invention further provides an input device, in particular a drive switch, with the device according to the invention. It is provided in a particularly preferred embodiment that, viewed in the axial direction of the shaft, at least two independent assemblies are mounted behind one another on the input device.
  • the modules are preferably identical.
  • FIG. 1 shows a drive switch with an exploded view of a device according to the invention for detecting the angular position of the drive switch shaft;
  • Figure 2 the device of the invention in a plan view without driving switch and circuit board
  • FIG. 3 shows a sectional view through the device according to the invention
  • Figure 1 shows a railway driving switch 3 with an inventive device 1 for detecting the angular position of the driving switch shaft 2 in an exploded view. Details of the device 1 according to the invention are also shown in FIGS. 2 and 3.
  • the drive switch 3 has an operating lever 24, through which the switch shaft 2, which protrudes from the switch housing on one side, is actuated directly or indirectly.
  • the device of the invention is mounted, which is designed as an independent module. It consists essentially of a gear which transmits a rotary movement of the switch shaft 2 to a donor element 6, which is scanned by a sensor 7.
  • the device 1 also comprises a gear housing 8, which encloses the gear, as well as a printed circuit board 15, on which the sensor 7 is accommodated.
  • the gear is screwed by means of two screws that pass through mounting holes 23 of the housing 8 to the circuit board 15.
  • the circuit board 15 is fixed with spacers 25 on the drive switch housing. If, for reasons of redundancy, a further printed circuit board 15 are used, this is also screwed with Ab- studs on the circuit board already attached to the drive switch.
  • the transmission itself consists of an input gear 4 and a meshing with the input gear 4 in the manner of a spur gear output gear 5.
  • the input gear 4 is fitted with a 6-cornered passage opening 19 on the likewise hexagonal switch shaft 2.
  • the output gear 5 has a central recess 13 into which the transmitter element 6 is inserted in the form of a permanent magnet.
  • the permanent magnet 6 can be mounted in a particularly simple manner on the input gear 5 by being pressed into the central recess 13. This attachment is either by clamping or by locking.
  • the recess 13 has a plurality of clamping webs 14, which are compressed when the permanent magnet 6 is pressed in and hold the magnet laterally.
  • the output gear 5, as well as the input gear 4 and the gear housing 8 made of plastic, so that the permanent magnet 6 can be attached in a particularly simple manner by pressing or snapping.
  • the production of said components made of plastic also has the advantage that the device according to the invention can be produced particularly inexpensively. Preferably, the production is carried out by injection molding.
  • the housing 8 of the transmission consists of two housing halves 8.1 and 8.2, which can also be attached to each other particularly easily by means of a snap connection.
  • the front housing half 8.2 has two latching lugs 11 at the edge, which when assembling the two housing halves with corresponding snap elements or snap brackets 12 of the rear housing half 8.1 engage.
  • the two gears 4 and 5 are mounted directly in the housing 8.
  • the two housing halves 8. 1 and 8. 2 each have two hollow-cylindrical projections 9 on the inside, which engage in corresponding grooves 10 of the two toothed wheels.
  • the two housing halves on the side of the input gear 4 within the wood cylindrical projection 9 an opening 20, so that the switch shaft 2 can be inserted through the gear housing. Since there is the danger that dirt will enter the interior of the gear housing through these openings, the bearing of the input gear 4 on the hollow cylindrical projections 9 fulfills another function:
  • the hollow cylindrical projections 9 together with the grooves 10 of the input gear 4 form a labyrinth direction.
  • the gear housing 8 is fixed to the circuit board 15. Also, the circuit board 15 therefore has a bore 21, so that the switch shaft 2 can be pushed through the circuit board and the transmission.
  • the front housing half 8.2 has a positioning aid in the form of two positioning pins 17 which engage in corresponding holes 18 of the circuit board 15.
  • the front housing half 8.2 in the region of the encoder magnet 6 on a further opening 16 which is surrounded by a cylindrical projection. The cylindrical projection or the opening 16 is covered by the printed circuit board 15, so that no dirt in the interior of the device according to the invention, in particular between the sensor magnet 6 and sensor 7, can pass.
  • the lower housing half 8.1 directly below the transmitter magnet 6 has a cylindrical projection 22 which prevents the transmitter magnet from changing its position, even if the transmitter magnet were to become loose in the gearwheel 5.
  • the projection also determines the distance of the encoder magnet to the sensor chip. By the projection 22, the function of the position detection is ensured even with defective clamping bars or snap hooks.
  • the driving switch 3 is equipped with two devices 1 according to the invention, whereby a redundant detection of the angular position of the switch shaft 2 is ensured.
  • the two devices 1 according to the invention are easily stacked on top of each other. stacks so that the switch shaft 2 extends through both devices.
  • the switch shaft can be provided with a corresponding extension piece, if the length of the switch shaft is not sufficient to operate the two input gears of the two devices. It should also be noted that, if required, even further modules can be plugged on, as long as multiple redundancy is desired.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erfassung der Winkellage einer Welle (2) eines Eingabegeräts (3), insbesondere eines Fahrschalters. Die Vorrichtung weist ein Getriebe auf, das ein drehfest mit der Welle verbundenes Eingangszahnrad (4) und ein mit dem Eingangszahnrad in Eingriff befindliches Ausgangszahnrad (5) umfasst. Ferner weist die Vorrichtung ein Geberelement (6) auf, das drehfest mit dem Ausgangszahnrad verbunden und mittels eines Sensors (7) abtastbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Getriebe als eigenständige Baugruppe ausgeführt ist und als solche an dem Eingabegerät anbringbar ist, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen dem Eingangszahnrad und der Welle oder einem an die Welle angesetzten Verlängerungsstück entsteht.

Description

Vorrichtung zur Erfassung der Winkellage einer Welle eines Eingabegeräts sowie Eingabegerät mit einer derartigen Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkellage einer Welle eines Eingabegeräts nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Insbe- sondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkellage einer Schaltwelle eines Fahrschalters. Die gattungsgemäße Vorrichtung weist ein Getriebe auf, das ein drehfest mit der Welle verbundenes Eingangszahnrad und ein mit dem Eingangszahnrad in Eingriff befindliches Ausgangszahnrad umfasst. Ferner weist die Vorrichtung ein Geberelement auf, das drehfest mit dem Ausgangszahnrad verbunden und mittels eines Sensors abtastbar ist.
In der Schienenfahrzeugtechnik kommen mittlerweile hochkomplexe Bahnfahrschalter zum Einsatz, die über die Bedienung eines einzigen Bedienhebels nicht nur die Betätigung einer Vielzahl von Schalter erlauben, sondern darüber hinaus mit einem System ausgestattet sind, das die Erfassung der Stellung des Bedienelements ermöglicht und ein entsprechendes Signal ausgibt. Die Position des Bedienelements, in den meisten Fällen handelt es sich hierbei um einen drehbar gelagerten Hebel, wird zu diversen Zwecken erfasst und in der Regel durch ein Sicherheitssystem des Schienenfahrzeugs überwacht. In den meisten Fällen kommt zu diesem Zweck ein Drehgeber zum Einsatz, der die Winkellage der Schalterwelle abgreift. Dabei sind aus dem Stand der Technik mehrere Lö- sungen bekannt, den Drehgeber umzusetzen. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Schalterwelle mit einer Magnetscheibe zu bestücken, die am Außenumfang durch einen radial außerhalb angeordneten Sensor abgetastet wird. Diese Umsetzung erfordert jedoch relativ viel Platz und lässt sich in vielen Konstellationen schlecht umsetzen. In den meisten Fällen ist ein Gebermagnet an einem Stirnende der Schalterwelle angebracht. Der Gebermagnet wird in diesem Fall durch einen entsprechenden am Stirnende angeordneten Encoder-Chip abgetastet.
Die zunehmend steigenden Sicherheitsanforderungen im Bahnbereich erfordern mittlerweile, dass viele Systeme redundant ausgeführt werden. So besteht mittlerweile auch die Forderung, das System zur Erfassung der Position des Bedienelements redundant auszu- führen. Die zuvor erwähnte Variante, die Schalterwelle mit einer Magnetscheibe auszurüsten, die am Außenumfang abgetastet wird, bietet die Möglichkeit, am Außenumfang der Magnetscheibe mehrere Sensoren anzuordnen, die jeweils ein eigenständiges Signal abgeben. Diese Lösung kann die herrschenden Anforderungen an die Redundanz jedoch nicht er- füllen, da beide Sensoren auf ein und dasselbe Geberelement, nämlich die Magnetscheibe, rückgreifen, und die Redundanz nicht gewährleistet ist, wenn beispielsweise die Magnetscheibe beschädigt wird oder sich lockert.
Auch bei stirnseitig angebrachten Gebermagneten besteht die Möglichkeit, Bausteine einzusetzen, die zwei Encoder-Chips in einem Gehäuse vereinen. Auch hier verhält es sich so, dass beide Positionserfassungen gestört sind, sollte sich beispielsweise der Magnet lösen. Außerdem ist die geforderte Isolationsspannung zwischen den beiden Chips für den Einsatz in der Bahn bei Weitem nicht ausreichend.
Man ist deshalb dazu übergegangen, die Schaltgeräte mit einem Getriebe auszustatten, das die Rotationsbewegung der Schalterwelle auf zwei Zahnräder überträgt, die jeweils mit einem Gebermagnet bestückt sind, der über einen entsprechenden Sensor abgetastet werden kann. Die bestehenden Lösungen hierzu sind relativ aufwendig in der Konstruktion und daher kostspielig. Das Getriebe wird direkt in die Schaltermechanik integriert und ist daher integraler Bestandteil des Fahrschalters. Die verwendeten Zahnräder wurden bislang aus Metall gefertigt und direkt am Fahrschaltergehäuse gelagert. Wenngleich die- se Bauweise einen robusten Aufbau gewährleistet, so ist sie jedoch mit erheblichem Konstruktionsaufwand und erheblichen Fertigungskosten verbunden. Zudem sind die bestehenden Ansätze schalterspezifisch. Dies bedeutet, das entsprechende Getriebe bzw. der vollständige Aufbau des Systems zur Erfassung der Position des Bedienelements muss für jeden Schalter individuell ausgelegt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die eine kostengünstige Konstruktion und Herstellung sowohl der Vorrichtung selbst als auch des entsprechenden Eingabegeräts erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn das Getriebe als eigenständige Baugruppe ausgeführt ist und als solche an dem Eingabegerät anbringbar ist, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen dem Eingangszahnrad und der Welle oder einem an die Welle angesetzten Verlängerungsstück entsteht. Das Getriebe kann als eigenständige Baugruppe sowohl direkt als auch indirekt am Eingabegerät angebracht werden.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass die Vorrichtung zur Erfassung der Winkellage als eigenständiges Baugruppenmodul bei einer Vielzahl von unterschiedlichen oder zumindest ähnlichen Eingabegeräten zum Einsatz kommen kann. Sowohl die Konstruktion des Eingabegeräts selbst als auch die Herstellung und Montage vereinfachen sich dadurch erheblich. Auch die Funktionsprüfung einer zusammen mit dem Getriebe verwendeten Leiterplatte, die den Sensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung trägt, ver- einfacht sich dadurch, da selbst bei verschiedenen Eingabegeräten stets ein und dieselbe Prüfvorrichtung zum Einsatz kommen kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung sowohl für Geräte mit einfacher Positionserfassung als auch für Geräte mit einem redundanten System eignet, bei dem zwei identische Baugruppen zum Einsatz kommen können. Vorzugsweise wird die Baugruppe an einem Gehäuse des Eingabegeräts angebracht, aus welchem die Welle zumindest einseitig hervorsteht. Weiter vorzugsweise kämmt das Ausgangszahnrad direkt mit dem Eingangszahnrad. Das Getriebe ist daher vorzugsweise als einfaches Stirnradgetriebe ausgeführt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unter- ansprüche.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Zahnräder des Getriebes aus Kunststoff gefertigt. Da in den meisten Anwendungsfällen keine hohen Drehzahlen oder hohe Kräfte übertragen werden müssen, können die Zahnräder aus Kunststoff gefertigt werden, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erhebliche Fertigungskosten eingespart werden können. Insbesondere, wenn die Vorrichtung in großen Stückzahlen produziert wird, ist es dabei von besonderem Vorteil, wenn die Zahnräder im Spritzgußverfahren hergestellt sind. Prinzipiell lassen sich die Zahnräder auch aus Kunststoff fräsen. Da das Spritzgussverfahren zwar teuere Werkzeuge erfordert, bei großen Stückzahlen aber günstiger ist, empfiehlt es sich für Großserien. Das Fräsver- fahren erfordert keine Werkzeugherstellung. Aufgrund der höhere Stückkosten eignet es sich jedoch eher für Kleinserien. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die eigenständige Baugruppe ein Gehäuse, in welchem die Zahnräder drehbar gelagert sind und welches das Getriebe umschließt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Vorrichtung besonders einfach montiert werden kann, und außerdem sowohl die Zahnräder als auch das am Ausgangszahnrad befestigte Geberelement wirksam vor Verschmutzung geschützt sind. Die drehbare Lagerung der Zahnräder erfolgt vorzugsweise durch hohlzylindrische Vorsprünge des Gehäuses, die in entsprechende rotationssymmetrische Ausnehmungen der Zahnräder eingreifen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine rotationssymmetrische Nut des entsprechenden Zahnrads. Auf diese Weise wird eine besonders einfach umzusetzende Lagerung der Zahnräder erreicht. Durch den Eingriff der hohlzylindrischen Vorsprünge des Gehäuses in die Nuten der Zahnräder entsteht zudem eine Art Labyrinthdichtung, die zu einem wirksamen Schutz vor Verschmutzung beiträgt.
Das Gehäuse ist vorzugsweise aus zwei Hälften zusammengesetzt, die mittels eines Schnappmechanismus aneinander befestigt sind. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders einfache Montage der Vorrichtung selbst.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch das Gehäuse aus Kunststoff gefertigt und im Spritzgußverfahren hergestellt. Dadurch kann die gesamte Vorrichtung auf besonders einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch das Gehäuse aus Kunststoff gefräst werden kann. Diese Herstellungsvariante empfiehlt sich aufgrund der höheren Stückkosten jedoch nur für Kleinserien.
In einer weiteren ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Geberelement formschlüssig in eine mittlere Ausnehmung des Ausgangs- Zahnrades eingesetzt. Dadurch wird eine besonders einfache Positionierung und Befestigung des Geberelements am Ausgangszahnrad erreicht. Nach dem Stand der Technik wird das Geberelement, in den meisten Fällen ein Gebermagnet, in einem aufwendigen und teuren Klebeverfahren auf die Stirnseite der Schalterwelle bzw. auf die Stirnseite eines entsprechenden Zahnrads aufgeklebt. Da das Geberelement möglichst genau positi- oniert werden muss, erfordert dieses herkömmliche Verfahren den Einsatz aufwendiger Positionierungshilfsmittel bzw. einer entsprechenden Positionierungsvorrichtung. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform entfällt dieses Erfordernis vollständig. Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn die mittlere Ausnehmung des Ausgangszahnrades Klemm- oder Rastelemente aufweist, die beim Einsetzen des Geberelements dieses einklemmen oder mit einem Rand des Geberelements verrasten. Dadurch werden weder Klebstoff noch sonstige Befestigungsmittel erforderlich. Zudem erfolgt die Befestigung des Geberelements an dem Ausgangszahnrad dadurch besonders schnell und einfach. Das Geberelement weist vorzugsweise zumindest eine seitliche Abflachung auf, um einen sicheren Formschluss zwischen Ausgangszahnrad und Geberelement zu gewährleisten und eine relative Verdrehung der beiden Bauteile auszuschließen. Weiter vorzugsweise weist das Geberelement zu diesem Zweck zwei gegenüberliegende seitliche Abflachun- gen auf.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Geberelement als Magnet ausgeführt. Es wird darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch andere Geberelemente zum Einsatz kommen können. Beispielsweise ist es möglich, ein optisches Geberelement an dem Ausgangszahnrad zu befestigen. Eine optische Abtastung erfordert jedoch in der Regel größere Sensoren und ist zudem schmutzanfälliger und relativ empfindlich gegenüber Betauung des Geberelements.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die eigenständige Baugruppe ferner den Sensor sowie eine Leiterplatte, auf welcher der Sensor untergebracht ist. Bei dieser Ausführungsform kann ein besonders vor- teilhafter modulartiger Aufbau des entsprechenden Eingabegeräts erreicht werden. Auch die Montage des Eingabegeräts vereinfacht sich dadurch erheblich. Zudem kann mit einfachen Mitteln sichergestellt werden, dass die Leiterplatte bzw. der auf der Leiterplatte angeordnete Sensor präzise in Bezug auf das Geberelement ausgerichtet ist. Die Toleranzen zwischen dem Geberelement und dem Sensor werden nur durch die Toleranzen der eigenständigen Baugruppe bestimmt. Vorzugsweise ist der Sensor als Encoder-Chip ausgeführt, der entweder selbst über eine entsprechende Elektronik verfügt oder mit einer Auswerteelektronik verbunden ist, die auf der Leiterplatte untergebracht ist. Die Leiterplatte ist dadurch vorzugsweise einer Elektronikbaugruppe gleichzusetzen. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine besonders platzsparende Bauweise. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse im Bereich des Geberelements eine Öffnung auf, wobei die Öffnung durch die Leiterplatte abgedeckt ist. Die Öffnung gewährleistet eine einwandfreie Abtastung des Geberelements durch den Sensor. Gleichzeitig wird durch die Abdeckung der Öffnung durch die Leiterplatte sichergestellt, dass ein wirksamer Verschmutzungsschutz gewährleistet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Gehäuse eine Positionierungshilfe zur Positionierung des Gehäuses auf der Leiterplatte auf. Dadurch wird die richtige Ausrichtung des Sensors in Bezug zum Geberelement erheblich vereinfacht bzw. automatisch bei der Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt. Um eine besonders stabile Verbindung zwischen Gehäuse und Leiterplatte zu erreichen, ist die Leiterplatte vorzugsweise mit dem Gehäuse verschraubt. Das Gehäuse weist hierzu vorzugsweise entsprechende Bohrungen auf. Um die Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter zu vereinfachen, kann alternativ vorgesehen sein, dass das Gehäuse mittels einer Schnappverbindung an der Leiterplatte befestigt ist. Auch andere Befestigungsarten sind denkbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Eingangszahnrad eine durchgehende mittlere Öffnung auf, in welche die Welle des Eingabegeräts oder ein entsprechendes Verlängerungsstück der Welle eingesteckt werden kann, so dass ein drehfester Formschluss zwischen mittlerer Öffnung und Welle bzw. Verlängerungsstück entsteht. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders einfach auf die Welle bzw. auf ein entsprechendes Verlängerungsstück aufge- steckt werden. Die durchgehende mittlere Öffnung des Eingangszahnrads hat vorzugsweise einen eckigen, weiter vorzugsweise einen vieleckigen Querschnitt, der im Wesentlichen dem Querschnitt der Welle entspricht, so dass ein wirksamer drehfester Formschluss gegeben ist. Prinzipiell kann jeder Querschnitt verwendet werden, der einen Formschluss ermöglicht. So sind beispielsweise auch eine Keilnutverzahnung, eine ein- seitige Abflachung der Welle oder eine Nut denkbar. Die Ausführung als Sechskant ist für den Spritzguss besonders gut geeignet. Außerdem ist die Welle aus Sechskantmaterial preisgünstig herzustellen. Weiter vorzugsweise weist das Gehäuse zu beiden Seiten des Eingangszahnrads eine Öffnung auf, so dass die eigenständige Baugruppe vollständig auf die Welle des Eingabegeräts aufgesteckt werden kann. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Welle des Eingabegeräts mit mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen bestückt werden kann. Die Vorrichtungen können identisch ausgeführt sein und beispielsweise in axialer Richtung aufeinander gestapelt werden. Dadurch ist eine redundan- te oder sogar mehrfach redundante Erfassung der Winkellage durch Verwendung mehrerer identischer Baugruppen möglich. Die beiden Öffnungen, durch welche die Welle des Eingabegeräts ragt, sind dabei vorzugsweise die einzigen Öffnungen, die im vormontierten Zustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach außen hin in Erscheinung treten, so dass besonders wenig Angriffsfläche für die Verschmutzung des Innenlebens der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht.
Die Erfindung stellt ferner ein Eingabegerät, insbesondere einen Fahrschalter, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereit. Dabei ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zumindest zwei eigenständige Baugruppen in axialer Rich- tung der Welle betrachtet hintereinander an dem Eingabegerät angebracht sind. Die Baugruppen sind vorzugsweise identisch ausgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : einen Fahrschalter mit einer Explosionsdarstellung einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung zur Erfassung der Winkellage der Fahrschalterwelle,
Figur 2. die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Draufsicht ohne Fahrschalter und Leiterplatte, und
Figur 3: eine Schnittdarstelllung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus
Figur 2 entlang der in Figur 2 eingezeichneten Schnittlinie A (mit zusätzlicher redundanter Vorrichtung).
Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern in einer Zeichnung Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen. Figur 1 zeigt einen Bahn-Fahrschalter 3 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Erfassung der Winkellage der Fahrschalterwelle 2 in einer Explosionsansicht. Details der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind zudem in den Figuren 2 und 3 gezeigt.
Der Fahrschalter 3 weist einen Bedienhebel 24 auf, durch den die Schalterwelle 2, welche einseitig aus dem Schaltergehäuse hervorsteht, direkt oder indirekt betätigt wird. An dem Fahrschalter 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung angebracht, welche als eigenständige Baugruppe ausgeführt ist. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Getriebe, welches eine Drehbewegung der Schalterwelle 2 auf ein Geberelement 6 überträgt, das von einem Sensor 7 abgetastet wird. Die Vorrichtung 1 umfasst auch ein Getriebegehäuse 8, wel- ches das Getriebe umschließt, sowie eine Leiterplatte 15, auf welcher der Sensor 7 untergebracht ist. Das Getriebe ist mittels zweier Schrauben, die durch Befestigungsbohrungen 23 des Gehäuses 8 führen, an der Leiterplatte 15 festgeschraubt. Die Leiterplatte 15 wird mit Abstandsbolzen 25 am Fahrschaltergehäuse befestigt. Sollte aus Gründen der Redundanz eine weitere Leiterplatte 15 verwendet werden, wird diese ebenfalls mit Ab- Standsbolzen auf der bereits am Fahrschalter befestigten Leiterplatte festgeschraubt..
Das Getriebe selbst besteht aus einem Eingangszahnrad 4 und einem mit dem Eingangszahnrad 4 nach Art eines Stirnradgetriebes kämmendem Ausgangszahnrad 5. Das Eingangszahnrad 4 ist mit einer 6-eckigen Durchgangsöffnung 19 auf die ebenfalls 6-eckig ausgebildete Schalterwelle 2 aufgesteckt. Dadurch besteht zwischen dem Eingangszahn- rad 4 und der Schalterwelle 2 ein drehfester Formschluss. Das Ausgangszahnrad 5 weist eine mittlere Ausnehmung 13 auf, in die das Geberelement 6 in Form eines Permanentmagneten eingesetzt ist. Der Permanentmagnet 6 kann auf besonders einfache Weise an dem Eingangszahnrad 5 montiert werden, indem er in die mittlere Ausnehmung 13 eingedrückt wird. Diese Befestigung erfolgt entweder durch Klemmung oder durch Verrastung. Bei der im Ausführungsbeispiel gezeigten Klemmung weist die Ausnehmung 13 mehrere Klemmstege 14 auf, die beim Eindrücken des Permanentmagneten 6 zusammengedrückt werden und den Magneten seitlich halten. Bei der Verrastung wird der Permanentmagnet durch mehrere Schnapphaken anstelle der Klemmstege 14 festgehalten. Um diese besonders einfache Montage zu ermöglichen, ist das Ausgangszahnrad 5, ebenso wie das Eingangszahnrad 4 und das Getriebegehäuse 8 aus Kunststoff gefertigt, so dass der Permanentmagnet 6 auf besonders einfache Weise durch Eindrücken oder Einschnappen befestigt werden kann. Die Herstellung der genannten Bauteile aus Kunststoff hat zudem den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung im Spritzgußverfahren. Das Gehäuse 8 des Getriebes besteht aus zwei Gehäusehälften 8.1 und 8.2, die ebenfalls besonders einfach mittels einer Schnappverbindung aneinander befestigt werden können. Die vordere Gehäusehälfte 8.2 weist hierfür am Rand zwei Rastnasen 11 auf, die beim Zusammensetzen der beiden Gehäusehälften mit entsprechenden Schnappelementen bzw. Schnappbügeln 12 der hinteren Gehäusehälfte 8.1 verrasten. Die beiden Zahnräder 4 und 5 sind direkt im Gehäuse 8 gelagert. Die beiden Gehäusehälften 8.1 und 8.2 weisen hierfür jeweils auf der Innenseite zwei hohlzylindrische Vorsprünge 9 auf, die in entsprechende Nuten 10 der beiden Zahnräder eingreifen. Wie insbesondere aus Figur 1 ersichtlich ist, weisen die beiden Gehäusehälften auf der Seite des Eingangszahnrads 4 innerhalb des holzylindrischen Vorsprungs 9 eine Öffnung 20 auf, so dass die Schalterwelle 2 durch das Getriebegehäuse hindurchgesteckt werden kann. Da die Gefahr besteht, dass durch diese Öffnungen Schmutz in das Innere des Getriebegehäuses gelangt, erfüllt die Lagerung des Eingangszahnrades 4 an den hohlzylindrischen Vorsprüngen 9 eine weitere Funktion: Die hohlzylindrischen Vorsprünge 9 bilden zusammen mit den Nuten 10 des Eingangszahnrads 4 eine Labyrinthrichtung.
Das Getriebegehäuse 8 ist an der Leiterplatte 15 befestigt. Auch die Leiterplatte 15 weist daher eine Bohrung 21 auf, so dass die Schalterwelle 2 durch die Leiterplatte und das Getriebe geschoben werden kann. Um den auf der Leiterplatte 15 angebrachten Sensorchip 7 exakt in Bezug auf den Gebermagneten 6 zu positionieren, verfügt die vordere Gehäusehälfte 8.2 über eine Positionierhilfe in Form zweier Positionierbolzen 17, die in entsprechende Bohrungen 18 der Leiterplatte 15 eingreifen. Um eine optimale Abtastung des Gebermagneten 6 zu gewährleisten, weist die vordere Gehäusehälfte 8.2 im Bereich des Gebermagneten 6 eine weitere Öffnung 16 auf, die von einem zylindrischen Vorsprung umgeben ist. Der zylindrische Vorsprung bzw. die Öffnung 16 ist durch die Leiterplatte 15 abgedeckt, so dass kein Schmutz in das Innenleben der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere zwischen Gebermagnet 6 und Sensor 7, gelangen kann.
In Figur 3 ist ferner zu erkennen, dass die untere Gehäusehälfte 8.1 unmittelbar unterhalb des Gebermagneten 6 einen zylindrischen Vorsprung 22 aufweist, der verhindert, dass der Gebermagnet seine Lage verändert, selbst dann, wenn sich der Gebermagnet im Zahnrad 5 lösen sollte. Der Vorsprung bestimmt ferner den Abstand des Gebermagneten zum Sensorchip. Durch den Vorsprung 22 ist die Funktion der Lageerfassung auch bei defekten Klemmstegen oder Schnapphaken sichergestellt. Ferner ist in Figur 3 gezeigt, dass der Fahrschalter 3 mit zwei erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 ausgestattet ist, wodurch eine redundante Erfassung der Winkellage der Schalterwelle 2 gewährleistet ist. Die beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 sind auf einfache Weise aufeinanderge- stapelt, so dass sich die Schalterwelle 2 durch beide Vorrichtungen hindurch erstreckt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Schalterwelle mit einem entsprechenden Verlängerungsstück versehen werden kann, sofern die Länge der Schalterwelle nicht ausreicht, um die beiden Eingangszahnräder der beiden Vorrichtungen zu bedienen. Ferner wird darauf hingewiesen, dass je nach Bedarf auch noch weitere Baugruppen aufgesteckt werden können, sofern eine Mehrfachredundanz gewünscht ist.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Erfassung der Winkellage einer Welle (2) eines Eingabegeräts (3), insbesondere eines Fahrschalters, wobei die Vorrichtung (1 ) ein Getriebe aufweist, das ein drehfest mit der Welle (2) verbundenes Eingangszahnrad (4) und ein mit dem Eingangszahnrad (4) in Eingriff befindliches Ausgangszahnrad (5) umfasst, wobei die Vorrichtung (1) ferner ein Geberelement (6) aufweist, das drehfest mit dem Ausgangszahnrad (5) verbunden und mittels eines Sensors (7) abtastbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als eigenständige Baugruppe ausgeführt ist und als solche an dem Eingabegerät (3) anbringbar ist, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen dem Ein- gangszahnrad (4) und der Welle (2) oder einem an die Welle (2) angesetzten Verlängerungsstück entsteht.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (4, 5) des Getriebes aus Kunststoff gefertigt sind.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (4, 5) im Spritzgussverfahren hergestellt sind.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eigenständige Baugruppe ein Gehäuse (8) umfasst, in welchem die Zahnräder (4, 5) drehbar gelagert sind und welches das Getriebe umschließt.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) aus zwei Hälften (8.1 , 8.2) zusammengesetzt ist, die mittels eines Schnappmechanismus
(1 1 , 12) aneinander befestigt sind.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) aus Kunststoff gefertigt und im Spritzgussverfahren hergestellt ist.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (6) formschlüssig in eine mittlere Ausnehmung (13) des Ausgangszahnrads (5) eingesetzt ist.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Ausnehmung (13) des Ausgangszahnrads Klemm- oder Rastelemente (14) aufweist, die beim Einsetzen des Geberelements (6) dieses einklemmen oder mit einem Rand des Geberelements (6) verrasten.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberelement (6) ein Magnet ist.
10. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eigenständige Baugruppe ferner den Sensor (7) und eine Leiterplatte (15), auf welcher der Sensor (7) untergebracht ist, umfasst.
11. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) im Bereich des Geberelements (6) eine erste Öffnung (16) aufweist, wobei die erste Öffnung (16) durch die Leiterplatte (15) abgedeckt ist.
12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) eine Positionierungshilfe (17) zur Positionierung der Leiterplatte (15) aufweist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangszahnrad (4) eine durchgehende mittlere Durchgangsöffnung (19) aufweist, in welche die Welle (2) des Eingabegeräts (3) oder ein entsprechendes Verlängerungsstück der Welle (2) eingesteckt werden kann, so dass ein drehfester Formschluss zwischen mittlerer Durchgangsöffnung (19) und Welle (2) bzw. Verlängerungsstück entsteht.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) zu beiden Seiten des Eingangszahnrads (4) eine zweite Öffnung (20) aufweist, so dass die eigenständige Baugruppe vollständig auf die Welle (2) des Eingabegeräts (3) aufgesteckt werden kann.
15. Eingabegerät (3), insbesondere Fahrschalter, mit einer Welle (2) und mit einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
16. Eingabegerät (3) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei eigenständige Baugruppen in axialer Richtung der Welle (2) betrachtet hintereinander an dem Eingabegerät (3) angebracht sind.
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