DE10046660C1

DE10046660C1 - Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE10046660C1
Application number: DE2000146660
Authority: DE
Inventors: Harald Kazmierczak
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2020-09-21

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels an rotierenden mechanischen Bauteilen (1) vorgeschlagen, die mindestens einen Sensor (7; 12) im Bereich von mindestens einem Winkelgeber (6) aufweist, der an einem Getriebeelement (5) angebracht ist, das Bestandteil eines Getriebes mit einem vorgegebenen Über- oder Untersetzungsverhältnis ist und von dem rotierenden Bauteil (1) angetrieben wird. Als ein weiteres Getriebeelement ist eine Zahnradscheibe (2; 10) mit einer vorgegebenen Zähnezahl (n) vorhanden. Das eine Getriebeelement mit dem mindestens einen Winkelgeber (6) ist ein Taumelrad (5) mit einer Zähnezahl (n + x), das bei einer Drehung des rotierenden Bauteils (1) mit der Zahnradscheibe (2) in Eingriff kommt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drehwinkels, insbesondere an Achsen oder Wellen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Beispielsweise müssen zur Erfassung des Drehwinkels einer Lenkradachse eines Kraftfahrzeuges während der Drehung des Lenkrades sehr kleine Winkeländerungen in beiden Drehrichtungen des Lenkrades gemessen werden. Beispiels weise für Fahrzeugregelungssysteme, wie bei der elektro motorischen Servolenkung, der sog. Adaptive Cruise Control und der Fahrdynamikregelung, ist die Erfassung des absoluten Lenkraddrehwinkels an der Lenkspindel oft notwendig.

Der gesamte Drehbereich des Lenkrades beträgt dabei ca. 1440°, entsprechen zwei 360° Drehungen nach links und nach rechts. Um hier eine absolute Messung durchzuführen, könnte beispielsweise mit einer Memory-Funktion eine Speicherung der Art und Anzahl der Umdrehung und die Winkelstellung innerhalb einer Umdrehung vorgenommen werden oder es könnten aufwendige Übersetzungsgetriebe, z. B. Planetengetriebe oder codierte Bänder aufgebaut werden. Es besteht weiterhin bei rotierenden Wellen das Problem der Signalübertragung, das zwar je nach Anwendung mit ei nem Drehübertrager oder mit Schleifringen gelöst werden kann, jedoch kostenintensiv und störanfällig ist.

Für sich gesehen ist aus der DE 195 06 938 A1 (US-Ser. No. 08/894453) bekannt, dass eine absolute Winkelmes sung an einer drehbaren Welle dadurch vorgenommen wird, dass die Welle, deren Winkellage ermittelt werden soll, mit einem Zahnrad oder einem Zahnkranz versehen ist. Die ses Zahnrad oder der Zahnkranz wirkt mit zwei weiteren, benachbart angeordneten Zahnrädern zusammen, deren jewei lige Winkelstellungen mit Hilfe eines Sensors laufend er mittelt werden, wobei der letztlich zu bestimmende Dreh winkel der Welle aus den beiden gemessenen Winkel mit ei ner geeigneten Berechnungsmethode ermittelbar ist. Hier sind am ersten Winkelgeber auf dem Umfang des rotierenden Bauteils zwei mit, aufgrund unterschiedlicher Zähnezahl, etwas unterschiedlicher Umdrehungsgeschwindigkeit mitdre hende Körper angeordnet, deren Drehwinkel jeweils mit den Sensoren erfassbar sind und aus deren Drehwinkeldifferenz die absolute Drehwinkellage des rotierenden Bauteils her leitbar ist.

In der DE 39 10 360 A1 wird ein Lenkwinkelsensor beschrieben, in dem zwei Potentiometer nebeneinander angeordnet sind. Die Schleiferwellen der beiden Potentiometer sind durch ein formschlüssiges, spielfreies Getriebe miteinander verbunden, welches aus zwei Zahnscheiben und einem Zahnriemen besteht. Die auf der einen Schleiferwelle befestigte Zahnscheibe hat einen geringeren Durchmesser als die auf der anderen Schleiferwelle angeordnete Zahnscheibe. Ferner ist aus der JP 1-73213 A (in Patents-Abstracts of Japan, P-893, July 6, 1989, Vol. 13/No. 291) eine Sensoranordnung mit einem Taumelrad als Winkelgeber beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels an rotierenden Bauteilen zu schaffen, bei der über einen relativ großen Drehbereich eine absolute Messung durchgeführt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die eingangs erwähnte gattungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels an rotierenden mechanischen Bauteilen weist einen Sensor im Bereich eines Winkelgeber auf, der an einem Getriebeelement angebracht ist, das Bestandteil eines Getriebe mit einem vorgegebenen Über- oder Untersetzungsverhältnis aufgrund unterschiedlicher Zähnezahl ist und gemäß des Kennzeichens des Anspruchs 1 in vorteilhafter Weise weitergebildet ist. Das Getriebe element mit dem mindestens einen Winkelgeber ist dabei erfindungsgemäß ein Taumelrad mit einer bestimmten Zähne zahl n + x, das bei einer Drehung des rotierenden Bauteils mit einem Zahnrad mit einer Zähnezahl n in Eingriff kommt.

Der Sensor ist bei dieser ersten Ausführungsform fest mit dem rotierenden Bauteil verbunden. Das rotierende Bauteil ist hier z. B. die Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges, an der der Sensor und das Getriebeelement, mit der vom Tau melrad abweichenden Zähnezahl, angebracht ist. An einer ortsfesten Lenksäule an einem Ort im Drehbereich der Lenkspindel ist vorzugsweise ein mechanisches Bauteil an gebracht, das an dieser Stelle das Taumelrad und das wei tere Getriebeelement miteinander in Eingriff bringt. Die Vorteile dieser Ausführungsform liegen vor allem darin, dass hier ein kaum messbares Drehmoment in der Sen soranordnung auftritt und ein besonders niedriger Ge räuschpegel vorhanden ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform, die von einer Sen soranordnung ausgeht, die einen ortsfesten Sensor im Be reich von mindestens einem Winkelgeber aufweist, ist das Getriebeelement mit dem mindestens einen Winkelgeber ein Taumelrad mit einer bestimmten Zähnezahl n + x, das bei ei ner Drehung des rotierenden Bauteils mit einem Zahnrad mit einer Zähnezahl n, als weiteres hier ortsfestes Ge triebeelement, in Eingriff kommt. Bei der Zähnezahl n + x ist x ganzzahlig, z. B. im Bereich von 1 bis 5 je nach Mo dul. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der schnellen Verfügbarkeit der Information über den gemessenen Winkel. Bei der ersten Ausführungsform muss die Information, in der Regel nach der Aufarbeitung in ein serielles Signal, vom rotierenden Bauteil auf das ortsfeste Bauteil übertragen werden. Nach der zweiten Ausführungsform liegen die auswertbaren Daten schon auf dem ortsfesten Bauteil vor, was beispielsweise bei einer Anwendung im Kraftfahrzeug besonders für die Steuerung der Fahrdynamik wichtig ist und gleichzeitig den elektro nischen Aufwand verringert.

Auch bei dieser Ausführungsform ist das rotierende Bau teil bevorzugt die Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges, an der der Sensor und das weitere Getriebeelement, mit der vom Taumelrad abweichenden Zähnezahl, angebracht ist. Hier ist an einem Ort auf dem Umfang der Lenkspindel ein mechanisches Bauteil angebracht, das an dieser Stelle das Taumelrad und das weitere Getriebeelement miteinander in Eingriff bringt.

Die zuvor erwähnte Über- oder Untersetzung des Getriebes kann erfindungsgemäß durch ein Zahnradpaar erzeugt wer den, die bei gleichem Modul einen Zähnezahlunterschied von mindestens einem Zahn aufweisen. Vorzugsweise kann die Zahl der Zähne des Taumelrades und des weiteren Ge triebeelements um eine vorgegebene Zähnezahl differieren.

Mit der Erfindung kann auf einfache Weise eine berüh rungslose Sensorik aufgebaut werden. Gemäß einer beson ders vorteilhaften Ausführungsform sind die Sensoren, die die Winkellage des Taumelrades detektieren, magnetore sistive AMR- (anisotrop magnetoresistiv) oder GMR- (giant magnetoresistiv) Sensoren, die ein im wesentlichen von der Feldlinienrichtung der mit dem Taumelrad als Winkelgeber verbundenen Magnete oder Spulen abhängiges Signal abgeben. Auf dem sich taumelnd bewegenden Zahnrad können die Winkelgeber, z. B. in Form von Magnetringen, angebracht werden, die den sich auf der Lenksäulenseite oder an der Lenkspindel befestigten Sensoren, z. B. in Form von mag netfeldempfindlichen Sensoren, dann unterschiedliche Wer te liefern, je nach Stellung der Lenkspindel.

In einer Auswerteschaltung ist dann auf einfache Weise aus diesen Signalen der absolute Drehwinkel des rotieren den Bauteils ermittelbar. Die Auswerteschaltung kann da bei z. B. eine Hybridschaltung sein, die die magnetore sistiven Sensoren und eine Rechenschaltung zur Auswertung der gemessenen Winkel enthält.

Gemäß einer weiteren Alternative können die Sensoren, die die Winkellage des Taumelrades detektieren und die mit dem Taumelrad verbundenen Winkelgeber Magnetplatten sein, mit denen jeweils ein von der jeweiligen Winkellage ab hängiges Signal erzeugbar ist. Andererseits ist es auch möglich, dass die Sensoren, die die Winkellage des Tau melrades detektieren und die mit dem Taumelrad verbunde nen Winkelgeber optische Codeelemente sind, mit denen ebenfalls ein von der jeweiligen Winkellage abhängiges Signal erzeugbar ist. Bei den optischen Verfahren ist zu beachten, dass sie inkremental den Winkel erfassen und aus der Differenz der Triggerzeitpunkte, also nur dyna misch, den Winkel und somit in erster Linie das Drehmo ment ermitteln. Weiterhin ist auch eine Sensoranordnung mit Sensoren auf Wirbelstrombasis möglich.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranord nung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer Sensoranordnung zur Er fassung der absoluten Winkelstellung einer Lenkspin del eines Kraftfahrzeuges mit einem Taumelgetriebe und einem Sensor auf der Lenkspindel und

Fig. 2 eine Ansicht einer Sensoranordnung zur Er fassung der absoluten Winkelstellung einer Lenkspin del eines Kraftfahrzeuges mit einem Taumelgetriebe und einem Sensor auf der Lenksäule.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist in einer schematischen Schnittansicht eine Lenkspindel 1 als rotierendes Bauelement gezeigt, deren absoluter Drehwinkel bestimmt werden soll. Auf dem Umfang der Lenkspindel 1 ist als Bestandteil eines Taumelgetrie bes eine Zahnradscheibe 2 als weiteres Getriebeelement mit einer Anzahl n Zahnen angebracht. In die Verzahnung 3 des Zahnrades 2 greifen die Zähne 4 mit einer Anzahl n + 1 eines Taumelrades 5 ein, das mit einem Winkelgeber 6 ver sehen ist.

Ein Sensor 7 ist bei dieser Ausführungsform über eine Platine 8 fest mit der Lenkspindel 1 verbunden. An einer hier nicht näher gezeigten ortsfesten Lenksäule des Kraftfahrzeuges ist an einem Ort im Drehbereich der Lenk spindel 1 ein mechanisches Bauteil 9 angebracht, das an dieser Stelle das Taumelrad 5 und die Zahnradscheibe 2 miteinander in Eingriff bringt und so dazu führt, dass das Taumelrad 5 mit dem gewählten Übersetzungsverhältnis mitgenommen wird.

Es ergibt sich somit eine berührungslose Sensorik, mit der die Winkellage des Taumelrades 5 detektiert werden kann, beispielsweise über magnetoresistive Sensoren 7, die ein im wesentlichen von der Feldlinienrichtung der mit dem Taumelrad 5 als Winkelgeber 6 verbundenen Magnete oder Magnetringe abhängiges Signal abgeben. Diese magnet feldempfindlichen Sensoren 7 liefern dann je nach der ab soluten Drehstellung der Lenkspindel 1 unterschiedliche Werte.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die jeweils gleichen Teile mit den gleichen Be zugszeichen versehen sind. Um die Lenkspindel 1 herum ist, fest verbunden mit der Lenksäule als Bestandteil ei nes Taumelgetriebes, eine Zahnradscheibe 10 als weiteres Getriebeelement mit einer Anzahl n von Zähnen 11 ange bracht. In die Verzahnung 11 der Zahnradscheibe 10 grei fen hier die Zähne 4 mit einer Anzahl n + 1 des Taumelrades 5 ein, das mit dem anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Winkelgeber 6 versehen ist.

Ein Sensor 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in Ab weichung gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel über eine Platine 13 fest mit der Zahnradscheibe 10 und damit mit der Lenksäule verbunden. An der Lenkspindel 1 ist am Umfang ein mechanisches Bauteil 14 angebracht, das an dieser Stelle das Taumelrad 5 und die Zahnradscheibe 10 miteinander in Eingriff bringt.

Es ergibt sich somit auch hier eine berührungslose Senso rik, mit der die Winkellage des Taumelrades 5, wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, detektiert werden kann.

Claims

1. Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels an rotierenden Bauteilen (1), mit
mindestens einem Sensor (7) im Bereich von mindestens einem Winkelgeber (6), der an einem Getriebeelement (5) angebracht ist, das Bestandteil eines Getriebes mit einem vorgegebenen Über- oder Untersetzungsverhältnis ist und von dem rotierenden Bauteil (1) angetrieben wird
und einem weiteren mit dem rotierenden Bauteil (1) fest verbundenen Getriebeelement, das als eine Zahnradscheibe (2) mit einer vorgegebenen Zähnezahl (n) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Getriebeelement mit dem mindestens einen Winkelgeber (6) ein Taumelrad (5) mit einer vorgegebenen Zähnezahl (n - x) ist, das bei einer Drehung des rotierenden Bauteils (1) mit der Zahnradscheibe (2) mit vorgegebener Zähnezahl (n) in Eingriff kommt und dass der Sensor (7) fest mit dem rotierenden Bauteil (1) verbunden ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Bauteil die Lenkspindel (1) eines Kraftfahrzeuges ist, an der der Sensor (7) und die Zahnradscheibe (2) mit der vom Taumelrad (5) abweichenden Zähnezahl, angebracht ist und dass
an einer ortsfesten Lenksäule an einem Ort im Drehbereich der Lenkspindel (1) ein mechanisches Bauteil (9) angebracht ist, das an dieser Stelle das Taumelrad (5) und die Zahnradscheibe (2) miteinander in Eingriff bringt.

3. Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels an rotierenden Bauteilen (1), mit
mindestens einem ortsfesten Sensor (12) im Bereich von mindestens einem Winkelgeber (6), der an einem Getriebeelement (5) angebracht ist, das Bestandteil eines Getriebe mit einem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis ist und von dem rotierenden Bauteil (1) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass
als ein weiteres Getriebeelement eine ortsfeste Zahnradscheibe (10) mit einer vorgegebenen Zähnezahl (n) vorhanden ist und dass
das eine Getriebeelement mit dem mindestens einen Winkelgeber (6) ein Taumelrad (5) mit einer vorgegebenen Zähnezahl (n + x) ist, das bei einer Drehung des rotierenden Bauteils (1) mit der Zahnradscheibe (10) mit vorgegebener Zähnezahl (n) in Eingriff kommt.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das rotierende Bauteil die Lenkspindel (1) eines Kraftfahrzeuges ist und der Sensor (12) und die Zahnradscheibe (10) ortsfest an einer Lenksäule des Kraftfahrzeuges angebracht sind und dass
an einem Ort auf dem Umfang der Lenkspindel (1) ein mechanisches Bauteil (14) angebracht ist, das an dieser Stelle das Taumelrad (5) und die Zahnradscheibe (10) miteinander in Eingriff bringt.

5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zahl der Zähne (3) des Taumelrades (5) und der Zähne (4; 11) der Zahnradscheibe (2; 10) um eine vorgegebene ganze Zahl (x) im Bereich von eins bis fünf differiert.

6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (7; 12), die die Winkellage des Taumelrades (5) detektieren, magnetoresistive AMR- oder GMR-Sensoren sind, die ein im wesentlichen von der Feldlinienrichtung der mit dem Taumelrad (5) als Winkelgeber verbundenen Magnete (6) oder Spulen abhängiges Signal abgeben und dass
in einer Auswerteschaltung aus diesen Signalen der absolute Drehwinkel des rotierenden Bauteils (1) ermittelbar ist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswerteschaltung eine Hybridschaltung ist, die die magnetoresistiven Sensoren (7, 12) und eine Rechenschaltung zur Auswertung der gemessenen Winkel enthält.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoren (7; 12), die die Winkellage des Taumelrades (5) detektieren und die mit dem Taumelrad (5) verbundenen Winkelgeber (6) Magnetplatten sind, mit denen jeweils ein von der jeweiligen Winkellage abhängiges Signal erzeugbar ist und dass
in einer Auswerteschaltung aus diesen Signalen der absolute Drehwinkel des rotierenden Bauteils (1) ermittelbar ist.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoren (7; 12), die die Winkellage des Taumelrades (5) detektieren und die mit dem Taumelrad (5) verbundenen Winkelgeber (6) optische Codeelemente sind, mit denen jeweils ein von der jeweiligen Winkellage abhängiges Signal erzeugbar ist und dass
in einer Auswerteschaltung aus diesen Signalen der absolute Drehwinkel des rotierenden Bauteils (1) ermittelbar ist.