DE102010034261A1

DE102010034261A1 - Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils eines Fahrzeugs sowie Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102010034261A1
Application number: DE201010034261
Authority: DE
Inventors: Lars Schoch; Onofrio Intini; Marco Noll
Original assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Current assignee: Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16
Also published as: EP2603775A1; WO2012019946A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils (2) eines Fahrzeugs, mit einer Zahnradvorrichtung (3), welche mit dem Bauteil (2) gekoppelt ist, wobei ein Zahnrad (4) der Zahnradvorrichtung (3) in eine gezahnte Struktur (5) des Bauteils (2) eingreift, wobei Zähne (6) des Zahnrads (4) in Umlaufrichtung um eine Drehachse (A) des Zahnrads (4) und/oder Zähne (7) der gezahnten Struktur (5) des Bauteils (2) in Umlaufrichtung um eine Drehachse (B) der gezahnten Struktur (5) in sich verformbar ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils des Fahrzeugs, mit einer Zahnradvorrichtung, welche mit dem Bauteil gekoppelt ist, wobei ein Zahnrad der Zahnradvorrichtung in eine gezahnte Struktur des Bauteils eingreift. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
Eine Vorrichtung zur Winkelmessung bei einem drehbaren Körper, insbesondere zur Ermittlung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs, ist aus der DE 195 06 938 A1 bekannt.
Bei derartigen Vorrichtungen zur Lenkwinkelbestimmung sind die einzelnen Zahnräder mit ihren Lagen der Drehachsen ortsfest zueinander angeordnet. Deshalb und in Verbindung mit der Ausgestaltung der Zahnräder treten aufgrund der erforderlichen Drehachsenabstandstoleranzen spielbehaftete Bewegungsmuster auf. Es ist daher auch ein Spiel zwischen antreibenden und angetriebenen Zahnrad vorhanden, welches sich insbesondere bei Drehrichtungswechsel negativ auf den zu bestimmenden Winkel auswirkt (Hysterese), da die Drehbewegung permanent an das anzutreibende Zahnrad weitergegeben wird. Dies bedeutet, dass die einzelnen Zähne der ineinander greifenden Zahnräder in Umlaufrichtung betrachtet nicht so ineinander eingreifen können, dass sie jeweils mit gegenüberliegenden Zahnflanken direkt aneinander anliegen.
Des Weiteren tritt durch die erforderliche Achsabstandstoleranz ein Verklemmen der Zahnräder zueinander auf, welches zu Ablaufgeräuschen führen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit welcher bzw. bei welchem das Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils genauer erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, und ein Fahrzeug, welches die Merkmale nach Anspruch 10 aufweist, gelöst.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils eines Fahrzeugs umfasst eine Zahnradvorrichtung, welche mit dem drehbaren Bauteil mechanisch bewegungsgekoppelt ist. Ein Zahnrad der Zahnradvorrichtung greift dabei in eine gezahnte Struktur des Bauteils ein. Die gezahnte Struktur kann auch ein Zahnrad sein.
Zähne des Zahnrads sind in Umlaufrichtung um eine Drehachse des Zahnrads und/oder Zähne der gezahnten Struktur des Bauteils sind in Umlaufrichtung um eine Drehachse der gezahnten Struktur in sich bewegbar bzw. verformbar ausgebildet. Dies bedeutet, dass sie eine gewisse Bewegungselastizität aufweisen, so dass sie in diesem Sinne nicht ortsfest und starr angeordnet sind. Durch eine derartige Bewegungsflexibilisierung und Ausgestaltung der Zähne, insbesondere der Zahnflanken, kann das bei bekannten Ausgestaltungen unvermeidbare Spiel beim Eingriff der Zähne vermieden werden. Dadurch kann auch die Erfassungsgenauigkeit des Positionswinkels wesentlich erhöht werden.
Um die Verformbarkeit zu ermöglichen, können die Zähne des Zahnrads und/oder die Zähne der gezahnten Struktur einen Hohlquerschnitt aufweisen. Dieser innere Hohlquerschnitt ist zwischen den beiden Zahnflanken des zugehörigen Zahns angeordnet und ermöglicht zumindest im gewisssen Umfang Relativbewegungen der beiden Zahnflanken zueinander. Der Hohlquerschnitt kann – wie im Weiteren noch näher ausgeführt – insbesondere als radialer Schlitz oder als Aussparung bzw. Bohrung des Zahns ausgebildet sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zähne des Zahnrads in radialer Richtung geschlitzt ausgebildet sind. Durch eine derartige Ausgestaltung ist ein Zahn eines Zahnrads zumindest bereichsweise mit zwei Zahnteilen, die beabstandet zueinander angeordnet sind, ausgebildet, wobei diese dann eine derartige Bewegungselastizität in Umlaufrichtung des Zahnrads betrachten und somit um die Drehachse betrachtet, aufweisen, dass sie relativ zueinander bewegt werden können, wodurch sich die Form und die Lage zumindest teilweise verändern lässt. Darauf kann ein stets aneinander anliegender Eingriff zwischen den Zähnen des Zahnrads und den Zähnen der gezahnten Struktur des Bauteils gewährleistet werden, so dass ungewolltest Spiel in Umlaufrichtung um die Drehachse vermieden wird.
Vorzugsweise ist ein Schlitz in einem Zahn zumindest solange ausgebildet, wie sich die Länge eines Zahnkopfes eines derartigen Zahns erstreckt. Gerade diese Ausgestaltung ermöglicht im vorderen Bereich eines Zahns eine derartige Form und Bewegungselastizität. Da gerade hier die Haupteingriffsbereiche mit Krafteinwirkungen erfolgen trägt dies besonders vorteilhaft zur Vermeidung von unerwünschtem Spiel bei.
Vorzugsweise sind die Zähne der gezahnten Struktur in radialer Richtung geschlitzt ausgebildet. Insbesondere ist auch hier ein Schlitz zumindest so lange, wie sich ein Zahnkopf eines Zahns der gezahnten Struktur erstreckt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sowohl die Zähne des Zahnrads der Zahnradvorrichtung als auch die Zähne der gezahnte Struktur des Bauteils geschlitzt ausgebildet sind. Vorzugsweise sind jeweils alle Zähne entsprechend geschlitzt ausgebildet.
Bei einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass Zähne des Zahnrads und/oder Zähne der gezahnten Struktur zur Verformbarkeit mit einer durchgängigen Bohrung ausgebildet sind. Als Bohrung wird ein Loch verstanden, welches in. Bohrungsrichtung betrachtet in Umfangsrichtung umlaufend durch das Material des Zahnes begrenzt ist.
Vorzugsweise erstreckt sich eine Bohrung in radialer Richtung im Wesentlichen über die Höhe des Zahns.
Vorzugsweise ist die Bohrung eckig, insbesondere rechteckig ausgebildet.
Es kann auch vorgesehen sein, dass einige Zähne des Zahnrads und/oder einige Zähne der gezahnten Struktur geschlitzt ausgebildet sind und weitere Zähne des Zahnrads und/oder weitere Zähne der gezahnten Struktur mit einer Bohrung ausgebildet sind.
Vorzugsweise sind die beiden Drehachsen und somit die Drehachse des Zahnrads der Zahnradvorrichtung als auch die Drehachse der gezahnten Struktur parallel verlaufend zueinander angeordnet und ortsfest zueinander positioniert. Dies bedeutet, dass sie sich in die gleiche Richtung erstrecken und keine Relativbewegung zwischen den Drehachsen in einer Richtung senkrecht zu den Drehachsen ermöglicht ist.
Vorzugsweise ist zumindest ein Sensor vorgesehen, welcher zur Erfassung der Drehstellung des Zahnrads der Zahnradvorrichtung ausgebildet ist. Abhängig von der Drehstellung des Zahnrads ist dann die Position und somit auch der Positionswinkel des drehbaren Bauteils bestimmbar. Die Vorrichtung umfasst dazu vorzugsweise eine Steuereinheit, welche zur Auswertung der Sensorinformationen ausgebildet ist. Da das Zahnrad der Zahnradvorrichtung mit der gezahnten Struktur des Bauteils gekoppelt ist und deren ursprünglich anfängliche relative Position zueinander bekannt und abgespeichert ist, kann somit über diese indirekte Vorgehensweise der Positionswinkel des drehbaren Bauteils bestimmt werden.
Vorzugsweise ist der Verlauf einer Zahnflanke im Hinblick auf ihre Konturgestaltung eines Zahnes der Zahnradvorrichtung vom Zahnfuß bis zum Zahnkopf stufenfrei bzw. eckenfrei ausgebildet und/oder der Verlauf einer Zahnflanke eines Zahnrads der gezahnten Struktur vom Zahnfuß bis zum Zahnkopf stufenfrei ausgebildet.
Insbesondere ist das drehbare Bauteil eine Lenkwelle des Fahrzeugs und der Positionswinkel ist der Lenkwinkel.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer vorteilhaften Ausgestaltung davon.
Die Vorrichtung zur Erfassung des Positionswinkels ist somit insbesondere derart ausgestaltet, dass die Zähne von antreibendem und/oder von angetriebenem Zahnrad oder Zahnsegment so ausgestaltet sind, dass die Zahnflanken als Spielausgleichselement dienen, um eine auftretende Achsabstandstoleranz dahingehend auszugleichen, dass der spielfrei permanente Eingriff der Zähne gewährleistet ist. Dadurch wird eine Hysterese und unerwünschte Geräuschbildung vermieden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung eines Zahns eines Zahnrads der Vorrichtung;
3 eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4 eine vergrößerte Darstellung eines Zahns eines Zahnrads der Vorrichtung gemäß 3.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Erfassung eines Lenkwinkels einer Lenkwelle 2 eines Fahrzeugs gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist daher in einem Fahrzeug angeordnet. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Zahnradvorrichtung 3, welche ein oder mehrere Zahnräder aufweisen kann. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein Zahnrad 4 der Zahnradvorrichtung 3 gezeigt. Das Zahnrad 4 und somit auch die Zahnradvorrichtung 3 ist mit der Lenkwelle 2, die außenseitig eine gezahnte Struktur 5 aufweist, bewegungsgekoppelt, indem das Zahnrad 4 in die gezahnte Struktur 5 eingreift. Das Zahnrad 4 und die Lenkwelle 2, insbesondere die gezahnte Struktur 5, sind so angeordnet, dass eine Drehachse A des Zahnrads 4, welche sich senkrecht zur Figurenebene erstreckt, parallel zu einer Drehachse B der gezahnten Struktur 5 verläuft. Das Zahnrad 4 ist symmetrisch um die Drehachse A ausgebildet. Die Vorrichtung 1 ist so konzipiert, dass auch Drehungen bis zu oder auch größer 360° möglich sind.
Wie in 1 dargestellt, kämen Zähne 6 des Zahnrads 4 (lediglich ein Zahn ist mit dem Bezugszeichen 6 versehen) mit Zähnen 7 der gezahnten Struktur 5 (lediglich ein Zahn ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen).
Im Ausführungsbeispiel sind alle Zähne 6 des Zahnrades 4 mit einem Schlitz 8 ausgebildet. Ebenso sind alle Zähne 7 der gezahnten Struktur 5 mit einem Schlitz 9 ausgebildet. Die Schlitze 8 und 9 erstrecken sich in radialer Richtung der jeweiligen Zahnradausgestaltungen.
Darüber hinaus ist das Zahnrad 4 und die Lenkwelle 2 mit der gezahnten Struktur 5 so angeordnet, dass die Drehachsen A und B ortsfest zueinander positioniert sind. Dies bedeutet, dass keine Relativbewegung zwischen den Drehachsen A und B senkrecht dazu und somit in der Figurenebene, möglich ist.
Die Vorrichtung 1 umfasst darüber hinaus zumindest einen Sensor 10, welcher zur Erfassung der Drehstellung des Zahnrades 4 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist eine Steuereinheit 11 vorgesehen, welche abhängig von den Informationen des Sensors 10 zur Bestimmung des Lenkwinkels der Lenkwelle 2 ausgebildet ist.
In 2 ist in einer vergrößerten Darstellung ein Zahn 6 des Zahnrads 4 gezeigt. Jeder Zahn des Zahnrads 4 ist analog ausgebildet. Darüber hinaus ist auch jeder Zahn 7 der gezahnten Struktur 5 analog oder zumindest äquivalent ausgebildet. Der Zahn 6 umfasst einen Zahnfuß 12 und einen Zahnkopf 13. Die Aufteilung im Hinblick auf den Zahnfuß 12 und Zahnkopf 13 ist durch die waagrecht gestrichelte Linie angedeutet. Darüber hinaus sind Zahnflanken 14 und 15 in ihrem Konturenverlauf so ausgebildet, dass sie über die gesamte Höhe des Zahns 6 stufenfrei und somit kontinuierlich eckenfrei ausgebildet sind. Auch der Übergang vom Zahnfuß 12 zum Zahnkopf 13 ist daher stufenfrei.
Gemäß der Darstellung in 2 ist zu erkennen, dass sich die Tiefe des Schlitzes 8 größer als die Höhe des Zahnkopfes 13 erstreckt und somit auch sich zumindest teilweise über die Länge des Zahnfußes 12 erstreckt. Durch eine derartige Ausgestaltung eines Zahns 6 ist eine gewisse Verformungselastizität eines Zahns 6 gegeben. Dies bedeutet, dass in Umlaufrichtung und die Drehachse A ein Zahn 6 beim Eingriff in die gezahnte Struktur 5 eine gewisse Verformbarkeit aufweist, so dass beide Zahnflanken 14 und 15 an Zahnflanken benachbarter Zähne 7 beim entsprechenden Eingriff anliegen. Ein unerwünschtes Spiel in Umlaufrichtung ist dadurch vermieden.
Die Position der Drehachsen A und B und somit auch die Position des Zahnrades 4 zur Lenkwelle 2 und somit auch zur gezahnten Struktur 5 wird daher beim Verbau bereits so festgelegt, dass diese spielfrei durch die Verformungselastizität der Zähne 6 und 7 gegebene Anlage der Zahnflanken 14 und 15 permanent gewährleistet ist.
In den 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 gezeigt. Im Unterschied zur Ausgestaltung in 1 und 2 ist hier vorgesehen, dass Zähne 6 des Zahnrads 4 mit einem eckigen durchgängigen Loch bzw. einer eckigen Bohrung 16 ausgebildet sind. Des Weiteren sind Zähne 7 der gezahnten Struktur 5 mit entsprechenden Bohrungen 17 versehen. In 4 ist dabei eine vergrößerte Darstellung eines Zahns 6 gezeigt. Die Bohrung 16 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Zahns 6. Durch diese Bohrung 16 und 17 werden die verbleibenden dünnen Wandungen der Zähne 6 und 7 reversibel verformbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19506938 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils (2) eines Fahrzeugs, mit einer Zahnradvorrichtung (3), welche mit dem Bauteil (2) gekoppelt ist, wobei ein Zahnrad (4) der Zahnradvorrichtung (3) in eine gezahnte Struktur (5) des Bauteils (2) eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass Zähne (6) des Zahnrads (4) in Umlaufrichtung um eine Drehachse (A) des Zahnrads (4) und/oder Zähne (7) der gezahnten Struktur (5) des Bauteils (2) in Umlaufrichtung um eine Drehachse (B) der gezahnten Struktur (5) in sich verformbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zähne (6) des Zahnrads (4) zur Verformbarkeit in radialer Richtung geschlitzt ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlitz (8) zumindest die Länge eines Zahnkopfs (13) eine Zahns (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zähne (7) der gezahnten Struktur (5) zur Verformbarkeit in radialer Richtung geschlitzt ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlitz zumindest die Länge eines Zahnkopfs eines Zahns (7) der gezahnten Struktur (5) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zähne (6) des Zahnrads (4) und/oder Zähne (7) der gezahnten Struktur (5) zur Verformbarkeit einen Hohlquerschnitt aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zähne (6) des Zahnrads (4) und/oder Zähne (7) der gezahnten Struktur (5) zur Verformbarkeit mit einer durchgängigen Bohrung (16, 17), insbesondere eckigen Bohrung (16, 17), ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drehachsen (A, B) parallel verlaufen und ortsfest zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (10) angeordnet ist, welcher zur Erfassung der Drehstellung des Zahnrads (4) der Zahnradvorrichtung (3) ausgebildet ist und abhängig von der Drehstellung der Positionswinkel des drehbaren Bauteils (2) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf einer Zahnflanke (14, 15) eines Zahnes (6) der Zahnradvorrichtung (3) vom Zahnfuß (12) bis zum Zahnkopf (13) stufenfrei ausgebildet ist und/oder der Verlauf einer Zahnflanke eines Zahnes (7) der gezahnten Struktur (5) vom Zahnfuß bis zum Zahnkopf stufenfrei ausgebildet ist
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Lenkwelle (2) des Fahrzeugs ist und der Positionswinkel der Lenkwinkel ist.