DE19935282A1

DE19935282A1 - Einrichtung zum Messen eines Drehwinkels

Info

Publication number: DE19935282A1
Application number: DE1999135282
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ruf
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-02-01

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Messen eines Drehwinkels zweier relativ zueinander verdrehbarer Bauteile (12, 13), von denen das eine Bauteil (12) mit einem Signalgeber (7, 21) und das andere Bauteil (13) mit einer Sensoreinheit (1) drehfest verbunden ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß der Signalgeber (7, 21) und die Sensoreinheit (1) an demselben Bauteil (13) zueinander verdrehbar angeordnet sind und entweder der Signalgeber (7, 21) oder die Sensoreinheit (1) mit diesem Bauteil (13) drehfest verbunden ist, während das jeweils andere Element (7 bzw. 21) über eine Formschlußkupplung (9, 11 bzw. 23, 25), die nur in Drehrichtung Kräfte überträgt, mit dem anderen Bauteil (12) drehfest verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen eines Drehwinkels nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Einrichtungen werden gebraucht, um Drehwin kelpositionen gelenkig miteinander verbundener oder relativ zueinander drehbarer Bauteile zu erfassen und die dabei ge wonnenen Signale zu einem Anzeige- oder Steuergerät zu lei ten. Sie werden entweder an den Bauteilen unmittelbar ange bracht oder an anderen Bauteilen, die sich mit der Drehbe wegung der erstgenannten Bauteile proportional oder nach einer anderen Gesetzmäßigkeit rotatorisch oder translato risch bewegen.

Das Signal der Einrichtung zum Erfassen des Drehwin kels kann für die Regelung und Steuerung einer durch eine Hilfskraft unterstützte Lenkung, eines geregelten Differen tials, eines Antriebsmotors und Fahrzeuggetriebes dienen; aber es sind auch Anwendungen für Arbeitsmaschinen und Ar beitsgeräte möglich.

In der Regel besteht die Einrichtung aus einem Signal geber, der drehfest mit einem Bauteil verbunden ist und mit einer Sensoreinheit zusammenwirkt, die drehfest am anderen Bauteil befestigt ist. Sind der Signalgeber und die Sensor einheit direkt oder indirekt über ein Meßfederelement mit einander verbunden, kann aus dem Drehwinkel auf das über tragene Drehmoment zwischen den Bauteilen geschlossen wer den. Ferner kann aus dem Differential des Drehwinkels über der Zeit die Drehwinkelgeschwindigkeit und durch ein weite res Differential die Drehwinkelbeschleunigung gewonnen wer den. Diese Betriebsparameter sind insbesondere für elek trisch betriebene Hilfskraftlenkungen von großer Bedeutung.

Aus der DE-C23 84 4578 ist eine Servolenkanordnung mit einem Drehmomentmeßgerät und einer elektronischen Steu erschaltung bekannt, wobei das Drehmomentmeßgerät eine mag netische Sensoreinheit mit magnetoresistiven Elementen auf weist, die mit zwei Magnetringen zusammenarbeitet, die an jeweils einer Welle sitzen und am Umfang eine wechselnde Polarität aufweisen. Die Wellen sind über eine Drehstabfe der miteinander verbunden, die als. Meßglied für das Drehmo ment dient. Die magnetische Sensoreinrichtung gibt sowohl bei Drehung als auch bei Stillstand der beweglichen Teile elektrische Signale ab, die dem relativen Drehwinkel der Magnetringe zu dem magnetoresistiven Element entsprechen. Durch Fertigungstoleranzen und Spiele der sich relativ zu einander bewegenden Bauteile, nämlich der Wellen und das Gehäuse, verändert sich die Lage der als Signalgeber die nenden Magnetringe zur Lage der Sensoreinheit nicht nur in Abhängigkeit vom Drehwinkel sondern gleichzeitig in Abhän gigkeit der Fertigungstoleranzen und Spiele, z. B. in Ab hängigkeit von Rundlauffehlern und Planfehlern. Diese Ein flüsse verfälschen das Meßergebnis.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Meßungenau igkeiten zu verringern, die durch Lagerspiele und Ferti gungstoleranzen auftreten können. Sie wird gemäß der Erfin dung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung ist der Signalgeber und die Sen soreinheit an demselben Bauteil zueinander verdrehbar ange ordnet. Dabei ist entweder der Signalgeber oder die Sen soreinheit mit diesem Bauteil drehfest verbunden, während das jeweils andere Element über eine Formschlußkupplung, die nur in Drehrichtung Kräfte überträgt, mit dem anderen Bauteil drehfest verbunden ist. Solche Formschlußkupplungen sind unter dem Begriff "Oldham-Kupplung" allgemein bekannt. Sie werden verwendet, um Fluchtungsfehler bei Antriebstei len, z. B. Wellen, auszugleichen.

Da der Signalgeber und die Sensoreinheit unmittelbar aufeinander gelagert werden können, können sie sehr präzise mit geringen Fertigungstoleranzen einfach hergestellt wer den. Außerdem ist die Toleranzkette sehr kurz. Wird der Signalgeber unmittelbar oder über einen Träger auf der Sen soreinheit gelagert, ist für den Abstand zwischen dem Sen sor der Sensoreinheit und dem Signalgeber neben den Fer tigungstoleranzen dieser Bauteile nur das Lagerspiel des Signalgebers von Bedeutung. Fertigungstoleranzen des ande ren Bauteils sowie Rundlauffehler und Lagerspiele beein flussen das Meßergebnis nicht, da durch die Formschlußele mente der Formschlußkupplung keine Kräfte in radialer oder axialer Richtung übertragen werden, sondern nur in Dreh richtung. Um mit der erfindungsgemäßen Einrichtung auch Drehmomente messen zu können, sind die zueinander verdreh baren Bauteile direkt oder indirekt über ein Torsionsfe derelement, z. B. eine Drehstabfeder miteinander verbunden. Dadurch ist die Größe des relativen Drehwinkels zwischen den Bauteilen unmittelbar ein Maß für das übertragene Dreh moment.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist geeignet, sowohl den relativen Drehwinkel zu messen zwischen zwei rotieren den Bauteilen, z. B. zwei Wellen, als auch zwischen einem drehbaren und einem festen Bauteil, z. B. zwischen einer Welle und einem Gehäuse. Aus dem Drehwinkel und seiner Ver änderung über der Zeit kann die Drehwinkelgeschwindigkeit und die Drehwinkelbeschleunigung ermittelt werden.

Um ein Spiel zwischen den Formschlußelementen der Formschlußkupplung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die kraftübertragenden Teile der Formschlußkupplung in Dreh richtung durch Federelemente spielfrei zu verspannen.

Das Meßsignal, das von der Sensoreinheit erzeugt wird, wird einer ortsfesten, elektronischen Steuereinheit zuge führt. Dies ist sehr einfach, wenn ein Drehwinkel zwischen einem feststehenden Gehäuse und einer drehbaren Welle zu messen und die Sensoreinheit an dem Gehäuse befestigt ist. Ist der relative Verdrehwinkel zweier Wellen zu messen, die sich um einen begrenzten Winkel drehen können, kann das Signal über eine Wickelfeder weitergeleitet werden. Bei ro tierenden Bauteilen ist ein Schleifring zur Abnahme des Signals erforderlich.

Als Sensoreinheiten haben sich solche mit einem magne toresistiven Sensor bewährt, wobei der Signalgeber ein Mag netring ist. Dieser weist in Umfangsrichtung eine wechseln de Polarität auf. Zweckmäßigerweise wird er von einem Mag netringträger gehalten, der an einem Gehäuseteil in unmit telbarer Nähe des Sensors gelagert ist. Am Magnetring bzw. am Magnetringträger sind erste Formschlußelemente vorgese hen, z. B. in Form von Durchbrüchen oder Stiften, die mit entsprechenden zweiten Formschlußelementen zusammenwirken, die am anderen Bauteil befestigt sind. Die Formschlußele mente erlauben, daß sich die Bauteile axial und radial zu einander bewegen können, ohne daß die Lage des Magnetrings zum Sensor verändert wird. Nur in Umfangsrichtung werden Kräfte übertragen, so daß die Messung frei von Einflüssen der Lagerspiele der Bauteile ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Si gnalgeber aus einem Abdeckelement, das zwischen einem Sen der und einem Empfänger der Sensoreinheit drehbar angeord net ist und Lichtstrahlen mehr oder weniger abdeckt, die von dem Sender ausgestrahlt werden. Die Lagerung des Ab deckelements am Gehäuseteil der Sensoreinheit entspricht im wesentlichen der Lagerung des Magnetrings. Auch hier ist ein Träger vorgesehen, der über Formschlußelemente mit dem anderen Bauteil verbunden ist. Um das Justieren des Signal gebers auf der Sensoreinheit zu vereinfachen, ist es zweck mäßig, daß die Formschlußelemente der Formschlußkupplung, die dem anderen Bauteil zugeordnet sind, an einem Ring an geordnet sind, der erst nach der Montage am Bauteil befe stigt und in Umfangsrichtung fixiert wird, z. B. indem ein Teil des Rings in eine Vertiefung des Bauteils eingedrückt wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeich nungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbei spiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusam menfassen.

Es zeigen

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine er findungsgemäße Einrichtung mit einem magne tischen Signalgeber,

Fig. 2 eine Teilansicht entsprechend dem Pfeil II in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Variante zu Fig. 1 mit einem optischen Signalgeber.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besitzt eine Sen soreinheit 1, die aus zwei Gehäuseteilen 3 und 4 aufgebaut ist. Die Gehäuseteile 3, 4, die zueinander begrenzt ver drehbar sind, sind durch eine Wickelfeder 5 miteinander verbunden, an die eine Signalleitung 18 angeschlossen ist, so daß die von der Sensoreinheit 1 erzeugten Meßsignale auf eine ortsfeste, nicht näher dargestellte Steuereinheit übertragen werden können. Das Gehäuseteil 3 der Sensorein heit 1 sitzt drehfest auf einem begrenzt drehbaren Bauteil, nämlich einer Abtriebswelle 13, z. B. einer Hilfskraftlen kung.

An einer Stirnseite des Gehäuseteils 3 ist eine Lei terplatte 27 angebracht, die einen magnetoresistiven Sen sor 2 und ein Elektronikmodul 28 trägt. Der Sensor 2 arbei tet mit einem Magnetring 7 als Signalgeber zusammen, der über einen Magnetringträger 8 auf einem Kragen 6 des Gehäu seteils 3 im geringen Abstand vom Sensor 2 drehbar gelagert ist. Der Magnetringträger 8 ragt axial über den Magnet ring 7 vor und besitzt in der axialen Verlängerung längli che Durchbrüche 9, in die radial ausgerichtete Stifte 11 eingreifen, die an einem Ring 10 befestigt sind. Die Durch brüche 9 und die Stifte 11 bilden Formschlußelemente einer Formschlußkupplung, die nur in Umfangsrichtung Kräfte über trägt.

Der Ring 10 sitzt fest auf einem ersten begrenzt dreh baren Bauteil, nämlich einer Antriebswelle 12, die über ein Torsionsfederelement in Form einer Drehstabfeder 15 mit dem zweiten Bauteil, der Abtriebswelle 13, drehfest verbunden ist. Das Drehmoment der Antriebswelle 12 wird über die Drehstabfeder 15 auf die Abtriebswelle 13 übertragen, wobei sich die Antriebswelle 12 entsprechend der Größe des Dreh moments gegenüber der Abtriebswelle 13 verdreht. Der dabei entstehende relative Drehwinkel zwischen der Antriebswel le 12 und der Abtriebswelle 13 wird über die Stifte 11 auf den Magnetringträger 8 und den Magnetring 7 übertragen und von dem Sensor 2 erfaßt. Um eine spielfreie Übertragung zwischen den Stiften 11 und dem Magnetringträger 8 zu er möglichen, sind in den Durchbrüchen 9 Federelemente 26 an geordnet, die die Stifte 11 in spielfreier Anlage zum Ma gnetringträger 8 halten (Fig. 2).

Die Antriebswelle 12 ist über ein Kugellager 16 in einem Gehäuse 14 gelagert, während die Abtriebswelle 13 sich über ein Ende der Drehstabfeder 15 und ein Nadella ger 17 in der Antriebswelle 12 abstützt.

Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 2 dadurch, daß stirnseitig am Gehäuse teil 3 der Sensoreinheit 1 ein Sender 19 angeordnet ist, der Lichtstrahlen aussendet, die von einem axial gegenüber liegenden Empfänger 20 empfangen und zu einem Meßsignal verarbeitet werden. Zwischen dem Sender 19 und dem Empfän ger 20 ist ein Abdeckelement 21 angeordnet. Dieses sitzt auf einem Träger 22, der seinerseits auf dem Kragen 6 des Gehäuseteils 3 drehbar gelagert ist. Über Formschlußelemen te, die durch axial am Träger 22 angeordnete Stifte 23 und radial verlaufende Schlitze 25 am Ring 24 gebildet werden, ist der Träger 22 drehfest mit der Antriebswelle 12 verbun den, wobei der Ring 24 auf der Antriebswelle 12 fixiert ist, indem ein Teil seiner axialen Erstreckung in eine Ver tiefung 29 der Antriebswelle 12 eingedrückt ist.

Je nach Antriebsmoment entsteht wie bei der ersten Ausführung zwischen der Antriebswelle 12 und der Abtriebs welle 13 ein relativer Drehwinkel, der auf das Abdeckele ment 21 übertragen wird und somit im Zusammenwirken mit dem Sender 19 und Empfänger 20 ein drehwinkelabhängiges Signal erzeugt.

Bezugszeichen

1

Sensoreinheit

2

magnetoresistiver Sensor

3

Gehäuseteil

4

Gehäuseteil

5

Wickelfeder

6

Kragen

7

Magnetring

8

Magnetringträger

9

Durchbruch

10

Ring

11

Stift

12

Antriebswelle

13

Abtriebswelle

14

Gehäuse

15

Drehstabfeder

16

Kugellager

17

Nadellager

18

Signalleitung

19

Sender

20

Empfänger

21

Abdeckelement

22

Träger

23

Stift

24

Ring

25

Schlitz

26

Federelement

27

Leiterplatte

28

Elektronikmodul

29

Vertiefung

Claims

1. Einrichtung zum Messen eines Drehwinkels zweier re lativ zueinander verdrehbarer Bauteile (12, 13), von denen das eine Bauteil (12) mit einem Signalgeber (7, 21) und das andere Bauteil (13) mit einer Sensoreinheit (1) drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (7, 21) und die Sensoreinheit (1) an demselben Bauteil (13) zueinander verdrehbar angeordnet sind und entweder der Signalgeber (7, 21) oder die Sensor einheit (1) mit diesem Bauteil (13) drehfest verbunden ist, während das jeweils andere Element (7 bzw. 21) über eine Formschlußkupplung (9, 11 bzw. 23, 25), die nur in Dreh richtung Kräfte überträgt, mit dem anderen Bauteil (12) drehfest verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bauteile (12, 13) di rekt oder indirekt über ein Torsionsfederelement (15) mit einander gekoppelt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die kraftübertragenden Tei le der Formschlußkupplung (9, 11 bzw. 23, 25) in Drehrich tung durch Federelemente (26) spielfrei verspannt sind.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Bau teile (12, 13) zwei rotierende Bauteile sind, die in einem begrenzten Winkelbereich zueinander relativ verdrehbar sind, und die Sensoreinheit (1) elektrische Signale er zeugt, die über eine Wickelfeder (5) oder einen Schleifring auf eine ortsfeste Steuereinrichtung übertragen werden.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Si gnalgeber (7) ein Magnetring ist, der in Umfangsrichtung eine wechselnde Polarität aufweist, und die Sensorein heit (1) einen magnetoresistiven Sensor (2) umfaßt, der mit dem Magnetring (7) zusammenarbeitet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Magnetring (7) über einen Magnetringträger (8) an einem Gehäuseteil (3) der Sensoreinheit (1) drehbar gelagert ist und erste Form schlußelemente (9, 23) aufweist, die mit zweiten Form schlußelementen (11, 25) zusammenwirken, die am anderen Bauteil (12) befestigt sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Formschlußelemente längliche Durchbrüche (9, 25) und Stifte (11, 23) sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Signalge ber (21) ein Abdeckelement ist, das in Abhängigkeit vom Drehwinkel Lichtstrahlen mehr oder weniger abdeckt, die von einem Sender (19) der Sensoreinheit (1) ausgestrahlt und von einem Empfänger (20) in eine Meßgröße umgesetzt werden.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Formschlußelemente (11, 25) an einem Ring (10, 24) angeord net sind, der erst nach der Montage am Bauteil (12) befe stigt und in Umfangsrichtung fixiert wird.