DE10348914A1

DE10348914A1 - Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels eines Drehkörpers

Info

Publication number: DE10348914A1
Application number: DE10348914A
Authority: DE
Inventors: Hanns-Jörg Boecker; Manfred Glehr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: DE10348914B4

Abstract

Die Vorrichtung, die zum Messen des Drehwinkels insbesondere der Lenkspindel eines Kraftfahrzeuges dient, besteht aus einem Winkelsensor, der den Drehwinkel bis maximal 360 DEG präzise erfasst, und einem Umdrehungssensor (5), der die Anzahl von Umdrehungen mechanisch erfasst, indem ein Sensorteil (11) mittels eines wendelförmigen Teils (8) axial verstellt wird und diese axiale Verstellung zum Bestimmen der Umdrehungszahl herangezogen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels eines Drehkörpers.

Die Aufgabe, den Drehwinkel eines Drehkörpers zu messen, stellt sich in vielen Bereichen der Technik. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Problem, den Drehwinkel eines Drehkörpers zu messen, der eine begrenzte Anzahl von Umdrehungen ausführen kann, wie dies beispielsweise bei einer Lenkspindel im Kraftfahrzeug der Fall ist.

Eine bekannte Lösung für diese Aufgabe besteht darin, den Drehwinkel des Drehkörpers mittels eines mechanischen Getriebes so zu untersetzen, dass nur maximal 360° von einem Winkelsensor zu erfassen sind. Nachteilig ist, dass die Messgenauigkeit und Auflösung des Winkelsensors um das Untersetzungsverhältnis besser sein muss, als wenn man den Drehwinkel direkt messen würde, abgesehen von dem mechanischen Rauschen des Untersetzungsgetriebes.

Eine andere vorbekannte Lösung verwendet eine Art Nonius-System, bei dem ein mit der Lenkspindel verbundenes Zahnrad mit zwei kleinen Zahnrädern in Eingriff steht, die sich um einen Zahn unterscheiden. Dadurch bildet ihre gegenseitige Phasenlage ein Maß für die absolute Winkelstellung der Drehspindel. Diese Lösung ist allerdings mit einem relativ hohen konstruktiven Aufwand verbunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels eines Drehkörpers, der eine begrenzte Anzahl von Umdrehungen ausführen kann, zu schaffen, die trotz eines geringen Aufwandes eine möglichst hohe Messgenauigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Vorrichtung gelöst.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung setzt sich aus zwei Sensoren zusammen, und zwar einem Winkelsensor, der den Drehwinkel des Drehkörpers bis zu 360° mit hoher Genauigkeit erfasst, und einem Umdrehungssensor, der auf mechanische Weise die Anzahl von Umdrehungen erfasst.

Winkelsensoren zum Erfassen eines Drehwinkels bis 360° sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. In Frage kommen beispielsweise analoge Hallsensoren, magnetoresistive Winkelsensoren (NiFe-Dünnschichtsensoren) und dgl. Besonders interessant in diesem Zusammenhang sind sogenannte IMS-Sensoren, bei denen eine mäanderförmige Messspule und ein Teil mit einer elektrisch leitenden Oberfläche vorgesehen sind, die unter Zwischenschaltung eines Luftspaltes einander so gegenüberliegen, dass die elektrisch leitende Oberfläche in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Lage die Messspule in einem entsprechenden Bereich induktiv kurzschließt und die dadurch bedingten Änderungen der Induktivität der Messspule in eine Auswerteschaltung zum Erzeugen eines Winkelsignals verwendbar sind, siehe z.B. DE 198 06 290 A1 .

Der erfindungsgemäß ausgebildete Umdrehungssensor weist ein wendelförmiges Teil und ein Sensorteil auf, die miteinander in Eingriff stehen und von denen das eine mit dem Drehkörper und das andere mit dem Gehäuseteil verbunden ist, so dass bei einer Drehung des Drehkörpers das Sensorteil durch das wendelförmige Teil axial verstellt wird. Diese axiale Verstellung wird dann von einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Anzahl der Umdrehungen des Drehkörpers verwendet.

Gemäß einer Ausführungsform ist das wendelförmige Teil eine Schnecke mit einer wendelförmigen Nut, und das Sensorteil weist einen zapfenförmigen Vorsprung auf, der in die Nut der Schnecke greift. Der zapfenförmige Vorsprung wird daher bei einer Drehung der Schnecke axial verstellt, wobei dann die Verstellung gegenüber einem Nullpunkt ein Maß für die Anzahl der Umdrehungen ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das wendelförmige Teil eine wendelförmige Gleitbahn auf, und das Sensorteil besteht aus einem mit dem Drehkörper drehfest verbundenen Gleitblatt, das bei Drehbewegungen des Drehkörpers auf der Gleitbahn gleitet. Hierdurch wird das Gleitblatt axial verstellt, was wiederum zum Bestimmen der Anzahl der Umdrehungen verwendet werden kann.

Der mechanisch arbeitende Umdrehungssensor hat den Vorteil, dass er die Anzahl der Umdrehungen des Drehkörpers ohne Energieverbrauch erkennen und speichern kann. Insgesamt zeichnet sich die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung durch geringen Aufwand und hohe Messgenauigkeit aus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine extrem schematisierte Darstellung eines Lenksystems, bei dem elektrische Signale in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Lenkspindel zum Betätigen einer Zahnstangenlenkung für die Fahrzeugräder verwendet wird;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Umdrehungssensors;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Umdrehungssensors.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug erläutert, dass das Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung darstellt. Es versteht sich jedoch, dass die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung zum Messen von Drehwinkeln eines Drehkörpers auch für andere Anwendungsbereiche geeignet ist.
Das in 1 schematisch dargestellte Lenksystem besteht aus einem Lenkrad 1, einem Drehkörper 2 in Form einer Lenkspindel und einer Vorrichtung 3 zum Messen des Drehwinkels des Drehkörpers 2. Der von der Vorrichtung 3 erfasste Drehwinkel der Lenkspindel wird in Form von elektrischen Steuersignalen, angedeutet durch den Pfeil 6, auf eine Zahnstangenlenkung 7 der (nicht gezeigten) Fahrzeugräder übertragen. Bei diesem System ist somit die mechanische Übertragung der Drehbewegungen der Lenkspindel auf die Zahnstangenlenkung durch die Übertragung elektrischer Steuersignale ersetzt.
Wie bereits eingangs erläutert, besteht die Vorrichtung 3 zum Messen des Drehwinkels aus einem Winkelsensor 4 zum Erfassen des Drehwinkels bis 360° und einem Umdrehungssensor 5 zum Erfassen der Umdrehungen der Lenkspindel.
Der Winkelsensor 4 kann aus irgendeinem bekannten Winkelsensor bestehen, der den Drehwinkel des Drehkörpers 2 mit hoher Präzision bis zu 360° erfassen kann. Beispiele hierfür sind in der Beschreibungseinleitung angegeben und werden an dieser Stelle nicht weiter erläutert.
Der Umdrehungssensor 5 ist gemäß einer Ausführungsform in der in 2 schematisch dargestellten Art und Weise ausgebildet. Er weist ein wendelförmige Teil 8 in Form einer Schnecke 9 auf, die mit einer wendelförmigen Nut 10 versehen ist. Das wendelförmige Teil 8 führt Drehbewegungen um seine Längsachse entsprechend dem Drehkörper 2 (Lenkspindel) aus.
Dem wendelförmigen Teil 8 ist ein Sensorteil 11 zugeordnet, das mit einem zapfenförmigen Vorsprung 12 versehen ist. Das Sensorteil 11 ist an einem (nicht dargestellten) Chassisteil drehfest und axial verschiebbar so angeordnet, dass der Vorsprung 12 in die wendelförmige Nut 10 der Schnecke 9 greift. Wenn daher die Schnecke 9 sich dreht, verschiebt sie das Sensorteil 11 aus einer strichpunktiert angedeuteten Nulllage axial nach oben oder unten (in 2). Diese axialen Verstellbewegungen des Sensorteils 11 bilden somit ein Maß für die Umdrehungen des wendelförmigen Teils 8 und somit des Drehkörpers 2 (der Lenkspindel).
Die axialen Verstellbewegungen des Sensorteils 11 werden dann mittels einer schematisch angedeuteten Auswerteeinrichtung 13 erfasst, die beispielsweise aus einem Wegsensor und einer elektronischen Auswerteschaltung besteht. Der Wegsensor erzeugt in Abhängigkeit von der axialen Verstellbewegung des Sensorteils 11 ein Wegsignal, aus dem die Auswerteschaltung die Anzahl der Umdrehungen des Drehkörpers 2 ermittelt.
Eine andere Ausführungsform des Umdrehungssensors 5 zeigt die 3. Bei dieser Ausführungsform besteht das wendelförmige Teil 8 aus einer Gleitbahn 17, die von zwei axial gegenüberliegenden, wendelförmig verlaufenden Gleitblättern 16 gebildet wird. Die Gleitblätter 16 und damit die Gleitbahn 17 sind an dem (nicht gezeigten) Chassisteil fest angeordnet.
Das Sensorteil 11 wird von einem Gleitblatt 15 gebildet, das an einer Welle 14 fest angebracht ist. Die Welle 14 dreht sich um ihre Längsachse und führt dieselben Drehbewegungen wie der Drehkörper 2 (Lenkspindel) aus. Das Gleitblatt 15, das beispielsweise kreissektorförmig ausgebildet ist, erstreckt sich zwischen die axial gegenüberliegenden Gleitblätter 16, liegt also an der wendelförmigen Gleitbahn 17 an, so dass das Gleitblatt 15 bei Drehbewegungen der Welle 14 entsprechend dem wendelförmigen Verlauf der Gleitbahn 17 axial verstellt wird.
Nach einer Möglichkeit ist das Gleitblatt 15 an der Welle 14 axial festgelegt, und es führt die axialen Verstellbewegungen ausschließlich durch eine elastische Verformung aus, was durch eine entsprechend geringe axiale Erstreckung der wendelförmigen Gleitbahn ermöglicht wird.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Gleitblatt 15 an der Welle 14 drehfest, jedoch axial verschiebbar anzubringen, so dass sich das Gleitblatt 15 bei Drehbewegungen der Welle 14 insgesamt axial verschiebt. In jedem Fall dient jedoch die axiale Verstellung des Gleitblattes 15 als Maß für die Anzahl der Umdrehungen der Welle 14 und damit des Drehkörpers 2 (der Drehspindel).
Bei dieser Ausführungsform kann die axiale Verstellung des Gleitblattes 15 beispielsweise dadurch erfasst werden, dass die Gleitblätter 16 an in Umfangsrichtung vorgegebenen Stellen mit elektrischen Kontakten versehen werden, die von dem Sensorteil 15 bei Drehungen der Welle 14 geöffnet oder geschlossen werden, um ein entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. Dieses elektrische Signal kann dann von einer elektronischen Auswerteschaltung zum Bestimmen der Anzahl der Umdrehungen der Welle genutzt werden.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Drehwinkels eines Drehkörpers (2), der relativ zu einem Gehäuseteil drehbar ist und eine begrenzte Anzahl von Umdrehungen ausführen kann, insbesondere einer Lenkspindel (2) eines Kraftfahrzeuges, mit einem Winkelsensor (4) zum Erfassen des Drehwinkels des Drehkörpers (2) bis höchstens 360° und einem Umdrehungssensor (5) zum Erfassen der Anzahl von Umdrehungen, welcher Umdrehungssensor (5) ein wendelförmiges Teil (8) und ein Sensorteil (11) aufweist, die miteinander in Eingriff stehen und von denen das eine (8) mit dem Drehkörper (2) und das andere (11) mit dem Gehäuseteil verbunden ist, so dass bei einer Drehung des Drehkörpers (2) das Sensorteil (11) durch das wendelförmige Teil (8) axial verstellt wird, und einer Auswerteeinrichtung (13), die aus der axialen Verstellung des Sensorteils (11) die Anzahl der Umdrehungen des Drehkörpers (2) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wendelförmige Teil (8) eine Schnecke (9) mit einer wendelförmigen Nut (10) ist und das Sensorteil (11) einen zapfenförmigen Vorsprung (12) aufweist, der in die Nut (10) der Schnecke (9) greift.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (9) koaxial und drehfest mit dem Drehkörper (2) verbunden ist und der zapfenförmige Vorsprung (12) axial verschiebbar und drehfest mit dem Gehäuseteil verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (13) aufweist: einen Wegsensor, der in Abhängigkeit von der axialen Verstellbewegung des Sensorteils (11) ein Wegsignal erzeugt, und eine elektrische Auswerteschaltung, die aus dem Wegsignal die Anzahl der Umdrehungen des Drehkörpers (2) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wendelförmige Teil (8) eine mit dem Gehäuseteil verbundene wendelförmige Gleitbahn (17) aufweist, und das Sensorteil (11) ein mit dem Drehkörper (2) drehfest verbundenes Gleitblatt (15) ist, das bei Drehbewegungen des Drehkörpers (2) auf der wendelförmigen Gleitbahn (17) gleitet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitblatt (15) an einer mit dem Drehkörper drehfest verbundenen Welle (14) axial festgelegt ist und zum Ausführen der axialen Verstellbewegung elastisch verformbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitblatt zum Ausführen der axialen Verstellbewegung an einer mit dem Drehkörper drehfest verbundenen Welle axial verschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitblatt (15) kreissektorförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitbahn (17) von einem Schlitz zwischen zwei axial gegenüberliegenden Gleitblättern (16) gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung elektrische Kontakte aufweist, die an in Umfangsrichtung vorgegebenen Stellen der axial gegenüberliegenden Gleitblätter (16) angeordnet sind und durch das Sensorteil zum Erzeugen eines elektrischen Signals geöffnet oder geschlossen werden.