DE10105824A1 - Absolutwinkelsensor auf Wälzlagerbasis - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und dazwischen angeordneten Wälzkörpern, die in einem Käfig geführt sind. Dieses Wälzlager kann zur Drehwinkelbestimmung mit einem Messbereich von mehr als 360 DEG benutzt werden, wenn der Käfig mit einem ersten Skalenelement insbesondere drehfest verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager sowie einen Drehwinkelsensor auf Basis eines Wälzlagers und die Verwendung eines Drehwinkelsensors als Lenkradwinkelsen­ sor in einem Kraftfahrzeug.

Wälzlager mit magnetischen Markierungen auf einem der beiden Lagerringe sind aus der Praxis bekannt. Diese mag­ netischen Markierungen sind mit Sensoren abtastbar und zur Bestimmung der Drehzahl des in dem Lager gelagerten Bauelements vorgesehen. Im Kraftfahrzeugbau werden diese Lager als Sensorlager für Antiblockiersysteme und fahrdy­ namische Regelsysteme verwendet. Diese Wälzlager sind nicht dafür vorgesehen und geeignet, den absoluten Dreh­ winkel des darin gelagerten Bauteils gegenüber dem ruhen­ den Grundkörper zu bestimmen.

Auch wenn der markierte Lagerring mit einem eine Winkel­ auflösung ermöglichenden Skalenelement, beispielsweise in Form eines Barcodes oder Graycodes versehen wäre, wäre es doch nicht möglich, eine Winkelauflösung von mehr als ei­ ner vollen Umdrehung (360°) zu erreichen, da zwischen ei­ ner Drehung um x° und einer Drehung um x + 360° nicht zu unterscheiden wäre.

Für die Detektion von Drehbewegungen mit geringem relati­ vem Verdrehwinkel von nur einigen Grad ist es bekannt, je einen Codering auf einen Lageraußenring und einen Innen­ ring eines Wälzlagers aufzubringen, so dass die Verdre­ hung der Lagerringe gegeneinander aufgelöst werden kann. Dieser Sensor wird in Verbindung mit einem Drehstab (Tor­ sionsfeder) zur Bestimmung von Drehmomenten in Lenkungen eingesetzt.

Andere Drehwinkelsensoren sind entweder ebenfalls nicht für die Detektion von Drehwinkeln über 360° geeignet oder bestehen unter Zwischenschaltung eines Getriebes aus zahlreichen Bauelementen, die den Sensor entsprechend teuer machen.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wälzlager zu schaffen, das eine Erfassung eines Drehwin­ kels der beiden Lagerringe gegeneinander von mehr als 360° ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehwinkelsensor mit einem Meßbereich von mehr als 360° zu schaffen.

Diese Aufgabe wird von einem Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von einem Drehwinkelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Weil der Käfig mit einem ersten Skalenelement insbesonde­ re drehfest verbunden ist, kann bei einer Drehung des In­ nenrings gegenüber dem Außenring die relative Drehung des Käfigs gegenüber dem Innenring oder dem Außenring gemes­ sen werden. Da sich der Käfig ähnlich wie der Planeten­ träger eines Planetengetriebes mit einer Winkelgeschwin­ digkeit dreht, die geringer ist als die relative Winkel­ geschwindigkeit der beiden Lagerringe zueinander, kann das Wälzlager so gestaltet werden, daß der Käfig und da­ mit das erste Skalenelement gegenüber dem Außenring oder dem Innenring eine Umdrehung ausführt, während das in dem Wälzlager gelagerte Bauelement zwei oder mehr Umdrehungen ausführt.

Außerdem kann wenigstens ein zweites Skalenelement mit dem Innenring oder dem Außenring insbesondere drehfest verbunden sein, so dass neben der Drehung des Käfigs auch die Drehung des jeweiligen Rings unmittelbar mit einer höheren möglichen Winkelauflösung gemessen werden kann.

Wenn weiter die Skalenelemente eine optische Codierung, insbesondere einen Strichcode tragen, sind diese durch optische Mittel abtastbar. Die Codierung kann auch so gestaltet werden, dass die absolute Winkelposition des Skalenelements oder der Skalenelemente zueinander unmit­ telbar messbar ist, ohne die Skalenelemente bewegen zu müssen.

Für einen besonders großen Messbereich kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Satz von Wälzkörpern mit einem zweiten Käfig radial außerhalb der ersten Wälzkörper an­ geordnet ist und dass der zweite Käfig das erste Skalen­ element trägt. Damit kann zum einen das erste Skalenele­ ment im Durchmesser relativ groß gestaltet werden, so dass die Messgenauigkeit steigt. Zum anderen kann das Ü­ bersetzungsverhältnis zwischen dem ersten Skalenelement und dem Außenring bzw. dem Innenring oder dem zweiten Skalenelement ebenfalls vergrößert werden, so dass deut­ lich mehr als zwei Umdrehungen á 360° gemessen werden können.

Ein Drehwinkelsensor mit einem Wälzlager der bislang be­ schriebenen Art zeichnet sich durch einen besonders ro­ busten Aufbau mit wenig beweglichen Teilen aus. Da das Bauelement, dessen Bewegung zu detektieren ist, in vielen Fällen ohnehin in einem Wälzlager gelagert werden muss, kommen in diesen Fällen außer den Skalenelementen und dem Detektor keine weiteren mechanischen Bauelemente hinzu.

Für zahlreiche Anwendungen bei Kraftfahrzeuglenkungen ist von Vorteil, wenn bei einer Drehung des Innenrings gegen­ über dem Außenring um einen Winkel α der Käfig sich um einen Winkel von etwa α/2 gegenüber dem Außenring dreht. Dann sind rund zwei volle Umdrehungen detektierbar.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung einer mit den bislang beschriebenen Merkmalen versehenen Vorrichtung als Lenk­ radwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug, da sich hieraus eine besonders hohe Zuverlässigkeit bei kostengünstigem und raumsparendem Aufbau ergibt.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der vorlie­ genden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: Einen Ausschnitt aus einem erfindungsge­ mäßen Wälzlager in einer Seitenansicht; sowie

Fig. 2: einen Querschnitt durch ein Wälzlager mit zwei Sätzen von Wälzkörpern in einem achsparallelen Querschnitt.

In der Fig. 1 ist ein Wälzlager dargestellt, das einen Innenring 1 und einen Außenring 2 aufweist. Zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 befindet sich eine Anzahl von Wälzkörpern 3, die von einem Käfig 4 gehalten werden. Der Käfig 4 trägt ein erstes Skalenelement 5 in Gestalt eines aufgedruckten Strichcodes. Der Innenring 1 trägt ein zweites Skalenelement 6, ebenfalls in Gestalt eines aufgedruckten Strichcodes, der dem ersten Skalenelement 5 unmittelbar gegenübersteht.

In der Praxis kann das Wälzlager gemäß Fig. 1 beispiels­ weise als Lagerung für eine Lenksäule eines Kraftfahr­ zeugs verwendet werden. Dazu wird der Außenring 2 in ei­ nen feststehenden Lagersitz eingesetzt. Der Innenring 1 trägt dann die Lenksäule. Bei einer Drehung der Lenksäule wälzen sich die Wälzkörper 3 auf dem Lageraußenring 2 ab und bewegen den Käfig 4 und damit das erste Skalenelement 5 mit einer Drehwinkelgeschwindigkeit, die geringer ist als diejenige der Lenksäule und des damit verbundenen In­ nenrings 1 sowie folglich des zweiten Skalenelements 6.

Ein geeignet angebrachter Sensor kann dabei die absolute Winkelstellung des ersten Skalenelements 5 detektieren, wobei die Skaleneinteilung des ersten Skalenelements 5 volle 360° in Umfangsrichtung des Käfigs 4 auflösen kann. Durch die Untersetzung nach Art eines Planetengetriebes entspricht dann der detektierbare Absolutwinkel, um den der Innenring 1 verdreht werden kann, mehr als 360°, bei­ spielsweise zwei vollen Umdrehungen gleich 720°, oder mehr.

Der Innenring 1 mit dem zweiten Skalenelement 6 kann über einen zweiten Sensor ebenfalls ausgewertet werden. Da­ durch ist neben der durch die Untersetzung gröberen Auf­ lösung des ersten Skalenelements 5 eine Feinauflösung des Drehwinkels möglich. In Verbindung mit der Information des ersten Skalenelements 5 ergibt sich eine Drehwinkel­ information mit einem großen Messbereich (des Skalenele­ ments 5) und einer guten Winkelauflösung (des Skalenele­ ments 6).

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 2 dargestellt. Dort wird ein Innenring 10 gegenüber einem Außenring 11 zweifach gelagert. Die erste Lagerung erfolgt über einen ersten Satz von Wälz­ körpern 12, der wiederum auf einen ersten Käfig 13 ab­ wälzt. Die zweite Lagerung erfolgt über einen zweiten Satz von Wälzkörpern 14, der einerseits auf dem ersten Käfig 13 und andererseits auf dem Außenring 11 abrollt. Der zweite Satz von Wälzkörpern 14 wird von einem zweiten Käfig 15 positioniert. Der zweite Käfig 15 trägt schließ­ lich ein in dieser Darstellung nicht sichtbares Skalen­ element 16, das zur Erfassung des Drehwinkels zwischen dem Innenring 10 und dem Außenring 11 dient.

Durch die zweistufige Lagerung ist das Übersetzungsver­ hältnis zwischen dem zweiten Käfig 15 und dem Außenring 11 besonders groß. Es ergibt sich ein besonders großer messbarer Winkelbereich.

Der zur Absolutwinkelmessung ausgenutzte Effekt beruht also auf der Relativbewegung der Wälzkörper gegenüber dem Innenring und dem Außenring eines Wälzlagers. Die Erfin­ dung ist anwendbar für nahezu alle Lagerarten, bei denen ein Käfig die Wälzkörper führt. Durch eine entsprechende Auswahl der Größenverhältnisse zwischen Wälzkörper und Laufbahnen kann die Anzahl der eindeutig identifizierba­ ren Umdrehungen und die Auflösung des Sensors variiert werden.

Claims (11)

1. Wälzlager mit einem Innenring (1, 10), einem Außenring (2, 11) und dazwischen angeordneten Wälzkörpern (3, 12, 14) die in einem Käfig (4, 13, 15) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (4, 13, 15) mit einem ersten Skalenelement (5, 16) insbesondere drehfest verbunden ist.

2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Skalenelement (6) mit dem Innenring (1, 10) oder dem Außenring (2, 11) insbesondere drehfest verbunden ist.

3. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer relativen Drehung des Innenringes (1, 10) mit einer Winkelgeschwindigkeit gegenüber dem Außenring (2, 11) sich das erste Skalenelement mit einer gerin­ geren Winkelgeschwindigkeit dreht.

4. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Skalenelement (5, 6, 16) eine optische Codierung, insbesondere einen Strichcode trägt.

5. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Skalenelement (5, 6, 16) eine magneti­ sche Codierung trägt.

6. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Skalenelemente (5, 6, 16) aufgedruckt, geätzt oder mit­ tels Laser graviert sind.

7. Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Satz von Wälzkörpern (14) mit einem zweiten Käfig (15) radial außerhalb der ersten Wälzkörper (12) angeordnet ist und dass der zweite Käfig (15) das erste Skalenelement (16) trägt.

8. Drehwinkelsensor mit einem Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Skalenelement (5, 6, 16) mit­ tels optischer Sensoren abgetastet werden.

10. Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Drehung des Innenrings (1, 10) gegen­ über dem Außenring (2, 11) um einen Winkel α der Käfig (4, 13, 15) sich um einen Winkel von etwa α/2 gegenüber dem Außenring (2, 11) dreht.

11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche als Lenkradwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug.