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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines Positionswinkels bzw. einer Winkelstellung eines drehbaren Bauteils eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung umfasst ein dem drehbaren Bauteil zugeordnetes antreibendes Element mit einer gezahnten Struktur, wie auch ein angeordnetes angetriebenes Element ebenfalls mit einer gezahnten Struktur. Die jeweiligen gezahnten Strukturen sind derart miteinander gekoppelt, dass eine Drehbewegung des antreibenden Elements in eine Drehbewegung des angetriebenen Elements übertragbar ist. Es ist außerdem ein Sensor bereitgestellt, welcher zum Erfassen einer Winkelstellung des angetriebenen Elements ausgebildet ist, wobei in Abhängigkeit von der Winkelstellung des angetriebenen Elements der Positionswinkel des drehbaren Bauteils bestimmt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
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Eine Vorrichtung zur Winkelmessung bei einem drehbaren Körper, insbesondere zur Ermittlung des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs, ist aus der Druckschrift
DE 195 06 938 A1 bekannt.
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Bei derartigen Vorrichtungen zur Lenkwinkelbestimmung sind die einzelnen Zahnräder (antreibendes Element und angetriebenes Element) mit ihren Lagen der Drehachsen insbesondere ortsfest zueinander angeordnet. Deshalb und in Verbindung mit der Ausgestaltung der Zahnräder treten aufgrund der erforderlichen Drehachsenabstandstoleranzen spielbehaftete Bewegungsmuster auf. Es ist ein Spiel zwischen dem antreibenden Element und dem angetriebenen Element vorhanden, welches sich insbesondere bei Drehrichtungswechseln negativ auf den zu bestimmenden Winkel auswirkt (Hysterese), weil die Drehbewegung permanent an das anzutreibende Element weitergegeben wird. Des Weiteren tritt durch die erforderliche Achsabstandstoleranz ein Verklemmen der Zahnräder zueinander auf, welches zu Ablaufgeräuschen führen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die gezahnte Struktur des angetriebenen Elements in die gezahnte Struktur des antreibenden Elements eingreift.
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Also wird durch die mechanischen Toleranzen bzw. durch das Spiel in der Anordnung der beiden Drehachsen zueinander die Genauigkeit bei der Bestimmung des Positionswinkels des drehbaren Bauteils negativ beeinflusst.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist außerdem zum Beispiel aus dem Dokument
DE 10 2008 011 448 A1 bekannt.
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Die Druckschriften
DE 198 07 522 A1 sowie
DE 41 15 244 C2 beschreiben jeweils einen gattungsfremden Stand der Technik, bei welchem ein kodiertes, unendliches Band eingesetzt wird, welches an einem feststehenden Sensor vorbeigeführt ist. Das Band kann als Zahnriemen ausgebildet sein, der eine digitale 0I/1-Information mit einer Auflösung von beispielsweise 1° enthalten kann, welche durch den Sensor abgetastet und in einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler eingegeben wird. Das Band ist um mehrere Rollen umgelenkt.
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Des Weiteren offenbart die Druckschrift
JP 2004 351 988 A eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Winkelstellung eines drehbaren Bauteils in einem Kraftfahrzeug. Bei dieser Vorrichtung ist ein drehbares Element über einen Riemen mit einer Riemenscheibe gekoppelt, welche wiederum mit einem Sensor verbunden ist. Der Sensor detektiert die Drehbewegung der Riemenscheibe und misst die Winkelstellung der Riemenscheibe.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung zu schaffen, mit welcher bzw. bei welchem das Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils genauer als im Stand der Technik erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, wie auch durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils eines Kraftfahrzeugs umfasst ein dem drehbaren Bauteil zugeordnetes – etwa mit dem Bauteil verbundenes – antreibendes Element mit einer gezahnten Struktur, wie auch ein angetriebenes Element, welches ebenfalls eine gezahnte Struktur aufweist. Die jeweiliges gezahnten Strukturen sind derart miteinander gekoppelt, dass eine Drehbewegung des antreibenden Elements in eine Drehbewegung des angetriebenen Elements übertragbar ist. Die Vorrichtung umfasst außerdem einen Sensor, welcher zum Erfassen einer Winkelstellung des angetriebenen Elements ausgebildet ist, sodass in Abhängigkeit von der Winkelstellung des angetriebenen Elements der Positionswinkel des drehbaren Bauteils bestimmbar ist, Die Vorrichtung umfasst einen Riemen, über welchen eine die beiden Elemente gegeneinander verspannende Spannkraft aufgebracht ist.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das antreibende Element sowie das angetriebene Element mittels einer Spannkraft gegeneinander verspannt sind, welche mithilfe eines Riemens aufgebracht wird. Es können somit die mechanischen Achsabstandstoleranzen der beiden Elemente ausgeglichen werden, nämlich durch Vorspannung des Riemens. Somit wird eine spielfreie Übertragung der Drehbewegung vom antreibenden Element auf das angetriebene Element ermöglicht, und es wird der Einfluss von tangentialen Bewegungen des antreibenden Elements – aufgrund eines Spiels in einer Lagerstelle – auf den zu ermittelnden Positionswinkel am angetriebenen Element reduziert. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird somit insgesamt die Präzision bzw. die Genauigkeit bei der Bestimmung des Positionswinkels des drehbaren Bauteils im Vergleich zum Stand der Technik erhöht, da die mechanischen Toleranzen durch die Spannkraft ausgeglichen werden.
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Bevorzugt ist das angetriebene Element und/oder das antreibende Element ein Zahnrad. Dann kann der Positionswinkel des drehbaren Bauteils über mehrere Umdrehungen des Bauteils bestimmt werden. Das angetriebene Zahnrad besitzt vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als das antreibende Zahnrad.
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Im Hinblick auf die Anordnung der beiden Elemente zueinander sind im Prinzip zwei alternative Ausführungsformen vorgesehen: Zum einen können die jeweiligen gezahnten Strukturen in einem Abstand zueinander angeordnet sein, und der Riemen kann ein Zahnriemen sein. Dann besitzt der Zahnriemen im Wesentlichen zwei unterschiedliche Funktionen, nämlich einerseits die Funktion der Übertragung der Drehbewegung sowie andererseits auch die Funktion der Verspannung der beiden Elemente gegeneinander bzw. die Funktion des Aufbringens der Spannkraft.
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Zum anderen kann vorgesehen sein, dass die gezahnte Struktur des angetriebenen Elements in die gezahnte Struktur des antreibenden Elements eingreift und die beiden Elemente mittels des Riemens – beispielsweise auch als Zahnriemen ausgebildet – gegeneinander verspannt sind. Diese Ausführungsform ist besonders bauraumsparend, denn die beiden Elemente sind direkt nebeneinander angeordnet, und die Übertragung der Drehbewegung erfolgt direkt über die ineinander eingreifenden gezahnten Strukturen des antreibenden Elements einerseits und des angetriebenen Elements andererseits. Hier besitzt der Riemen im Prinzip hauptsächlich die Funktion der Verspannung der beiden Elemente gegeneinander und kann gegebenenfalls die Übertragung der Drehbewegung unterstützen. Die Drehbewegung kann hier nämlich sowohl direkt über die gezahnten Strukturen als auch über den Riemen übertragen werden. Die Übertragung der Drehbewegung vom antreibenden Element auf das angetriebene Element kann somit besonders zuverlässig erfolgen.
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Vorzugsweise sind die jeweiligen Drehachsen der beiden Elemente parallel verlaufend zueinander angeordnet. Dies bedeutet, dass sie sich in die gleiche Richtung erstrecken bzw. die beiden Elemente achsparallel zueinender angeordnet sind.
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Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Drehachsen der beiden Elemente in einem Winkel ungleich Null, insbesondere in einem rechten Winkel, zueinender angeordnet sind. Dann kann auch ein Umlenkelement bereitgestellt werden, um welches der Riemen umgelenkt wird.
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Die Vorteile der Erfindung kommen dann vollständig zum Tragen, wenn die jeweiligen Drehachsen der beiden Elemente ortsfest zueinander positioniert sind. Dies bedeutet, dass keine Relativbewegung zwischen den Drehachsen bzw. zwischen den Elementen in einer Richtung senkrecht zu den Drehachsen ermöglicht ist. Bei dieser Ausführungsform kann nämlich das Spiel in den Lagern mithilfe des Riemens ausgeglichen werden, so dass die Klappergeräusche ausgeschlossen sind.
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In einer Ausführungsform kann jedoch vorgesehen sein, dass der Riemen durch eines der beiden Elemente selbst verspannt wird: Und zwar kann zumindest eines der Elemente bezüglich des jeweils anderen Elements verschiebbar gelagert sein, und es kann eine Spannvorrichtung vorgesehen sein, mittels welcher eine Federkraft zum Verspannen des Riemens auf das verschiebbare Element aufgebracht ist. Die Federkraft wirkt somit direkt auf dieses Element und bewirkt somit die Vorspannung des Riemens. Somit kann der Riemen besonders wirkungsvoll verspannt werden.
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Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn eine relativ zum Riemen bewegbare Spannrolle bereitgestellt ist, welche zum Verspannen des Riemens ausgebildet ist. Durch eine derartige Spannrolle, welche die Spannkraft auf den Riemen aufbringt, können die beiden Elemente besonders wirkungsvoll im Hinblick auf einen Ausgleich der Achsabstandstoleranzen gegeneinander verspannt werden.
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Eine zuverlässige Kraftaufbringung kann dann erreicht werden, wenn die Spannrolle mit einer Federkraft beaufschlagt ist bzw. federnd vorgespannt ist, sodass auf den Riemen eine Federkraft wirkt, die die beiden Elemente gegeneinander verspannt.
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Es kann auch ein zweites angetriebenes Element mit einer gezahnten Struktur vorgesehen sein, welche mit der gezahnten Struktur des antreibenden Elements und der gezahnten Struktur des ersten angetriebenen Elements zur Übertragung der Drehbewegung gekoppelt ist. Mittels der über den Riemen aufgebrachten Spannkraft können die beiden angetriebenen Elemente und das antreibende Element gegeneinander verspannt werden. Auch das zweite angetriebene Element kann eine Drehachse aufweisen, welche relativ zu den Drehachsen der anderen Elemente ortsfest angeordnet ist. Die Übertragung der Drehbewegung vom antreibenden Element auf das zweite angetriebene Element kann – ähnlich wie bei dem ersten angetriebenen Element – entweder über den Riemen (Zahnriemen) oder aber direkt über die ineinander eingreifenden gezahnten Strukturen erfolgen. Auch dem zweiten angetriebenen Element kann gegebenenfalls ein Sensor zugeordnet sein, welcher zum Beispiel zur redundanten Erfassung des Positionswinkels ausgebildet ist.
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Also ist ein Sensor bereitgestellt, welcher zum Erfassen der Winkelstellung des angetriebenen Elements ausgebildet ist, sodass in Abhängigkeit von der Winkelstellung des angetriebenen Elements der Positionswinkel des drehbaren Bauteils bestimmt wird, etwa mithilfe einer Auswerteeinheit, die mit dem Sensor elektrisch gekoppelt sein kann. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sensor – zumindest teilweise – in dem angetriebenen Element angeordnet ist. Der Sensor kann beispielsweise einen Dauermagneten beinhalten, welcher in das angetriebene Element integriert ist. Auf diese Weise kann der wertvolle Bauraum gespart werden, denn es ist kein Bauraum außerhalb des angetriebenen Elements für den Sensor erforderlich.
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Insbesondere ist das drehbare Bauteil eine Lenkwelle des Fahrzeugs und der Positionswinkel ist der Lenkwinkel.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder einer vorteilhaften Ausgestaltung davon.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiel, wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
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3 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Eine in 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist zum Messen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils – etwa einer Lenkwelle – eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Vorrichtung 1 umfasst ein antreibendes Element 2, welches ein Zahnrad ist und an seinem Umfang eine gezahnte Struktur 3 aufweist. Das antreibende Element 2 ist mit dem drehbaren Bauteil des Kraftfahrzeugs drehfest gekoppelt und dreht sich somit zusammen mit dem Bauteil. Zum Beispiel kann das antreibende Element 2 ein Bestandteil der Lenkwelle sein. Das antreibende Element 2 ist um eine senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende Drehachse 4 drehbar gelagert.
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Die Vorrichtung 1 beinhaltet außerdem ein erstes angetriebenes Element 5, in welches ein Dauermagnet 60 eines Sensors 6 integriert ist. Der Sensor 6 weist auch ein neben dem Element 5 angeordnetes Sensorteil 61, welches den tatsächlichen Sensor zur Erfassung des Positionswinkels des Elements 5 dient. Das erste angetriebene Element 5 ist in einem Abstand zum antreibenden Element 2 angeordnet. Das erste angetriebene Element 5 besitzt ebenfalls eine gezahnte Struktur 7, die an einem Umfang des Elements 5 ausgebildet ist. Das erste angetriebene Element 5 ist ebenfalls ein Zahnrad. Es ist um eine parallel zur Drehachse 4 des antreibenden Elements 2 verlaufende Drehachse 8 drehbar gelagert.
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Optional kann auch ein zweites angetriebenes Element 9 vorgesehen sein, welches ebenfalls in einem Abstand zum antreibenden Element 2 sowie in einem Abstand zum ersten angetriebenen Element 5 angeordnet ist. Das zweite angetriebene Element 9 ist um eine Drehachse 10 drehbar gelagert, welche ebenfalls parallel zur Drehachse 4 des antreibenden Elements 2 sowie parallel zur Drehachse 8 des ersten angetriebenen Elements 5 verläuft. Optional kann auch in das zweite angetriebene Element 9 ein Dauermagnet 11 eines nicht näher dargestellten Sensors integriert sein.
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Auch das zweite angetriebene Element 9 ist ein Zahnrad und weist an seinem Umfang eine gezahnte Struktur 12 auf.
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Die Übertragung der Drehbewegung des antreibenden Elements 2 auf die beiden angetriebenen Elemente 5, 9 erfolgt über einen Riemen 13, welcher ein Zahnriemen ist. Der Riemen 13 liegt dabei derart an den jeweiligen gezahnten Strukturen 3, 7, 12 an, dass die Elemente 2, 5, 9 an einem Innenumfang bzw. einer Innenseite 14 liegen. Mit anderen Worten ist der Riemen 13 mit seinem Innenumfang 14 an den Elementen 2, 5, 9 abgestützt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind also die Elemente 2, 5, 9 beabstandet zueinander angeordnet, und der Riemen 13 dient zum Übertragen der Drehbewegung vom antreibenden Element 2 auf die angetriebenen Elemente 5, 9.
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Um die Achsabstandstoleranzen zwischen den Elementen 2, 5, 9 auszugleichen und eine präzise Bestimmung eines Positionswinkels des drehbaren Bauteils bzw. des antreibenden Elements 2 (mittelbar über die Winkellage des angetriebenen Elements 5 und/oder 9) zu erreichen, ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine Spannrolle 15 bereitgestellt, welche eine Spannkraft auf den Riemen 13 aufbringt, sodass die Elemente 2, 5, 9 gegeneinander verspannt sind. Die Spannrolle 15 ist relativ zum Riemen 13 bewegbar, nämlich gemäß der Pfeildarstellung 16, also in Richtung zum antreibenden Element 2 und weg vom antreibenden Element 2. Der Riemen 13 ist derart um die Spannrolle 15 umgelenkt, dass die Spannrolle 15 an einem Außenumfang bzw. einer Außenseite 17 des Riemens 13 anliegt bzw. die Spannkraft auf den Außenumfang 17 in Richtung zum antreibenden Element 2 hin aufgebracht wird. Dazu kann auf die Spannrolle 15 beispielsweise eine Federkraft wirken, welche die Spannrolle 15 gegen den Riemen 13 drückt. Auch die Spannrolle 15 kann an ihrem Umfang eine gezahnte Struktur 18 aufweisen und kann ebenfalls drehbar gelagert sein.
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Durch Einsatz der Spannrolle 15 können Elastizitätseffekte eliminiert werden, sodass die Elemente 2, 5, 9 stets gegeneinander verspannt sind. Somit werden mechanische Toleranzen ausgeglichen, und die Übertragung der Drehbewegung des antreibenden Elements 2 auf die angetriebenen Elemente 5, 9 erfolgt auch beim Richtungswechsel besonders wirkungsvoll. Der Riemen 13 ist nämlich stets vorgespannt.
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Prinzipiell können die Elemente 2, 5, 9 bzw. die Drehachsen 4, 8, 10 ortsfest relativ zueinander angeordnet sein. Es ist jedoch auch sinnvoll möglich, dass eines der Elemente 2, 5, 9 in einer Richtung senkrecht zu den Drehachsen 4, 8, 10 beweglich bzw. verschiebbar gelagert ist, wie dies in 1 anhand eines Pfeils 62 angedeutet ist. Das Element 5 kann also in Richtung zum Element 2 bzw. von dem Element 2 weg bewegt werden. In diesem Falle kann dem Element 5 eine Spannvorrichtung zugeordnet sein, so dass dieses Element 5 die Funktion der Spannrolle 15 übernimmt. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu der Spannrolle 15 vorgesehen sein. Die Spannvorrichtung erzeugt dann eine Federkraft, die auf das Element 5 wirkt und den Riemen 13 verspannt.
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Mittels des Sensors 6 wird die jeweils augenblickliche bzw. aktuelle Winkelstellung des angetriebenen Elements 5 gemessen, und der jeweils aktuelle Positionswinkel des antreibenden Elements 2 bzw. des drehbaren Bauteils wird mittelbar in Abhängigkeit von der Winkelstellung des angetriebenen Elements 5 bestimmt. Dazu kann beispielsweise eine elektronische Auswerteeinheit bereitgestellt sein, welche mit dem Sensor 6 elektrisch gekoppelt ist.
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Der Riemen 13 kann auch aus einem elastischen Material ausgebildet sein, etwa aus Gummi. Der Riemen 13 kann auch unter Vorspannung über die Elemente 2, 5, 9 und die Spannrolle 15 geführt sein.
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Der Riemen 13 ist ein endloses Band.
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Eine Vorrichtung 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in 2 dargestellt. Diese entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung 1 gemäß 1, sodass lediglich die Unterschiede dazwischen näher erläutert werden. Die mit Bezug auf 1 vorgestellten Merkmale können auch für die Ausführungsform gemäß 2 gelten und umgekehrt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 steht die gezahnte Struktur 7' des angetriebenen Elements 5' in Eingriff mit der gezahnten Struktur 3' des antreibenden Elements 2'. Dies bedeutet, dass die Übertragung der Drehbewegung unmittelbar über die gezahnten Strukturen 7', 3' erfolgt. Diese Übertragung wird auch durch den Riemen 13' unterstützt, welcher die beiden Elemente 2', 5' gegeneinander verspannt. Der Riemen 13' kann nämlich unter Vorspannung über die Elemente 2', 5' geführt werden. Der Riemen 13' hat somit zwei Funktionen: einerseits die Funktion der Unterstützung der Übertragung der Drehbewegung und andererseits auch die Funktion des Aufbringens der Spannkraft, mit welcher die beiden Elemente 2', 5' gegeneinander verspannt sind.
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Gegebenenfalls kann auch bei der Vorrichtung 1' gemäß 2 eine Spannrolle 15 und/oder eine Spannvorrichtung in einem der Elemente 2', 5' eingesetzt werden, mit welcher die Spannkraft aufgebracht wird und Elastizitätseffekte eliminiert werden.
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In 3 ist des Weiteren eine Vorrichtung 1'' dargestellt, welche im Wesentlichen der Vorrichtung 1 gemäß 1 entspricht, bei welcher jedoch die jeweiligen Drehachsen 4'', 8'' nicht parallel, sonder in einem rechten Winkel zueinander verlaufen. Der Riemen 13'' ist um ein Umlenkelement 63 umgelenkt, welches gegebenenfalls auch die Funktion der Spannrolle übernehmen kann. Weitere Merkmale der Vorrichtungen 1, 1' gemäß den 1 und 2 sind auch für die Vorrichtung 1'' gemäß 3 anwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19506938 A1 [0002]
- DE 102008011448 A1 [0005]
- DE 19807522 A1 [0006]
- DE 4115244 C2 [0006]
- JP 2004351988 A [0007]
