DE3814592A1 - Einrichtung zum feststellen der drehwinkelposition - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feststellung der Winkelposition einer verdrehbaren Vorrichtung, insbesondere einer Welle bezüglich eines Ausgangspunktes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Einrichtung soll insbesondere Anwendung finden bei der Feststellung der Drehposition eines Lenkgetriebes eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges.

Es sind bereits verschiedene Einrichtungen bekannt, mit denen die Winkelposition eines Lenkgetriebes bezüglich der Nullstellung festgestellt werden kann. Bei einer Art dieser Einrichtungen wird ein Winkelkodierer verwendet. Arbeitet dieser optisch, so ist die Gefahr der Verschmutzung gegeben. Außerdem sind die dabei verwendeten relativ empfindlichen optoelektronischen Elemente erheblichen mechanischen Beanspruchungen, wie Erschütterungen oder dergleichen ausgesetzt. Verwendet man einen Kodierer mit Schleifkontakten, so ist mit einer verhältnismäßig raschen Abnutzung zu rechnen.

Eine andere Einrichtung zur Feststellung der Winkelposition verwendet ein Potentiometer, so daß bei Drehung der Welle sich der Widerstand ändert und die am Potentiometer abgenommene Spannung ein Maß für die Drehwinkelposition ist. Auch hier ergeben sich auf Grund der Abnutzung bzw. der Änderung des Übergangswiderstandes zwischen den Schleifkontakten Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Feststellung der Drehposition einer verdrehbaren Vorrichtung, insbesondere einer Welle mit einfachem und robusten Aufbau anzugeben, wobei eine verhältnismäßig gute Genauigkeit und Nullpunkt-Stabilität der Messung erzielt werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist äußerst kompakt aufgebaut, besteht aus wenigen mechanischen Elementen und einer Kraftmeßvorrichtung, insbesondere einem Dehnungsmeßstreifen und läßt sich auch nachträglich auf jede Welle aufsetzen.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand an der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht wesentlicher Teile der Lenkung eines Kraftfahrzeuges,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Lenkgetriebe der Lenkung gemäß Fig. 1 mit angesetzter Einrichtung gemäß Fig. 2 und

Fig. 4a-4c eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Fig. 1 zeigt wesentliche Teile einer Lenkung 10 eines Kraftfahrzeugs, nämlich ein Lenkrad 12, über das mittels einer in einer Lenksäule 14 drehbaren Lenkwelle 16, eine Kupplung 18 und ein Lenkgetriebe 20 eine Kurbel 22 mittels einer Welle 26 verschwenkbar ist. Die Kurbel 22 steht in bekannter Weise mit ihrem anderen Ende 24 mit dem Lenkgestänge des Fahrzeugs in Verbindung.

Fig. 3 zeigt das Lenkgetriebe 20 in größerer Einzelheit und mit angesetzter Winkelpositionsfeststelleinrichtung 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel.

Die Einrichtung 30 besitzt ein Gehäuse 32 (vgl. auch Fig. 2), das über ein Lager 28 auf die Welle 26 aufgesetzt ist. An der entgegengesetzten Seite ist das Gehäuse 32 mittels eines Halters 56 am Getriebe 20 befestigt.

Das Gehäuse 32 ist verhältnismäßig schmal und die Welle 26 ragt über das Gehäuse 32 hinaus, wobei letzteres mittels einer Dichtung 56 abgedichtet ist.

Zur Feststellung der Drehwinkelposition der Welle 26 und damit der Lenkung 10 als solcher wird von einer Dehnungsmeßstreifenvorrichtung 60 Gebrauch gemacht. Insbesondere ist an der unteren Schmalwand des Gehäuses 32 etwa über einen Sockel 38 eine Zunge 40 angebracht, die aus Metall oder bevorzugt Keramikmaterial besteht und auf der in bekannter Weise Widerstände 42, 44 bevorzugt in Form von Dickfilmwiderständen aufgebracht sind. Die Widerstände 42, 44 sind, wie ebenfalls bekannt ist, zu einer Wheatstone′schen Brücke zusammengeschaltet, so daß sich bei Auslenkung der Zunge 40 nach links oder rechts (Fig. 2) eine entsprechende Widerstandsänderung der Widerstände 42 und 44 ergibt.

Diese Auslenkung wird nun mit der Drehung der Welle 26 in Beziehung gesetzt. Hierzu ist ein Stahlband 34 mit seinem einen Ende, wie bei 36 angedeutet, an der Welle 26 befestigt, während sein anderes Ende über eine Zugfeder 46 mit dem freien Ende der Zunge 40 in Verbindung steht. Je nach Stellung der Kurbel 22, deren Extrempositionen mit 22 l und 22 r angedeutet sind, umschlingt das Stahlband 34 die Welle 26 mehr oder weniger.

Im Prinzip könnte die Stellung 22 r als O-Stellung angenommen werden, von der die (weitere) Auslenkung der Zunge 40 in Fig. 2 nach links erfolgt. Gemäß der Erfindung wird jedoch zur exakten Nullpunkteinstellung, Temperaturkompensation und Ausgleich anderer Einflüsse eine weitere Zugfeder 48 zwischen dem freien Ende der Zunge 40 und einer Öse 52 gespannt, die an der Seitenschmalwand des Gehäuses 32 angebracht ist. Die beiden Federn 46 und 48 wirken somit in entgegengesetzter Richtung auf die Zunge 40, so daß eine Dehnung der beiden Federn 46, 48 auf Grund einer erhöhten Temperatur kompensiert und die Nullstellung der Zunge 40 eingehalten wird. Selbstverständlich ist bei der Bemessung der Feder 48 eine eventuelle Ausdehnung des Stahlbandes zu berücksichtigen. Auch kann die Feder 48 über eine Justiervorrichtung mit ihrer Befestigung am Gehäuses 32 verbunden sein.

Es ist zu beachten, daß die erfindungsgemäße Einrichtung äußerst kompakt ist. Wie ferner aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, läßt sie sich ohne weiteres an ein bereits im Einsatz befindliches Getriebe 20 ansetzen. Das Gehäuse ist im wesentlichen dicht. Auch sind die in der Einrichtung verwendeten Elemente unempfindlich gegenüber Erschütterungen und anderen Einflüssen.

Trotz der geringen Abmessungen des Gehäuses 32 ist genügend Platz für eine etwaige Unterbringung der erforderlichen elektrischen Schaltungen mit entsprechender Verstärkung, so daß von der Einrichtung störungsfrei ein entsprechend starkes Signal abgegeben werden kann, das exakt die Winkelposition der Welle 26 und damit der Lenkung angibt und beim Betrieb des Kraftfahrzeugs für beliebige Steuerungen verwendet werden kann. Derartige Steuerungen und Regelungen dienen der Optimierung der Fahreigenschaften, etwa beim Kurvenfahren und beim Bremsen (ABS- System).

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist folgende:

Fig. 2 zeigt die Dehnungsmeßstreifenvorrichtung 60 in Nullstellung, die praktisch auch der Nullstellung der Lenkung 10 entspricht, d.h., daß die Räder geradeaus gerichtet sind. Wird unter Drehen des Lenkrades 12 die Kurbel 22 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung 221 bewegt, wobei sich die Welle 26 um den entsprechenden Winkel im Gegenuhrzeigersinn aus der Nullstellung herausdreht, dann umschlingt das Stahlband 34 einen größeren Teil der Welle 26, wobei über die Feder 46 eine Kraft auf das freie Ende der Zunge 40 ausgeübt und dieses Ende in Fig. 2 nach links gegen den Zug der Feder 48 gezogen wird.

Wird andererseits die Welle 26 derart im Uhrzeigersinn gedreht, daß die Kurbel 22 die Stellung 22 r annimmt, dann wird der Umschlingungswinkel des Stahlbandes 34 auf der Welle 26 verringert und die Zunge 40 unter der Zugkraft der Feder 48 in Fig. 2 nach rechts gezogen. Die jeweilige augenblickliche Auslenkung nach der einen oder anderen Richtung wird durch die Dehnungsmeßstreifenvorrichtung 60 in ein elektrisches Signal verwandelt, das exakt mit der Winkelposition der Welle 26 in Beziehung gesetzt werden kann.

Gegenüber dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel lassen sich die verschiedensten Modifikationen vornehmen. So könnte die erfindungsgemäße Einrichtung 30 auch an der Lenkwelle 16 oder der Eingangswelle zum Lenkgetriebe 20 angebracht werden, obwohl die Lösung des Ausführungsbeispiels günstiger ist, da die erfindungsgemäße Einrichtung möglichst nahe, d.h. mit möglichst wenig Spiel, bezüglich der Räder angebracht ist.

In der Stellung 22 r (Fig. 2) der Kurve 22 ist der Umschlingungswinkel des Stahlbandes 34 auf der Welle 26 minimal. Er kann Null sein. Bevorzugt wird jedoch eine geringe Umschlingung haben.

Bei manchen Anwendungsfällen kann die Feder 46 selbst an der Welle 26 befestigt werden und diese bei Drehung der Welle umschlingen. Sind andere Kompensationsmaßnahmen vorgesehen, dann läßt sich auch ein anderes Kraftmeßelement anstelle der Dehnungsmeßstreifenvorrichtung 60 verwenden, das ortsfest am Gehäuse etwa anstelle der Öse 52 angebracht ist und an dem die Feder 46 angreift.

Ist bei anderen Anwendungsfällen der maximale Drehwinkel gering, dann kann das Stahlband auch direkt mit dem freien Ende der Zunge 40 der Dehnungsmeßstreifenvorrichtung verbunden sein.

Die Fig. 4a bis 4c zeigen verschiedene Ansichten einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, wie in den Fig. 2 und 3. Eine detaillierte Beschreibung dürfte sich deshalb erübrigen.

Es sei nochmals daraufhingewiesen, daß im Prinzip jede beliebige Kraftmeßeinrichtung für den erfindungsgemäßen Zweck eingesetzt werden kann.

Eine besonders einfache Ausführungsform ergäbe sich dann, wenn das Stahlband 34 (oder ggf. eine entsprechende Keramikmembran oder dgl.) direkt mit Dickfilmwiderständen versehen würde, also bereits die Kraftmeßeinrichtung darstellen würde. Bei der Umschlingung werden dann die Dickfilmwiderstände entsprechend gedehnt und die abgegebene Spannung stellt ein Maß für die Winkelposition dar.

Andere Kraftmeßeinrichtungen, die auf Wegänderungen auf Grund eines Krafteinflußes ansprechen, wie Hallgeneratoren oder dergleichen sind ebenfalls einsetzbar. Selbstverständlich läßt sich auch die Winkelstellung eines um eine Achse schwenkbaren Hebels in analoger Weise feststellen, wenn die Kraftmeßeinrichtung mit einem peripheren Punkt eines Hebels verbunden wird.

Claims (8)

1. Einrichtung zum Feststellen der Drehwinkelposition einer verdrehbaren Vorrichtung bezüglich einer Nullposition, insbesondere des Lenkwinkels eines Kraftfahrzeugs, gekennzeichnet durch eine ortsfest bezüglich der verdrehbaren Vorrichtung (26) angeordnete Kraftmeßvorrichtung (60) und eine Verbindungsvorrichtung (34, 46), die mit ihrem einen Ende an der Kraftmeßvorrichtung (60) und mit ihrem anderen Ende mit einem Punkt (36) am Umfang der verdrehbaren Vorrichtung (26) befestigt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßvorrichtung eine Dehnungsmeßstreifenvorrichtung (60) ist, mit einer Zunge (40), der eines Ende am Gehäuse fixiert ist, während ihr anderes Ende mit der Verbindungsvorrichtung (34, 46) in Verbindung steht.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung ein Stahlband (34) aufweist, dessen eines Ende an dem Punkt (36) der verdrehbaren Vorrichtung (26) befestigt ist, während ihr anderes Ende mit dem freien Ende der Zunge (40) in Verbindung steht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Stahlbandes (34) über eine Feder (46) mit dem freien Ende des Dehnungsmeßstreifens derart in Verbindung steht, daß auf dieses freie Ende eine Kraft senkrecht zur Längsachse der Zunge (40) beim Drehen der verdrehbaren Vorrichtung (26) ausgeübt wird.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Justierung und Fixierung des Nullpunkts insbesondere gegenüber Temperatureinflüssen vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel eine Zugfeder (48) aufweisen, die mit ihrem einen Ende ortsfest bezüglich der Position der Dehnungsmeßstreifenvorrichtung (60) und mit ihrem anderen Ende auf der der Feder (46) gegenüberliegenden Seite der Zunge (40) angebracht ist, wobei die Feder (48) derart bemessen ist, daß das freie Ende der Zunge (40) in Nullposition der verdrehbaren Vorrichtung (26) ebenfalls im Nullpunkt der Dehnungsmeßstreifenvorrichtung (60) gehalten wird.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßvorrichtung und die Verbindungsvorrichtung einstückig ausgeführt sind, derart, daß ein mit seinem einen Ende über eine Feder gehaltenes Band mit seinem anderen Ende mit dem Umfang der verdrehbaren Vorrichtung befestigt ist und das Band zumindest im Bereich einer Umschlingung der verdrehbaren Vorrichtung, insbesondere einer Welle (26) als Dehnungsmeßstreifenvorrichtung ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßvorrichtung eine unter Krafteinwirkung wegabhängige Vorrichtung, etwa ein Hallsondenvorrichtung ist.