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WO2010070014A1 - Angle sensor - Google Patents

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Info

Publication number
WO2010070014A1
WO2010070014A1 PCT/EP2009/067346 EP2009067346W WO2010070014A1 WO 2010070014 A1 WO2010070014 A1 WO 2010070014A1 EP 2009067346 W EP2009067346 W EP 2009067346W WO 2010070014 A1 WO2010070014 A1 WO 2010070014A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shaft
angle sensor
drive gear
transmission element
measuring
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/067346
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lukas Fiala
Alexander Trinn
Knut Moldenhauer
Martin Deitmerg
Original Assignee
Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg filed Critical Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2010070014A1 publication Critical patent/WO2010070014A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/02—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using mechanical means
    • G01D5/04—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using mechanical means using levers; using cams; using gearing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D15/00—Steering not otherwise provided for
    • B62D15/02—Steering position indicators ; Steering position determination; Steering aids
    • B62D15/021—Determination of steering angle
    • B62D15/0215—Determination of steering angle by measuring on the steering column

Definitions

  • the invention relates to an angle sensor for detecting the rotational position of a rotatable shaft with a torque transmitting connected to the shaft drive gear and at least one driven by this measuring gear, wherein from the angular position of the / the measuring gear / wheels, the angular position of the shaft can be determined.
  • an angle sensor according to the preamble of claim 1 has become known.
  • the various sensor configurations shown there for detecting the rotational position of a shaft have in common that one or more measuring gears are driven by a drive gear connected in a torque-transmitting manner to the shaft.
  • the measuring gears are provided with rotary position sensors, through which their respective angular position can be detected, examples of such rotary position sensors Hall sensors and potentiometers are called.
  • the measuring gears are coupled via differently designed, resilient bearing elements without play on the rigidly and fixedly connected to the shaft drive gear. By this type of coupling, it is possible to compensate for static and / or dynamic deviations of the axis of rotation of the shaft of the ideal position of this axis of rotation.
  • the axes of rotation of the measuring gears deviate statically and / or dynamically from their ideal position, which can lead to considerable measurement errors, for example when a permanent magnet received in a measuring gear moves in relation to this one assigned Hall sensor instead of the intended axis of rotation about a different axis rotates, or instead of the sole provided rotational movement about the intended axis of rotation performs an additional relative movement relative to this.
  • the angle sensor according to the present invention has over this prior art the advantage that the axes of rotation of the measuring gears can be fixed, so that the aforementioned disadvantages are avoided.
  • the drive gear is connected by means of a transmission element with the shaft, which transmission element is used to compensate for static and / or dynamic deviations of the axis of rotation of the shaft of the axis of rotation of the drive gear.
  • This inventive design of the angle sensor it is possible to fix the axis of rotation of the drive gear, for example, by storage in the housing of the angle sensor, so that the axes of rotation of the measuring gears can be set in relation to this. Static and / or dynamic deviations of the axis of rotation of the rotatable shaft both in terms of their radial position with respect to the axis of rotation of the drive gear and with respect to a possible deviation from the parallelism of their orientation are compensated by the transmission element.
  • the transmission element is formed as a provided with four bearing mounts annular, in particular annular body, each two of the bearing receptacles with respect to the ring circumference arranged opposite each other and with two each of the one hand the shaft and the other hand, the drive gear associated counter bearings are engaged.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the angle sensor according to the invention as a magnetic steering angle sensor for a motor vehicle
  • Fig. 2 is a schematic representation for explaining the operation of the transmission element in cooperation with the associated abutments
  • Fig. 3 shows the steering angle sensor of FIG. 1 as a subassembly of a
  • an inventive angle sensor is shown in an embodiment as a magnetic steering angle sensor for a motor vehicle.
  • the rotatable shaft whose rotational position is detected by the angle sensor is in this case the steering spindle, not shown in the drawing of the motor vehicle.
  • a cup-shaped support member 5 drive gear 1 is rotatably mounted in a housing lower part 9 of the angle sensor.
  • the cup-shaped support member 5 is held with his below the gear further extending, short shaft in a precisely fitting, also cup-shaped receptacle 10 of the housing part 9.
  • In meshing engagement with this drive gear 1 are two, also in the lower housing part 9 on the axis of rotation of the drive gear 1 parallel aligned axes 1 1, 12 rotatably mounted measuring gears 2, 3.
  • the measuring gears 2, 3 are smaller than the drive gear 1 and have different numbers of teeth on, so from the respective
  • Angular positions of the measuring gears 2, 3 in a manner known for example from German Patent Application DE 10 2006 006 359 A1 from a beating angle the angular position of the drive gear 1 and thus the shaft is uniquely determined over several revolutions.
  • the detection of the angular position of the measuring gears 2, 3 takes place in this case by means of arranged on a printed circuit board 13 magnetic field sensors, each detect the alignment of the arranged in the measuring gears 2, 3 permanent magnets 7, 8 caused magnetic fields.
  • the magnetic field sensors which are, for example, Hall sensors or magnetoresistive sensors, are located on the hidden side in the drawing of the printed circuit board 13, on which moreover electronic components of a measurement and evaluation electronics of the angle sensor are accommodated.
  • contact surfaces 14 for contacting printed circuit board edge connectors are present at the edge of the circuit board.
  • a transmission element 4 here is a resiliently trained, preferably made of a suitable plastic annular body used, which with four bearing seats 4.1, 4.2, 4.3 , 4.4 is provided.
  • two of the bearing receptacles form a pair and are arranged opposite to each other with respect to the circumference of the transmission element 4.
  • the openings of the bearing seats 4.1, 4.3 of the first pair point down and are engaged with thrust bearings 5.1, 5.3 of the drive gear 1 in engagement.
  • the openings of the bearing receivers 4.2, 4.4 of the second pair point upwards and are engaged with counter bearings 6.2, 6.4 of a rigidly connected to the rotatable shaft bearing ring 6 is engaged.
  • the abutment 5.1, 5.3 of the drive gear 1 are integrally formed in the present embodiment on the Victoria 5, the shaft-side abutment 6.2, 6.4 of the bearing ring 6 are integrally formed therewith.
  • the axes of rotation of the shaft and drive gear 1 should be identical, i. lying on a straight line in the room.
  • the annular transmission element 4 is provided with four bearing receptacles 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, of which two each opposite one another to form a couple.
  • the upward opening of the bearing holder 4.4 in section has the shape of an isosceles trapezium, wherein the downwardly converging legs of the trapezium forming the abutment surfaces for the abutment 6.4.
  • the abutment 6.4 has a semi-circular contour in section, so that there are defined contact lines between bearing seat 4.4 and abutment 6.4.
  • This type of storage allows several degrees of freedom of the axes of rotation of the shaft W and the drive gear A to each other, which are indicated in Fig. 2a by arrows.
  • the two axes are displaceable on the one hand in each case in a radial direction, and on the other hand tiltable about an axis 15, 16 parallel to its possible direction of displacement.
  • the axis 15, 16 for the tilting runs in each case through the circle centers of the semicircular contour of the aligned in this direction abutment 5.1, 5.3 and 6.2, 6.4.
  • the two axes of rotation of the shaft W and the drive gear A are interconnected by a kind of gimbal bearing, which still has additional degrees of freedom of movement.
  • the two tilt axes 15, 16 and thus also the two directions for the radial displacement are arranged perpendicular to each other in this case, which is advantageous, but not mandatory.
  • FIG. 3 shows a central region of a steering column module for a motor vehicle.
  • inventively designed steering angle sensor forms in this context, a subassembly of this steering column module.
  • Another subassembly forms a so-called coil spring cassette, in which a ribbon cable for transmitting energy and / or signals between the steering wheel and the steering column in turns within an annular cavity of its longitudinal axis concentrically surrounding housing is added.
  • a device e.g. an airbag system, a steering wheel heater, a switching device, etc. are supplied with or with the voltage and signals necessary for its function.
  • the coil spring cassette consists of an upper rotor part 19 and a lower rotor part 20 which are rotatably received in a housing consisting of a stator upper part 21 and a stator lower part 22.
  • a stator upper part 21 and a stator lower part 22 In the existing between the stator 21, 22 and rotor 19, 20 annular cavity, the flat cable, not shown here is wound in several turns.
  • the stator lower part 22 of the coil spring cassette simultaneously forms an upper housing part of the steering angle sensor with the components already described above, so that a compact assembly results.
  • the rigid connection of the steering angle sensor driving bearing ring 6 with the steering shaft is carried out starting from the with the steering shaft connected steering wheel via the rotor upper part 19 which engages with two pins 24 in associated, matching openings in the steering wheel base.
  • the rotor upper part 19 is in turn rigidly connected via clip connections with the rotor base 20 and this in turn in the same manner with the bearing ring 6.
  • the housing parts are fixed to each other via clips and additional screw connections.
  • the entire steering column module includes in addition to the components coil spring cassette and steering angle sensor even more components, in particular steering column switch, not shown here, which are laterally attached to the assembly shown here.

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Abstract

An angle sensor for sensing the rotational position of a rotatable shaft comprises a driving gear which is connected to the shaft so as to transmit torque, and at least one measuring gear that is driven by the driving gear. The angular position of the shaft can be determined from the angular position of the measuring gear/s. Said angle sensor is characterized in that the driving gear is connected to the shaft by means of a transmitting element which is used for compensating static and/or dynamic deviations of the axis of rotation of the shaft from the axis of rotation of the driving gear.

Description

Winkelsensor angle sensor
Die Erfindung betrifft einen Winkelsensor zur Erfassung der Drehstellung einer drehbaren Welle mit einem drehmomentübertragend mit der Welle verbundenen Antriebszahnrad und zumindest einem durch dieses angetriebenen Messzahnrad, wobei aus der Winkelstellung des/der Messzahnrades/-räder die Winkelstellung der Welle ermittelbar ist.The invention relates to an angle sensor for detecting the rotational position of a rotatable shaft with a torque transmitting connected to the shaft drive gear and at least one driven by this measuring gear, wherein from the angular position of the / the measuring gear / wheels, the angular position of the shaft can be determined.
Aus der EP 1 132 716 A1 ist ein Winkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt geworden. Den verschiedenen, dort gezeigten Sensorausführungen zur Erfassung der Drehstellung einer Welle ist gemeinsam, dass durch ein mit der Welle drehmomentübertragend verbundenes Antriebszahnrad ein oder mehrere Messzahnräder angetrieben werden. Die Messzahnräder sind mit Drehstellungssensoren versehen, durch die ihre jeweilige Winkelstellung erfassbar ist, wobei als Beispiele für solche Drehstellungssensoren Hall-Sensoren und Potentiometer genannt sind. Die Messzahnräder sind dabei über unterschiedlich ausgestaltete, federnde Lagerelemente spielfrei an das starr und fest mit der Welle verbundene Antriebszahnrad gekoppelt. Durch diese Art der Ankopplung ist es möglich, statische und/oder dynamische Abweichungen der Drehachse der Welle von der idealen Lage dieser Drehachse zu kompensieren. Um dies zu erreichen, muss jedoch in Kauf genommen werden, dass die Drehachsen der Messzahnräder statisch und/oder dynamisch von deren idealer Lage abweichen, was zu nicht unerheblichen Messfehlern führen kann, wenn beispielsweise ein in einem Messzahnrad aufgenommener Permanentmagnet sich im Bezug auf einen diesem zugeordneten Hall-Sensor statt um die vorgesehene Drehachse um eine davon abweichende Achse dreht, oder statt der allein vorgesehenen Drehbewegung um die vorgesehene Drehachse eine zusätzliche Relativbewegung gegenüber dieser ausführt. Der Winkelsensor gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber diesem vorbekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die Drehachsen der Messzahnräder fixiert werden können, so dass die vorgenannten Nachteile vermieden sind.From EP 1 132 716 A1 an angle sensor according to the preamble of claim 1 has become known. The various sensor configurations shown there for detecting the rotational position of a shaft have in common that one or more measuring gears are driven by a drive gear connected in a torque-transmitting manner to the shaft. The measuring gears are provided with rotary position sensors, through which their respective angular position can be detected, examples of such rotary position sensors Hall sensors and potentiometers are called. The measuring gears are coupled via differently designed, resilient bearing elements without play on the rigidly and fixedly connected to the shaft drive gear. By this type of coupling, it is possible to compensate for static and / or dynamic deviations of the axis of rotation of the shaft of the ideal position of this axis of rotation. In order to achieve this, however, it must be accepted that the axes of rotation of the measuring gears deviate statically and / or dynamically from their ideal position, which can lead to considerable measurement errors, for example when a permanent magnet received in a measuring gear moves in relation to this one assigned Hall sensor instead of the intended axis of rotation about a different axis rotates, or instead of the sole provided rotational movement about the intended axis of rotation performs an additional relative movement relative to this. The angle sensor according to the present invention has over this prior art the advantage that the axes of rotation of the measuring gears can be fixed, so that the aforementioned disadvantages are avoided.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Antriebszahnrad mittels eines Übertragungselements mit der Welle verbunden ist, welches Übertragungselement zum Ausgleich statischer und/oder dynamischer Abweichungen der Drehachse der Welle von der Drehachse des Antriebszahnrades dient.This is inventively achieved in that the drive gear is connected by means of a transmission element with the shaft, which transmission element is used to compensate for static and / or dynamic deviations of the axis of rotation of the shaft of the axis of rotation of the drive gear.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Winkelsensors ist es möglich, die Drehachse des Antriebszahnrades beispielsweise durch Lagerung im Gehäuse des Winkelsensors zu fixieren, so dass auch die Drehachsen der Messzahnräder in Relation zu dieser festgelegt werden können. Statische und/oder dynamische Abweichungen der Drehachse der drehbaren Welle sowohl hinsichtlich ihrer radialen Lage im Bezug auf die Drehachse des Antriebszahnrades als auch hinsichtlich einer möglichen Abweichung von der Parallelität ihrer Ausrichtung werden durch das Übertragungselement kompensiert.This inventive design of the angle sensor, it is possible to fix the axis of rotation of the drive gear, for example, by storage in the housing of the angle sensor, so that the axes of rotation of the measuring gears can be set in relation to this. Static and / or dynamic deviations of the axis of rotation of the rotatable shaft both in terms of their radial position with respect to the axis of rotation of the drive gear and with respect to a possible deviation from the parallelism of their orientation are compensated by the transmission element.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Übertragungselement als ein mit vier Lageraufnahmen versehener ringförmiger, insbesondere kreisringförmiger Körper ausgebildet, wobei jeweils zwei der Lageraufnahmen bezüglich des Ringumfangs einander gegenüberliegend angeordnet und mit jeweils zwei einerseits der Welle und andererseits dem Antriebszahnrad zugeordneten Gegenlagern in Eingriff sind.In a preferred embodiment, the transmission element is formed as a provided with four bearing mounts annular, in particular annular body, each two of the bearing receptacles with respect to the ring circumference arranged opposite each other and with two each of the one hand the shaft and the other hand, the drive gear associated counter bearings are engaged.
Durch ein Übertragungselement, das federelastische Eigenschaften aufweist und unter elastischer Vorspannung zwischen der Welle und dem Antriebszahnrad aufgenommen ist, ist in jeder Drehstellung der Welle ein spielfreier Kontakt des Antriebszahnrades mit der Welle bewirkt.By a transmission element which has resilient properties and under elastic bias between the shaft and the Drive gear is received, a play-free contact of the drive gear is effected with the shaft in each rotational position of the shaft.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.Further advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims. An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Winkelsensors als magnetischer Lenkwinkelsensor für ein KraftfahrzeugFig. 1 shows an embodiment of the angle sensor according to the invention as a magnetic steering angle sensor for a motor vehicle
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Übertragungselements in Kooperation mit den zugeordneten GegenlagernFig. 2 is a schematic representation for explaining the operation of the transmission element in cooperation with the associated abutments
Fig. 3 den Lenkwinkelsensor aus Fig. 1 als Unterbaugruppe einesFig. 3 shows the steering angle sensor of FIG. 1 as a subassembly of a
Lenksäulenmodulssteering column module
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Winkelsensor in einer Ausführung als magnetischer Lenkwinkelsensor für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Die drehbare Welle, deren Drehstellung durch den Winkelsensor erfasst wird, ist in diesem Falle die in der Zeichnung nicht dargestellte Lenkspindel des Kraftfahrzeugs.In Fig. 1, an inventive angle sensor is shown in an embodiment as a magnetic steering angle sensor for a motor vehicle. The rotatable shaft whose rotational position is detected by the angle sensor is in this case the steering spindle, not shown in the drawing of the motor vehicle.
In einem Gehäuseunterteil 9 des Winkelsensors ist ein außenseitig an einem topfförmigen Trägerelement 5 angeformtes Antriebszahnrad 1 drehbar gelagert. Dazu ist das topfförmige Trägerelement 5 mit seinem sich unterhalb des Zahnrades weiter erstreckenden, kurzen Schaft in einer passgenauen, ebenfalls topfförmigen Aufnahme 10 des Gehäuseunterteils 9 gehalten. In kämmenden Eingriff mit diesem Antriebszahnrad 1 gestellt sind zwei, ebenfalls in dem Gehäuseunterteil 9 auf zur Drehachse des Antriebszahnrades 1 parallel ausgerichteten Achsen 1 1 , 12 drehbar gelagerte Messzahnräder 2, 3. Die Messzahnräder 2, 3 sind kleiner als das Antriebszahnrad 1 und weisen unterschiedliche Zähnezahlen auf, so dass aus den jeweiligenIn a housing lower part 9 of the angle sensor, an externally formed on a cup-shaped support member 5 drive gear 1 is rotatably mounted. For this purpose, the cup-shaped support member 5 is held with his below the gear further extending, short shaft in a precisely fitting, also cup-shaped receptacle 10 of the housing part 9. In meshing engagement with this drive gear 1 are two, also in the lower housing part 9 on the axis of rotation of the drive gear 1 parallel aligned axes 1 1, 12 rotatably mounted measuring gears 2, 3. The measuring gears 2, 3 are smaller than the drive gear 1 and have different numbers of teeth on, so from the respective
Winkelstellungen der Messzahnräder 2, 3 in einer beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 006 359 A1 bekannten Weise aus einem Schwebungswinkel die Winkelstellung des Antriebszahnrades 1 und somit der Welle auch über mehrere Umdrehungen eindeutig ermittelbar ist. Die Erfassung der Winkelstellung der Messzahnräder 2, 3 erfolgt in diesem Falle mittels auf einer Leiterplatte 13 angeordneter Magnetfeldsensoren, die jeweils die Ausrichtung der durch in den Messzahnrädern 2, 3 angeordnete Permanentmagneten 7, 8 hervorgerufenen Magnetfelder detektieren. Die Magnetfeldsensoren, bei denen es sich beispielsweise um Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren handelt, befinden sich auf der in der Zeichnung verdeckten Seite der Leiterplatte 13, auf der darüber hinaus weitere elektronische Bauelemente einer Mess- und Auswerteelektronik des Winkelsensors aufgenommen sind. Zur Verbindung mit anderen Steuergeräten sind am Rand der Leiterplatte 13 Kontaktflächen 14 zur Kontaktierung mit Leiterplatten-Randsteckverbindern vorhanden.Angular positions of the measuring gears 2, 3 in a manner known for example from German Patent Application DE 10 2006 006 359 A1 from a beating angle the angular position of the drive gear 1 and thus the shaft is uniquely determined over several revolutions. The detection of the angular position of the measuring gears 2, 3 takes place in this case by means of arranged on a printed circuit board 13 magnetic field sensors, each detect the alignment of the arranged in the measuring gears 2, 3 permanent magnets 7, 8 caused magnetic fields. The magnetic field sensors, which are, for example, Hall sensors or magnetoresistive sensors, are located on the hidden side in the drawing of the printed circuit board 13, on which moreover electronic components of a measurement and evaluation electronics of the angle sensor are accommodated. For connection to other control devices 13 contact surfaces 14 for contacting printed circuit board edge connectors are present at the edge of the circuit board.
Eine drehmomentübertragende Verbindung des Antriebszahnrades 1 mit der drehbaren Welle, also mit der Lenkspindel, erfolgt mittels eines Übertragungselements 4. Als Übertragungselement 4 ist hier ein federelastisch ausgebildeter, vorzugsweise aus einem geeigneten Kunststoff hergestellter kreisringförmiger Körper eingesetzt, welcher mit vier Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 versehen ist. Dabei bilden jeweils zwei der Lageraufnahmen ein Paar und sind bezüglich des Kreisumfangs des Übertragungselements 4 einander gegenüberliegend angeordnet. Die Öffnungen der Lageraufnahmen 4.1 , 4.3 des ersten Paares weisen dabei nach unten und sind mit Gegenlagern 5.1 , 5.3 des Antriebszahnrades 1 in Eingriff gestellt. Die Öffnungen der Lageraufnahmen 4.2, 4.4 des zweiten Paares weisen nach oben und sind mit Gegenlagern 6.2, 6.4 eines mit der drehbaren Welle starr verbundenen Lagerringes 6 in Eingriff gestellt. Die Gegenlager 5.1 , 5.3 des Antriebszahnrades 1 sind in der vorliegenden Ausführung einstückig an dem Trägerlement 5 angeformt, die wellenseitigen Gegenlager 6.2, 6.4 des Lagerrings 6 sind einstückig mit diesem ausgebildet.A torque-transmitting connection of the drive gear 1 with the rotatable shaft, ie with the steering shaft, by means of a transmission element 4. As a transmission element 4 here is a resiliently trained, preferably made of a suitable plastic annular body used, which with four bearing seats 4.1, 4.2, 4.3 , 4.4 is provided. In each case, two of the bearing receptacles form a pair and are arranged opposite to each other with respect to the circumference of the transmission element 4. The openings of the bearing seats 4.1, 4.3 of the first pair point down and are engaged with thrust bearings 5.1, 5.3 of the drive gear 1 in engagement. The openings of the bearing receivers 4.2, 4.4 of the second pair point upwards and are engaged with counter bearings 6.2, 6.4 of a rigidly connected to the rotatable shaft bearing ring 6 is engaged. The abutment 5.1, 5.3 of the drive gear 1 are integrally formed in the present embodiment on the Trägerlement 5, the shaft-side abutment 6.2, 6.4 of the bearing ring 6 are integrally formed therewith.
Im Idealfall sollten die Drehachsen der Welle und des Antriebszahnrades 1 identisch sein, d.h. auf einer Geraden im Raum liegen. Im realenIdeally, the axes of rotation of the shaft and drive gear 1 should be identical, i. lying on a straight line in the room. In real
Zusammenbau spielen jedoch nicht unerhebliche Toleranzen bereits was die Lage dieser Achsen zueinander in einer festen Drehstellung angeht, also statische Toleranzen eine Rolle. Insbesondere im Falle des hier dargestellten Lenkwinkelsensors, bei dem die drehbare Welle durch die Lenkspindel des Kraftfahrzeugs gebildet ist, sind auch dynamische Toleranzen zu berücksichtigen, da bei der Lenkspindel ein gewisses Maß an Bewegungsspiel nicht zu eliminieren ist.However, assembly plays not insignificant tolerances already as far as the position of these axes to each other in a fixed rotational position, so static tolerances a role. In particular, in the case of the steering angle sensor shown here, in which the rotatable shaft is formed by the steering spindle of the motor vehicle, dynamic tolerances must also be taken into account, since a certain amount of movement play can not be eliminated in the steering spindle.
Mittels des Übertragungselements 4 werden Abweichungen der Drehachse der Welle von der Drehachse des Antriebszahnrades 1 kompensiert, und zwar sowohl Abweichungen in der radialen Lage der Achsen als auch Abweichungen von der Parallelität.By means of the transmission element 4 deviations of the rotational axis of the shaft from the axis of rotation of the drive gear 1 are compensated for, both deviations in the radial position of the axes and deviations from the parallelism.
Zur Erläuterung der Funktionsweise dieser Drehübertragung ist in Fig. 2 a) und b) das Übertragungselement 4 mit den zugeordneten Gegenlagern 5.1 , 5.3, 6.2, 6.4 dargestellt, wobei die Welle und das Antriebszahnrad nur schematisch durch die dargestellten Achsstummel W, A angedeutet sind.To explain the operation of this rotary transmission is shown in Fig. 2 a) and b), the transmission element 4 with the associated abutments 5.1, 5.3, 6.2, 6.4, wherein the shaft and the drive gear are only schematically indicated by the illustrated stub axle W, A.
Das kreisringförmige Übertragungselement 4 ist mit vier Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 versehen, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegende ein Paar bilden. Wie besonders gut in der in Fig. 2b gezeigten Seitenansicht auf eine Lageraufnahme 4.4 des ersten, der Welle W zugeordneten Paares zu sehen, hat die nach oben gerichtete Öffnung der Lageraufnahme 4.4 im Schnitt die Form eines gleichschenkligen Trapezes, wobei die nach unten aufeinander zulaufenden Schenkel des Trapezes die Anlageflächen für das Gegenlager 6.4 bilden. Das Gegenlager 6.4 hat im Schnitt eine halbkreisförmige Kontur, so dass sich zwischen Lageraufnahme 4.4 und Gegenlager 6.4 definierte Berührungslinien ergeben.The annular transmission element 4 is provided with four bearing receptacles 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, of which two each opposite one another to form a couple. As particularly well seen in the side view shown in Fig. 2b on a bearing seat 4.4 of the first, the shaft W associated pair, the upward opening of the bearing holder 4.4 in section has the shape of an isosceles trapezium, wherein the downwardly converging legs of the trapezium forming the abutment surfaces for the abutment 6.4. The abutment 6.4 has a semi-circular contour in section, so that there are defined contact lines between bearing seat 4.4 and abutment 6.4.
Diese Art der Lagerung ermöglicht mehrere Freiheitsgrade der Drehachsen der Welle W und des Antriebszahnrades A zueinander, die in Fig. 2a durch Pfeile angedeutet sind. So sind die beiden Achsen einerseits in jeweils einer radialen Richtung verschiebbar, und andererseits um eine zu ihrer möglichen Verschieberichtung parallele Achse 15, 16 kippbar. Die Achse 15, 16 für die Kippung läuft dabei jeweils durch die Kreismittelpunkte der halbkreisförmigen Kontur der in dieser Richtung fluchtend angeordneten Gegenlager 5.1 , 5.3 bzw. 6.2, 6.4. Damit sind die beiden Drehachsen der Welle W und des Antriebszahnrades A durch eine Art kardanischer Lagerung miteinander verbunden, die noch zusätzliche Verschiebefreiheitsgrade aufweist. Die beiden Kippachsen 15, 16 und somit auch die beiden Richtungen für die radiale Verschiebung sind in diesem Falle senkrecht zueinander angeordnet, was vorteilhaft, jedoch nicht zwingend erforderlich ist.This type of storage allows several degrees of freedom of the axes of rotation of the shaft W and the drive gear A to each other, which are indicated in Fig. 2a by arrows. Thus, the two axes are displaceable on the one hand in each case in a radial direction, and on the other hand tiltable about an axis 15, 16 parallel to its possible direction of displacement. The axis 15, 16 for the tilting runs in each case through the circle centers of the semicircular contour of the aligned in this direction abutment 5.1, 5.3 and 6.2, 6.4. Thus, the two axes of rotation of the shaft W and the drive gear A are interconnected by a kind of gimbal bearing, which still has additional degrees of freedom of movement. The two tilt axes 15, 16 and thus also the two directions for the radial displacement are arranged perpendicular to each other in this case, which is advantageous, but not mandatory.
Aus Fig. 2b wird deutlich, dass das Übertragungselement 4 zwischen der Welle W und dem Antriebszahnrad A unter axialer Vorspannung aufgenommen ist. Die durch die Gegenlager 5.1 , 5.3 des Antriebszahnrades A auf das Übertragungselement 4 wirkende Kraft 17 ist aufwärts gerichtet, die durch die Gegenlager 6.2, 6.4 der Welle W auf das Übertragungselement 4 wirkende Kraft 18 ist abwärts gerichtet. Die flachen Bereiche des ringförmigen Körpers des Übertragungselements 4 zwischen den Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 werden dadurch einer Biegung unterworfen. Aufgrund der federelastischen Eigenschaften resultieren aus dieser Biegung Gegenkräfte mit denen die Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 gegen die Gegenlager 5.1 , 6.2, 5.3, 6.4 drücken, so dass stets eine spielfreie Kopplung zwischen Lageraufnahmen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 und Gegenlagern 5.1 , 6.2, 5.3, 6.4 und somit in der Konsequenz auch zwischen Welle W und Antriebszahnrad A gegeben ist.From Fig. 2b it is clear that the transmission element 4 is received between the shaft W and the drive gear A under axial bias. The force acting through the abutment 5.1, 5.3 of the drive gear A to the transmission element 4 force 17 is directed upward, which acts through the abutment 6.2, 6.4 of the shaft W on the transmission element 4 force 18 is directed downward. The flat areas of the annular body of the transmission element 4 between the bearing receivers 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 are thereby subjected to a bend. Due to the elastic properties resulting from this bending counter forces with which the bearing mounts 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 press against the abutment 5.1, 6.2, 5.3, 6.4, so that always a backlash-free coupling between bearing receivers 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 and abutments 5.1 , 6.2, 5.3, 6.4 and thus in consequence also between shaft W and drive gear A is given.
In Fig. 3 ist ein zentraler Bereich eines Lenksäulenmoduls für ein Kraftfahrzeug zu sehen. Der in Fig. 1 dargestellte, erfindungsgemäß ausgebildete Lenkwinkelsensor bildet in diesem Zusammenhang eine Unterbaugruppe dieses Lenksäulenmoduls. Eine weitere Unterbaugruppe bildet eine sogenannte Wickelfederkassette, in der ein Flachbandkabel zum Übertragen von Energie und/oder Signalen zwischen dem Lenkrad und der Lenksäule in Windungen innerhalb eines ringförmigen Hohlraumes eines seine Längsachse konzentrisch umgebenden Gehäuses aufgenommen ist. Über die Anschlussstellen einer solchen Vorrichtung kann z.B. ein Airbagsystem, eine Lenkradheizung, eine Schalteinrichtung usw. mit der bzw. mit den zu seiner Funktion notwendigen Spannung und Signalen versorgt werden.FIG. 3 shows a central region of a steering column module for a motor vehicle. The illustrated in FIG. 1, inventively designed steering angle sensor forms in this context, a subassembly of this steering column module. Another subassembly forms a so-called coil spring cassette, in which a ribbon cable for transmitting energy and / or signals between the steering wheel and the steering column in turns within an annular cavity of its longitudinal axis concentrically surrounding housing is added. Via the connection points of such a device, e.g. an airbag system, a steering wheel heater, a switching device, etc. are supplied with or with the voltage and signals necessary for its function.
Die Wickelfederkassette besteht aus einem Rotoroberteil 19 und einem Rotorunterteil 20, die drehbar in einem aus einem Statoroberteil 21 und einem Statorunterteil 22 bestehenden Gehäuse aufgenommen sind. In dem zwischen Stator 21 , 22 und Rotor 19, 20 vorhandenen ringförmigen Hohlraum ist das hier nicht dargestellte Flachbandkabel in mehreren Windungen aufgewickelt. Das Statorunterteil 22 der Wickelfederkassette bildet dabei gleichzeitig ein Gehäuseoberteil des Lenkwinkelsensors mit den bereits zuvor beschriebenen Komponenten, so dass sich ein kompakter Zusammenbau ergibt. Die starre Verbindung des den Lenkwinkelsensor antreibenden Lagerrings 6 mit der Lenkspindel erfolgt dabei ausgehend von dem mit der Lenkspindel verbundenen Lenkrad über das Rotoroberteil 19, das mit zwei Zapfen 24 in zugeordnete, passende Öffnungen in der Lenkradbasis eingreift. Das Rotoroberteil 19 ist wiederum über Clipsverbindungen starr mit dem Rotorunterteil 20 und dieses wiederum in gleicher Weise mit dem Lagerring 6 verbunden. Im Gesamtzusammenbau sind die Gehäuseteile über Clips- und zusätzliche Schraubverbindungen aneinander festgelegt. Das gesamte Lenksäulenmodul umfasst neben den Komponenten Wickelfederkassette und Lenkwinkelsensor noch weitere Komponenten, insbesondere hier nicht dargestellte Lenkstockschalter, die seitlich an der hier gezeigten Baugruppe befestigt werden. The coil spring cassette consists of an upper rotor part 19 and a lower rotor part 20 which are rotatably received in a housing consisting of a stator upper part 21 and a stator lower part 22. In the existing between the stator 21, 22 and rotor 19, 20 annular cavity, the flat cable, not shown here is wound in several turns. The stator lower part 22 of the coil spring cassette simultaneously forms an upper housing part of the steering angle sensor with the components already described above, so that a compact assembly results. The rigid connection of the steering angle sensor driving bearing ring 6 with the steering shaft is carried out starting from the with the steering shaft connected steering wheel via the rotor upper part 19 which engages with two pins 24 in associated, matching openings in the steering wheel base. The rotor upper part 19 is in turn rigidly connected via clip connections with the rotor base 20 and this in turn in the same manner with the bearing ring 6. In the overall assembly, the housing parts are fixed to each other via clips and additional screw connections. The entire steering column module includes in addition to the components coil spring cassette and steering angle sensor even more components, in particular steering column switch, not shown here, which are laterally attached to the assembly shown here.

Claims

Patentansprüche claims
1. Winkelsensor zur Erfassung der Drehstellung einer drehbaren Welle (W) mit einem drehmomentübertragend mit der Welle (W) verbundenen Antriebszahnrad (1 , A) und zumindest einem durch dieses angetriebenen Messzahnrad (2, 3), wobei aus der Winkelstellung des/der Messzahn rades/-räder (2, 3) die Winkelstellung der Welle (W) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebszahnrad (1 , A) mittels eines Übertragungselements (4) mit der Welle (W) verbunden ist, welches Übertragungselement (4) zum Ausgleich statischer und/oder dynamischer Abweichungen der Drehachse der Welle (W) von der Drehachse des Antriebszahnrades (1 , A) dient.1. angle sensor for detecting the rotational position of a rotatable shaft (W) with a torque transmitting connected to the shaft (W) drive gear (1, A) and at least one driven by this measuring gear (2, 3), wherein from the angular position of the / the measuring tooth Rades / wheels (2, 3) the angular position of the shaft (W) can be determined, characterized in that the drive gear (1, A) by means of a transmission element (4) is connected to the shaft (W), which transmission element (4) to compensate for static and / or dynamic deviations of the axis of rotation of the shaft (W) from the axis of rotation of the drive gear (1, A) is used.
2. Winkelsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (4) ein mit vier Lageraufnahmen (4.1 , 4.2, 4.3, 4.4) versehener ringförmiger Körper ist, wobei jeweils zwei der Lageraufnahmen (4.1 , 4.3; 4.2, 4.4) bezüglich des Ringumfangs einander gegenüberliegend angeordnet und mit jeweils zwei einerseits der Welle (W) und andererseits dem Antriebszahnrad (1 , A) zugeordneten Gegenlagern (5.1 , 5.3; 6.2, 6.4) in Eingriff sind.2. Angle sensor according to claim 1, characterized in that the transmission element (4) is provided with four bearing receptacles (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) annular body, wherein two of the bearing receptacles (4.1, 4.3, 4.2, 4.4) with respect Ring circumference are arranged opposite to each other and each with two on the one hand the shaft (W) and on the other hand the drive gear (1, A) associated with abutments (5.1, 5.3, 6.2, 6.4) are engaged.
3. Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (4) federelastische Eigenschaften aufweist und unter elastischer Vorspannung zwischen der Welle (W) und dem Antriebszahnrad (1 , A) aufgenommen ist.3. Angle sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the transmission element (4) has resilient properties and is received under elastic bias between the shaft (W) and the drive gear (1, A).
4. Winkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elastische Vorspannung in jeder Drehstellung der Welle (W) ein spielfreier Kontakt des Antriebszahnrades (1 , A) mit der Welle (W) bewirkt ist. 4. Angle sensor according to claim 3, characterized in that by the elastic bias in each rotational position of the shaft (W) a play-free contact of the drive gear (1, A) with the shaft (W) is effected.
5. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messzahnrad (2, 3) mit einem Permanentmagneten (7, 8) versehen ist, dessen Winkelstellung durch einen zugeordneten Magnetfeldsensor erfasst wird.5. Angle sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the measuring gear (2, 3) with a permanent magnet (7, 8) is provided, whose angular position is detected by an associated magnetic field sensor.
6. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites durch das Antriebszahnrad (1 , A) direkt oder indirekt angetriebenes Messzahnrad (3) vorhanden ist, und dass aus der Winkelstellung der beiden Messzahnräder (2, 3) die Winkelstellung der Welle über mehr als eine vollständige Umdrehung hinaus ermittelbar ist.6. Angle sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that a second by the drive gear (1, A) directly or indirectly driven measuring gear (3) is present, and that from the angular position of the two measuring gears (2, 3) the Angular position of the shaft beyond more than a complete revolution can be determined.
7. Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor einen Lenkwinkelsensor in einem Kraftfahrzeug ausbildet. 7. Angle sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the angle sensor forms a steering angle sensor in a motor vehicle.
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