Beschreibung

Anordnung zur Erfassung eines Drehwinkels

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, beispielsweise zur Erfassung eines Drehwinkels eines rotierenden Bauteils beispielsweise in einer Getriebe- oder Lenkvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei einem aus der DE 197 03 903 A1 bekannten Lenkwinkelsensor zur Detek- tierung des Drehwinkels nach der eingangs beschriebenen Art ist ein Sensor so aufgebaut, dass er berührungslos, beispielsweise mit Hallsensoren, den Dreh- winkel des Lenkrades detektiert. Es ist in der Regel für elektronische Steuer- und Regelsysteme in einem Kraftfahrzeug oft eine Bestimmung des Drehwinkels und der Umdrehungszahl des Lenkrades von großer Bedeutung um ein absolutes Istsignal über die Lenkradstellung oder über eine Drehwinkeländerung des Lenkrades zur Verfügung stehen. Dieser bekannte Sensor misst dabei ausschließlich den Relativwinkel zwischen der drehbaren Lenkspindel und der Lenksäule, welche ein fester Bestandteil des Chassis des Fahrzeuges ist.

Für sich gesehen ist aus der DE 100 60 287 A1 bekannt, dass bei einem Einsatz mehrere Codespuren am drehenden Bauteil unterschiedliche Codierung so eingesetzt werden, dass mit einem Noniusverfahren bzw. mit einem modifizier- ten Noniusverfahren auch die Drehwinkel unter Berücksichtigung der Umdrehungszahl des drehenden Bauteils ermittelt werden können, zur Bestimmung

des absolut zurückgelegten Drehweges, beispielsweise bei einem Lenkrad oder bei einem übersetzungsgetriebe.

In der DE 103 05 592 A1 ist beschrieben, dass zwei Messungen am drehenden Bauteil vorgenommen werden, wobei hier jeweils an verschieden Durchmes- sern des drehenden Bauteils die Winkeländerungen abgenommen werden. Aus der DE 195 06 938 A1 und aus der DE 197 39 823 A1 ist bekannt, dass am drehenden Bauteil zwei unterschiedliche Zahnräder mit einer jeweils anderen Zähnezahl die Umdrehungen detektieren, sodass mit einem Noniusverfahren bzw. mit einem modifizierten Noniusverfahren auch hier die Drehwinkel unter Berücksichtigung der Umdrehungszahl des drehenden Bauteils ermittelt werden können.

Ferner sind für sich gesehen aus der EP 15748 A1 und der DE 102006015361 A1 sogenannte Hypozykloidgetriebe bekannt, bei denen ein Flansch mit einer kreisförmigen Zahnung versehen ist, welcher beispielsweise für einen Gelenk- mechanismus an einem Fahrzeugsitz zu einem Hypozykloid- oder auch sogenannten Umfangwälzgetriebe zugehörig ist.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung geht von einer Anordnung zur Erfassung von Drehwinkeln an ei- nem rotierenden Bauteil mit Signalgebern und Sensoren aus, die in Abhängigkeit von der Drehwinkeländerung des rotierenden Bauteils von den Signalgebern erzeugte änderungen einer physikalischen Größe als digital auswertbare Signale detektieren. Gemäß der Erfindung wird zur Bildung einer kostengünstigen auf kleinem Bauraum zu realisierenden Anordnung vorgeschlagen, dass das rotierende Bauteil mindestens einen an seinem Umfang gekoppelten, durch seine Rotation sich drehenden Satelliten kleineren Umfangs mit einem Winkelsensor aufweist, der in vorteilhafter weise über ein axial gekoppeltes Hypozykloidgetriebe eine ebenfalls rotierende Hypozykloidscheibe antreibt, deren Umdrehungsgeschwindigkeit durch das Hypozykloidgetriebe derart untersetz- bar ist, dass hieraus eine Umdrehungszahl des rotierenden Bauteils und der

absolute Lenkwinkel über mehrere Umdrehungen der Lenkwelle mit einem Umdrehungssensor ermittelbar ist.

Die Erfindung kann in vorteilhafter weise bei einer Lenkvorrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, sodass sich der Winkelsensor am Umfang einer rotierenden Welle, bevorzugt als ein Lenkwinkelsensor am Umfang einer Lenkwelle befindet.

Hierbei kann die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft so ausgebildet werden, dass das Hypozykloidgetriebe aus einer mit dem Satelliten axial gekoppelten Hypozykloidscheibe besteht, die achsparallel um einen vorgegebenen Be- trag E zum Satelliten versetz ist. Der Umdrehungssignalgeber und der Satellit sind dabei konzentrisch und der Satellit verfügt über eine um den vorgegebenen Betrag E zu seiner Symmetrieachse versetzte Kontur, die mit der Hypozykloidscheibe gekoppelt ist, bzw. diese antreibt, wobei die Hypozykloidscheibe eine innere Ausnehmung für den Umdrehungssignalgeber aufweist, die durch die um den Betrag E versetzte Achsparallelität jeweils in einem wechselnden Bereich mechanisch mit dieser gekoppelt ist bzw. von der Hypozykloidscheibe angetrieben wird.

Alternativ kann jedoch auch der Umdrehungssignalgeber ortsfest in der Hypozykloidscheibe befestigt sein, sodass dieser dann eine Taumelbewegung ge- genüber dem Sensor vollführt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform erfolgt die mechanische Kopplung des Umdrehungssignalgebers in der inneren Ausnehmung der Hypozykloidscheibe durch eine korrespondierende Zahnradstruktur. Bei einer zweiten Ausführungsform erfolgt die mechanische Kopplung des Umdrehungssignalgebers in der inneren Ausnehmung der Hypozykloidscheibe durch eine Ausgleichskupplung, vorzugsweise eine Oldham-Kupplung, mit radialen Lagerpins in dem Umdrehungssignalgeber und korrespondierend dazu mit radialen Lagenuten in der Hypozykloidscheibe oder umgekehrt. Nach einer dritten Ausführungsform erfolgt die mechanische Kopplung des Umdrehungssignalgebers in der inneren Ausnehmung der Hypozykloidscheibe durch mindestens einen Mitnahmepin

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und korrespondierend dazu mit mindestens einem Mitnahmelangloch in der Hy- pozykloidscheibe erfolgt oder umgekehrt.

Insbesondere um eine höhere Winkelauflösung beim Winkelsensor zu erreichen, kann das rotierende Bauteil mindestens einen weiteren an seinem Um- fang gekoppelten durch seine Rotation sich drehenden Satelliten mit einem Winkelsensor aufweisen. Es kann aber auch mindestens ein weiterer Satellit mit einem Winkelsensor vorhanden sein, der allerdings mit dem einen Satelliten gekoppelt ist.

In besonders vorteilhafter Weise besteht der Winkelsensor und/oder der Um- drehungssensor jeweils aus einem mitrotierenden magnetischen Geber und jeweils einem benachbart angeordneten magnetischen Sensor, vorzugsweise ein Hall-, ein AMR- oder ein GMR-Sensor. Möglich sind aber auch andere physikalische Sensorverfahren, z. B. optische Verfahren. Die Sensoren können dabei auch Bestandteile einer auf einer Leiterplatte angebrachten Auswerte- Schaltung sein, sodass eine Auswertung der Winkel- und/oder Umdrehungsgrößen nach einer Chip-on-board Technologie durchführbar ist.

Bei der hier beschriebenen Erfindung können der Winkel- und der Umdrehungssensor somit unter einem Satelliten angeordnet werden, was viele Vorteile, z.B. hinsichtlich Bauraum und Winkelauflösung hat. Weiterhin wird bei der hier beschriebenen Erfindung die Taumelbewegung des Hypozykloidrades wieder in eine rotatorische Bewegung des Signalgebers des Umdrehungssensors umgewandelt oder der Signalgeber ist in der Hypozykloidscheibe ortsfest befestigt. Dies ermöglicht, dass auch dieser Signalgeber mit einer hohen Winkelauflösung ausgewertet werden kann, z. B. mit einem diametral magnetisierten Ringmagnet mit zwei zueinander um 90 Grad verdrehten HaII-ICs oder ein diametral magnetisierter Zylindermagnet mit einem zentrisch positionierten 2- Achsen-Hall-IC.

Bei einer Verwendung als Lenkwinkelsensor können somit neben der kostengünstigen und für kleine Bauräume realisierbaren Anordnung auch einfach an- steuerbare und auswertbare Sensorelemente verwendet werden. Solche Sensoren detektieren den absoluten Winkel über mehrere Lenkwellenumdrehungen

mit einer kleinen Winkelauflösung von ca. 0,1 °. Weiterhin kann ein solcher erfindungsgemäßer Lenkwinkelsensor auch nach einem Start des Kraftfahrzeugs "True Power On" fähig auch bei entleerter oder abgeklemmter Batterie sein, d.h., der Initialisierungswinkel ist 0°, was mit dem mechanischen Umdrehungs- sensorsystem möglich ist. Anderes Systeme verbrauchen beim Zustand „Zündung aus" einen Ruhestrom und müssen nach einer Batterieentleerung neu initialisiert werden.

Auf einfache Weise ist die Erfindung entweder als einfache „Low Cost" Ausführung oder als teurere Ausführung für sicherheitskritische Anforderungen aus- führbar, wobei die Anpassung jeweils überwiegend über die elektronischen Komponenten, z.B. ein oder zwei Mikroprozessoren, Single oder Double-Hall- ICs, einfache Bus-Protokolle wie PWM oder SENT oder komplexere Bus- Protokolle wie CAN oder Flexray, erfolgen kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Lenkwinkelsensor als er- findungsgemäße Anordnung mit einem Winkelsensor und einem Umdrehungssensor an jeweils einem Satelliten,

Figur 2 eine Detailansicht auf den Umdrehungssensor nach der Figur 1 mit einem Hypozykloidgetriebe als Sprengzeichnung,

Figur 3 eine Detailansicht des Hypozykloidgetriebes nach der Figur 2 im zu- sammengefügten Zustand,

Figur 4 eine Detailansicht einer Ausführungsform des Hypozykloidgetriebes mit einem ortsfesten Signalgeber im zusammengefügten Zustand

Figur 5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Funktion des Hypozykloidgetrie- bes,

Figur 6 ein Diagramm, aus dem die den Winkel- und Umdrehungsverläufen entsprechenden Sensorsignale ersichtlich sind,

Figuren 7 bis 9 verschiedene Ausführungen der mechanischen Kopplung im Hypozykloidgetriebe und

Figur 10 eine Ausführung mit einem Hypozykloidzahnrad.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Aus Figur 1 ist eine Anordnung eines Lenkwinkelsensors 1 mit einem von einer hier nicht gezeigten Lenkwelle eines Fahrzeugs angetriebenen Rotor 2 mit einem äußeren Zahnrad ersichtlich. Der Lenkwinkelsensor 1 detektiert somit den Drehwinkel der Lenkwelle, da die Lenkwelle den Rotor 1 und dieser über die äußere Verzahnung einen Satelliten 3 mit einem hier nicht sichtbaren Winkel- sensorsystem antreibt, der achsparallel zur Lenkwelle positioniert ist.

Am Satellit 3 befindet sich somit das Winkelsensorsystem mit einem Winkelsignalgeber, der den Feinwinkel der Lenkwelle ermittelt, mit beispielsweise ca. 0,1 ° Winkelauflösung. Der Winkelsignalgeber ist im Satellit 3 ortsfest positioniert und rotiert synchron mit diesem und zum hier nicht ersichtlichen Winkelsignalgeber ist ein Winkelsensor positioniert, der dessen Rotation detektiert.

An einem Satelliten 5 befindet sich ein erfindungsgemäßes Umdrehungssensorsystem, das die Umdrehung des Satelliten 5 ermittelt. Aufgrund eines vom Satelliten 5 angetriebenen Hypozykloidgetriebes, das anhand der folgenden Figuren erläutert wird, dreht sich ein von diesem Getriebe angetriebener Um- drehungssignalgeber eines Umdrehungssensorsystem 6 über den gesamten zu messenden Winkelbereich der Lenkwelle mit max. 1 Umdrehung.

Der Satellit 5 mit dem Umdrehungssensorsystem rotiert bevorzugt um maximal eine Umdrehung über den gesamten Lenkwinkelbereich, er kann jedoch über

mehrere Umdrehungen der Lenkwelle rotieren, wobei dann ein auswertbarer Nonius zwischen den periodischen Signalen des Winkels.- und des Umdrehungssensors vorhanden sein muss, der über eine elektronische Auswertung berechenbar ist.

Beispielsweise haben übliche Lenkwellen einen Winkelbereich von 4 bis 6 Umdrehungen, was einem Winkelbereich von 1440° bis 2160° entspricht. Zum Signalgeber des Umdrehungssensorsystems 6 ist ein Umdrehungssensor positioniert, der dessen Rotation detektiert.

Gemäß eines hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiels kann der Satellit 3 auch weggelassen werden und die Funktion des Winkelsensors kann dann auch mit dem Satelliten 5 ausgeführt werden.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich, treibt der von der Lenkwelle angetriebene Rotor 2 den Satelliten 5 des Umdrehungssensorsystems 6 an. Der aus den Figuren 2 und 3 deutlicher erkennbare Satellit 5 ist über einen Signalgeber 7, zum Bei- spiel ein zylindrischer Magnet, rotatorisch gelagert, der wiederum über ein Gehäuse 8 rotatorisch gelagert werden kann. Außerdem ist eine Hypozykloid- scheibe 9 und eine Leiterplatte 10 mit HaII-ICs als Sensoren der Sensorsysteme vorhanden.

Aus Figur 4 ist entnehmbar, dass der Signalgeber 7 ortsfest in der Hypozykloid- scheibe 9 befestigt ist und zum Beispiel ein zylindrischer Magnet ist, der dann eine Taumelbewegung gegenüber dem hier nicht dargestellten Sensorsystem vollführt.

Aus der Figur 5 ist im Schnitt zu entnehmen, wie die Hypozykloidscheibe 9 mit einem Abstand E exzentrisch zur Rotationsachse des Satelliten 5 positioniert ist. Das Rotationszentrum dieser exzentrisch positionierten Hypozykloidscheibe 9 rotiert somit auf einer Kreisbahn mit Radius E um die Rotationsachse des Satelliten 5. Der Zylinder der Hypozykloidscheibe 9 hat dabei immer Kontakt mit einem statischen Hohlzylinder 11 , der z.B. eine Kontur des umgebenden Gehäuse 8 ist. Die Symmetrieachse dieses statischen Hohlzylinders 11 ist konzen- trisch zum Rotationszentrum des Satelliten 5. Ist die mechanische Reibung zwi-

schen der Hypozykloidscheibe 9 und dem Hohlzylinder 11 groß genug, wälzt oder rollt sich die Hypozykloidscheibe 9 auf dem Hohlzylinder 11 ab. Weiterhin ist ein Sensor 4 mit einer Leiterplatte 10 ersichtlich.

Der Winkel, den die Hypozykloidscheibe 9 dabei bei einer Umdrehung des Sa- telliten 5 rotiert, ergibt sich aus der Differenz der Kreisumfänge des kleineren Zylinders der Hypozykloidscheibe 9 und des größeren Hohlzylinders 11 des Gehäuses 8. Diese Differenz kann durch die beiden Parameter Durchmesser D1 der Hypozykloidscheibe 9 und dem Abstand E beeinflusst werden. Aus den beiden Parametern resultiert der Durchmesser D2 des Hohlzylinders 11 und somit die Differenz der beiden Kreisumfänge δU.

Danach muss die Kreisbahnbewegung des Rotationszentrums der Hypozykloidscheibe 9 noch in eine reine rotatorische Bewegung umgewandelt werden, damit eine genaue Winkeldetektion durch den Sensor am Umdrehungssensorsystem 6 möglich ist. Wie schon vorher beschrieben, ist der Signalgeber des Umdrehungssensorsystems 6 konzentrisch zum Satelliten 5 rotatorisch gelagert. Hierfür wird somit eine die Kreisbahnbewegung ausgleichende Mitnahme benötigt, bei der die Hypozykloidscheibe 9 den Signalgeber 7 rotatorisch mitnimmt.

Der Rotationswinkel δ der Hypozykloidscheibe 9 berechnet sich mit D2=D1+2 ^* E aus dem Umfang U1 der Hypozykloidscheibe 9

U1 = π ^* D1 ,

dem Umfang U2 des statischen Hohlzylinders

U2 = π ^* D2 mit der Differenz

δU = U1-U2 = 2 ^* π* E.

Für die Winkel gilt dann folgendes Verhältnis:

<=> J = 360° entsprechend

360° U\ Ul

_ 720° • E o =

Dl

Figur 6 zeigt den Verlauf 12 des Umdrehungssignals, das hier über einen Winkel von 1800° entsprechend 5 Umdrehungen mit dem Verlauf 13 ein über 120° periodisches Signal ist.

Es gibt hier mehrere Varianten der ausgleichenden Mitnahme, nämlich ein Zahnrad-Hypozykloidgetriebe nach Figur 7 mit einer Innenverzahnung 20 und am Signalgeber über eine Außenverzahnung 21. Die Zähnezahl beider Zahnräder ist hierbei gleich. Dieses Hypozykloidgetriebe, realisiert über Zahnräder, nimmt den Signalgeber mit, lässt diesen synchron zur Hypozykloidscheibe 9 rotieren und gleicht die Kreisbahnbewegung des Hypozykloidscheibe- Rotationszentrums aus.

Bei einer anderen Variante wird eine Ausgleichskupplung 22 nach Figur 8, zum Beispiel eine sogenannte Oldham-Kupplung, verwendet. über diese Ausgleichskupplung 22 wird die Rotation der Hypozykloidscheibe 9 synchron auf den Signalgeber übertragen. Die über 90° positionierten Längslagerstellen 23 an der Hypozykloidscheibe 9 und am Signalgeber gleichen auch hier die Kreisbahnbewegung des Hypozykloidscheibe-Rotationszentrums aus.

Gemäß einer weiteren Variante nach Figur 9 kann ein Mitnahmepin 24 am Signalgeber angebracht werden, der in ein Langloch 25 der Hypozykloidscheibe 9 greift. Der Mitnahmepin 24 gleicht die Taumelbewegung der Hypozykloidscheibe 9 aus, indem er im Langloch 25 in radialer Richtung Spiel hat. In tangentialer Richtung ist der Mitnahmepin 24 quasi spielfrei gelagert, wodurch der Signalgeber von der Hypozykloidscheibe 9 rotatorisch mitgenommen wird.

In allen beschriebenen Fällen wird das Signal des rotierenden Umdrehungssig- nalgebers vom Umdrehungssensor 6 detektiert und zusammen mit dem Signal des Winkelsensors 4 kann in einer Auswerteeinheit der absolute Lenkwinkel berechnet werden. Hierbei ist noch zu erwähnen, dass auch alleinig mit dem Umdrehungssensor 6, d.h. ohne den Winkelsensor 4 der absolute Lenkwinkel berechnet werden kann, wobei lediglich die Winkelauflösung größer, ca.0,5°, ist

und die Winkelgenauigkeit geringer ist. Der zusätzliche Winkelsensor 4 verbessert die Winkelauflösung und die Winkelgenauigkeit des berechneten absoluten Lenkwinkels.

Aus Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hypozykloidgetriebes mit einer Leiterplatte 10 und HaII-ICs 12 gezeigt, bei dem im Unterschied zu der Ausführung nach den Figuren 2 und 3 ein Hypozykloid- zahnrad 30 vorhanden ist, das auch außen eine Verzahnung 31 aufweist und mit einer Innenverzahnung 32 in einem entsprechend ausgeführten Gehäuse 33 in der gleichen Weise korrespondiert, wie zuvor beschrieben, sodass hiermit eine weiter Untersetzung der Umdrehung möglich ist. Die Verzahnung des Hy- pozykloidzahnrades 30 hat nach diesem Ausführungsbeispiel mindestens einen Zahn weniger als die Innenverzahnung 32.