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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lenkwinkelsensor für ein Fahrzeug mit einem Rotor, der derart in dem Fahrzeug montierbar ist, dass er durch eine Drehung eines Lenkrads des Fahrzeugs über einen damit verbundenen Lenkwellenrotor in Rotation versetzt wird, wobei der Rotor ein erstes und ein zweites Einzelzahnrad aufweist, die um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind, wobei das zweite Einzelzahnrad konzentrisch zu dem ersten Einzelzahnrad gehalten und relativ zu dem ersten Einzelzahnrad verdrehbar ist, wobei der Rotor ein Federkraftelement aufweist, welches das erste und das zweite Einzelzahnrad in Umfangsrichtung gegeneinander vorspannt, und wobei der Lenkwinkelsensor ein Gehäuseelement aufweist,
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Auch betrifft die vorliegende Erfindung eine Lenkvorrichtung mit einem Lenkrad, einer Lenkwelle, die rotationsfest mit dem Lenkrad verbunden ist, einem an der Lenkwelle angebrachten Lenkwellenrotor, und einem obigen Lenkwinkelsensor, wobei der Lenkwellenrotor mit dem Rotor des Lenkwinkelsensors kämmt.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug mit einer obigen Lenkvorrichtung.
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Ein solcher Lenkwinkelsensor wird in der Lenkvorrichtung typischerweise zum Bestimmen einer absoluten Winkelposition des Lenkrads verwendet. Dabei ist es prinzipiell unerheblich, ob die Lenkwelle mechanisch mit den entsprechenden Rädern des Fahrzeugs gekoppelt ist, oder ob eine Drehung der Lenkwelle mit dem Lenkrad elektronisch erfasst wird und eine entsprechende Lenkbewegung der Räder des Fahrzeugs bewirkt. Prinzipiell gelten dieselben Ausführungen auch für Fahrzeuge, die beispielsweise einen Kettenantrieb mit einer entsprechenden Lenkung mit einem Lenkrad oder eine andere Art der Lenkung aufweisen.
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Dabei kann die Lenkvorrichtung mit einem Mehrachsendetektor ausgeführt sein, welcher den obigen Lenkwinkelsensor umfasst. Weiterhin kann der Lenkwinkelsensor einen aktiven Betriebsmodus und einen Standby-Betriebsmodus aufweisen. Auch kann der Lenkwinkelsensor vorzugsweise nicht nur eine Geschwindigkeit einer Drehung des Lenkrads erfassen, sondern zusätzlich eine Richtung der Drehung des Lenkrads.
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Wie in den 1 und 2 dargestellt ist, umfasst ein solcher Lenkwinkelsensor 20 einen Rotor 10 mit einem ersten und einem zweiten Einzelzahnrad 12, 14, die gegeneinander um einen Winkel X drehbar sind. Jedes der Einzelzahnräder 12, 14 weist dabei an seiner Umfangsfläche eine Mehrzahl Zähne 16 auf. Die Anzahl Zähne 16 der beiden Einzelzahnräder 12, 14 ist dabei gleich gewählt. Die Drehung der Einzelzahnräder 12, 14 erfolgt gegen die Kraft eines Federkraftelements 18, welches die beiden Einzelzahnräder 12, 14 miteinander koppelt und das erste und das zweite Einzelzahnrad 12, 14 in Umfangsrichtung gegeneinander vorspannt. Dadurch ist der Rotor 10 spielfrei im Eingriff mit einem kämmenden Element, beispielsweise einem nicht dargestellten Lenkwellenrotor. Das erste Einzelzahnrad 12 ist hier als Magnetzahnrad ausgeführt.
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Die 3 und 4 zeigen einen Aufbau des Lenkwinkelsensors 20 insgesamt mit dem in den 1 und 2 dargestellten Rotor 10. Der Lenkwinkelsensor 20 umfasst ein Gehäuse 22, 26 mit einem Gehäuseelement 26 und einem Gehäusedeckel 22, in dem der Rotor 10 drehbar gehalten ist. Der Gehäusedeckel 22 ist als Leiterplatte ausgeführt, an der ein Hall-Sensor 24 montiert ist.
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Das erste und das zweite Einzelzahnrad 12, 14 bilden hier den Rotor 10, indem das zweite Einzelzahnrad 14 konzentrisch mit dem ersten Einzelzahnrad 12 auf einer gemeinsamen Drehachse gehalten ist. Das Federkraftelement 18 ist dazwischen angeordnet. Dazu weist das erste Einzelzahnrad 12 einen Hülsenbereich 28 auf, auf den das zweite Einzelzahnrad 14 aufgeschoben ist. Das erste und das zweite Einzelzahnrad 12, 14 sind um die gemeinsame Drehachse zueinander verdrehbar gelagert.
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Das zweite Einzelzahnrad 14 umfasst hier einen ringförmigen Führungsbereich 30, der in einer ringförmigen Aufnahme 32 des Gehäuseelements 26 drehbar aufgenommen ist. Außerdem weist das erste Einzelzahnrad 12 eine Aussparung 34 auf, in welcher der Hall-Sensor 24 aufgenommen ist.
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Der so aufgebaute Lenkwinkelsensor 20 ist zur Montage in einem hier nicht dargestelltem Fahrzeug ausgeführt, so dass er durch eine Drehung eines Lenkrads des Fahrzeugs in Rotation versetzt wird. Dabei wird das erste Einzelzahnrad 12 relativ zu dem Hall-Sensor 24 gedreht. Die resultierende Änderung des magnetischen Feldes wird von dem Hall-Sensor 24 erfasst und ausgewertet, um die Drehung des Lenkrads zu bestimmen.
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Ein solcher Lenkwinkelsensor ist beispielsweise aus der
US 8,164,327 B2 bekannt. Im Detail ist daraus eine Lenkwinkelsensoranordnung zum Bestimmen der absoluten Winkelposition eines Lenkrads eines Kraftfahrzeugs bekannt. Die Lenkwinkelsensoranordnung umfasst einen Mehrachsendetektor mit einem aktiven Betriebsmodus und einem Standby-Betriebsmodus, der zum Messen der Geschwindigkeit und der Richtung der Drehung des Lenkrads angepasst ist. Die Lenkwinkelsensoranordnung umfasst ferner mindestens einen zweiten Detektor, der angeordnet ist, um einen Quadraturkodierer zu bilden, um eine Bewegung und eine Richtung des Lenkrads zu erfassen, wenn sich der Mehrachsendetektor in dem Standby- oder Abschaltbetriebsmodus befindet.
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Zusätzlich ist aus der
DE 10 2004 021 405 A1 ein Lenksäulenmodul mit einem stationären Gehäuse, einer im Gehäuse drehbar gelagerten und mit einer Lenkspindel drehfest verbundenen Hülse bekannt. Die Hülse ist mit einer umlaufenden Verzahnung versehen, mit welcher ein Zahnrad kämmt, wobei das Zahnrad von wenigstens zwei übereinander liegenden Zahnradelementen gebildet wird, die gegeneinander verspannt oder verdreht sind, und die Zahnradelemente mit der Verzahnung kämmen.
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Außerdem ist aus der
DE 10 2008 049 680 A1 ein zweiteiliges Zahnrad mit einem ersten Kranzring, der mit einer Nabe verbunden ist, und einem zweiten Kranzring bekannt. Zumindest ein Federelement sorgt dafür, dass der zweite Kranzring in Umfangsrichtung gegen den ersten Kranzring vorgespannt wird, um so beim Kämmen des zweiteiligen Zahnrads mit einem anderen Zahnrad für einen Zahnflankenspielausgleich zu sorgen. Die Feder umfasst ein Ringsegment, von dem zwei Endabschnitte wegstehen, die in eine Nut in der Nabe bzw. eine Nut in dem zweiten Zahnkranz eingreifen. Es werden zwei solcher Federelemente verwendet, die um 180° versetzt und in einer Ringnut in dem zweiten Zahnkranz angeordnet sind.
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Weiter ist aus der
DE10 2011 122 341 A1 ein Zahnrad für eine Vorrichtung zum Erfassen eines Positionswinkels eines drehbaren Bauteils eines Fahrzeugs bekannt. Das Zahnrad weist eine erste Zahnradhälfte und eine zweite Zahnradhälfte auf, welche mit der ersten Zahnradhälfte gekoppelt ist, wobei die Zahnradhälften in Umlaufrichtung um eine Längsachse des Zahnrads relativ zueinander bewegbar sind. Die Relativbewegung ist in Umlaufrichtung durch zumindest ein verformbares Element begrenzt, wobei das verformbare Element ein zwischen den Zahnradhälften angeordnetes Bauteil ist, welches zumindest außenseitig aus einem metallfreien Material ausgebildet ist.
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Die
US 2010/0235054 A1 offenbart einen Lenkwinkelsensor mit einem Hauptzahnrad und zwei Nebenzahnrädern. Dabei ist ein Nebenzahnrad zweiteilig aufgebaut, so dass ein zweites Einzelzahnrad an dem Schaft eines ersten Einzelzahnrades gehalten ist. Diese Schrift ist der gattungsbildende Stand der Technik.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Lenkwinkelsensor, eine Lenkvorrichtung und ein Fahrzeug der oben genannten Art anzugeben, die einen kompakten Aufbau aufweisen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist somit ein Lenkwinkelsensor für ein Fahrzeug angegeben mit einem Rotor, der derart in dem Fahrzeug montierbar ist, dass er durch eine Drehung eines Lenkrads des Fahrzeugs über einen damit verbundenen Lenkwellenrotor in Rotation versetzt wird, wobei der Rotor ein erstes und ein zweites Einzelzahnrad aufweist, die um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind, wobei das zweite Einzelzahnrad konzentrisch zu dem ersten Einzelzahnrad gehalten und relativ zu dem ersten Einzelzahnrad verdrehbar ist, wobei der Rotor ein Federkraftelement aufweist, welches das erste und das zweite Einzelzahnrad in Umfangsrichtung gegeneinander vorspannt, wobei der Lenkwinkelsensor ein Gehäuseelement aufweist, und wobei das erste Einzelzahnrad einen Schaft aufweist, mit dem das erste Einzelzahnrad an dem Gehäuseelement drehbar gelagert ist und das zweite Einzelzahnrad drehbar auf dem Schaft gehalten ist.
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Erfindungsgemäß ist außerdem eine Lenkvorrichtung mit einem Lenkrad, einer Lenkwelle, die rotationsfest mit dem Lenkrad verbunden ist, einem an der Lenkwelle angebrachten Lenkwellenrotor, und einem obigen Lenkwinkelsensor angegeben, wobei der Lenkwellenrotor mit dem Rotor des Lenkwinkelsensors kämmt.
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Weiter ist erfindungsgemäß ein Fahrzeug mit einer obigen Lenkvorrichtung angegeben.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, die Konstruktion des Rotors dahingehend zu vereinfachen, dass der Rotor insgesamt bereitgestellt und als einteiliges Element an dem Gehäuseelement drehbar gelagert werden kann. Dies ermöglicht eine effiziente Montage des Lenkwinkelsensors, da die Lagerung des zweiten Einzelzahnrads an dem ersten Einzelzahnrad erfolgt. Auch kann der Rotor insgesamt zuverlässig und mit geringem Spiel gehalten werden, da nur ein Spiel zwischen dem ersten Einzelzahnrad und dem Gehäuseelement auftreten kann. Ein Spiel zwischen dem ersten Einzelzahnrad und dem zweiten Einzelzahnrad beeinträchtigt vorliegend nicht die Halterung des Rotors. Dabei wird einerseits ein axiales Spiel reduziert, da sich lediglich das erste Einzelzahnrad einzeln in axialer Richtung bewegen kann. Andererseits wird auch ein Spiel in radialer Richtung reduziert. Ein Spiel des zweiten Einzelzahnrads ergibt sich lediglich relativ zu dem ersten Einzelzahnrad, und summiert sich nicht - wie bei einer gemeinsamen Halterung des ersten und zweiten Einzelzahnrads zu einem Gesamtspiel des Rotors auf.
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Der Lenkwinkelsensor wird typischerweise in einer Lenkvorrichtung in einem Fahrzeug verwendet. Der Lenkwinkelsensor ist über eine Lenkwelle mit einem Lenkrad rotatorisch gekoppelt, wobei Lenkwelle und Lenkrad rotationsfest zueinander sind, so dass eine Lenkbewegung des Lenkrads auf die Lenkwelle und damit auf den Lenkwellenrotor übertragen wird. Der Lenkwellenrotor treibt dann den Rotor des Lenkwinkelsensors an. Diese Bewegung des Rotors wird von dem Lenkwinkelsensor erfasst und ausgewertet. Dabei kann durch eine Ausgestaltung des Lenkwellenrotors und des Rotors eine gewünschte Übersetzung zwischen einer Umdrehung der Lenkwelle und des Rotors eingestellt werden. Dadurch kann beispielsweise eine Winkelauflösung des Lenkwinkelsensors eingestellt werden.
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Das erste und das zweite Einzelzahnrad sind dabei gegeneinander um einen Winkel drehbar sind, haben den gleichen Außendurchmesser und weisen an ihrer Umfangsfläche jeweils die gleiche Anzahl Zähne auf. Die Drehung der Einzelzahnräder gegeneinander erfolgt gegen die Kraft des Federkraftelements, welches die beiden Einzelzahnräder miteinander koppelt und das erste und das zweite Einzelzahnrad in Umfangsrichtung gegeneinander vorspannt. Dadurch ist der Rotor spielfrei im Eingriff mit einem kämmenden Element, beispielsweise einem an der Lenkwelle angebrachten Lenkwellenrotor.
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Der Lenkwinkelsensor kann auf prinzipiell unterschiedliche Weise die Drehung der Lenkwelle erfassen. Die Erfassung der Drehung des Rotors erfolgt durch ein entsprechendes Sensorelement. Der Lenkwinkelsensor kann prinzipiell berührungslos arbeiten, wodurch sich eine geringe Reibung und ein geringer Verschleiß ergeben. Abhängig von der Ausgestaltung des Lenkwinkelsensors kann der Lenkwinkel mit einer hohen Präzision bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß ist der Lenkwinkelsensor ein magnetischer Lenkwinkelsensor. Es erfolgt eine magnetische Erfassung der Drehung des Rotors durch ein entsprechendes magnetisches Sensorelement und wenigstens ein Magnetelement als Signalgeber. Eine Auswerteelektronik führt eine Erfassung der Drehung durch. Der magnetische Lenkwinkelsensor arbeitet berührungslos und daher mit geringer Reibung und geringem Verschleiß. Abhängig von der Ausgestaltung des magnetischen Lenkwinkelsensors kann der Lenkwinkel mit einer hohen Präzision bestimmt werden. Das Magnetelement ist an dem ersten Einzelzahnrad gehalten.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Auswerteelektronik einen Hall-Sensor auf. Der Hall-Sensor kann eine Änderung des magnetischen Feldes in seiner Umgebung, wie sie durch eine Rotation des wenigstens einen Magnetelements bewirkt wird, zuverlässig erfassen. Dabei kann durch die Anzahl verwendeter Magnetelemente eine Winkelauflösung des Lenkwinkelsensors beeinflusst werden. Das wenigstens eine Magnetelement ist vorzugsweise in räumlicher Nähe zu dem Hall-Sensor angeordnet. Das erste Einzelzahnrad ist als magnetisches Einzelzahnrad mit wenigstens einem entsprechenden Magnetelement ausgeführt, oder das wenigstens Magnetelement ist an dem ersten Einzelzahnrad angebracht.
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Das zweite Einzelzahnrad ist in einem Bereich zwischen dem ersten Einzelzahnrad und dem Gehäuseelement angeordnet. Entsprechend ist das zweite Einzelzahnrad auf einer der Auswerteelektronik entgegengesetzten Seite angebracht. Das erste Einzelzahnrad kann beispielsweise mit dem Magnetelement in Nähe zu der Auswerteelektronik angeordnet sein, um eine ungestörte Erfassung der Rotation des Rotors durch die Auswerteelektronik zu ermöglichen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Lenkwinkelsensor eine Leiterplatte mit einer Auswerteelektronik zur Bestimmung einer Rotation des Rotors auf, die Leiterplatte bildet einen Gehäusedeckel oder ist als Teil eines Gehäusedeckels ausgeführt, und der Rotor ist in einem durch das Gehäuseelement und den Gehäusedeckel gebildeten Gehäuse gehalten ist. Das Gehäuseelement wird von dem Gehäusedeckel mit der Leiterplatte verschlossen, wobei die Leiterplatte zum Verschluss des Gehäuses beiträgt. Dies ermöglicht ein kompaktes Design des Lenkwinkelsensors, da in dem Gehäuse nicht zusätzlich eine Leiterplatte aufgenommen werden muss. Die Auswerteelektronik kann dabei prinzipiell innenseitig oder außenseitig an der Leiterplatte angebracht sein. Bei einer innenseitigen Anbringung ist die Auswerteelektronik besonders geschützt. Die Auswerteelektronik umfasst vorzugsweise einen Hall-Sensor oder ist als Hall-Sensor ausgeführt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Schaft zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuseelement. Das erste Einzelzahnrad wird also zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuseelement gehalten. Dadurch kann der Rotor besonders zuverlässig und mit wenig Spiel gehalten werden. Es wird einerseits ein axiales Spiel reduziert, da sich lediglich das erste Einzelzahnrad einzeln in axialer Richtung zwischen dem Gehäuseelement und der Leiterplatte bewegen kann. Andererseits wird auch ein radiales Spiel reduziert, da das erste Einzelzahnrad nur durch seine eigene Lagerung Spiel erfährt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Einzelzahnrad an seinem der Leiterplatte zugewandten axialen Ende eine zentrisch angeordnete Bohrung auf, und die Auswerteelektronik ist innerhalb der Bohrung angeordnet. Dadurch kann einerseits die Auswerteelektronik sehr nah an dem Rotor positioniert sein, um dessen Rotation zu erfassen. Andererseits ergibt sich ein besonders kompaktes Design des Lenkwinkelsensors, da keiner oder nur wenig zusätzlicher Raum für die Auswerteelektronik bereitgestellt werden muss.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuseelement ein Lagerelement auf, an dem das erste Einzelzahnrad drehbar gelagert ist. Das Lagerelement kann dabei auf verschiedene Weise bereitgestellt sein. Es bildet vorzugsweise eine Drehachse zur drehbaren Anbringung des ersten Einzelzahnrads.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Lagerelement als Lagerstift ausgeführt, das erste Einzelzahnrad weist eine mit dem Lagerstift korrespondierende Innenbohrung auf, und das erste Einzelzahnrad ist mit seiner Innenbohrung drehbar auf dem Lagerstift gehalten. Der Lagerstift bildet somit eine Drehachse des Einzelzahnrads wie auch des Rotors insgesamt. Der Lagerstift kann dabei als zylinderförmiges Lagerelement ausgeführt sein, oder eine Mehrzahl Arme aufweisen, die sich von einem Mittelbereich nach außen erstrecken, so dass Enden der Arme einen Zylinder aufspannen.
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Alternativ kann das Lagerelement ausgeführt sein, dass es einen hülsenförmigen oder zylinderförmigen Bereich des ersten Einzelzahnrads von außen umgreift. Entsprechend kann das Lagerelement beispielsweise nach er Art einer Hülse ausgeführt sein.
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Erfindungsgemäß weist das erste und/oder das zweite Einzelzahnrad einen Schnappmechanismus auf, mit dem das erste und das zweite Einzelzahnrad aneinander montierbar sind. Durch den Schnappmechanismus wird eine Anbringung des zweiten Einzelzahnrads an dem ersten Einzelzahnrad auf einfache Weise ermöglicht. Somit kann der Rotor insgesamt einfach gebildet werden. Der Schnappmechanismus umfasst eine Mehrzahl Federbeine, die sich entlang eines Hülsenbereichs des ersten Einzelzahnrads erstrecken. Wenn das zweite Einzelzahnrad auf den Hülsenbereich aufgeschoben wird, können die Federbeine das zweite Einzelzahnrad hintergreifen, so dass es fest auf dem Hülsenbereich des ersten Einzelzahnrads gehalten ist. Der Schnappmechanismus ist vorzugsweise an dem ersten Einzelzahnrad ausgebildet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Federkraftelement als Ringfeder ausgeführt und an dem ersten und/oder dem zweiten Einzelzahnrad gehalten. Die Ringfeder kann einfach an dem ersten oder zweiten Einzelzahnrad angebracht und rotatorisch damit gekoppelt werden. Die Ringfeder kann eine Kraft in Umfangsrichtung gut aufnehmen und zwischen den zwei Einzelzahnrädern übertragen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das zweite Einzelzahnrad eine zentrische Durchgangsöffnung auf, und das erste Einzelzahnrad weist einen Hülsenbereich auf, auf dem das zweite Einzelzahnrad mit seiner zentrischen Durchgangsöffnung montierbar ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Lenkvorrichtung eine Mehrzahl Lenkwinkelsensoren auf, die mit der Lenkwelle rotatorisch gekoppelt sind. Vorzugsweise weist die Lenkvorrichtung zwei Lenkwinkelsensoren auf. Eine so gebildete Lenkvorrichtung ermöglicht eine Bildung einer Lenkwinkelsensoranordnung, um beispielsweise einen Quadraturkodierer zu bilden. Der Quadraturkodierer kann zuverlässig die Bewegung und Richtung der Rotation des Lenkrads erfassen, wenn sich die Lenkwinkelsensoranordnung im Bereitschafts- oder Abschaltbetriebsmodus befindet.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine Darstellung eines Rotors aus dem Stand der Technik mit zwei Einzelzahnrädern, die gegeneinander in Umfangsrichtung drehbar gehalten sind, mit einem Spiel, in einer seitlichen Ansicht bzw. Draufsicht,
- 2 eine Darstellung des Rotors aus 1 mit den zwei Einzelzahnrädern und einem Federkraftelement, mit dem die beiden Einzelzahnräder gegeneinander vorgespannt sind, in einer seitlichen Schnittansicht bzw. Draufsicht,
- 3 eine Darstellung eines Lenkwinkelsensors aus dem Stand der Technik mit dem Rotor aus den 1 und 2, einem Hall-Sensor und einem Gehäuse, wobei der Rotor in dem Gehäuse angeordnet ist, in einer Explosionsansicht,
- 4 eine Darstellung eines Lenkwinkelsensors aus 3 im montierten Zustand in einer seitlichen Schnittansicht,
- 5 eine Darstellung eines Lenkwinkelsensors gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Rotor mit zwei Einzelzahnrädern, die gegeneinander in Umfangsrichtung drehbar gehalten sind, einem Federkraftelement, mit dem die beiden Einzelzahnräder gegeneinander vorgespannt sind, einem Hall-Sensor und einem Gehäuse, wobei der Rotor in dem Gehäuse angeordnet ist, in einer Explosionsansicht,
- 6 eine Darstellung des Lenkwinkelsensors aus 5 im montierten Zustand in einer seitlichen Schnittansicht,
- 7 eine schematische Darstellung einer Lenkvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform mit einer Lenkwelle, einem daran angebrachten Lenkwellenrotor und zwei Lenkwinkelsensoren aus 5 deren Rotoren mit dem Lenkwellenrotor kämmen, und
- 8 eine Detailansicht der Lenkvorrichtung aus 7, wobei der Lenkwellenrotor kämmend mit einem der Rotoren der beiden Lenkwinkelsensoren dargestellt ist.
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Die 5 und 6 zeigen einen Lenkwinkelsensor 50 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Der Lenkwinkelsensor 50 umfasst einen Rotor 52 mit einem ersten und einem zweiten Einzelzahnrad 54, 56, die um eine gemeinsame Drehachse drehbar gelagert sind. Das erste Einzelzahnrad 54 ist konzentrisch zu dem zweiten Einzelzahnrad 56 angeordnet. Das erste und das zweite Einzelzahnrad 54, 56 sind gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel drehbar und haben den gleichen Außendurchmesser. Der Rotor 52 umfasst weiterhin ein Federkraftelement 58, mit dem die beiden Einzelzahnräder 54, 56 miteinander gekoppelt sind. Das Federkraftelement 58 ist hier als Ringfeder 58 ausgeführt, die in einer ringförmigen Aussparung des zweiten Einzelzahnrads 56 positioniert ist. Eine Drehung der Einzelzahnräder 54, 56 erfolgt entsprechend gegen eine Kraft des Federkraftelements 58, welches die beiden Einzelzahnräder 54, 56 in Umfangsrichtung gegeneinander vorspannt.
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Jedes der Einzelzahnräder 54, 56 weist dabei an seiner jeweils eine gleiche Anzahl Zähne 60 auf. Das erste Einzelzahnrad 54 weist einen Schaft 62 auf, und das zweite Einzelzahnrad 56 weist eine zentrische Durchgangsöffnung 64 auf. Das zweite Einzelzahnrad 56 ist mit seiner zentrischen Durchgangsöffnung 64 auf dem Schaft 62 des ersten Einzelzahnrads 54 montiert. Zur axialen Fixierung des zweiten Einzelzahnrads 56 weist das erste Einzelzahnrad 54 eine Mehrzahl Federbeine 66 auf, die sich entlang des Hülsenbereichs 62 erstrecken und das zweite Einzelzahnrad 56 auf dem Hülsenbereich 62 in axialer Richtung hintergreifen, so dass es fest auf dem Hülsenbereich 62 des ersten Einzelzahnrads 54 gehalten ist. Die Federbeine 66 bilden gemeinsam einen Schnappmechanismus. Das zweite Einzelzahnrad 56 ist mit dem Schnappmechanismus relativ zu dem ersten Einzelzahnrad 54 verdrehbar auf dem Schaft 62 gelagert.
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Der Lenkwinkelsensor 50 umfasst weiterhin ein Gehäuseelement 68 und eine Leiterplatte 70. Die Leiterplatte 70 ist hier als Gehäusedeckel 70 ausgeführt, und bildet zusammen mit dem Gehäuseelement 68 ein Gehäuse 68, 70, in dem der Rotor 52 drehbar gehalten ist. Dazu erstreckt sich der Schaft 62 zwischen dem Gehäuseelement 68 und der Leiterplatte 70. An der Leiterplatte 70 ist ein Hall-Sensor 72 montiert. Der Hall-Sensor 72 bildet hier eine Auswerteelektronik 72 zur Bestimmung einer Rotation des Rotors 52, woraus ein Lenkwinkel bestimmt werden kann. Das erste Einzelzahnrad 54 weist an seinem der Leiterplatte 70 zugewandten axialen Ende eine zentrisch angeordnete Bohrung 74 auf, in welcher der Hall-Sensor 72 angeordnet ist. In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Gehäuse 68, 70 einen separaten Deckel, und die Leiterplatte 70 ist in dem Gehäuse 68, 70 gehalten.
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Der Lenkwinkelsensor 50 ist hier als magnetischer Lenkwinkelsensor 50 ausgeführt. Dazu weist der Rotor 52 wenigstens ein Magnetelement auf, das mit dem Rotor 52 drehbar ist. Gemäß der Ausführungsform ist das erste Einzelzahnrad 54 als Magnetzahnrad ausgeführt, an dem das wenigstens eine Magnetelement angebracht ist. Der Hall-Sensor 72 erfasst eine Änderung des magnetischen Feldes in seiner Umgebung, die durch eine Rotation des wenigstens einen Magnetelements mit dem Rotor 52 bewirkt wird.
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An dem Gehäuseelement 68 ist ein Lagerelement 76 ausgebildet, an dem der Schaft 62 des ersten Einzelzahnrads 54 drehbar gelagert ist. Das Lagerelement 76 bildet somit eine Drehachse zur Anbringung des ersten Einzelzahnrads 54. Das Lagerelement 76 ist hier als Lagerstift 76 ausgeführt, der einen Zylinder aufspannt. Das erste Einzelzahnrad 54 weist eine mit dem Lagerstift 76 korrespondierende Innenbohrung 78 auf, mit der das erste Einzelzahnrad 54 drehbar auf dem Lagerstift 76 gehalten ist. Das erste Einzelzahnrad 54 erstreckt sich auf dem Lagerstift 76 in seiner axialen Richtung mit dem Schaft 62 bis zu der Leiterplatte 70.
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Zwei Lenkwinkelsensoren 50 werden in einer Lenkvorrichtung 80 in einem Fahrzeug verwendet, wie in 7 dargestellt ist. Die Lenkvorrichtung 80 umfasst eine Lenkwelle 82, die mit einem Lenkrad rotatorisch gekoppelt ist, wobei Lenkwelle 82 und Lenkrad rotationsfest miteinander verbunden sind, so dass eine Lenkbewegung des Lenkrads auf die Lenkwelle 82 übertragen wird. An der Lenkwelle 82 ist ein Lenkwellenrotor 84 angebracht, der mit den Rotoren 52 der beiden Lenkwinkelsensoren 50 kämmt. In 7 sind zur besseren Übersicht lediglich die Rotoren 52 der Lenkwinkelsensoren 50 dargestellt. Zusätzlich zeigt 8 im Detail, wie der Lenkwellenrotor 84 die Rotoren 52 der Lenkwinkelsensoren 50 kämmt.
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Die Lenkbewegung des Lenkrads wird von den Lenkwinkelsensoren 50 erfasst und ausgewertet, wie nachstehend im Detail ausgeführt ist.
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Zur Erfassung des Lenkwinkels wird zunächst die Drehung des Lenkrads mit dem an der Lenkwelle 82 angebrachten Lenkwellenrotor 84 auf die Rotoren 52 der Lenkwinkelsensoren 50 übertragen. Diese Rotation wird mit dem Hall-Sensor 72 des entsprechenden Lenkwinkelsensors 50 erfasst und ausgewertet. Abhängig von einer Übersetzung, die von dem Lenkwellenrotor 84 und dem Rotor 52 gebildet wird, wird basierend auf der Erfassung mit den Hall-Sensoren 72 der beiden Lenkwinkelsensoren 50 der Lenkwinkel bestimmt.
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Die 8 zeigt schematisch die Kämmung des Lenkwellenrotors 84 mit dem Rotor 52, welcher ein erstes Einzelzahnrad 54 und ein zweites Einzelzahnrad 56 aufweist. Das erste Einzelzahnrad 54 ist mit dem zweiten Einzelzahnrad 56 über ein Federkraftelement (hier nicht dargestellt) verspannt angeordnet. Die versetzte Darstellung der Einzelzahnräder 54, 56 in 8 soll das verdeutlichen. In der realen Umsetzung wären die Einzelzahnräder 54, 56 in der Endposition am Lenkwellenrotor 84 nahezu deckungsgleich oder nur mit geringem Versatz zueinander angeordnet, um eine ideale Kämmung zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotor (Stand der Technik)
- 12
- erstes Einzelzahnrad (Stand der Technik)
- 14
- zweites Einzelzahnrad (Stand der Technik)
- 16
- Zahn (Stand der Technik)
- 18
- Federkraftelement, Ringfeder (Stand der Technik)
- 20
- Lenkwinkelsensor (Stand der Technik)
- 22
- Gehäusedeckel, Leiterplatte, Gehäuse (Stand der Technik)
- 24
- Hall-Sensor (Stand der Technik)
- 26
- Gehäuseelement, Gehäuse (Stand der Technik)
- 28
- Hülsenbereich (Stand der Technik)
- 30
- Führungsbereich (Stand der Technik)
- 32
- ringförmige Aufnahme (Stand der Technik)
- 34
- Aussparung (Stand der Technik)
- X
- Winkel (Stand der Technik)
- 50
- Lenkwinkelsensor
- 52
- Rotor
- 54
- erstes Einzelzahnrad
- 56
- zweites Einzelzahnrad
- 58
- Federkraftelement, Ringfeder
- 60
- Zahn
- 62
- Schaft
- 64
- Durchgangsöffnung
- 66
- Federbein
- 68
- Gehäuseelement, Gehäuse
- 70
- Gehäusedeckel, Leiterplatte, Gehäuse
- 72
- Hall-Sensor, Auswerteelektronik
- 74
- Bohrung
- 76
- Lagerelement, Lagerstift
- 78
- Innenbohrung
- 80
- Lenkvorrichtung
- 82
- Lenkwelle
- 84
- Lenkwellenrotor