DE19723812C1 - Getriebeeinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit zum formschlüs­ sigen Umsetzen einer in beiden Richtungen begrenzten, schnel­ len, antriebsseitigen Rotationsbewegung in eine ebensolche langsame, abtriebsseitige Rotationsbewegung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine spielfrei arbeitende Ge­ triebeeinheit mit guter Gleichlaufcharakteristik zu schaffen, deren Abtrieb bei gleichbleibender Eingangsdrehzahl nur wenig schwankt und mit welcher zusätzlich auch Positionen bestimmt und Drehmomente bzw. Kräfte erfaßt werden können.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch eine Getriebeein­ heit zum Umsetzen einer in beiden Richtungen begrenzten, schnellen, antriebsseitigen Rotationsbewegung in eine eben­ solche langsame abtriebsseitige Rotationsbewegung durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mit­ telbar rückbezogenen Ansprüche.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit ist zwischen Antrieb und Abtrieb ein Seil (Band) oder dergl. vorgesehen, das mit seinen beiden Enden an einem einteiligen, in zwei Segmentabschnitte unterteilten, schwenkbar gelagerten Zwischenteil befestigt ist; ferner ver­ läuft das Seil anliegend an dem Zwischenteil entlang dessen Außenseiten und ist zur Übertragung eines Antriebsmoments um die Welle des Antriebs, vorzugsweise in Form eines Elektromo­ tors gewickelt.

Ferner ist dem inneren Segmentabschnitt des in zwei Segmen­ tabschnitte unterteilten Zwischenteils ein Positonssensor zu­ geordnet, indem auf der einen Seite des inneren Segmentab­ schnitts ein opto-elektronischer, positionsempfindlicher De­ tektor und auf dessen anderen Seite eine Lichtquelle sowie dazwischen ein in dem inneren Segmentabschnitt ausgebildeter Schlitz mit radial veränderlichem, (z. B. spiralförmigem) Ver­ lauf vorgesehen sind. Hierbei ist die Form des beispielsweise spiralförmigen Schlitzes so gewählt, daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen einer Winkeländerung des Zwischenteils und der Verschiebung des Lichtstrahls auf dem Detektor er­ gibt.

Darüber hinaus ist an den beiden Segmentabschnitten des Zwi­ schenteils ein Drehmomentsensor vorgesehen, indem in der Mit­ te eines Mittelteils des äußeren Segmentabschnitts ein als Drehmomentsensor dienender opto-elektronischer, positionsemp­ findlicher Detektor angebracht ist und getrennt durch einen zwischen dem inneren und dem äußeren Segmentabschnitt ausge­ bildeten Schlitz genau gegenüberliegend zu dem Detektor an dem inneren Segmentabschnitt eine Schlitzblende angebracht ist, hinter welcher eine Lichtquelle angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung ist somit ein mechanisch wirkendes Ge­ triebe geschaffen, welches eine in beiden Richtungen begrenz­ te schnelle Rotationsbewegung des Antriebs in eine eben solche langsamere Rotationsbewegung des Abtriebs umsetzt, wo­ bei diese Übertragung spielfrei und mit einer guten Gleich­ laufchrakteristik erfolgt. Gleichzeitig ist gemäß der Erfin­ dung in der Getriebeeinheit eine Sensorik in Form des Positi­ ons- und des Drehmomentensensors integriert, wobei mit erste­ rem generell die Position bestimmt und mit letzterem das Drehmoment von An- oder Abtrieb gemessen werden kann. Bei der Erfindung ist die Sensorik in Form der beiden optischen Sen­ soren in besonders kompakter Weise unmittelbar in die Getrie­ beeinheit integriert.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der aus zwei Segmentabschnitten bestehende Zwischenteil so ausgeführt, daß der innere Segmentabschnitt teilweise von einem u-förmigen, äußeren Segmentabschnitt umgeben ist, wobei zwischen den beiden Abschnitten, ein etwa ebenfalls u-förmig verlaufender Schlitz ausgebildet ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Schenkel des etwa u-förmigen äußeren Segmentabschnitts erheblich dünner ausgebildet als ein diese verbindender Mittelteil.

Aufgrund dieser speziellen Ausbildung des äußeren u-förmigen Segmentabschnitts kann, da um dessen Außenfläche und an die­ ser anliegend das Seil geführt ist, mittels des in der Mitte des äußeren Segmentabschnitts angebrachten als Drehmomentsen­ sor dienenden elektro-optischen positionsempfindlichen Detek­ tors ein Verbiegen der wie einseitig eingespannte Biegebalken wirkenden beiden Schenkel des u-förmigen äußeren Segmentab­ schnitts festgestellt werden; dieses Verbiegen entspricht je­ weils dem in Antriebs- oder Abtriebsrichtung aufgebrachten Drehmoment, aus dem in bekannter Weise eine entsprechende Kraft berechnet werden kann. Somit ist eine kraftreflektie­ rende Sensorik geschaffen, mit deren Hilfe letztendlich die Kraft bestimmt werden kann, die bei jeder Art von taktilen Vorgängen ausschlaggebend ist.

Damit das die Kopplung zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb bewirkende Seil ausreichend gespannt ist und somit durch Reib- oder Formschluß ein ausreichendes Drehmoment auf das Seil übertragen wird, ist an einem Ende des Seils eine Seilspannvorrichtung vorgesehen.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im ein­ zelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Vorderansicht auf im wesentlichen ein Zwischenteil einer Getriebe­ einheit gemäß der Erfindung;

Fig. 2a und 2b ebenfalls in perspektivischer Darstellung eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht auf das Zwischen­ teil der Getriebeeinheit gemäß der Erfindung mit ein­ gebautem Positionssensor;

Fig. 3 weiterhin in perspektivischer Darstellung eine der Fig. 1 entsprechende Vorderansicht auf das Zwischen­ teil der Getriebeeinheit gemäß der Erfindung mit ein­ gebauten Positions- und Drehmomentsensor, und

Fig. 4 in perspektivischer vergrößerter Darstellung eine Draufsicht auf einen Teil des Zwischenteils mit ein­ gebautem Drehmomentsensor.

In Fig. 1 ist in perspektivischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Zwischenteil 3 einer in ihrer Gesamtheit mit 1 be­ zeichneten Getriebeeinheit dargestellt; das Zwischenteil 3 ist über einen mit ihm eine Einheit bildenden Schwenkzapfen 36 in der Wandung eines Gehäuses schwenkbar gelagert, das in keiner der Figuren näher dargestellt ist. Das einteilige Zwischen­ teil 3 ist durch einen Schlitz 34 in einen inneren Segmentab­ schnitt 31 und einen den Abschnitt 31 zum Teil umgebenden, in Draufsicht etwa u-förmigen, äußeren Segmentabschnitt 32 un­ terteilt. Ein Mittelteil 323 des äußeren Segmentabschnitts 32 geht in zwei Schenkel 321 und 322 über, welche in Draufsicht erheblich schmaler bzw. im Querschnitt erheblich dünner aus­ gebildet sind als der sie verbindende Mittelteil 323.

Ferner ist in Fig. 1 ein Seil 2 angedeutet, das mit einem Ende 21 in einer einstellbaren Spannvorrichtung 23 befestigt ist, während das andere Seilende 22 in einer im oberen Bereich des Zwischenteils 3 angedeuteten Ausnehmung 37 gehalten ist.

Ausgehend von der Spannvorrichtung 23 liegt das Seil 2 an der unteren Außenfläche des Zwischenteils 3 an, ist mit einer, vorzugsweise mehreren Windungen 20 (siehe Fig. 2a bzw. 3) um eine Welle 41 eines Antriebs 4, vorzugsweise in Form eines Elektromotors, geschlungen und liegt dann wieder an der obe­ ren Außenfläche des Zwischenteils 3 an. Hierbei hängt die Anzahl der Windungen 20, beispielsweise drei in Fig. 2b und 3 von dem zu übertragenden Antriebsmoment ab, welches durch Reib- oder Formschluß auf das Seil 2 wirkt.

Ferner hängt die Größe einer Drehmomentumsetzung von dem Ver­ hältnis der Radien ab, nämlich dem Radius des Zwischenteils 3, ausgehend von der Mitte des Schwenkzapfens 36 bis zum Au­ ßenrand des Mittelteils 323 des äußeren Segmentabschnitts 32 in Relation zu dem Radius der Antriebswelle 41. Somit sind die Verhältnisse der Radien der aufeinander abrollenden Flä­ chen von Antrieb und Zwischenteil für die Größe der Drehmo­ mentwandlung verantwortlich.

Da bei der erfindungsgemäßen Getriebeeinheit vorzugsweise das beidseitig eingespannte Seil 2 zur Kopplung der Antriebswelle 41 und dem aus zwei Segmentabschnitten 31, 32 gebildeten Zwi­ schenteil 3 verwendet wird, ist ein spielfreies Getriebe mit hohem Wirkungsgrad und sehr guten Gleichlaufeigenschaften ge­ schaffen.

In Fig. 2a und 2b sind in Vorderansicht bzw. in Draufsicht der in Fig. 1 rechte Teil des Zwischenteils 3 sowie der Antriebs­ motor 4 mit seiner Antriebswelle 41 dargestellt. Darüber hin­ aus ist in Fig. 2a und 2b ein in seiner Gesamtheit mit 5 be­ zeichneter Positionssensor dargestellt, der gebildet ist aus einem opto-elektronischen, positionsempfindlichen Detektor 51, der auf der einen Seite, in Fig. 2a der Vorderseite des Zwischenteils 3 angeordnet ist, und aus einer auf der anderen Seite, in Fig. 2b der Rückseite des Zwischenteils 3 angeordne­ ten Lichtquelle 53. Zwischen dem als Positionssensor 5 die­ nenden opto-elektronischen, positionsempfindlichen Detektor 51 und der Lichtquelle 53 ist ein Spiralschlitz 52 so ausge­ bildet, daß der jeweils in den Bereich des Positionssensors gelangende Teil des Spiralschlitzes etwa geradlinig ist, ob­ wohl er sich während der Schwenkbewegung radial verlagert.

Durch diese spezielle Ausbildung des Schlitzes 52 ist er­ reicht, daß sich bei einer Schwenkbewegung des Zwischenteils 3 um den Schwenkzapfen 36 der Schlitz 52 geradlinig vor dem als Positionssensor 5 dienenden, opto-elektronischen, positi­ onsempfindlichen Detektor 51 senkrecht zu dessen Längsachse hin- und herbewegt wird.

Ferner sind sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2a Ausnehmungen 35 in dem Zwischenteil 3 zu erkennen, in welchen, wie nach­ stehend in Verbindung mit Fig. 3 und 4 noch im einzelnen aus­ geführt wird, der Drehmomentsensor 6 untergebracht ist.

Die perspektivische Darstellung der Fig. 3 entspricht im we­ sentlichen derjenigen der Fig. 1 mit dem Unterschied, daß in Fig. 3 neben dem opto-elektronischen, positionsempfindlichen Detektor 51 des Positionssensors 5 auch noch der Drehmoment­ sensor 6 schematisch in perspektivischer Darstellung wieder­ gegeben ist. Hierbei weist der Drehmomentsensor 6 eine Licht­ quelle 63 und ebenfalls einen opto-elektronischen, positi­ onsempfindlichen Detektor 61 auf, der in der Mitte des Mit­ telteils 323 des äußeren Segmentabschnitts 32 angebracht ist. Zwischen den beiden Elementen 61 und 63 ist eine am inneren Segmentabschnitt 32 angebrachte Schlitzblende 62 vorgesehen. Ferner sind, wie in Fig. 2a dargestellt, beispielsweise drei Windungen 20 des um die Motorwelle 41 gewundenen Seils 2 schematisch angedeutet.

Fig. 4 ist lediglich eine vergrößerte Wiedergabe des in Fig. 3 rechten Teils der beiden Segmentabschnitte 31 und 32 des Zwi­ schenteils 3, des Antriebs 4 und insbesondere des Drehmoment­ sensors 6.

Wenn das Zwischenteil 3 entgegen dem Uhrzeigersinn ver­ schwenkt wird, werden bei dieser Schwenkbewegung die beiden Schenkel 321 und 322 des äußeren Segmentabschnitts 3, welche jeweils als einseitig, d. h. am inneren Segmentabschnitt 31 ge­ haltene bzw. eingespannte Biegebalken betrachtet werden kön­ nen, in Fig. 3 nach unten "gebogen" bzw. bei einer Schwenkbe­ wegung im Uhrzeigersinn nach oben "gebogen".

Bei einem solchen Biegevorgang wandert der durch die Schlitz­ blende 62 des Drehmomentsensors hindurchtretende Lichtstrahl bei einer Schwenkbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 3 nach oben bzw. bei einer Schwenkbewegung im Uhrzeigersinn in Fig. 3 nach unten. Diese Bewegung des Lichtstrahls aufgrund der Relativbewegung der Schlitzblende 62 bezüglich des opto­ elektronischen, positionsempfindlichen Detektors 61 des Drehmomentsensors 6 wird von letzterem erfaßt, und dadurch wird die Position des auftreffenden Lichtstrahls gemessen. Aus der Veränderung der Position des Lichtstrahls auf dem De­ tektor 61 und der Geometrie der wie Biegebalken wirkenden beiden Schenkel 321 und 322 kann das Drehmoment von An- und Abtrieb abgeleitet werden.

Gemäß der Erfindung ist somit in die Mechanik eines spielfrei arbeitenden Getriebes, das eine sehr gute Gleichlaufcharakte­ ristik aufweist, in kompakter Weise sowohl ein Positionssen­ sor als auch ein Drehmomentsensor integriert. Mit der Erfin­ dung ist daher ein ausgesprochen preiswertes und genaues, analog arbeitendes, optisches Meßsystem geschaffen, das in kompakter Weise in die Getriebeeinheit integriert ist, mit welchem sowohl Position als auch Drehmoment gemessen werden können.

Gemäß der Erfindung kann die Getriebeeinheit 1 mit der inte­ grierten Sensorik in Form des Positionssensors 5 und des Drehmomentsensors 6 generell zur Erfassung von taktilen Vor­ gängen verwendet werden.

Vorzugsweise können zwei Getriebeeinheiten 1 mit integrierter Sensorik (5, 6) zu einem die jeweilige Schwenkposition erfas­ senden und Kraft rückmeldenden Eingabegerät verbunden werden. Ferner können gemäß der Erfindung zwei Getriebeeinheiten 1 mit integrierter Sensorik zu einem Joystick mit Kraftrückmel­ dung geschaltet werden.

Ferner kann gemäß der Erfindung eine Getriebeeinheit 1 dazu verwendet werden, ein Gaspedal mit einer Kraft zu beaufschla­ gen, wobei dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise bei Passieren eines Ortsschilds, dessen Position in einem Fahr­ bahnleitsystem erfaßt ist, über das Gaspedal eine dessen Be­ tätigung entgegenwirkende Kraft taktil übermittelt. Auf diese Weise wird dem Fahrzeuglenker taktil ein deutlicher Hinweis gegeben, bei Passieren des Ortsschilds seine Geschwindigkeit zu verringern.

Ferner können gemäß der Erfindung eine oder mehrere Getriebe­ einheiten zum Einstellen der Scheinwerfer eines Kraftfahr­ zeugs verwendet werden. Darüber hinaus ist gemäß der Erfin­ dung die Verwendung von mindestens einer Getriebeeinheit mit integrierter Sensorik als Robotergelenk vorgesehen.

Ferner können gemäß der Erfindung zwei Getriebeeinheiten so verbunden und geschaltet werden, daß dadurch ein Kräfte re­ flektierender Steuerknüppel eines Fluggeräts geschaffen ist.

Durch die Verwendung von mindestens einer Getriebeeinheit kann ferner gemäß der Erfindung ein Kräfte rückmeldendes Ein­ gabe- und Steuergerät geschaffen werden, mit welchem Montage­ vorgänge beispielsweise in Form von Fügevorgängen, durchge­ führt werden können.

Mindestens eine Getriebeeinheit gemäß der Erfindung kann auch als ein Kräfte rückmeldendes Eingabe- und Steuergerät verwen­ det werden, mit welchem beispielsweise Rollstühle von Behin­ derten steuerbar gemacht werden können.

Claims (13)

1. Getriebeeinheit zum formschlüssigen Umsetzen einer in bei­ den Richtungen begrenzten schnellen antriebsseitigen Rotati­ onsbewegung in eine eben solche langsame, abtriebseitige Ro­ tationsbewegung mittels eines zwischen Antrieb und Abtrieb vorgesehenen Seils (Band) oder dgl. (2), das mit seinen beiden Enden (21, 22) an einem einteiligen, in zwei Seg­ mentabschnitte (31, 32) unterteilten, schwenkbar gelagerten Zwischenteil (3) befestigt ist, anliegend an dem Zwischenteil entlang dessen Außenseiten verläuft und zur Übertragung eines Antriebsmoments um die Welle (41) des Antriebs (4) gewickelt ist, und wobei einem inneren Segmentabschnitt (31) des Zwi­ schenteils (3) ein Positionssensor (5) zugeordnet ist und zwischen den beiden Segmentabschnitten (31, 32) des Zwischen­ teils (3) ein Drehmomentsensor (6) vorgesehen ist.

2. Getriebeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (3) aus dem inneren Segmentabschnitt (31) und einem den inneren Abschnitt (31) teilweise umgeben­ den, etwa u-förmigen äußeren Segmentabschnitt (32) besteht, wobei zwischen den beiden Segmentabschnitten (31, 32) ein etwa u-förmig verlaufender Schlitz (34) ausgebildet ist.

3. Getriebeeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schenkel (321, 322) des etwa u-förmigen äußeren Segmentabschnitts (32) dünner ausgebildet sind als ein diese verbindender Mittelteil (323).

4. Getriebeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Mittelteils (323) des äußeren Segmentabschnitts (32) ein als Drehmoment­ sensor (6) dienender opto-elektronischer, positionsempfindli­ cher Detektor (61) und getrennt durch den Schlitz (34) genau gegenüberliegend an dem inneren Segmentabschnitt (31) eine Schlitzblende (62) vorgesehen sind, hinter der eine Licht­ quelle (63) angeordnet ist.

5. Getriebeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des inneren Segmentabschnitts (31), wel­ chem der Positionssensor (5) zugeordnet ist, ein Schlitz (52) mit radial veränderlichem Verlauf ausgebildet ist, welchem auf der einen Seite des inneren Segmentabschnitts (31) ein als Positionsgeber (5) dienender opto-elektronischer, positi­ onsempfindlicher Detektor (51) und auf der anderen Seite des Segmentabschnitts (31) eine Lichtquelle (53) zugeordnet sind.

6. Getriebeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende (21) des Seils (2) an der dem Drehmomentensensor (6) gegenüberliegenden Seite des Zwischenteils (3) eine einstellbare Seilspannvorrichtung (23) untergebracht ist.

7. Verwendung von mindestens zwei Getriebeeinheiten (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6, die zu einem eine Kraft rückmeldenden Eingabegerät geschaltet sind.

8. Verwendung einer Getriebeeinheit (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6 zum Beaufschlagen eines eine Kraft rückmeldenden Gaspedals.

9. Verwendung von mindestens einer Getriebeeinheit (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6 zum Ein- und Verstellen der Scheinwer­ fer eines Kraftfahrzeugs.

10. Verwendung von mindestens einer Getriebeeinheit (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6 als Robotergelenk.

11. Verwendung von zwei Getriebeeinheiten (1) nach den An­ sprüchen 1 bis 6 als Kräfte rückmeldender Steuerknüppel eines Fluggeräts.

12. Verwendung von mindestens einer Getriebeeinheit (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6, die als ein Kräfte rückmeldendes Ein­ gabe/Steuergerät zum Durchführen von Montagevorgängen ge­ schaltet sind.

13. Verwendung von mindestens einer Getriebeeinheit (1) nach den Ansprüchen 1 bis 6, die als Kräfte rückmeldendes Einga­ be/Steuergerät für Rollstühle dient.