DE4207064C2 - Lagesensor zur Erfassung der Drehbewegung einer Welle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lagesensor zur Erfassung der Drehbewegung einer Welle, insbesondere der Hubwelle einer Hebevorrichtung, bei der die Drehbewegung unmittelbar an der Welle abgenommen wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Lagesensoren finden insbesondere bei elektroni­ schen Hubwerksregelungen von landwirtschaftlichen Fahrzeugen Anwendung. Das Ausgangssignal des Lagesensors dient hierbei als Istwertsignal bei der Lageregelung. Bei einigen käufli­ chen Ackerschleppern ist an der Hubwelle ein Steuerexzenter angeordnet, an dem ein federbelasteter Hebel anliegt, der ein Hydraulikventil der Hubwerksregelung beeinflußt. Hierbei wird kein elektrisches, der Drehlage der Welle entspre­ chendes Signal gewonnen, wie es für die Steuerung und Über­ wachung wünschenswert wäre. Ferner ist die bekannte Anord­ nung empfindlich gegen Verschmutzungen des Steuerexzenters und des Hebels, wodurch eine Verfälschung der Hubwerksrege­ lung eintreten kann. Eine solche Verfälschung kann ihre Ur­ sache auch in Durchbiegungen oder radialen Verschiebungen der Welle, die beispielsweise auf das Lagerspiel zurückzu­ führen sind, haben.

Aus der DE 32 46 959 C2 ist eine Meßvorrichtung zur absoluten Messung der Drehwinkelposition innerhalb mehrerer Umdrehungen einer Hauptwelle, beispielsweise einer Motorwelle, bekannt. Mit der Hauptwelle ist ein erster Drehwinkelgeber verbunden, um die Rotation der Hauptwelle zu messen. Auf der Welle des ersten Drehwinkelgebers ist ein erstes Zahnrad montiert, welches mit einem auf der Welle eines zweiten Drehwinkelgebers montierten zweiten Zahnrad im Eingriff ist. Der zweite Drehwinkelgeber weist ein weiteres Zahnrad auf, welches mit einem auf der Welle eines dritten Drehwinkelgebers montierten Zahnrad in Eingriff steht. Durch entsprechende Auswahl der Zähnezahl der Zahnräder lassen sich Ausgangssignale der Drehwinkelgeber gewinnen, die sich jeweils innerhalb definierter Perioden entsprechend der Verlagerung der Hauptwelle ändern. Diese relativ aufwendige Meßvorrichtung eignet sich jedoch nicht zur Erfassung von Drehbewegungen innerhalb eines realtiv geringen Drehwinkelbereichs, wie sie beispielsweise bei der Hubwelle eines Ackerschleppers auftreten.

Die WO 86/03580 A1 zeigt einen Winkelgeber der eingangs genannten Art, bei dem eine Eingangswelle in einem flachen Gehäuse gelagert ist und eine Außenverzahnung enthält. Auf der Eingangswelle ist ein Rotor drehbar gelagert, der eine zur Eingangswelle konzentrische Innenverzahnung enthält. In dem Gehäuse sind Zahnradmittel drehbar gelagert, die einerseits mit der Außenverzahnung der Eingangswelle und andererseits mit der Innenverzahnung des Rotors in Eingriff stehen. Die Zahnradmittel bestehen aus mehreren auf einer Welle angeordneten und im wesentlichen gleichen Zahnrädern, von denen jeweils zwei durch elastische Glieder so miteinander verbunden sind, daß in einer Ruhestellung ihre Zähne geringfügig gegeneinander winkelversetzt sind. Dies soll eine spielfreie Übertragung der Drehbewegung ermöglichen. Auf dem Außenmantel des Rotors ist ein Streifen aus ferromagnetischem Material eingesetzt, der das Streufeld einer am Gehäuse befestigten Spule beeinflußt, deren Induktionsänderung gemessen und als Winkelsignal ausgewertet wird. Der Rotor ist über 360° hinaus durchdrehbar, so daß keine Anschläge vorgesehen sind, die zu einer Beschädigung oder Dejustierung des Winkelgebers Anlaß geben können. Auch dieser Winkelgeber ist relativ aufwendig ausgebildet. Insbesondere ist es nicht möglich, mit einfachen Mitteln eine gegebene Wellenkonstruktion durch einen Lagesensor zu ergänzen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gese­ hen, einen Lagesensor der eingangs genannten Art anzugeben, durch den die genannten Nachteile vermieden werden. Ins­ besondere soll durch den Lagesensor ein elektrisches Lage­ signal der Welle gewinnbar sein. Er soll bei rauhen Einsatz­ bedingungen zuverlässig arbeiten, kostengünstig herstellbar sein und eine einfache Montage ermöglichen.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Lagesensor erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß der Lagesensor ein unmittelbar von der Drehlage der Welle abhängiges elektrisches Signal abgibt. Dabei ist kein Übertragungsgestänge mit den daraus resultie­ renden Fehlereinflüssen erforderlich. Der erfindungsgemäße Lagesensor ist einfach und kostengünstig herstellbar und auch für rauhe Einsatzbedingungen geeignet. Die zweite Ver­ zahnung läßt sich in einem Gehäuse anordnen, welches einfach im Bereich der ersten Verzahnung montierbar ist.

Bei Wellen, die lediglich um einige Winkelgrade verdreht werden, wie dies beispielsweise bei hydraulischen Hubwerks­ regelungen der Fall ist, sind die Verzahnungen vorzugsweise als Zahnsegmente mit geringem Raumbedarf ausgebildet. Hier­ bei ist es zweckmäßig, das erste Zahnsegment als gesondertes Bauteil auszubilden, welches Montagelaschen trägt, mit denen es auf der Welle befestigbar, beispielsweise verschraubbar ist.

Einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zu­ folge ist die zweite Verzahnung auf einer in einem Sensor­ gehäuse drehbar gelagerten Sensorwelle drehfest angeordnet. Das Sensorgehäuse seinerseits ist an dem die Welle aufneh­ menden Wellengehäuse befestigbar. Das Sensorgehäuse wird vorzugsweise direkt an dem Wellengehäuse von außen ange­ flanscht. Die Sensorwelle überträgt die Drehbewegung der Welle auf das Potentiometer. Bei dieser Lösung läßt sich der Zahntrieb vollständig gegenüber der Umgebung isolieren und abdichten. Der geschützte Aufbau verhindert Beschädigungen oder das Eindringen von Staub und Schmutz.

Ferner ist es zweckmäßig, die Sensorwelle unmittelbar als Eingangswelle für das Potentiometer, welches vorzugsweise ein Drehpotentiometer ist, auszubilden.

Um eine gute Zugänglichkeit des Potentiometers und insbeson­ dere der elektrischen Anschlüsse des Potentiometers zu er­ möglichen, ist die Potentiometerwelle vorzugsweise durch das Sensorgehäuse geführt und das Potentiometer von außen an das Sensorgehäuse anflanschbar. Die Potentiometerwelle läßt sich gegenüber dem Sensorgehäuse ohne nennenswerten Aufwand ab­ dichten. Ferner kann ein Potentiometer in abgedichteter Bau­ weise verwendet werden, so daß eine vollständige Abdichtung der empfindlichen Teile gegenüber Verschmutzung und Beschä­ digung gegeben ist.

Durch das Zahnspiel zwischen den Verzahnungen kann eine Weg­ erfassungshysterese auftreten, die sich störend auf die Regelung auswirkt. Daher wird ein federvorgespanntes Potentiometer verwendet, bei dem das Potentiometer durch die Feder in Richtung einer seiner Endlagen vorgespannt ist. Abgedichte­ te, federvorgespannte Potentiometer werden beispielsweise durch die Fa. Duncan, USA vertrieben.

Vorzugsweise läßt sich die zweite Verzahnung über die ent­ sprechenden Endlagen der Drehbewegung der Welle hinaus ver­ stellen. Diese Ausbildung ermöglicht einen Toleranzaus­ gleich, wobei Durchbiegungen und radiale Bewegungen der Welle (Lagerspiel) ohne Signalverfälschung oder Beschädigung oder Bruch des Zahnradtriebes aufgenommen werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfin­ dung, die insbesondere bei Verwendung eines federvorgespann­ ten Potentiometers vorteilhaft ist, ist zwischen der zweiten Verzahnung und dem Sensorgehäuse eine Federeinrichtung vorgesehen. Die Federeinrichtung ist vorzugsweise eine an der zweiten Verzahnung angeformte, sich in etwa in radialer Richtung erstreckende Federzunge, deren Federsteifigkeit wenigstens doppelt so groß ist wie die der Potentiometerfe­ der. In der Grundstellung der Welle wird die Federzunge durch die Kraft der Potentiometerfeder gegen das Sensorge­ häuse gedrückt. Eine Verstellung der Welle über die Grund­ stellung hinaus ist möglich. Hierbei federt die Federzunge ein. Durch das Zusammenwirken von Potentiometerfeder und Federzunge ist die Anbauposition des Lagesensors definiert. Eine Justage bei der Montage erübrigt sich damit.

Die Verzahnungen und gegebenenfalls das Sensorgehäuse und die Sensorwelle sind vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung zeigt, werden nachfolgend die Erfindung sowie weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltun­ gen der Erfindung näher beschrieben und erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Lagesensors,

Fig. 2 den Querschnitt durch ein Wellengehäuse mit einem Ausführungsbeispiel eines angeflanschten erfindungsge­ mäßen Lagesensors, der teilweise im Schnitt dargestellt ist, und

Fig. 3 bis 5 den Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Lagesensors in verschiedenen Be­ triebsstellungen.

In einem Wellengehäuse 10 aus Gußmetall ist die Hubwelle 12 für zwei nicht dargestellte Unterlenker eines Ackerschlep­ pers drehbar gelagert. Auf der zylindrischen Oberfläche der Hubwelle 12 ist ein erstes Zahnsegment 14 befestigt. Für die Befestigung weist das erste Zahnsegment 14 zwei sich in axialer Richtung der Hubwelle 12, beidseits der Verzahnung erstreckende Montagelaschen 16, 18 auf, in denen sich Boh­ rungen zur Aufnahme von Befestigungsschrauben 20, 22 befin­ den. Das erste Zahnsegment 14 weist eine zur Hubwelle 12 konzentrische Verzahnung auf. Auf einer Seite der Verzahnung ist ein Versteifungskragen 24 angeformt, der die mechanische Stabilität des ersten Zahnsegmentes 14 sicherstellt.

Im Bereich des ersten Zahnsegmentes 14 weist das Wellenge­ häuse 10 eine Ausnehmung 26 auf, die durch ein hermetisch abgeschlossenes Sensorgehäuse 28 abgedeckt ist. Die Flansch­ verbindung zwischen Sensorgehäuse 28 und Wellengehäuse 10 ist durch einen Dichtungsring 30 abgedichtet.

In dem Sensorgehäuse 28 ist eine Sensorwelle 32 drehbar ge­ lagert, die über eine Paßnut oder Keilverzahnung ein zweites Zahnsegment 34 drehfest trägt. Der Zahnbereich des zweiten Zahnsegmentes 34 erstreckt sich durch die Ausnehmung 26 in das Wellengehäuse 10. Die Zähne des zweiten Zahnsegmentes 34 stehen mit den Zähnen des ersten Zahnsegmentes 14 in Ein­ griff.

Ein Ende der Sensorwelle 32 ist aus dem Sensorgehäuse 28 herausgeführt und ragt in das Gehäuse eines Drehpotentiome­ ters 36 hinein, welches an dieser Seite am Sensorgehäuse 28 festgeschraubt ist. Zwischen Sensorgehäuse 28 und Drehpoten­ tiometer 36 ist ein Dichtungsring 37 zur Abdichtung vor­ gesehen. Am Potentiometergehäuse ist eine Steckerbuchse 38 angebracht, in der sich Kontakte für elektrische Anschlüsse befinden.

Eine Drehbewegung der Hubwelle 12 wird von dem ersten Zahn­ segment 14 über das zweite Zahnsegment 34 und die Sensorwel­ le 32 auf das Potentiometer 36 übertragen, welches entspre­ chende elektrische Signale ausgibt. Die synchrone Bewegung der Zahnsegmente 14, 34 wird durch die beiden Doppelpfeile in Fig. 2 angedeutet. Das Potentiometer 36 ist federvor­ gespannt und drängt das zweite Zahnsegment 34 in die Rich­ tung des Pfeiles 40, der in Fig. 3 dargestellt ist und der Grundstellung entspricht, in der das Hubwerk abgesenkt ist. Durch die Federvorspannung wird das Zahnspiel überwunden, so daß die Wegerfassungshysterese kleingehalten werden kann.

Die Fig. 3 stellt eine Lage der Hubwelle 12 und des Lagesen­ sors dar, in der das Hubwerk voll abgesenkt ist (Grundstel­ lung), während die Fig. 4 die der voll ausgehobenen Position des Hubwerkes entsprechende Lage der Hubwelle 12 und des Lagesensors zeigt. Es ist ersichtlich, daß in keiner dieser beiden Lagen eine der Seitenflächen des zweiten Zahnsegments 34 am Inneren des Sensorgehäuses 28 anliegt. Sollte die Welle sich aufgrund von ungünstigen Toleranzlagen, Durch­ biegungen oder anderen Bewegungen über die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Lagen weiter verstellen, so kann das zweite Zahnsegment 34 ausweichen, ohne gegen das Sensorge­ häuse 28 zu stoßen, so daß Beschädigungen des Zahntriebes vermieden werden können.

An dem zweiten Zahnsegment 34 ist eine in Drehrichtung her­ vorstehende, im wesentlichen radial ausgerichtete Federzunge 42 angeformt, die zu einer in Umfangsrichtung weisenden Seitenfläche des zweiten Zahnsegmentes 34 in etwa parallel und zu dieser beabstandet verläuft. In der in Fig. 3 darge­ stellten Grundstellung der Hubwelle 12 und des Lagesensors stützt sich die Federzunge 42 an dem Sensorgehäuse ab. Die in Fig. 3 dargestellte Lage nimmt das Zahnsegment 34 infolge der Wirkung der Potentiometerfeder auch dann ein, wenn das Sensorgehäuse 28 noch nicht an dem Wellengehäuse 10 befe­ stigt ist. Bevor das Sensorgehäuse 28 an dem Wellengehäuse 10 befestigt wird, muß sich die Hubwelle 12 in der darge­ stellten Lage (Grund- oder Montagestellung) befinden. Für einen Toleranzausgleich kann der Zwischenraum zwischen dem zweitem Zahnsegment 34 und dem Sensorgehäuse 28 gegen die Kraft der Federzunge 42 verkleinert werden, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht.

In der Grundstellung übt die Potentiometerfeder eine Kraft auf die zweite Verzahnung 34 aus, die über die Federzunge 42 am Sensorgehäuse 28 abgestützt wird. Hierdurch wird eine de­ finierte Ausgangs- und Montagelage geschaffen. Durch das Zu­ sammenwirken von Potentiometerfeder und Federzunge 42 ist die Anbauposition eindeutig definiert. Die Ausbildung des Lagesensors mit Potentiometerfeder und Federzunge 42 er­ möglicht eine einfach Montage des Sensorgehäuses 28 am Wellengehäuse 10, die keine Justagearbeiten erfordert.

Wegen der geringen zu übertragenden Kräfte können sämtliche Bauteile in Kunststoff ausgeführt sein.

Claims (10)

1. Lagesensor zur Erfassung der Drehbewegung einer Welle, insbesondere der Hubwelle (12) einer Hebevorrichtung, bei der die in einem Wellengehäuse (10) gelagerte Welle (12 eine konzentrisch zu ihr angeordnete erste Verzahnung (14) trägt, die mit einer zweiten Verzahnung (34) in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verzahnung (14) als auf der Welle (12) befestigbares Zahnsegment (14, 34) ausgebildet ist, daß ein an dem Wellengehäuse (10) anflanschbares Sensorgehäuse (28) mit einer Sensorwelle (32), die die zweite Verzahnung (34) trägt, vorgesehen ist, und daß die zweite Verzahnung (34) ein federvorgespanntes Potentiometer (36) antreibt.

2. Lagesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verzahnung als Zahnsegment (14, 34) ausgebildet ist.

3. Lagesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Zahnsegment (14) Montagelaschen (16, 18) trägt, mit denen es auf der Welle (12) befestigbar, beispielsweise festschraubbar, ist.

4. Lagesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verzahnung (34) auf der im Sensorgehäuse drehbar gelagerten Sensorwelle (32) drehfest angeordnet ist und daß die Sensorwelle (32) unmittelbar als Eingangswelle für das Potentiometer (36) dient, welches ein Drehpotentiometer ist.

5. Lagesensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwelle (32) durch das Sensorgehäuse (28) geführt ist und das Potentiometer (36) von außen an das Sensorgehäuse (28) anflanschbar ist.

6. Lagesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verzahnung (34) sich über die entsprechenden Endlagen der Drehbewegung der Welle (12) hinaus verstellen läßt.

7. Lagesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Verzahnung (34) und dem Sensorgehäuse (28) wenigstens eine Fe­ dereinrichtung (42) vorgesehen ist, deren Wirkung bei Erreichen der Grundstellung der Welle (12) einsetzt und die gegen eine Verstellung der zweiten Verzahnung (34) über die Grundstellung hinaus eine Federkraft ausübt.

8. Lagesensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Federsteifigkeit der Federeinrichtung (42) wenigstens doppelt so groß ist wie die der Potentiome­ terfeder.

9. Lagesensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Federeinrichtung eine an der zweiten Verzahnung (34) angeformte, sich in etwa radial er­ streckende Federzunge (42) ist.

10. Lagesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzahnungen (14, 34) und ge­ gebenenfalls das Sensorgehäuse (28) und die Sensorwel­ le (32) aus Kunststoff gefertigt sind.