DE102004006684A1

DE102004006684A1 - Drehzahlsensor

Info

Publication number: DE102004006684A1
Application number: DE200410006684
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Kurth
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2005-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl eines sich drehenden Bauteils in einem Fahrzeug. Die Vorrichtung besteht aus mindestens einem Magneten (1), einem Sensor (2) und einem Rotor (4), wobei die Magnetfeldlinien, welche aus dem Magneten (1) in Richtung zum Rotor (4) hin austreten, nach der Durchströmung des Rotors (4) über eine magnetisch leitende Verbindung wieder an den Magneten (1) zurückgeleitet werden und somit einen geschlossenen Magnetkreis (8) bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Drehzahl in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Aus dem Stand der Technik ist durch die DE 41 41 958 A1 eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl bekannt, bei welcher ein Sensor radial außerhalb eines sich um eine Achse drehenden Zahnrades befindet. Ein Sensor sitzt in einem bestimmten Abstand der Zähne und misst die Änderung eines Magnetfeldes aufgrund der Bewegung der ferromagnetischen Zähne des Zahnrades in einem Magnetfeld. Über die Änderung des Magnetfeldes wird die Drehzahl des Zahnrades bestimmt. Dabei sind keine Vorrichtungen gezeigt, mit denen die Messeinrichtung auf Toleranzen des Zahnrades oder dessen Bewegung eingestellt werden kann. Durch einen Lastwechsel, kann es aber zu Lageabweichungen des zwischen dem Zahnrad und dem Sensor kommen. Wenn sich nun der Abstand des Sensors zum Zahnrad ändert, so ändert sich auch die Änderung des Magnetfeldes, da der Einfluss eines Zahns auf das Magnetfeld sich mit dem Abstand des Zahns zum Magneten stark ändert. Somit kann bei einer Lageabweichung des Zahnrades ein falsches Drehzahlsignal erkannt werden.

In der DE 40 08 878 A1 wird eine Vorrichtung gezeigt, bei der die Drehzahl eines sich drehenden Bauteiles in axialer Richtung gemessen wird. Dabei wird die Änderung eines Magnetfeldes durch die Bewegung eines ferromagnetischen Rotors gemessen. Der Rotor besitzt Ausnehmungen in radialer Richtung, wodurch die Messung eines Drehzahlsignals ermöglicht wird. Bei dieser Vorrichtung wird zur Vermeidung einer die Messung negativ beeinflussenden Lageabweichung der Rotor zwischen zwei Haltebügeln gehalten. Da durch ist es möglich die axiale Lageabweichung innerhalb bestimmter Grenzwerte zu halten. Durch diese Ausführung kann zwar der negative Einfluss der Lageabweichung des Rotors auf eine Messung der Drehzahl ermöglicht werden, sie ist aber konstruktiv aufwendig. Es wird somit ein erhöhter Bauraum benötigt und die Herstellungskosten steigen.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl eines Bauteils zu entwickeln, welches eine zuverlässige Bestimmung der Drehzahl auch bei einer erhöhten Lageabweichung zwischen einem Rotor und einem Sensor ermöglicht. Diese Vorrichtung mit dem dazugehörigen Verfahren soll auch möglichst kostengünstig gestaltet sein und einen möglichst geringen Bauraum benötigen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruch sowie dem Anspruch 7, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar sind.

Die Erfindung beruht darauf, dass in einem geschlossenen Magnetkreis, in Analogie zu einem geschlossenen Stromkreis, die magnetische Feldstärke über einen magnetischen Fluss bestimmt werden kann. Der magnetische Fluss kann wiederum über die Messung von magnetischen Widerständen gemessen werden. Erfindungsgemäß besteht eine Messstrecke aus einem Rotor zwischen zwei Luftspalten. Die beiden Luftspalte entsprechen im geschlossenen Magnetkreis zwei Widerständen. Die Summe der beiden Widerstände ist dabei konstant, da sich weder die Länge der Messstrecke noch die Dicke des Rotors ändert. Damit kann eine Bewegung des Rotors in der Messstrecke kompensiert werden. Der Widerstand des Rotors hängt nämlich nur davon abhängt, ob der Teil des Rotors, welcher sich in der Messstrecke befindet, magnetisch leitend ist oder nicht. Der Widerstand im geschlossenen Magnetkreis ist also unabhängig von einer Verschiebung der Position des Rotors in der Messstrecke.

Erfindungsgemäß wird also eine Rückleitung der von dem Magneten abgegebenen Magnetfeldlinien so ermöglicht, dass sich ein geschlossener Kreis bildet. Die Magnetfeldlinien fließen durch einen Rotor, welcher durch Ausnehmungen oder Stellen magnetischer Unstetigkeiten das Magnetfeld beeinflusst und dadurch eine Bestimmung der Drehzahl ermöglicht. Der Rotor befindet sich in der Messstrecke, welche aus dem ersten Luftspalt, dem Rotor sowie dem zweiten Luftspalt besteht. Dabei bleibt die Länge der Messstrecke konstant, obwohl sich die Position des Rotors in der Messstrecke ändern kann. Auch ist die Länge des Magnetkreises grundsätzlich beliebig, solange die Leitung praktisch ohne Widerstand möglich ist. Der Widerstand in der Messstrecke ist unabhängig von der Verschiebung des Rotors in der Messstrecke in Messrichtung.

Die Messung der zu bestimmenden Drehzahl des Bauteils kann erfindungsgemäß in radialer oder in axialer Richtung gemessen werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Magnetfeldlinien vom Magneten aus durch den Sensor, über den ersten Luftspalt, durch den Rotor und über den zweiten Luftspalt zu einem Getriebebauteil, vorteilhafter Weise einem Kupplungsträger, geleitet, von dort aus an eine Welle und von der Welle über ein Lager an ein Gehäuseteil und dann wieder an den Magneten zurückgeleitet. Bei dieser Anordnung ist es wichtig, dass der Rotor nicht magnetisch leitend mit der Welle verbunden ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Magnetfeldlinien vom Magneten aus durch den Sensor, über einen ersten Luftspalt, durch den Rotor und über den zweiten Luftspalt zu einem Bauteil geleitet, welches magnetisch leitend ist und worüber die Magnetfeldlinien wieder zurück an den Magneten leitbar sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhafter Weise in einem automatischen oder einem automatisierten Fahrzeuggetriebe angeordnet. Der Sensor ist in dem geschlossenen Magnetkreis beliebig anzuordnen.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren verwendet, bei welchem die Drehzahl eines sich drehenden Bauteils über die Messung des magnetischen Flusses in einem geschlossenem Magnetkreis bestimmbar ist. Der magnetische Fluss wiederum ist über die Bestimmung eines magnetischen Widerstandes in der Messstrecke möglich. Dabei wird der magnetische Widerstand des Magnetkreises in Analogie zum elektrischen Stromkreis aus der Summe der Einzelwiderstände gebildet.

Die Summe der Einzelwiderstände wird erfindungsgemäß aus mindestens zwei magnetischen Einzelwiderständen berechnet. Dabei wird ein erster Widerstand durch einen ersten Luftspalt und ein zweiter Widerstand durch einen zweiten Luftspalt gebildet. Ein dritter Luftspalt ergibt sich nur dann, wenn der Teil des Rotors, welcher sich in der Messstrecke befindet nicht magnetisch leitend ist. Wenn der Teil des Rotors in der Messstrecke magnetisch leitend ist, ist er ohne Widerstand von den Magnetfeldlinien durchfliessbar. Erfindungsgemäß ist dabei die Summe des ersten und des zweiten magnetischen Einzelwiderstandes konstant.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung sowie der Ausführungsformen ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt.
In dieser zeigen:
1 Vorrichtung zur Drehzahlerfassung,
3 schematische Darstellung eines magnetischen Kreises,
2 Vorrichtung zur Drehzahlerfassung,
4 schematische Darstellung eines magnetischen Kreises und
5 Vorrichtung zur Drehzahlerfassung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehzahlerfassung einer Welle 15 dargestellt. Ein Magnet 1 sendet Magnetfeldlinien durch einen Sensor 2, durch einen ersten Luftspalt 3, durch den Rotor 4 und den zweiten Luftspalt 5 bis in das Bauteil 6, welches die Magnetfeldlinien wieder zurück zum Magneten 1 leitet. Die Messstrecke 7 besteht aus dem ersten Luftspalt 3, dem Rotor 4 und dem zweiten Luftspalt 5. Das Bauteil 6 ist vorteilhafter Weise fest mit dem Gehäuseteil 18 verbunden und der Rotor 4 besitzt gleichmäßig über den Umfang verteilte Ausnehmungen.
In 2 ist der dazugehörige geschlossene Magnetkreis 8 dargestellt. Innerhalb der Messstrecke 7 werden nur die beiden Widerstände 10, 11 des ersten und des zweiten Luftspaltes 3, 5 gemessen. Da der Teil des Rotors 4, welcher sich in der Messstrecke 7 befindet aus massivem ferromagnetischen Material besteht, stellt er im Magnetkreis 8 kein Widerstand dar. Der Sensor 2 hat einen Widerstand 9, der Magnet 1 wird durch die Quelle 13 dargestellt.
3 stellt eine Vorrichtung zur Drehzahlerfassung entsprechend 1 dar, in welcher der Teil des Rotors 4, welcher sich in der Messstrecke 7 befindet, nicht ferromagnetisch ist. Gleiche Teile wie in 1 sind mit gleichen Ziffern bezeichnet.
In 4 ist der zur 3 gehörige geschlossene Magnetkreis 8 dargestellt. In der Messstrecke 7 werden zusätzlich zu den beiden Widerständen 10, 11 des ersten und des zweiten Luftspaltes 3, 5 ein Widerstand 12 des Rotors 4 dargestellt. Dieser ergibt sich dadurch, dass sich der Teil des Rotors 4, welcher sich in der Messstrecke 7 befindet, nicht ferromagnetisch ist oder an dieser Stelle eine Ausnehmung besitzt. Der Sensor 9 erkennt somit in der 4 eine Änderung des magnetischen Flusses und somit der Stärke der magnetischen Felds, wodurch damit eine Drehzahl bestimmbar ist. Wenn sich nun der Rotor beispielsweise radial nach außen bewegt, vergrößert sich der erste Luftspalt 3 und damit der dazugehörige Widerstand 10. Im gleichen Maße allerdings muss sich der zweite Luftspalt 5 wie auch der dazugehörige Widerstand 11 verringern. Da zur Bestimmung der Drehzahl die beiden Widerstände 10 und 11 addiert werden, hat eine solche Bewegung des Rotors 4 in der Messstrecke 7 keinen Einfluss auf die Bestimmung der Drehzahl.
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehzahlerfassung. Hier wird die Drehzahl der Welle 15 in axialer Richtung gemessen. Dafür werden die Magnetfeldlinien vom Magnet 1 durch den Sensor 2, durch den ersten Luftspalt 3, durch den Rotor 4, durch den zweiten Luftspalt 5, durch den Kupplungsträger 14, durch die Welle 15, durch das Lager 16 und durch das Getriebegehäuse 17 wieder an den Magneten 1 zurückgeleitet. Bei dieser Anordnung ist es wichtig, dass der Rotor 4 nicht magnetisch leitend mit der Welle 15 verbunden ist.

1: Magnet
2: Sensor
3: erster Luftspalt
4: Rotor
5: zweiter Luftspalt
6: Bauteil
7: Messstrecke
8: geschlossener Magnetkreis
9: Widerstand Sensor
10: Widerstand erster Luftspalt
11: Widerstand zweiter Luftspalt
12: Widerstand Rotor
13: Magnet-Quelle
14: Kupplungsträger
15: Welle
16: Lager
17: Gehäuseteil
18: Gehäuseteil

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Drehzahl eines sich drehenden Bauteils in einem Fahrzeug, bestehend aus mindestens einem Magneten, einem Sensor und einem Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldlinien, welche aus dem Magneten (1) in Richtung zum Rotor (4) hin austreten, nach der Durchströmung des Rotors (4) über eine magnetisch leitende Verbindung wieder an den Magneten (1) zurückgeleitet werden und einen geschlossenen Magnetkreis (8) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messstrecke (7) aus einem ersten Luftspalt (3), dem Rotor (4) und einem zweiten Luftspalt (5) besteht, wobei die Länge der Messstrecke (7) konstant und der Rotor (8) innerhalb der Messstrecke (7) verschiebbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl durch eine Messung in axialer und/oder in radialer Richtung des drehenden Bauteils messbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldlinien vom Magneten (1) aus durch den Sensor (2), über den ersten Luftspalt (3), durch den Rotor (4) und über den zweiten Luftspalt (5) zu einem Kupplungsträger (14) geleitet werden, von dort aus an die Welle (15) und von der Welle (15) über ein Lager (16) an ein Gehäuseteil (17) und dann wieder zum Magneten (1) zurückleitbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldlinien vom Magneten (1) aus durch den Sensor (2), über den ersten Luftspalt (3), durch den Rotor (4) und über den zweiten Luftspalt (5) zu einem weiteren Bauteil (6) geleitet werden, welches fest mit dem Gehäuseteil (18) verbunden und magnetisch leitend ist, worüber die Magnetfeldlinien wieder zum Magneten (1) zurückleitbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche zur Verwendung in einem Fahrzeuggetriebe, insbesondere in einem automatischen oder automatisierbaren Fahrzeuggetriebe.
Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines sich drehenden Bauteils in einem Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl über die Messung eines magnetischen Flusses in einem geschlossenen magnetischen Kreis (8) bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des magnetischen Flusses über die Bestimmung magnetischer Widerstände (10, 11, 12) in der Messstrecke (7) durchführbar ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Drehzahl die Summe mindestens zweier magnetischer Einzelwiderstände (10, 11, 12) berechnet wird, wobei ein erster Luftspalt (3) einen ersten Einzelwiderstand (10) bildet, ein zweiter Luftspalt (5) einen zweiten Einzelwiderstand (11) bildet und dass ein dritter Einzelwiderstand (12) nur dann gebildet wird, sofern der Teil des Rotors (4), welcher sich in der Messstrecke (7) befindet, nicht magnetisch leitend ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe des ersten und des zweiten magnetischen Einzelwiderstands (10, 11) konstant ist.