DE102004010948B4

DE102004010948B4 - Winkelmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102004010948B4
Application number: DE102004010948A
Authority: DE
Inventors: Benno Dipl.-Ing.(FH) Schmied
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: MXPA05002343A; US20050193583A1; CA2499118A1; DE102004010948A1; JP2005249791A; US7096593B2; BRPI0500854A

Abstract

Anordnung, umfassend eine Kurbelwelle (17) einer Verbrennungskraftmaschine und eine Winkelmesseinrichtung (1), die einen Tragkörper (2) mit zumindest zwei Spuren (3, 4) umfasst, wobei zumindest eine Spur (3) als Kreisringfläche (5) und zumindest eine Spur als Zylindermantelfläche (6) ausgebildet ist, wobei jede Spur (3, 4) durch zumindest einen Sensor (7) elektromagnetisch oder optisch abtastbare im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildete periodische Muster (8) aufweist und wobei die eine Spur (3) eine Anzahl N Muster (8) und die andere Spur (4) eine Anzahl N + 1 Muster (8) aufweist, wobei die einzige Position der Winkelmesseinrichtung (1) mit einem gemeinsamen Übergang der Muster (8) beider Spuren (3, 4) dem Oberen Totpunkt der Kurbelwelle (17) zugeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung.
Stand der Technik
Eine über einen Vollkreis von 360° absolut messende Winkelmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 2 ist aus der DE 100 38 296 A1 bekannt. Die vorbekannte Winkelmesseinrichtung umfasst eine Anordnung von mehreren kreisringförmigen Spuren auf einer Stirnseite eines drehbaren, scheibenförmigen Tragkörpers. Die Spuren sind mit magnetisch abtastbaren periodischen Mustern mit axialer Wirkrichtung versehen, wobei sich die Periodenzahl der Muster der Spuren gemäß dem Noniusprinzip um den Wert 1 unterscheidet. In der Nähe des Tragkörpers sind, ein periodisches Abtastsignal liefernde, magnetische Abtastköpfe angebracht.
Aus der US 4,764,767 ist eine absolut messende Winkelmesseinrichtung mit zwei zylindermantelförmigen Spuren bekannt, wobei die Spuren in axialer Erstreckung parallel auf der Oberfläche eines Zylinder angeordnet sind und eine radiale Wirkrichtung aufweisen.
Bei den vorbekannten Winkelmesseinrichtungen ist von Nachteil, dass der Platzbedarf der Winkelmesseinrichtungen sehr groß ist. Bei einer Anordnung von mehreren kreisringförmigen Spuren auf einer Stirnseite eines kreisförmigen Tragkörpers wird ein größerer Durchmesser der Scheibe benötigt, um mehrere kreisringförmige Spuren bei gleichzeitig guter Auflösung auf der Stirnseite eines Tragkörpers anordnen zu können. Bei einer Anordnung mehrerer zylindermantelförmiger Spuren auf einem zylindrischen Tragkörper ist die axiale Erstreckung der Winkelmesseinrichtung groß.
Aus der DE 197 27 583 A1 ist eine Anordnung zur Erfassung von Winkel-Lagezuordnungen einer Kurbelwelle bekannt. Die Anordnung weist ein als Markierungseinrichtung ausgebildetes Drehteil auf, welches einen Zahn aufweist, der durch einen Sensor detektierbar ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine absolut messende Winkelmesseinrichtung zu schaffen, die einen geringeren Raumbedarf aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 und 2 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Gemäß einer ersten Lösung weist die Winkelmesseinrichtung einen Tragkörper mit zumindest zwei Spuren auf, wobei zumindest eine Spur als Kreisringfläche und zumindest eine Spur als Zylindermantelfläche ausgebildet ist, wobei jede Spur durch zumindest einen Sensor elektromagnetisch oder optisch abtastbare im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildete periodische Muster aufweist und wobei die eine Spur eine Anzahl N Muster und die andere Spur eine Anzahl N + 1 Muster aufweist und wobei die einzige Position der Winkelmesseinrichtung mit einem gemeinsamen Übergang der Muster beider Spuren dem Oberen Totpunkt (OT) einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors zugeordnet ist.
Durch die Aufteilung der Spuren auf eine Kreisringfläche und eine Zylindermantelfläche ist die axiale und radiale Erstreckung des Tragkörpers und damit der Winkelmesseinrichtung gering, wodurch eine kompakte Bauform erreicht wird. Die minimale axiale Erstreckung des Tragkörpers ist nur eine Spurbreite. Durch die Zuordnung ist die Position des OT bei jedem Drehwinkel aus der Phasendifferenz der beiden Spuren erkennbar. Die Lage mit einer Phasendifferenz gleich Null entspricht dem OT. Eine spezielle OT-Markierung kann entfallen und die OT-Lage kann anhand der Phasendifferenz der Spuren jederzeit ermittelt werden.
Gemäß einer zweiten Lösung weist die Winkelmesseinrichtung zumindest zwei Spuren auf, wobei eine der Spuren auf einer Stirnseite und die andere Spur auf der anderen Stirnseite eines kreisringförmigen Tragkörpers angeordnet ist und wobei die einzige Position der Winkelmesseinrichtung mit einem gemeinsamen Übergang der Muster beider Spuren dem Oberen Totpunkt (OT) einer Kurbelwelle eines Kraftfahrzeugmotors zugeordnet ist.
Durch die Anordnung einer Spur auf einer Stirnseite und einer Spur auf der anderen Stirnseite eines kreisringförmigen Tragkörpers ist die axiale und radiale Erstreckung des Tragkörpers und damit der Winkelmesseinrichtung ebenfalls gering. Die axiale Erstreckung des Tragkörpers ist unabhängig von der Anzahl der Spuren, da nur Spuren mit axialer Wirkrichtung eingesetzt sind. Die radiale Erstreckung der Winkelmesseinrichtung ist von dem gewählten Durchmesser nur einer Spur abhängig, wobei durch den Durchmesser der Spur die Auflösung der Winkelmesseinrichtung bestimmt wird. Durch die Zuordnung ist die Position des OT bei jedem Drehwinkel aus der Phasendifferenz der beiden Spuren erkennbar. Die Lage mit einer Phasendifferenz gleich Null entspricht dem OT. Eine spezielle OT-Markierung kann entfallen und die OT-Lage kann anhand der Phasendifferenz der Spuren jederzeit ermittelt werden.
Die sehr kompakte Bauform der Winkelmesseinrichtung nach einer der beiden Lösungen ermöglicht eine Integration in andere Bauelemente wie beispielsweise Kassettendichtungen, die nur über sehr begrenzten für Winkelmesseinrichtungen verfügbaren Raum verfügen.
In einer Ausgestaltung kann der Tragkörper durch den Bund einer Welle gebildet sein. Ein Wellenbund ist einfach herstellbar und kann während des Betriebs nicht seine Position verändern. Fehlerhafte Messsignale durch die mit dem Tragkörper drehfest verbundenen Spuren werden dadurch vermieden.
Die beiden Stirnseiten des Tragkörpers können radial außenumfangsseitig durch eine sich in axialer Richtung erstreckende zylinderförmige Oberfläche verbunden sein und auf der Oberfläche kann zumindest eine weitere Spur angeordnet sein. Dadurch können mindestens drei Spuren bei sehr geringem Platzbedarf auf dem Tragkörper integriert werden. Die zusätzliche Spur ermöglicht beispielsweise eine feinere Auflösung der Winkellage des zu vermessenden Maschinenelements.
Der Tragkörper kann durch ein Blechteil gebildet sein. Blechteile sind preiswert und in großen Stückzahlen kostengünstig herstellbar. Das Gewicht eines Tragkörpers aus Blech ist gering.
In das Blechteil können Muster in Form von Ausnehmungen eingebracht sein. Spuren mit abtastbaren Mustern, die durch Ausnehmungen gebildet sind, sind einfach und kostengünstig herstellbar. Der Raumbedarf ist gering. Passiv wirkende Muster, die durch Ausnehmungen dargestellt sind, sind kostengünstig in der Herstellung.
Die abtastbaren Muster können durch einen magnetisierbaren Werkstoff gebildet sein. Magnetisierbare Werkstoffe ermöglichen die Herstellung aktiv wirkender Spuren, die eine gute Auflösung aufweisen und größere Sensorabstände als bei passiv wirkenden Mustern ermöglichen. Spuren aus magnetisierbarem Werkstoff haben keine vorstehenden Elemente, wodurch die Oberfläche unempfindlich gegen Verschmutzung ist.
Die Spuren können durch einen ferritgefüllten Kunststoff gebildet sein. Ferritgefüllte Kunststoffe sind beständig gegen Wasser, Öle und Fette. Des weiteren sind Spuren aus ferritgefülltem Kunststoff elastisch und damit gegenüber Wärmedehnungen des Tragkörpers unempfindlich.
In einer Ausgestaltung kann zumindest einer der Sensoren durch einen Sensor mit passivem Messprinzip gebildet sein. Passive Sensoren, beispielsweise mit induktivem Messprinzip sind preiswert.
In einer anderen Ausgestaltung kann zumindest einer der Sensoren durch einen Sensor mit aktivem Messprinzip gebildet sein. Aktive Sensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren geben auch bei sehr geringen Drehzahlen des Tragkörpers ein Messsignal. Die Sensoren sind kompakter als die Sensoren mit passivem Messprinzip.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Winkelmesseinrichtung werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Diese zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:
1 eine Winkelmesseinrichtung mit einer radial und einer axial angeordneten Spur
2 eine Winkelmesseinrichtung mit zwei kreisringförmigen Spuren;
3 eine Winkelmesseinrichtung mit zwei kreisringförmigen Spuren und einer zylinderförmigen Spur;
4 eine Winkelmesseinrichtung mit einem Tragkörper aus Blech.
Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Winkelmesseinrichtung 1, bestehend aus einem Tragkörper 2 auf dessen einer Stirnseite 18 eine Spur 3 als Kreisringfläche 5 mit axialer Wirkrichtung angeordnet ist. Auf der zylinderförmigen Oberfläche 13 des Tragkörpers 2 befindet sich eine weitere Spur 4 die als Zylindermantelfläche 6 ausgebildet ist. Beide Spuren 3, 4 weisen übereinstimmend ausgebildete und gleichmäßig verteilte elektromagnetisch abtastbare Muster 8 auf. Die Anzahl der Muster 8 auf den beiden Spuren 3, 4 unterscheidet sich um den Wert 1. Die Spuren 3, 4 bestehen aus einem ferritgefüllten Kunststoff, der auf den Tragköper 2 aufvulkanisiert ist. Die Muster 8 sind durch eine Magnetisierung in die Spuren 3, 4 eingeprägt und werden durch Sensoren 7 abgetastet.
2 zeigt eine Winkelmesseinrichtung 1, bestehend aus einem Tragkörper 2, der durch einen Bund 11 einer Welle 20 gebildet ist. Auf dem Tragkörper 2 ist auf den beiden Stirnseiten 9, 10 jeweils eine kreisringförmige Spur 3, 4 mit übereinstimmend und gleichmäßig verteilten elektromagnetisch abtastbaren Mustern 8 angeordnet. Die Anzahl der Muster 8 der Spuren 3, 4 unterscheidet sich um den Wert 1. Durch diese Nonius-Anordnung gibt es nur eine Stelle mit einem gemeinsamen Übergang der Muster 8 auf beiden Spuren 3, 4. Diese Stelle ist beispielsweise gleich der OT-Markierung einer Kurbelwelle 17 einer Verbrennungskraftmaschine. Durch die Phasenverschiebung der Signale der Muster 8 kann die OT-Lage bei jeder Winkellage ermittelt werden. Die Muster 8 sind durch eine Magnetisierung in die Spuren 3, 4 eingeprägt. Die elektromagnetischen Signale der Spuren 3, 4 werden durch Sensoren 7 detektiert.
3 zeigt eine Winkelmesseinrichtung gemäß 2 auf der zusätzlich auf der zylinderförmigen Oberfläche 13 des Bundes 11 eine weitere Spur 14 mit elektromagnetisch abtastbaren Mustern 8 angeordnet ist.
4 zeigt eine Winkelmesseinrichtung 1 mit einem drehfest mit einer Welle 20 verbundenem Tragkörper 2 aus einem gestanzten Blechteil 15. Auf der einen Stirnseite 18 des Tragkörpers 2 ist eine kreisringförmige Spur 3 und auf der zylinderförmigen Oberfläche 13 ist eine zylinderförmige Spur 4 angeordnet. Über beide Spuren sind periodisch übereinstimmend ausgebildete Muster 8 verteilt. Die Muster 8 sind durch Ausnehmungen 16 gebildet die elektromagnetisch oder optisch mittels Sensoren 7 abtastbar sind. Die Anzahl der Muster 8 der beiden Spuren 3, 4 unterscheidet sich um den Wert 1.

Claims

Anordnung, umfassend eine Kurbelwelle (17) einer Verbrennungskraftmaschine und eine Winkelmesseinrichtung (1), die einen Tragkörper (2) mit zumindest zwei Spuren (3, 4) umfasst, wobei zumindest eine Spur (3) als Kreisringfläche (5) und zumindest eine Spur als Zylindermantelfläche (6) ausgebildet ist, wobei jede Spur (3, 4) durch zumindest einen Sensor (7) elektromagnetisch oder optisch abtastbare im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildete periodische Muster (8) aufweist und wobei die eine Spur (3) eine Anzahl N Muster (8) und die andere Spur (4) eine Anzahl N + 1 Muster (8) aufweist, wobei die einzige Position der Winkelmesseinrichtung (1) mit einem gemeinsamen Übergang der Muster (8) beider Spuren (3, 4) dem Oberen Totpunkt der Kurbelwelle (17) zugeordnet ist.
Anordnung, umfassend eine Kurbelwelle (17) einer Verbrennungskraftmaschine und eine Winkelmesseinrichtung, die zumindest zwei als Kreisringfläche ausgebildete Spuren umfasst, wobei jede Spur durch zumindest einen Sensor elektromagnetisch oder optisch abtastbare im Wesentlichen übereinstimmend ausgebildete periodische Muster aufweist und wobei eine Spur eine Anzahl N und eine andere Spur eine Anzahl N + 1 Muster aufweist, wobei eine Spur (3) auf einer Stirnseite (9) und die andere Spur (4) auf der anderen Stirnseite (10) eines kreisringförmigen Tragkörpers (2) angeordnet sind, wobei die einzige Position der Winkelmesseinrichtung (1) mit einem gemeinsamen Übergang der Muster (8) beider Spuren (3, 4) dem Oberen Totpunkt der Kurbelwelle (17) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) durch einen Bund (11) einer Welle (20) gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stirnseiten (9, 10) radial außenumfangsseitig durch eine sich in axialer Richtung erstreckende zylinderförmige Oberfläche (13) verbunden sind und dass auf der Oberfläche (13) zumindest eine weitere Spur (14) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (2) durch ein Blechteil (15) gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in das Blechteil (15) Muster (8) in Form von Ausnehmungen (16) eingebracht sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuren (3, 4, 14) durch einen magnetisierbaren Werkstoff gebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuren (3, 4, 14) durch einen ferritgefüllten Kunststoff gebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Sensoren (7) durch einen Sensor mit passivem Messprinzip gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Sensoren (7) durch einen Sensor mit aktivem Messprinzip gebildet ist.