DE102005000748B4 - Stelleinrichtung - Google Patents

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Abstract

Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Ventile und Klappen, mit
einer Antriebseinrichtung zum Drehen einer Abtriebswelle (10),
einem zumindest teilringförmigen, mit der Abtriebswelle (10) verbundenen unabhängig von der Abtriebswelle (10) drehbar gelagerten Magnetelement (18),
einem ortsfest in einem radialen Abstand (a) zum Magnetelement (18) angeordneten Magnetfeldsensor (26) zur Erfassung einer Winkellage der Abtriebswelle (10), und
einer Ausgleichskupplung (28), die die Abtriebswelle (10) mit dem Magnetelement (18) verbindet,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichskupplung ein drehfest mit der Abtriebswelle (10) verbundenes, als Wellenansatz ausgebildetes Verbindungselement (40) aufweist, das über ein Mitnahmeelement (36) zur Übertragung einer Drehung mit dem Magnetelement verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, wie beispielsweise Ventile und Klappen.
  • In Kraftfahrzeugen angeordnete Ventile und Klappen werden über eine Stelleinrichtung betätigt. Bei den Ventilen handelt es sich beispielsweise um in Abgasrückführsystemen angeordnete Ventile. Bei den Klappen handelt es sich beispielsweise um Drall-, Drossel- oder Abgasklappen. Je nach Anwendungsfall muss die Winkellage des Stellgliedes exakt bestimmt werden. Hierzu ist es bekannt, an einer Abtriebswelle der Stelleinrichtung, die mittelbar oder unmittelbar mit einer Welle des Stellgliedes, wie dem Ventil oder der Klappe verbunden ist, einen Winkelsensor vorzusehen. Als Winkelsensoren. werden Drehpotentiometer eingesetzt. Aus dem sich je nach Winkelstellung ändernden Widerstand kann mit Hilfe einer Steuer- und Auswerteeinrichtung die Winkellage bestimmt werden. Da Drehpotenziometer einen Schleifkontakt aufweisen, sind diese verschleißanfällig. Hierdurch ändert sich der Widerstand und die Winkelbestimmung wird ungenau.
  • Zur Winkelbestimmung sind ferner berührungslose Winkelsensoren bekannt. Hierbei wird ein Magnetfeldsensor, insbesondere ein Hall-Sensor, eingesetzt, der einem Magnetring gegenüberliegend angeordnet ist. Der Hall-Sensor ist in radialer Richtung zu einem üblicherweise kreisringförmigen Magnetelement angeordnet. Hierbei umfasst das Magnetelement beispielsweise einen mehrpoligen Magnetring, der über eine Aufnahmescheibe oder dgl. mit der Abtriebswelle der Stelleinrichtung oder einer anderen Welle des Mechanismus verbunden ist. Das Magnetelement ist somit fest mit einer Welle verbunden, wobei der Magnetfeldsensor in einem radialen Abstand zu dem Magnetring ortsfest angeordnet ist. Anstelle eines mehrpoligen Magnetrings kann auch ein diametral magnetisierter Magnetring vorgesehen sein. Da die Stärke des von dem Hall-Sensor wahrgenommenen Magnetfeldes auch vom Abstand zwischen dem Hall-Sensor und dem Magneten abhängig ist, führt eine Querkraftbelastung der Welle, mit der der Magnet verbunden ist, zu einer Beeinträchtigung und Verfälschung des Messergebnisses. Die bei Stelleinrichtungen ggf. auf die Wellen wirkenden Querkräfte bewirken somit eine Veränderung des vom Hall-Sensor gemessenen Magnetfeldes und somit eine Verfälschung der gemessenen Winkellage. Ferner führen beispielsweise durch Verschleiß hervorgerufene radiale Verschiebungen der Welle zu einer Verfälschung der Messergebnisse.
  • Aus DE 199 29 905 ist ein Lenkwinkelsensor bekannt bei dem zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern zwischen einer Codescheibe bzw. einem Lenkwinkelaufnehmer und der Lenksäule eine Ausgleichskupplung vorgesehen ist. Die Ausgleichskupplung weist auf einem Ring im Abstand zur Drehachse angeordnete Langlöcher auf, die mit Zapfen der Codescheibe zusammen wirken. Ferner trägt der Ring um 90° zu den Langlöchern versetzt angeordnete Zapfen, die mit Langlöchern einer mit dem Lenkrad verbundenen Scheibe zusammenwirken.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Stelleinrichtungen für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere über die gesamte Lebensdauer der Stelleinrichtung, zu verbessern.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung weist eine Antriebseinrichtung, wie einen Elektromotor zum Drehen einer Abtriebswelle, auf. Die Abtriebswelle ist mittelbar oder unmittelbar mit dem Stellglied verbunden. Zur Erfassung der Winkellage der Abtriebswelle oder einer anderen zwischen der Antriebseinrichtung und dem Stellglied angeordneten Welle ist die Welle mit einem Magnetelement verbunden. Das Magnetelement ist zumindest teilringförmig ausgebildet. Vorzugsweise weist das Magnetelement einen zumindest teilringförmigen Magnetring auf, der über eine Aufnahmescheibe oder ein Halteelement mit der Welle verbunden ist. Das Magnetelement ist vorzugsweise mehrpolig ausgebildet oder diametral magnetisiert. Ferner ist zur Bestimmung der Winkellage ein ortsfester, beispielsweise in einem Gehäuse angeordneter Magnetfeldsensor vorgesehen. Der Magnetfeldsensor, bei dem es sich beispielsweise um einen Hall-Sensor oder Hall-Schalter handelt, ist in einem radialen Abstand zum Magnetelement vorgesehen.
  • Um den Einfluss von auf die Abtriebswelle wirkenden Querkräften auf die Messung der Winkellage zu vermeiden, ist das Magnetelement unabhängig von der Abtriebswelle drehbar gelagert. Die Übertragung der Drehung der Abtriebswelle auf das Magnetelement erfolgt erfindungsgemäß über eine Ausgleichskupplung. Auf Grund des erfindungsgemäßen unabhängigen Lagerns des Magnetelements sowie der Verwendung einer Ausgleichskupplung ist eine Übertragung von auf die Abtriebswelle wirkenden Querkräften vermieden. Dies hat zur Folge, dass der Abstand zwischen dem Magnetelement und dem Magnetfeldsensor nicht durch Querkräfte oder andere zum radialen Versatz der Abtriebswelle führende Einflüsse gestört wird. Hierdurch ist die Bestimmung der Winkellage der Abtriebswelle erheblich verbessert.
  • Erfindungsgemäß weist die Ausgleichskupplung ein drehfest mit der Abtriebswelle verbundenes Verbindungselement auf. Das Verbindungselement ist über ein Mitnahmeelement zur Übertragung der Drehung mit der Abtriebswelle verbunden.
  • Das Verbindungselement ist erfindungsgemäß als ein Stift oder Wellenansatz ausgebildet und mit der Abtriebswelle verbunden. Dieser ist insbesondere koaxial zu der Stirnseite der Abtriebswelle vorgesehen. Der Stift ist sodann wiederum in einer vorzugsweise länglichen, als Schlitz oder Nut ausgebildeten Ausnehmung eines Mitnehmers geführt. Der Mitnehmer ist mit dem Magnetelement verbunden.
  • Vorzugsweise ist die Drehachse des Magnetelements parallel zur Längsachse der Abtriebswelle angeordnet. Besonders bevorzugt ist eine koaxiale Anordnung der beiden Achsen, wobei die Koaxialität auf Grund von auf die Abtriebswelle wirkender Querkraft oder auf Grund von Verschleiß aufgehoben und dazu führen kann, dass die Achsen parallel zueinander verlaufen.
  • Vorzugsweise ist die Ausgleichskupplung derart ausgebildet, dass auch ein axialer Versatz der Abtriebswelle nicht auf das Magnetelement übertragen wird. Hierdurch ist die Genauigkeit der Winkelmessung weiter verbessert.
  • Mit Hilfe der Erfindung, insbesondere den vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, ist somit der Einfluss eines radialen Versatzes der Abtriebswelle auf die Winkelbestimmung erheblich reduziert. Hierdurch kann die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert werden. Ggf. kann es auf Grund von Veränderungen der Winkellage der Abtriebswelle zu Änderungen der Winkellage kommen. Vorzugsweise wird zum Ausgleich gelegentlich eine Lagedefinition bzw. Nullung durchgeführt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Stelleinrichtung im Bereich der Winkellage-Bestimmung,
  • 2 eine der 1 entsprechenden Ansicht, die zur Verdeutlichung teilweise geschnitten ist,
  • 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Stelleinrichtung im Bereich der Winkellage-Bestimmung und
  • 4 eine der 3 entsprechenden Ansicht, die zur Verdeutlichung teilweise geschnitten ist.
  • Die 1 und 2 stellen keine selbstständige Ausführungsform der Erfindung dar, sondern dienen zur Erläuterung.
  • Die Stelleinrichtung weist eine Abtriebswelle 10 auf, die über ein Getriebe 12 mit einer Antriebseinrichtung, wie einem Motor, verbunden ist. Die Abtriebswelle 10 ist innerhalb eines zylindrischen Ansatzes 14 (2) eines Gehäuses 16 drehbar gelagert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Ansatz 14 somit als Gleitbuchse, innerhalb der die Abtriebswelle 10 drehbar gelagert ist.
  • Die Abtriebswelle 10 umgebend ist ein Magnetelement 18 angeordnet, das im dargestellten Ausführungsbeispiel einen kreisringförmigen Magnetring 20 auf weist, der von einer kreisringförmigen Scheibe 22 getragen ist. Die kreisringförmige Scheibe 22 ist nicht mit der Abtriebswelle 10 verbunden und unabhängig von dieser drehbar gelagert. Die Lagerung der kreisringförmigen Scheibe 22 erfolgt über eine Außenseite 24 des Ansatzes 14. Es ist ebenso möglich, dass das Gehäuse 16 einen zweiten, beispielsweise in einem radialen Abstand zu dem Ansatz 14 angeordneten zweiten Ansatz aufweist, über den die Scheibe 22 oder unmittelbar der Magnetring 20 gelagert ist.
  • Auf Grund der unabhängigen Lagerung der Scheibe 22 sowie der Abtriebswelle 10 wird ein Versatz x (2) der Abtriebswelle 10 nicht auf die Scheibe 22 bzw. den Magnetring 20 übertragen.
  • Die Messung der Winkellage des Magnetrings 20 und somit die Bestimmung der Winkellage der Abtriebswelle 10 erfolgt über einen radial zu dem Magnetring 20 angeordneten Magnetfeldsensor 26, bei dem es sich vorzugsweise um einen Hall-Sensor handelt. Der Magnetfeldsensor ist ortsfest im Gehäuse 16 angeordnet und über elektrische Leitungen mit einer Auswerteelektronik verbunden, wobei in einem Hall-IC bereits eine Auswerteelektronik integriert ist, so dass das Signal unmittelbar an die Fahrzeugelektronik zur Verarbeitung übermittelt werden kann.
  • Die Verbindung der Abtriebswelle 10 mit dem Magnetelement 18 bzw. der Scheibe 22 des Magnetelements 18 erfolgt über eine Ausgleichskupplung 28. Die Ausgleichskupplung 28 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel (1 und 2) ein drehfest mit der Abtriebswelle 10 verbundenes Verbindungselement 30 sowie ein mit der Scheibe 22 verbundenes stiftförmiges Mitnahmeelement 32 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Mitnahmeelement 32 in einer schlitzförmigen Ausnehmung 34, die in dem Verbindungselement 30 vorgesehen ist, angeordnet.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausgleichskupplung 28 erfolgt somit eine Übertragung der Drehung der Abtriebswelle 10 auf das Magnetelement 18, so dass eine Winkellage exakt durch den Magnetfeldsensor 26 bestimmt werden kann. Auf Grund des Vorsehens der Ausgleichskupplung 28 erfolgt dies unabhängig von einem Versatz x (2), durch den ein Abstand a zwischen dem Magnetfeldsensor 26 und dem Magnetring 20 nicht beeinflusst wird.
  • Bei der zweiten, in 3 und 4 dargestellten Ausführungsform sind identische oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Der einzige wesentliche Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht in der Ausgestaltung der Ausgleichskupplung 28. Bei der Ausgleichskupplung 28 gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein Mitnehmer 36 vorgesehen. Der Mitnehmer 36 weist einen Schlitz bzw. eine Ausnehmung 38 auf, in der ein mit der Welle 10 verbundener Stift angeordnet ist. Der Stift bzw. Wellenansatz 40 weist eine Abflachung 42 auf, so dass der Stift 40 in den länglichen Schlitz 38 verschiebbar jedoch nicht drehbar ist. Durch Drehen der Welle 10 bzw. des Wellenansatzes 40 erfolgt somit ein Mitdrehen des Mitnahmeelements 36. Das Mitnahmeelement 36 ist fest mit der Scheibe 22 und diese wiederum fest mit dem Magnetring 20 verbunden. Der Wellenansatz 40 ist mit dem Verbindungselement 30 entsprechend der ersten Ausführungsform (1 und 2) vergleichbar.
  • Die übrigen Elemente der beiden Ausführungsformen, insbesondere die Lagerung der Abtriebswelle 10 sowie des Magnetelements 18 sind identisch.

Claims (4)

  1. Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Ventile und Klappen, mit einer Antriebseinrichtung zum Drehen einer Abtriebswelle (10), einem zumindest teilringförmigen, mit der Abtriebswelle (10) verbundenen unabhängig von der Abtriebswelle (10) drehbar gelagerten Magnetelement (18), einem ortsfest in einem radialen Abstand (a) zum Magnetelement (18) angeordneten Magnetfeldsensor (26) zur Erfassung einer Winkellage der Abtriebswelle (10), und einer Ausgleichskupplung (28), die die Abtriebswelle (10) mit dem Magnetelement (18) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichskupplung ein drehfest mit der Abtriebswelle (10) verbundenes, als Wellenansatz ausgebildetes Verbindungselement (40) aufweist, das über ein Mitnahmeelement (36) zur Übertragung einer Drehung mit dem Magnetelement verbunden ist.
  2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ausgleichskupplung (28) ein Ausgleich eines Versatzes, insbesondere eines radialen Versatzes (x) der Abtriebswelle (10) erfolgt.
  3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (18) koaxial zur Abtriebswelle (10) angeordnet ist.
  4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenansatz stiftförmig ausgebildet ist.
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