DE102005010212B4

DE102005010212B4 - Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE102005010212B4
Application number: DE102005010212A
Authority: DE
Inventors: Frank Bürger; Norbert Ludwig
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2005-03-05
Filing date: 2005-03-05
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2025-03-06
Also published as: DE102005010212A1

Abstract

Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Klappen, wie Drall-, Drossel- oder Abgasklappen, mit
einem Stellmotor (10) zur Betätigung des Stellgliedes,
einer von dem Stellmotor (10) angetriebenen und mit dem Stellglied verbindbaren Abtriebswelle, die um eine Drehachse drehbar ist,
einem in einem Abstand zur Drehachse und mit der Abtriebswelle verbundenen ersten Magneten (28) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (36) und
einem ortsfest angeordneten Magnetfeldsensor (32) zur Positionserfassung der Abtriebswelle durch Detektion des Magnetfeldes (36),
dadurch gekennzeichnet, dass
neben dem ersten Magneten (28) ein gleichpolig ausgerichteter Zusatzmagnet (29) mit einem sich mit dem vom ersten Magnet (28) erzeugten Magnetfeld (36) überlagernden Magnetfeld (38) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Klappen. Bei den Klappen handelt es sich beispielsweise um Drosselklappen, Drallklappen, Abgasklappen oder Tumbleklappen.
Zum Stellen von Klappen sind die Klappen mit einer Stelleinrichtung verbunden. Die Stelleinrichtung weist eine Antriebseinrichtung, beispielsweise einen Elektromotor, auf, mit dem die Stellglieder betätigt werden. Der Stellmotor treibt üblicherweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe eine Abtriebswelle an. Die Abtriebswelle ist unmittelbar oder mittelbar mit der Klappe verbunden. Mit Hilfe der Stelleinrichtung kann somit ein Verschwenken der Klappe in unterschiedliche Stellungen, insbesondere Endstellungen, erfolgen. In den Endstellungen, wie einer geschlossenen Stellung und einer geöffneten Stellung, sind Endanschläge vorgesehen. Damit die betätigte Klappe bzw. die mit der Klappe verbundenen Elemente nicht beschädigt werden, wenn sie an einen Anschlag anschlagen, ist es erforderlich, dass die Stelleinrichtung die Endstellungen detektieren kann. Hierzu ist es bekannt, mit der Abtriebswelle einen Magneten zu verbinden, der ein Magnetfeld erzeugt, das mit Hilfe eines ortsfest angeordneten Magnetfelddetektor, wie einem Hall-Sensor, detektiert wird. Der Magnet ist hierzu derart mit der Abtriebswelle verbunden, dass der Hall-Sensor das Magnetfeld detektiert, bevor die Klappe gegen den Endanschlag stoßen kann. Hierbei ist der Hall-Sensor beispielsweise auf einem Schaltwert von 20 mT eingestellt, so dass ab einer Detektion von 20 mT vom Hall-Sensor ein Schaltsignal erzeugt und an eine Schalteinrichtung oder unmittelbar an den Elektromotor abgegeben wird.
Ferner ist es aus DE 103 21 653 B3 bekannt, je Endstellung einen Stiftmagnet vorzusehen. Die Stiftmagnete sind bezogen auf den Hall-Sensor in unterschiedlicher Polarisierung angeordnet. Hierbei erzeugt eine Polarisierung ein High-Signal und die andere ein Low-Signal in dem Hall-Sensor. Hierdurch ist es mit Hilfe einer Logikeinrichtung möglich, die nach Erreichen einer Endstellung zukünftige Drehrichtung festzulegen.
Nachteilig bei derartigen Stelleinrichtungen ist, dass in der Mechanik große Toleranzen vorhanden sind. Dies ist insbesondere bei Bauteilen aus Kunststoff der Fall, die zudem eine relativ große Elastizität aufweisen. Es ist insofern möglich, dass das Stellglied bzw. die Abtriebswelle nach Erreichen des Schaltwerts um einen Winkel weitergedreht wird, bei dem das Magnetfeld des Stiftmagneten wieder unter den Schaltwert abgesunken ist. Dies ist beim High-Signal eines Hall-Sensors nachteilig, da bei Unterbrechung der Versorgungsspannung des Hall-Sensors die Information verloren geht. Da in diesem Fall ein Magnetfeld oberhalb des Schaltwertes von dem Hall-Sensor bei Wiederanliegen der Versorgungsspannung nicht detektiert wird, besteht die Gefahr, dass dieser Zustand fälschlicherweise der anderen Endstellung (Low-Signal) oder einer Zwischenstellung der Abtriebswelle zugeordnet wird. Dies führt zu fehlerhaften Steuerbefehlen eines Stellmotors, wodurch der ordnungsgemäße Betrieb der Stellglieder erschwert wird und ggf. eine Beschädigung der Stelleinrichtung, beispielsweise durch Drehen in die falsche Richtung, auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Stelleinrichtung zu schaffen, deren insbesondere durch Unterbrechen der Spannungsversorgung hervorgerufene Fehleranfälligkeit reduziert ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist in einem Abstand zur Drehachse der Abtriebswelle neben dem ersten Magneten ein gleichpolig ausgerichteter Zusatzmagnet angeordnet. Der erste Magnet und der Zusatzmagnet sind erfindungsgemäß derart angeordnet, dass sich die magnetischen Felder überlagern und ergänzen, so dass über einen größeren Bereich, insbesondere einen größeren Winkelbereich der Abtriebswelle, durch einen Magnetfeldsensor, insbesondere einen Hall-Sensor, ein Magnetfeld detektiert werden kann. Hierdurch ist es nach einer Unterbrechung der Versorgungsspannung des Magnetfeldsensors möglich, die Endstellung zuverlässig zu bestimmen, obwohl sich die Abtriebswelle, beispielsweise auf Grund von Toleranzen etc., in einer Stellung befindet, in der bei bekannten Stelleinrichtungen das Magnetfeld bereits wieder unter den Schaltwert abgesunken wäre.
Vorzugsweise sind der Magnet und der Zusatzmagnet in einem derartigen Abstand zueinander angeordnet, dass die Magnetfeldstärke zwischen den beiden Magneten stets oberhalb des Schaltwertes liegt. Hierdurch ist die Endstellung des Stellgliedes stets zuverlässig detektierbar.
Erfindungsgemäß ist es vorzugsweise ausreichend, an der mit einem High-Signal des Magnetfeldsensors detektierten Endstellung einen Zusatzmagneten vorzusehen, da das Low-Signal nicht verloren gehen kann.
Vorzugsweise sind die nebeneinander angeordneten Magneten auf einer Kreisbahn angeordnet. Der Abstand der Magneten zueinander, d. h. die vom Mittelpunkt radial zu den jeweiligen Magneten verlaufenden Mittelpunktlinien weisen zueinander insbesondere einen Winkel von 5°–15°, vorzugsweise von 8°–12° auf. Vorzugsweise sind die nebeneinander angeordneten Magneten derart angeordnet, dass die überlagerten Magnetfelder in einem Winkelbereich von über 20°, insbesondere über 30°, vorzugsweise über 35° oberhalb des Schaltwertes liegen.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Explosionsansicht einer Stelleinrichtung,
2 eine schematische Seitenansicht eines in 1 dargestellten Zahnrades,
3 ein schematisches Diagramm des Verlaufs des überlagerten Magnetfeldes des ersten Magneten und des Zusatzmagneten und
4 ein schematisches Diagramm des Verlaufs des Magnetfelds bei Vorsehen eines einzigen Magneten nach dem Stand der Technik.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung weist einen Elektromotor 10 auf, der eine Antriebswelle 12 antreibt. Auf der Antriebswelle 12 ist ein Schneckenrad 14 mit Hilfe von Halteelementen 16 angeordnet. Das Schneckenrad 14 greift in ein Zahnrad 18 ein, das in einer Gehäusehälfte 20 drehbar gehalten und mit einer nicht dargestellten Abtriebswelle fest verbunden ist. Die Abtriebswelle ragt durch eine Öffnung 22 aus der Gehäusehälfte 20 heraus und ist in einer gegenüberliegenden Gehäusehälfte 24 in einer zylindrischen Aufnahme 26. gelagert.
Zur Erfassung der Endstellung der Abtriebswelle, bzw. des mit dieser verbundenen Stellglieds, ist auf einem fest mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrad 18 ein erster Magnet 28 und ein zweiter Magnet 30, beispielsweise in einem Winkel von α = 85° zueinander mit dem Zahnrad 18 verbunden. Jeder Magnet 28, 30 dient zur Detektion einer Endstellung, wobei der erste Magnet 28 ein High-Signal in einem ortsfesten Magnetfeldsensor 32 und der zweite Magnet 30 ein Low-Signal erzeugt.
Neben dem ersten Magnet 28 ist ein Zusatzmagnet 29 vorgesehen, um das erzeugte Magnetfeld 36 (3) des ersten Magneten 28 mit einem zweiten Magnetfeld 38 des Zusatzmagneten 29 zu überlagern. Die Magneten 28, 29 weisen vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Feldstärke auf. Ferner sind die Magneten 28, 29 vorzugsweise als Stiftmagneten ausgebildet, die insbesondere einen Durchmesser von 2–3 mm aufweisen. Besonders bevorzugt sind die Magneten jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet.
Der zweite Magnet 30, neben dem kein Zusatzmagnet angeordnet ist, erzeugt ein Magnetfeld, das ebenfalls von dem Magnetfeldsensor 32, bei dem es sich insbesondere um einen Hall-Sensor handelt, detektiert wird. Hierzu ist der Magnetfeldsensor 32 zu den Magneten 28, 29, 30 gegenüberliegend ortsfest angeordnet. Der Magnetfeldsensor 32 ist auf einer Leiterplatte 33 (1), die in der Gehäusehälfte 20 gehalten ist, angeordnet.
Das Zahnrad 18 weist vorzugsweise Bohrungen auf, in welche die als Stiftmagneten ausgebildeten Magneten 28, 29, 30 eingesetzt sind (2). Hierbei sind die Magneten 28, 29, 30 auf einer Kreisbahn angeordnet und können mit ihrem Nordpol bzw. Südpol den Magnetfeldsensor 32 bei einer Bewegung der Abtriebswelle überstreichen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der erste Magnet 28 und der Zusatzmagnet 29 einen Abstand von 5° zueinander auf.
Der erste Magnet 28 und der Zusatzmagnet 29 erzeugen sich überlagernde Magnetfelder 36, 38. (3). Der Magnetfeldsensor 32 hat beispielsweise eine Empfindlichkeit bzw. einen Schaltwert 34 von 20 mT. Bei erreichen einer Winkelstellung von ca. 85° detektiert der Hallsensor 32 im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Überschreiten des Schaltwertes 34 im Punkt 40 (3). Der Hall-Sensor 32 gibt ein entsprechendes Signal an die Schalteinrichtung bzw. den Elektromotor ab. Auf Grund von Toleranzen und der Elastizität der Bauteile sowie auf Grund des Nachlaufs des Motors kann die Abtriebswelle beispielsweise eine Winkellage von 110° – kleiner 120° erreichen.
Gemäß dem Stand der Technik (4) wäre die Stärke des Magnetfeldes in diesem Winkelbereich unterhalb des Schaltwertes 34. Durch einen einzelnen Stiftmagneten wird nach dem Stand der Technik ein Magnetfeld 42 erzeugt. Auf Grund des Nachlaufens des Elektromotors und um Beschädigungen zu vermeiden, muss ebenfalls bei Erreichen einer Winkelstellung von ca. 85°, d. h. im Punkt 40 (4) ein Signal von dem Hall-Sensor erzeugt werden. Das Magnetfeld 42 liegt im Stand der Technik nur etwa für einen Winkelbereich von ca. 20–25° oberhalb des Schaltwertes 34. Erreicht somit die Antriebswelle auf Grund von Toleranzen, Elastizitäten etc. beispielsweise eine Winkellage von 110°, kann ein Hall-Sensor nach Unterbrechung der Versorgungsspannung die Endlage nicht mehr detektieren.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatzmagneten ist dies vermieden. Somit ist auch nach Unterbrechung der Versorgungsspannung des Hall-Sensors eine eindeutige Bestimmung der entsprechenden Endlage sichergestellt.

Claims

Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Klappen, wie Drall-, Drossel- oder Abgasklappen, mit einem Stellmotor (10) zur Betätigung des Stellgliedes, einer von dem Stellmotor (10) angetriebenen und mit dem Stellglied verbindbaren Abtriebswelle, die um eine Drehachse drehbar ist, einem in einem Abstand zur Drehachse und mit der Abtriebswelle verbundenen ersten Magneten (28) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (36) und einem ortsfest angeordneten Magnetfeldsensor (32) zur Positionserfassung der Abtriebswelle durch Detektion des Magnetfeldes (36), dadurch gekennzeichnet, dass neben dem ersten Magneten (28) ein gleichpolig ausgerichteter Zusatzmagnet (29) mit einem sich mit dem vom ersten Magnet (28) erzeugten Magnetfeld (36) überlagernden Magnetfeld (38) vorgesehen ist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Magneten (28) und des Zusatzmagneten (29) derart gewählt ist, dass die Magnetfeldstärke zwischen den Magneten (28, 29) stets oberhalb eines Schaltwertes (34) liegt.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander angeordneten Magneten (28, 29) auf einer Kreisbahn angeordnet sind und vorzugsweise zueinander einen Winkel von 5°–15°, insbesondere von 8°–12° aufweisen.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (28, 29) im wesentlichen die gleiche Feldstärke aufweisen.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, gekennzeichnet durch einen zweiten Magneten (30) zur Erzeugung eines magnetischen Signals (44).
Stelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Magnet (30) in einem Abstand von 80°–90° zu dem ersten Magneten (28) mit der Abtriebswelle verbunden ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneten (28, 29; 30) als Stiftmagnete ausgebildet sind.
Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stiftmagnete (28, 29; 30) einen Durchmesser von 2–3 mm aufweisen.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2–8, dadurch gekennzeichnet, dass das oberhalb des Schaltwertes (34) vorhandene Magnetfeld über einen Winkelbereich von über 20° vorhanden ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2–8, dadurch gekennzeichnet, dass das oberhalb des Schaltwertes (34) vorhandene Magnetfeld über einen Winkelbereich von über 30° vorhanden ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2–8, dadurch gekennzeichnet, dass das oberhalb des Schaltwertes (34) vorhandene Magnetfeld über einen Winkelbereich von über 35° vorhanden ist.