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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Geberrad für eine Welle, insbesondere
eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit einer Vielzahl von
Markierungen bestehen aus Standardmarkierungen, die jeweils einen
Zahn und eine Zahnlücke
umfassen, sowie mindestens eine von den Standardmarkierungen abweichende
Sondermarkierung. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anordnung
eines derartigen Geberrades, ein Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung
einer Welle und ein Computerprogramm.
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Die
Drehzahl einer Brennkraftmaschine wird im Stand der Technik mit
einem Drehzahlgeberrad und einem zugehörigen Geber bestimmt. Zusätzlich zur
reinen Drehzahlfunktion, die durch das zeitlich erfasste Abtasten
von Zähnen
auf dem Geberrad erfolgt, wird eine Lücke in der Zahnfolge zur Synchronisation
der Motorsteuerung mit der Stellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
benutzt. Wird z. B. ein induktiver Geber verwendet, so erzeugen
die Zahnlücken
ein Signal mit einem hohen Spannungswert und die Zähne ein
Signal mit einem geringen Spannungswert, in Drehrichtung des Geberrades
an dem Geber vorbei geführte
steigende Zahnflanken erzeugen also elektrisch eine fallende Zahnflanke. Diese
fallende Zahnflanke wird nun zur Detektion der Zahnflanke des Zahnes
sowie zur Detektion der Zahnlücke
benutzt.
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Das
Signal eines Drehzahlgebers in Verbindung mit einem Geberrad mit
einer Zahnlücke
erlaubt es in der Regel nicht, sicher zwischen den beiden möglichen
Laufrichtungen, einer Vorwärtsdrehrichtung
und einer Rückwärtsdrehrichtung,
der Kurbelwelle zu unterscheiden. Dies ist nur möglich mit aufwändigeren
Sensorkonzepten, wie z. B. einem differenziellen Hall-Geber oder
einem anisotropen Magnet-Widerstandssensor (AMR), der mit einem
vormagnetisierten Geberrad gepaart wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Geberrad anzugeben,
das auch mit einfachen Sensoren eine Erkennung der Drehrichtung
der Kurbelwelle erlaubt.
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Dieses
Problem wird gelöst
durch ein Geberrad für
eine Welle, insbesondere eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine,
mit einer Vielzahl von Markierungen bestehend aus Standardmarkierungen, die
jeweils einen Zahn und eine Zahnlücke umfassen, sowie mindestens
eine von den Standardmarkierungen abweichende Sondermarkierung,
wobei die Sondermarkierung einen gegenüber den Standardmarkierungen
verbreiterten Zahn sowie eine gegenüber den Standardmarkierungen
verbreiterte Zahnlücke
aufweist. Unter Standardmarkierung werden hier die mehreren gleichartigen
Markierungen umfassend jeweils gleiche Zähne und Zahnlücken verstanden,
in der Regel sind dies 58 Paare von gleichartigen Zähnen und
gleichartigen Zahnlücken. Die
Sondermarkierung entspricht der Geberradlücke im Stand der Technik, ist
also eine von den Standardmarkierungen abweichende Markierung. Die
Standardmarkierung ist anders als im Stand der Technik also nicht
einfach durch das Weglassen zweier Zähne gebildet, sondern durch
die Anordnung eines Zahnes und einer Zahnlücke mit veränderter Teilung. Durch die
veränderte
Teilung werden in Vorwärtsdrehrichtung
und Rückwärtsdrehrichtung
unterschiedliche steigende Flanken von einem Geber detektiert. Die
im Vorwärts-
und Rückwärtslauf
unterschiedlichen Signale des Gebers werden zur Drehrichtungsbestimmung
benutzt. Das erfindungsgemäße Geberrad
erlaubt die Erkennung der Drehrichtung mit einem einfachen passiven
induktiven Sensor. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Sondermarkierung über ein
Vielfaches der Teilung der Standardmarkierungen erstreckt. Es handelt
sich vorzugsweise um ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der
Standardmarkierungen, also erstreckt sich die Sondermarkierung über einen
Umfang des Geberrades, der mehreren Standardmarkierungen entspricht.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass sich die Sondermarkierung über eine
dreifache Teilung der Standardmarkierung erstreckt. Dabei kann vorgesehen
sein, dass der verbreiterte Zahn der Sondermarkierung die 1,5-fache
Breite der Standardmarkierung hat. Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass
die verbreiterte Zahnlücke
der Sondermarkierung die 1,5 fache Breite der Standardmarkierungen hat.
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Das
eingangs genannt Problem wird auch gelöst durch die Anordnung eines
erfindungsgemäßen Geberrades
an einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, sowie eines dem
Geberrad zugeordneten Geber.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren zur
Ermittlung der Drehrichtung einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle einer
Brennkraftmaschine, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung
und eines erfindungsgemäßen Geberrades,
wobei bei Auftreten eines Abstandes zweier detektierter steigender
Zahnflanken, der ein erstes Vielfaches des Abstandes zweier steigender
Zahnflanken zweier nebeneinander liegender Standardmarkierungen
ist, auf eine Vorwärtsdrehrichtung
erkannt wird und dass bei Auftreten eines Abstandes zweier detektierter
steigender Zahnflanken, der ein zweites Vielfaches des Abstandes
zweier steigender Zahnflanken zweier nebeneinander liegender Standardmarkierungen
ist, auf eine Rückwärtsdrehrichtung
erkannt wird
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Bei
Verwendung eines Geberrades mit einer Sondermarkierung, deren Zahn
sowie Zahnlücke
jeweils die 1,5-fache Breite der Teilung der Standardmarkierung
aufweist ist vorzugsweise vorgesehen, dass bei Auftreten eines Abstandes
zweier detektierter steigender Zahnflanken, der ein dreifaches Vielfaches
des Abstandes zweier steigender Zahnflanken zweier nebeneinander
liegender Standardmarkierungen ist, auf eine Vorwärtsdrehrichtung
erkannt wird. Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass bei zweimaligem
Auftreten eines Abstandes zweier detektierter steigender Zahnflanken,
der ein zweifaches Vielfaches des Abstandes zweier steigender Zahnflanken
zweier nebeneinander liegender Standardmarkierungen ist, auf eine
Rückwärtsdrehrichtung
erkannt wird.
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Das
eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm
mit Programmcode zur Durchführung
aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wenn das Programm
in einem Computer ausgeführt
wird.
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Bei
einem Geberrad nach Stand der Technik ist die erfindungsgemäße Modifikation
mit sehr geringem Aufwand zu realisieren, da hier nur eine geometrische
Veränderung
im Bereich der bisherigen Geberradlücke vorzunehmen ist. Bei Verwendung
eines erfindungsgemäßen Geberrades
statt eines Geberrades nach Stand der Technik ist keine wesentliche Modifikation
der Steuerung einer Brennkraftmaschine notwendig, da sich nur die
Erkennung der Geberradlücke
dergestalt ändert,
dass die erkannte Geberradlücke
gegenüber
einem Geberrad nach Stand der Technik verschoben ist, dass also
beispielsweise durch eine Steuerung ein anderer ausgewiesener Winkel
für die
Geberradlücke
eingestellt werden muss. Insofern bietet das erfindungsgemäße Geberrad
sowie das erfindungsgemäße Verfahren
die zusätzliche
Funktionalität
der Rückdreherkennung, ohne
dass weitergehende Änderungen
vorgenommen werden müssen.
Ei ne zusätzliche
Rückdreherkennung
z. B. anhand eines Nockenwellengebers kann parallel dazu vorhanden
sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
Skizze eines Geberrades mit zugeordnetem Geber;
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2 eine
Abwicklung eines Geberrades nach Stand der Technik;
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3 eine
Abwicklung eines erfindungsgemäßen Geberrades;
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4 ein
Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt
eine Skizze eines an sich bekannten Geberrades 1, das mit
einer hier nicht dargestellten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine
verbunden ist und bei einer Rotation der Kurbelwelle um eine Achse 2 rotiert.
Das Geberrad 1 weist Markierungen (Geberradmarken) auf,
die durch eine abwechselnde Anordnung von Zähnen 3 und Zahnlücken 4 gebildet
werden. Der Abstand zwischen aufeinander folgenden Markierungen
als Paare von Zähnen 3 und
Zahnlücken 4 beträgt 6°. Dieser
Abstand wird als Teilung a bezeichnet. Die Teilung ist jeweils ausgehend
von den Zahnflanken dargestellt. Die Zähne 3 und die Zahnlücken 4 können sich über einen
gleichen Winkelbereich von 3° erstrecken,
können
aber auch asymmetrisch aufgeteilt sein, beispielsweise indem ein
Zahn 3 einen Winkelbereich von 2° und eine Zahnlücke 4 einen
Winkelbereich von 4° überdeckt.
Eine Geberradlücke 5 wird
gebildet, indem durch Weglassen zweier Zähne 3 eine Geberradlücke 5 mit
einem Winkel von 15° entsteht.
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Dem
Geberrad 1 ist ein Geber 6 zugeordnet. Der Geber 6 umfasst
mindestens ein Geberelement 7, das beispielsweise ein Hall-Element,
induktiver Geber oder dergleichen sein kann. Das Geberelement 7 liefert
elektrische Signale, die über
eine Signalleitung 8 an ein Steuergerät 9 der Brennkraftmaschine übertragen
wird. Das Vorbeiführen
von Zähnen 3 und
Zahnlücken 4 an den
Geberelementen 7 erzeugt Spannungsänderungen an Ausgängen des Geberelementes 7,
die über
die Signalleitungen 8 zum Steuergerät 9 weitergegeben
werden.
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Üblicherweise
werden von den steigenden und fallenden Flanken des mechanischen
Signals nur die fallenden Flanken ausgewertet, somit die Flanken
beim Übergang
von einem Zahn 3 zu einer Zahnlücke 4. Die steigende
Flanke wird nicht benutzt. Die steigende Flanke wird nachfolgend
als Synonym für
einen Übergang
von einer Zahnlücke 4 zu
einem Zahn 3 verstanden, der von dem Geber 6 in
ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird. Entsprechend
wird unter einer fallenden Flanke der Übergang von einem Zahn 3 zu
einer Zahnlücke 4 verstanden,
wobei dieser Übergang
von dem Geber 6 wiederum in ein elektrisches Signal gewandelt
wird. Ob das elektrische Signal nun bei einer steigenden Flanke
von high zu low oder von low zu high übergeht, liegt an der elektrischen
Ausgestaltung, wesentlich ist hier nicht die elektrische Definition
der steigenden und fallenden Flanke, sondern die Zuordnung des elektrischen
Signals zu dem geometrischen Übergang
Zahn zu Zahnlücke.
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2 zeigt
eine Abwicklung 10 eines Geberrades nach Stand der Technik, 3 eine
Abwicklung 11 eines erfindungsgemäßen Geberrades, jeweils in
Aufsicht auf die Abwicklung, beispielsweise in Blickrichtung eines
Pfeiles P in 1. Zähne 3 sind dabei jeweils
als Rechteck dargestellt, Zahnlücken 4 sind
die Abstände
zwischen zwei benachbarten Zähnen 3.
Die Zähne 3 und
die Zahnlücken 4 bilden
paarweise Standardmarkierungen. Bei dem Geberrad 1 nach
Stand der Technik wird eine Zahnlücke 5 durch das Weglassen
zweier Zähne 3 gebildet,
dies ist durch ein gestricheltes Kästchen in 2 dargestellt.
Das erfindungsgemäße Geberrad
weist eine Sondermarkierung 12 in Form eines von den übrigen Zähnen 3 abweichenden
Sonderzahnes 3' und
einer von den übrigen
Zahnlücken 4 abweichenden
Sonderzahnlücke 4' auf. Der Sonderzahn 3' und die Sonderzahnlücke 4' erstrecken
sich zusammen über
einen Umfangswinkel φ,
der dem Umfangswinkel von drei Paaren Zahn 3 und Zahnlücken 4 entspricht.
Bei einer üblichen
Teilung eines Geberrades von 6° erstreckt
sich die Sondermarkierung 12 also über 18°.
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Der
Abstand zweier benachbarter gleichartiger Flanken wird als Teilung
a bezeichnet. Je nach Ausführung
der Geberradlücke 5 kann
sich diese über
zwei Teilungen a erstrecken, wenn nämlich nur ein Zahn zur Bildung
der Geberradlücke
weggelassen wird oder kann sich über
drei Teilungen a erstrecken, wenn nämlich zwei Zähne 3 weggelassen
werden. Die Geberradlücke 5 in 2 hat
eine Teilung von 3a, also dem dreifachen der Teilung der Markierungen.
Dieses Verhältnis
besteht unabhängig
davon, von welcher der Zahnflanken die Teilung aus gemessen wird,
also unabhängig
davon, ob die jeweils steigenden Zahnflanken im Vorwärts- oder
Rückwärtslauf
des Geberrades betrachtet werden. In 2 ist die
anhand der Zahnflanken gemessene Teilung für den Vorwärtslauf V unterhalb der Abwicklung
dargestellt, die anhand der Zahnflanken gemessene Teilung für den Rückwärtslauf
R ist unterhalb der Abwicklung dargestellt.
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In 3 ist
der Abstand zweier benachbarter gleichartiger Zahnflanken der Standardmarkierungen 18 ebenfalls
mit a bezeichnet. Der Sonderzahn 3' sowie die Sonderzahnlücke 4' erstrecken
sich jeweils über
die 1,5-fache Teilung a, die Breite des Sonderzahnes 3' beträgt also
1,5a, die Breite der Sonderzahnlücke 4' beträgt ebenfalls
1,5a. Im Vorwärtslauf V
bedeutet dies, dass der Abstand der Zahnflanke 13 zur benachbarten
Zahnflanke 14 die dreifache Teilung, also 3a beträgt. Im Rückwärtslauf
R beträgt
der Abstand der Flanke 13 und der gegenüberliegenden Zahnflanke 15,
die im Rückwärtslauf
die steigende Flanke darstellt, zu den jeweiligen benachbarten steigenden
Flanken 16 und 17 jeweils 2a. Im Vorwärtslauf
wird also einmalig ein um die dreifache Teilung 3a vergrößerter Abstand
zwischen zwei aufeinander folgenden steigenden Zahnflanken gemessen.
Im Rückwärtslauf
wird bei der Sondermarkierung 12 zwei Mal hintereinander
der doppelte Abstand 2a zweier aufeinander folgender Zahnflanken
gemessen. Im Vorwärtslauf
werden demzufolge Teilungen 1:3:1 gemessen, im Rückwärtslauf werden Teilungen 1:2:2:1
gemessen.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren
beginnt in Schritt 101 mit der Detektion einer ersten fallenden Zahnflanke.
Dadurch wird im Schritt 102 ein Timer Ti gestartet. Mit
Detektion der nächsten
fallenden Zahnflanke wir der Timer Ti in Schritt 103 gestoppt.
Mit Hilfe des Timers Ti wurde so die Zeit zwischen zwei fallenden
Zahnflanken bestimmt. In Schritt 104 wird die durch den
Timer Ti gemessene Zeit einem Kurbelwellenwinkel φ, der in
dieser Zeit überstrichen
wurde, zugeordnet. Dies kann durch die Umrechnung der zwischen den
zwei fallenden Flanken verstrichenen Zeit mittels der aktuellen
gemittelten Drehzahl geschehen. Dabei ist davon auszugehen, dass
zwischen zwei Zahnflanken, bei den Standardmarkierungen also einem überstrichen
Kurbelwellenwinkel von 6°, nur
Drehzahlschwankungen auftreten, die zumindest eine Feststellung
erlauben, ob die beiden Zahnflanken 6°, 12° oder 18° von einander entfernt liegen.
Es wird also davon ausgegangen, dass die Drehzahlschwankungen deutlich
kleiner als 100% sind. Im Schritt 104 wird der aktuell
gemessene Winkel φ einem
Speicher zugeordnet, der nach Art eines Schieberegisters (FIFO,
first in first out) jeweils die letzten z. B. 4 gespeicherten Zahnzeiten
speichert. In Schritt 105 wird daraufhin das Verhältnis der
gespeicherten Werte gebildet. Daraufhin wird in Schritt 106 geprüft, ob das
Verhältnis
Ver jeweils 1:1:1:1 ist, ob also die überstrichenen Winkel φ zwischen
benachbarten Zahnflanken jeweils gleich sind. Ist dies der Fall,
so befindet sich die Stellung des Geberrades 1 außerhalb
der Geberradlücke
bzw. Sondermarkierung. In diesem Fall, in Schritt 106 mit
der Option J bezeichnet, wird wieder zum Ausgangsschritt 101 verzweigt. Weicht
das Verhältnis
Ver von dem Wert 1:1:1:1 ab, in Schritt 106 mit der Option
N gekennzeichnet, so wird in Schritt 107 geprüft, ob das
Verhältnis
der letzten drei gespeicherten Abstände φ zwischen steigenden Flanken
ein Verhältnis
Ver = 1:3:1 besitzt oder ob das Verhältnis Ver der Winkelabstände der
letzen vier aufeinander folgenden Flanken einen Wert von Ver = 1:2:2:1
besitzt. Liegt ein Verhältnis
Ver = 1:3:1 vor, wird in Schritt 108 der Vorwärtslauf
V detektiert. Liegt das Verhältnis
in Schritt 107 bei Ver = 1:2:2:1, so wird in Schritt 109 der
Rückwärtslauf
R detektiert.