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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren nach den gattungsgemäßen
Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach den gattungsgemäßen Merkmalen
des Anspruchs 5.
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In
modernen Verbrennungsmotoren werden axial verschiebbare Nockenwellen
beispielsweise zur Verstellung des Ventilhubs und/oder der Steuerzeiten der Öffnung
der Ein- und Auslassventile und/oder zur elektromechanischen Ventilhubumschaltung
verwendet.
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Zur
Steuerung der Verstellung bzw. Umschaltung muss die axiale Position
der Nockenwelle erfasst werden. Abhängig von den gesetzlichen
Vorgaben ist zur Erfassung eine separate Messung über einen
eigens hierfür vorgesehenen Sensor erforderlich.
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Ferner
ist bekannt, die Drehwinkellage einer Nockenwelle nach dem Prinzip
eines auch als Drehimpulsgeber bezeichneten Inkrementalgebers zu
erfassen, indem eine Maßverkörperung bestehend
aus gleichmäßig über dem Umfang der Nockenwelle
verteilten Markierungen um die Nockenwelle umlaufend angeordnet
wird, die mittels mindestens einem die einzelnen Markierungen sensierenden
Sensor abgetastet wird. Dabei erfährt ein von dem Sensor
erzeugtes, in Abhängigkeit von der An- oder Abwesenheit einer
Markierung in dessen Erfassungsbereich veränderliches Signal
jedes Mal eine Änderung, wenn eine Markierung in den Erfassungsbereich
gelangt, oder diesen verlässt. Jede dieser Änderungen
entspricht dabei einem bestimmten Fortschritt der Winkellage der
Nockenwelle, beispielsweise entspricht jede dieser Änderungen
einem Fortschritt der Winkellage der Nockenwelle um einen dem Kehrwert der über
den Umfang verteilten Anzahl an Markierungen entsprechenden Bruchteil
einer vollen Umdrehung der Nockenwelle.
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Aus
der
DE 199 62 153
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung
der Winkellage rotierender Maschinenteile mit einem Geberrad und einem
Inkrementalgeber sowie einem Absolutwinkelgeber bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung der
axialen Position einer in mindestens zwei unterschiedliche Positionen
axial verschiebbaren Nockenwelle sieht eine ortsfeste Anordnung
mindestens eines Markierungen sensierenden Sensors gegenüber
der Nockenwelle vor. Der Sensor erzeugt ein in Abhängigkeit
von der An- oder Abwesenheit mindestens einer Markierung in dessen
Erfassungsbereich veränderliches Signal. Das Signal erfährt vorzugsweise
jedes Mal eine Änderung, wenn eine Markierung in den Erfassungsbereich
gelangt, oder diesen verlässt. Das Verfahren sieht darüber
hinaus eine Anordnung einer um die Nockenwelle umlaufenden Maßverkörperung
vor. Die Maßverkörperung besteht aus über
dem Umfang der Nockenwelle verteilt angeordneten, von dem Sensor
sensierbaren Markierungen. Die Maßverkörperung
nimmt einen Abschnitt der Nockenwelle ein, der sich so weit in axialer
Richtung entlang der Nockenwelle erstreckt, dass sich in jeder axialen
Position der Nockenwelle eine Partie der Maßverkörperung
im Erfassungsbereich des ortsfesten Sensors befindet. Das Verfahren
sieht außerdem eine Unterteilung der Maßverkörperung
in mindestens zwei in axialer Richtung aneinander angrenzende Partien
vor, vorzugsweise in mindestens eine der Anzahl unterschiedlicher
axialer Positionen der Nockenwelle entsprechende Anzahl von aneinander
angrenzende Partien, sodass sich im Erfassungsbereich des Sensors
in jeder axialen Position der Nockenwelle jeweils eine andere Partie
der Maßverkörperung befindet. Die Partien unterscheiden sich
jeweils voneinander durch mindestens eine unterschiedlich ausgeprägte
Markierung. Dadurch erzeugt der Sensor abhängig von der
axialen Position der Nockenwelle bei einer Umdrehung der Nockenwelle,
beispielsweise bei einer vollen, einer halben oder eines anderen
Bruchteils einer vollen Umdrehung der Nockenwelle, jeweils unterschiedliche
Folgen von Signalen, die jeweils einer Partie der Maßverkörperung
und damit jeweils einer axialen Position der Nockenwelle zugeordnet
werden können.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung ist dabei, dass zumindest eine
Markierung einer Partie einer Maßverkörperung
gegenüber einer Markierung einer axial anschließenden
Partie eine unterschiedliche Drehwinkellänge bzw. Ausdehnung
in Umfangsrichtung und/oder eine andere Drehwinkellage aufweist,
sodass sich bei einer Abtastung beispielsweise mittels eines zur
Erfassung der Drehwinkellage der Nockenwelle verwendeten Sensors
unterschiedliche Folgen von Signalen ergeben, die den unterschiedlichen
axialen Positionen der Nockenwelle zugeordnet werden können.
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Durch
die Erfindung wird ein Verfahren zur einfachen Erfassung der axialen
Position einer axial verschiebbaren Nockenwelle geschaffen, das
weitestgehend auf einer häufig ohnehin vorhandenen Maßverkörperung
zur Erfassung der Drehwinkellage der Nockenwelle aufbauen kann,
und somit kostengünstig und ohne einen zusätzlichen
Sensor zu benötigen verwirklicht werden kann.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die unterschiedlich ausgeprägten Markierungen über
unterschiedliche Drehwinkellängen und damit über
unterschiedliche weitere Bereiche des Umfangs der Nockenwelle.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass die Markierungen aller Partien der Maßverkörperung
jeweils an denselben Drehwinkellagen der Nockenwelle beginnen. Dadurch
ist es möglich, dass zur Erfassung der Drehwinkellage der
Nockenwelle abhängig vom verwendeten Sensor beispielsweise
ansteigende Signale des Sensors ausgewertet werden, und zur Erfassung
der axialen Position der Nockenwelle abhängig vom verwendeten
Sensor beispielsweise abfallende Signale des Sensors ausgewertet
werden. Somit kann mit ein und demselben Sensor sowohl die Drehwinkellage
der Nockenwelle, als auch deren axiale Position eindeutig bestimmt
werden.
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Zum
selben Zweck können die Markierungen aller Partien der
Maßverkörperung jeweils an denselben Drehwinkellagen
der Nockenwelle enden, wodurch es möglich ist, dass zur
Erfassung der Drehwinkellage der Nockenwelle abhängig vom
verwendeten Sensor beispielsweise abfallende Signale des Sensors
ausgewertet werden, und zur Erfassung der axialen Position der Nockenwelle
abhängig vom verwendeten Sensor beispielsweise ansteigende
Signale des Sensors ausgewertet werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der
axialen Position einer in mindestens zwei unterschiedliche Positionen
axial verschiebbaren Nockenwelle umfasst einen gegenüber
der Nockenwelle ortsfest angeordneten, Markierungen sensierenden
Sensor, der ein in Abhängigkeit von der An- oder Abwesenheit
mindestens einer Markierung in dessen Erfassungsbereich veränderliches
Signal erzeugt. Dieses Signal erfährt vorzugsweise jedes
Mal eine Änderung, wenn eine Markierung in den Erfassungsbereich
gelangt, oder diesen verlässt. Die Vorrichtung weist außerdem
eine Maßverkörperung auf, bestehend aus beispielsweise
einer Folge oder von z. B. gleichmäßig über
dem Umfang der Nockenwelle verteilt angeordneten Markierungen. Die
Maßverkörperung erstreckt sich so weit in axialer
Richtung entlang der Nockenwelle, dass sich in jeder axialen Position
der Nockenwelle eine Partie der Maßverkörperung
im Erfassungsbereich des ortsfesten Sensors befindet. Die Maßverkörperung
ist in mindestens zwei in axialer Richtung aneinander angrenzende Partien
unterteilt, vorzugsweise in mindestens eine der Anzahl unterschiedlicher
axialer Positionen der Nockenwelle entsprechende Anzahl von aneinander angrenzende
Partien, sodass sich im Erfassungsbereich des Sensors in jeder axialen
Position der Nockenwelle jeweils eine andere Partie der Maßverkörperung
befindet. Die Partien unterscheiden sich jeweils durch mindestens
eine unterschiedlich ausgeprägte Markierung voneinander.
Dadurch erzeugt der Sensor abhängig von der axialen Position
der Nockenwelle bei einer Umdrehung der Nockenwelle, beispielsweise
bei einer vollen, einer halben oder eines anderen Bruchteils einer
vollen Umdrehung der Nockenwelle, jeweils unterschiedliche Folgen
von Signalen, die jeweils einer Partie der Maßverkörperung und
damit jeweils einer axialen Position der Nockenwelle zugeordnet
werden können.
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Zur
unterschiedlichen Ausprägung der Markierungen in den axial
aneinander anschließenden Partien können zumindest
einzelne Markierungen einer Partie unterschiedliche Drehwinkellängen
aufweisen, als Markierungen benachbarter Partien.
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Die
Markierungen aller Partien der Maßverkörperung
können jeweils an denselben Drehwinkellagen der Nockenwelle
beginnen. Dadurch ist es möglich, dass zur Erfassung der
Drehwinkellage der Nockenwelle abhängig vom verwendeten
Sensor beispielsweise ansteigende Signale bzw. ansteigende Flanken
des Signals des Sensors ausgewertet werden, und zur Erfassung der
axialen Position der Nockenwelle abhängig vom verwendeten
Sensor beispielsweise abfallende Signale bzw. abfallende Flanken
des Signals des Sensors ausgewertet werden. Somit kann mit ein und
demselben Sensor sowohl die Drehwinkellage der Nockenwelle, als
auch deren axiale Position eindeutig bestimmt werden.
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Ebenfalls
ist denkbar, dass die Markierungen aller Partien der Maßverkörperung
jeweils an denselben Drehwinkellagen der Nockenwelle enden. Hierdurch
ist es möglich, dass zur Erfassung der Drehwinkellage der
Nockenwelle abhängig vom verwendeten Sensor beispielsweise
abfallende Signale bzw. abfallende Flanken des Signals des Sensors
ausgewertet werden, und zur Erfassung der axialen Position der Nockenwelle
abhängig vom verwendeten Sensor beispielsweise ansteigende
Signale bzw. ansteigende Flanken des Signals des Sensors ausgewertet
werden. Dadurch ist es ebenfalls möglich, mit ein und demselben
Sensor sowohl die Drehwinkellage der Nockenwelle, als auch deren
axiale Position eindeutig zu bestimmen.
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Die
Maßverkörperung kann auf einem fest mit der Nockenwelle
verbundenen Nockenwellengeberrad angeordnet sein. Dadurch vereinfacht
sich die Herstellung bzw. die Anordnung der Maßverkörperung
und die Herstellungskosten sinken.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Markierungen
durch am Umfang der Nockenwelle ausgeprägte Erhebungen
oder Vertiefungen gebildet sind, beispielsweise durch am Umfang
der Nockenwelle angeordnete Zähne.
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Alternativ
ist denkbar, dass die Markierungen aufgedruckt sind.
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Zusätzlich
oder alternativ ist denkbar, dass die Markierungen magnetisch sind.
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Sind
die Markierungen magnetisch, kann der Sensor beispielsweise ein
Hall-Sensor sein, dessen Signal sich proportional zum Abstand eines
Magnets oder eines permanent magnetisierten ferromagnetischen Werkstoffs
gegenüber dem Sensor ändert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erfassung der Position einer axial verschiebbaren
Nockenwelle.
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2 eine
schematische Darstellung eines Verlaufs eines Signals eines zur
Erfassung der Position einer axial verschiebbaren Nockenwelle vorgesehenen
Sensors der Vorrichtung aus 1.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der
axialen Position einer in mindestens zwei, durch den Pfeil 06 angedeutete,
unterschiedliche Positionen axial verschiebbaren, durch ihre Längsachse 05 schematisch
dargestellte Nockenwelle umfasst im wesentlichen einen in 1 dargestellten,
gegenüber der Nockenwelle ortsfest angeordneten, Markierungen 01 sensierenden
Sensor 02, der ein in Abhängigkeit von der An-
oder Abwesenheit mindestens einer Markierung 01 in dessen Erfassungsbereich
veränderliches Signal 03 erzeugt, dessen Verlauf
bei sich drehender Nockenwelle für unterschiedliche axiale
Positionen der axial verschiebbaren Nockenwelle schematisch in 2 dargestellt ist.
Dieses Signal 03 erfährt jedes Mal eine Änderung,
beispielsweise einen Anstieg, wenn eine Markierung 01 in
den Erfassungsbereich des Sensors 02 gelangt, oder beispielsweise
einen Abfall, wenn eine Markierung 01 den Erfassungsbereich
des Sensors 02 verlässt. Die Vorrichtung umfasst
außerdem eine um die Nockenwelle umlaufend angeordnete
Maßverkörperung 04. Die Maßverkörperung 04 erstreckt sich
so weit in axialer Richtung entlang der Nockenwelle, dass sich in
jeder axialen Position der Nockenwelle eine Partie 07, 08 der
Maßverkörperung 04 im Erfassungsbereich
des ortsfesten Sensors 02 befindet.
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Um
die Maßverkörperung 04 zu bilden, sind entlang
eines ersten Abschnitts 07 der Nockenwelle eine erste Folge
von Markierungen 01 um die Nockenwelle umlaufend angeordnet.
Der erste Abschnitt 07 befindet sich in einer ersten axialen
Position der axial verschiebbaren Nockenwelle im Erfassungsbereich
eines die Markierungen 01 sensierenden Sensors 02.
Der mit den Markierungen 01 versehene erste Abschnitt 07 bildet
eine erste Partie 07 der Maßverkörperung 04.
Entlang eines an den ersten Abschnitt 07 in axialer Richtung
der Nockenwelle angrenzenden Abschnitts 08 der Nockenwelle
ist eine zweite Folge von Markierungen 01 um die Nockenwelle
umlaufend angeordnet. Der zweite Abschnitt 08 befindet
sich in einer zweiten axialen Position der axial verschiebbaren
Nockenwelle im Erfassungsbereich des die Markierungen 01 sensierenden
Sensors 02. Der mit den Markierungen 01 versehene zweite
Abschnitt 08 bildet eine zweite Partie 08 der Maßverkörperung 04.
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Die
Partien 07, 08 unterscheiden sich jeweils durch
mindestens eine unterschiedlich ausgeprägte Markierung 09, 10 voneinander.
Dadurch erzeugt der Sensor 02 abhängig von der
axialen Position der Nockenwelle bei einer durch die Gradangaben
0° bis 360° in 2 angedeuteten
Umdrehung der Nockenwelle in durch den Pfeil 17 angedeuteter
Drehrichtung jeweils unterschiedliche Folgen 13, 14 von
Signalen 03 (2), die jeweils einer Partie 07, 08 der Maßverkörperung 04 und
damit jeweils einer axialen Position der Nockenwelle zugeordnet
werden können.
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Bei
der in axial aneinander angrenzende Partien 07, 08 unterteilten
Maßverkörperung 04 bestehend aus um die
Nockenwelle umlaufend angeordneten Markierungen 01 weist
demnach erfindungsgemäß zumindest eine Markierung 09 einer Partie 07 der
Maßverkörperung 04 gegenüber
einer Markierung 10 einer axial anschließenden
Partie 08 eine unterschiedliche Drehwinkellänge
bzw. Ausdehnung in Umfangsrichtung und/oder eine andere Drehwinkellage
auf, sodass sich bei einer Abtastung beispielsweise mittels eines
zur Erfassung der Drehwinkellage der Nockenwelle verwendeten Sensors 02 unterschiedliche
Folgen 13, 14 von Signalen 03 ergeben,
die den unterschiedlichen axialen Positionen der Nockenwelle zugeordnet
werden können.
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Zur
unterschiedlichen Ausprägung der Markierungen 01 in
den axial aneinander anschließenden Partien 07, 08 weist
vorzugsweise zumindest eine Markierung 09 einer Partie 07 eine
unterschiedliche Drehwinkellänge auf, als eine Markierung 10 einer
benachbarten Partie 08.
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Damit
die Maßverkörperung 04 sowohl zur Erfassung
der Drehwinkellage, als auch zur Erfassung der axialen Position
der axial verschiebbaren Nockenwelle herangezogen werden kann, beginnen die
Markierungen 01, 09, 10 der ersten und
der zweiten Partie 07, 08 der Maßverkörperung 04 jeweils
andenselben Drehwinkellagen der Nockenwelle. Dadurch ist es möglich,
dass zur Erfassung der Drehwinkellage der Nockenwelle abhängig
vom verwendeten Sensor 02 beispielsweise ansteigende Signale 11 bzw.
ansteigende Flanken 11 des Signals 03 des Sensors 02 ausgewertet
werden, und zur Erfassung der axialen Position der Nockenwelle abhängig
vom verwendeten Sensor 02 beispielsweise abfallende Signale 12 bzw.
abfallende Flanken 12 des Signals 03 des Sensors 02 ausgewertet
werden. Somit kann mit ein und demselben Sensor 02 sowohl
die Drehwinkellage der Nockenwelle, als auch deren axiale Position
eindeutig bestimmt werden.
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Ebenfalls
ist denkbar, dass die Markierungen der unterschiedlichen Partien 07, 08 der
Maßverkörperung 04 jeweils an denselben
Drehwinkellagen der Nockenwelle enden. Hierdurch ist es möglich,
dass zur Erfassung der Drehwinkellage der Nockenwelle abhängig
vom verwendeten Sensor 02 beispielsweise abfallende Signale 03 bzw.
abfallende Flanken 12 des Signals 03 des Sensors 02 ausgewertet
werden, und zur Erfassung der axialen Position der Nockenwelle abhängig
vom verwendeten Sensor 02 beispielsweise ansteigende Signale 03 bzw.
ansteigende Flanken 11 des Signals 03 des Sensors 02 ausgewertet
werden. Dadurch ist es ebenfalls möglich, mit ein und demselben
Sensor 02 sowohl die Drehwinkellage der Nockenwelle, als
auch deren axiale Position eindeutig zu bestimmen.
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In
beiden Fällen entfällt gegenüber einer
Lösung mit einem eigens zur Erfassung der Drehwinkellage
sowie einem eigens zur Erfassung der axialen Position der Nockenwelle
vorgesehenen Sensor der Einbau, die Verkabelung sowie die Signalverarbeitung
des Signals des zusätzlichen Sensors beispielsweise in
einem Steuergerät. Gleichzeitig und ohne Einschränkung
ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung
sowohl eine die Erfassung der Drehwinkellage einer Nockenwelle umfassende
Grundfunktion, als auch eine die Erfassung der axialen Position einer
Nockenwelle umfassende Zusatzfunktion.
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Bei
dem in 1 stellvertretend für die unterschiedlichen
axialen Positionen, in die die Nockenwelle axial verschiebbar ist,
in zwei unterschiedlichen Positionen angedeuteten Sensor 02 handelt
es sich vorzugsweise um einen Hall-Sensor 02 beispielsweise
mit einem Messelement. Der Sensor 02 ist vorzugsweise auch
zur Bestimmung bzw. Erfassung der Drehwinkellage der Nockenwelle
vorgesehen. Die Maßverkörperung kann auf einem
fest mit der Nockenwelle verbundenen Nockenwellengeberrad 15 angeordnet
bzw. ausgeprägt sein, dessen Umfang konzentrisch zur Längsachse 05 der
Nockenwelle ist. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung bzw. die
Anordnung der Maßverkörperung 04 auf
der Nockenwelle und die Herstellungskosten sinken.
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Die
Markierungen 01 sind vorzugsweise durch am Umfang des Nockenwellengeberrads 15 ausgeprägte,
durch Vertiefungen bzw. axiale Rillen voneinander getrennte Erhebungen
gebildet, beispielsweise durch am Umfang des Nockenwellengeberrads 15 angeordnete
Zähne 16.
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Das
in 1 dargestellte Nockenwellengeberrad 15 weist
beispielsweise 16-1 Zähne 16 auf. Bei einer solchen
16-1 Anordnung sind fünfzehn Zähne 16 auf
sechzehn gleichmäßig über den Umfang verteilten
Drehwinkellagen angeordnet, wobei eine Drehwinkellage frei bleibt
bzw. an einer Drehwinkellage kein Zahn 16 angeordnet ist.
Bei dem Sensor 02 kann es sich alternativ zu einem Hall
Sensor auch um einen Differenzial-Hall-Sensor handeln. Der Sensor 02 wertet
die elektrisch fallenden Flanken 12 der fünfzehn
Zähne 16 zur Bestimmung der Drehwinkellage der
Nockenwelle aus. Diese elektrisch fallenden Flanken 12 entsprechen
bei dem verwendeten Sensor 02 den mechanisch steigenden
Flanken der Zähne 16 und damit dem Beginn der
Markierungen 01. Die elektrisch steigende Flanke 11 entsprechend
der mechanisch fallenden Flanke wird zur Erfassung der Drehwinkellage
nicht benötigt.
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Das
Nockenwellengeberrad 15 weist zwei getrennte Lesespuren
auf, die den beiden Partien 07, 08 der Maßverkörperung 04 entsprechen.
Je Partie 07, 08 sind ein oder mehrere Zähne 16 entsprechend den
unterschiedlich ausgeprägten Markierungen 09, 10,
mit unterschiedlicher Drehwinkellänge ausgeführt.
Die mechanisch steigenden Flanken der Zähne 16 weisen
dabei jeweils identische Drehwinkellagen in den beiden Partien 07, 08 auf.
Dadurch ist bei sich in der durch den Pfeil 17 angedeuteten
Drehrichtung drehender Nockenwelle bzw. bei sich um die Längsachse 05 drehendem Nockenwellengeberrad 15 die Länge
der jeweils die Markierungen 09, 10 bildenden Zähne 16 der
beiden Partien 07, 08 unterschiedlich, was zur
Bestimmung der axialen Position der in axialer Richtung verschiebbaren
Nockenwelle herangezogen wird. Diese unterschiedliche Länge
spiegelt sich in einem durch die Pfeile 18, 19 angedeuteten unterschiedlichen
Abstand zwischen den elektrisch steigenden und elektrisch fallenden
Flanken 11, 12 der Folgen 13 und 14 des
Signals 03 des Sensors 02. Die Folgen 13, 14 unterscheiden
sich somit durch zumindest eine zu unterschiedlichen Zeitpunkten
bzw. Drehwinkellagen steigenden und fallende Flanken 11, 12,
bedingt durch die sich über unterschiedliche Drehwinkellängen
erstreckende Markierungen 09, 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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