DE102011106937A1

DE102011106937A1 - Drehzahlerfassung eines Fentserheberantriebs

Info

Publication number: DE102011106937A1
Application number: DE102011106937A
Authority: DE
Inventors: Roland Kalb; Marcus Scholz
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2013-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur Drehzahlerfassung eines Fensterheberantriebs (1) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor (3), mit einem Schneckengetriebe (17, 18) sowie mit einer zum Schneckenrad (18) des Schneckengetriebes (17, 18) koaxialen und mit diesem gekoppelten Seiltrommel (4), um die ein über mindestens eine Umlenkrolle (6) geführtes Seil (5) gewickelt ist, das mit einen entlang einer Führungsschiene (7) geführten Mitnehmer (8) für eine Fahrzeugscheibe (10) verbunden ist. Ein Sensorsystem (26, 27) umfasst einen in die Seiltrommel (4) oder in die Umlenkrolle (4) integrierten magnetischen Geber (27) und einen magnetfeldsensitiven Sensor (26), der axial zur Seiltrommel (4) bzw. zur Umlenkrolle (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drehzahlerfassung eines Fensterheberantriebs eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5. Eine derartige Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren sind aus der DE 10 2010 013 597 B3 bekannt.
In einem Kraftfahrzeug sind üblicherweise mittels elektronisch gesteuerter Antriebssysteme betätigte Stellelemente (Verstellteile), insbesondere elektrische Fensterheber, vorhanden. Während eines Stellvorgangs eines solchen Stellelementes ist eine gewünschte Endposition präzise anzufahren, wozu eine genaue Kenntnis der Stellposition des Verstellteils erforderlich ist. Die Kenntnisse der aktuellen Stellposition oder hieraus ableitbarer Größen, wie der Stellgeschwindigkeit oder des zurückgelegten Verstellwegs, sind darüber hinaus auch für die sichere Erkennung eines Einklemmfalls erforderlich.
Zur Erfassung der Stellposition einer Fensterscheibe ist ein Stellungs- und Drehrichtungssensor in Form üblicherweise eines Hall-Sensors (Hall-IC) und einem mehrpoligen Ringmagneten vorgesehen, der drehfest auf der Antriebs- oder Motorwelle des Elektromotors angeordnet ist. Der Hall-Sensor erfasst eine Magnetfeldänderung infolge einer Rotation des mit der Antriebswelle fest verbundenen Ringmagneten und generiert hieraus Zählimpulse. Diese werden zusammen mit einer Information über die Drehrichtung des Ringmagneten und damit des Elektromotors ausgewertet, indem die Zählimpulse je nach Drehrichtung des Antriebs aufwärts oder abwärts gezahlt werden und somit die jeweilige Stellung der Fensterscheibe angeben.
Ein solches Antriebssystem umfasst zusätzlich zu dem Antriebs- bzw. Elektromotor ein Übersetzungsgetriebe, das das Drehmoment des Elektromotors beispielsweise über einen Seilzug (Seilfensterheber) und einen mit diesem gekoppelten sowie in einer Führungsschiene geführten Mitnehmer auf die an diesem befestigte Fensterscheibe überträgt, so dass das Stellelement (Fahrzeugscheibe) infolge eines Steuerbefehls entlang eines Verstellweges zwischen einer Schließposition und einer Offenposition verstellbar (verfahrbar) ist. Das Übersetzungsgetriebe ist üblicherweise ein Schneckengetriebe mit einer motorwellenfesten Schnecke und mit einem mit diesem kämmenden Schneckenrad, das koaxial eine Seiltrommel trägt, um die das Seil des Seilzugs gewickelt ist.
Um das Stellelement in praktisch beliebiger Position entlang des Verstellweges auch bei ausgeschaltetem (gestopptem) Elektromotor in der jeweils angefahrenen Position zu halten, sind Mittel zur Hemmung des Antriebssystems vorgesehen. Hierzu kann beispielsweise das Getriebe selbsthemmend ausgeführt sein, was bei dem üblicherweise eingesetzten Schneckengetriebe durch eine entsprechende Zahnneigung der Außenverzahnung eines Schneckenrades erreicht wird.
Gemäß der eingangs genannten DE 10 2010 013 597 B3 ist vorgesehen, das antriebsseitige Schneckenrad und die abtriebsseitige Seiltrommel über eine Drehfeder zu koppeln, was insbesondere bei einem nicht selbsthemmenden Schneckengetriebe zweckmäßig ist. Die als Schlingfeder wirksame Drehfeder wirkt bei einem antriebsseitigen Drehmoment in beiden Drehrichtungen als Kupplung (Drehfeder- bzw. Schlingfederkupplung) zur Übertragung des Drehmomentes über die Seiltrommel auf das Stellelement. Bei einem abtriebsseitigen Drehmoment, das infolge einer Krafteinwirkung auf das Stellelement und somit auf die Seitrommel übertragen wird, ist die Drehfeder als Bremse (Drehfeder- bzw. Schlingfederbremse) wirksam und blockiert das abtriebsseitige Drehmoment, um dessen Übertragung auf das Schneckenrad weitest möglich zu unterbinden.
Während eine exakte Positionserfassung des Stellelementes und damit des Motorankers (Motorwelle) für die Sicherstellung der gesetzlichen Anforderung bezüglich eines Einklemmschutzes essentiell ist, können auftretende Positionsverschiebungen in bestimmten Betriebssituationen, insbesondere auf Grund des im Antriebssystem praktisch unvermeidbaren mechanischen Spiels bzw. der vorhandenen Antriebselastizitäten, mit dem bekannten Sensorsystem häufig nicht zuverlässig erfasst werden. So können die Antriebselastizitäten zu einer Verzögerung der Reaktionszeit führen, wenn eine Drehzahländerung nicht zeitnah erfasst und dadurch bedingt ein Einklemmfall nicht frühzeitig erkannt wird.
Aus der EP 0 964 126 A2 ist es bekannt, bei einem Fensterheberantrieb zur Positionserfassung ein kombiniertes Sensorsystem einzusetzen. Hierzu sind ein mit einem ersten Hallsensor zusammenwirkender erster magnetischer Geber in Form eines Ringmagneten drehfest auf der Motorwelle und ein zweiter magnetischer Geber im Bereich des Außenumfangs des Schneckenrades eines Schneckengetriebes angeordnet, dem ein entsprechend dezentral zur Drehachse des Schneckenrades angeordneter zweiter Hallsensor zugeordnet ist.
Ein redundantes Sensorsystem zur Bereitstellung einer hoch auflösenden Drehwinkelsensorik für einen Fensterheberantrieb ist auch aus der DE 41 38 194 A1 bekannt. Dort wird zusätzlich zu einem ortsfest oberhalb eines magnetisierbaren Bereichs des Schneckenrades angeordneten Hallsensor das sogenannte Rippel-Counting-Verfahren eingesetzt. Das Rippel-Counting nutzt im Motorstrom enthaltende Stromrippel, d. h. entsprechende Wechselstromanteile, die in Folge des Überstreichens der am Kommutator schleifend anliegenden Bürsten des Elektromotors an den Übergängen der Kommutierungsbereiche bzw. -lamellen entstehen. Ein solches kombiniertes Sensorsystem zur Positions- und Drehrichtungserfassung bei einem Fensterheberantrieb, bei dem in Kombination mit dem Rippel-Counting ein magnetoresitiver Sensor (AMR-Sensor) eingesetzt ist, ist auch aus der DE 102 31 450 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Vorrichtung und ein Verfahren zur besonders zuverlassigen Drehzahlerfassung eines Fensterheberantriebs eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Hierzu umfasst die Vorrichtung einen Elektromotor mit einer um eine Motorachse rotierenden Motorwelle und ein Schneckengetriebe mit einer auf der Motorwelle angeordneten Schnecke und mit einem Schneckenrad, dessen Drehachse quer zur Motorachse orientiert ist. Um eine zum Schneckenrad koaxiale und mit dieser gekoppelten Seiltrommel ist ein zu einer Schlaufe geschlossenes und über mindestens eine Umlenkrolle geführtes Seil gewickelt, das mit einen entlang einer Führungsschiene geführten Mitnehmer für eine Fahrzeugscheibe verbunden ist. Ein Sensorsystem umfassten einen in die Seiltrommel oder in die Umlenkrolle integrierten magnetischen Geber und einen magnetfeldsensitiven Sensor, der axial zur Seiltrommel bzw. zur Umlenkrolle angeordnet ist. Der Sensor ist dabei insbesondere zentral ober- oder unterhalb und beabstandet zur Seiltrommel oder zur Umlenkrolle positioniert.
Die Kopplung zwischen der Seiltrommel und dem Schneckenrad kann fest (starr) sein, z. B. durch Ausführung als einstückiges Spritzguss- oder Formteil. Vorzugsweise ist erfolgt die Kopplung jedoch mittels einer Drehfeder nach Art einer Schlingfeder.
In zweckmäßiger Ausgestaltung ist zur Drehzahlerfasssung ein AMR- oder GMR-Sensor vorgesehen ist. Die Ansteuerung des Elektromotors erfolgt geeigneterweise über H-Brückenschaltung mit einer Anzahl von pulsweitenmoduliert (PWM) gesteuerten Halbleiterschaltern.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Hierzu wird bei einem Fensterheberantrieb eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor und mit einem Schneckengetriebe sowie mit einer mit diesem gekoppelten Seiltrommel, um die ein zu einer Schlaufe geschlossenes und über mindestens eine Umlenkrolle geführtes Seil gewickelt ist, die Drehzahl an der Umlenkrolle oder an der Seiltrommel erfasst.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fensterheberantriebssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Sensorsystem mit in eine Umlenkrolle bzw. in eine Seitrommel integriertem Geber eines magnetfeldsensitiven Sensorsystems,
2 das Antriebssystem in einer Draufsicht mit einer Steuerelektronik, und
3 das Antriebsystem in einer Seitenansicht mit einer Drehfederkupplung bzw. -bremse zwischen Schneckenrad und Seiltrommel.
Entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch ein Fensterheber eines Kraftfahrzeugs dargestellt, dessen nachfolgend als Antriebssystem bezeichneter Fensterheberantrieb 1 einen auf einer Grundplatte 2 montierten Elektromotor (Antriebsmotor) 3 umfasst, der über ein Getriebe (2) eine Seiltrommel 4 antreibt, um die mehrere Windungen eines zu einer Schlaufe geschlossenen Seils (Seilzug) 5 gewickelt sind. Das Seil 5 wird über Seilumlenkrollen 6 entlang einer Führungsschiene 7 geführt, auf der mittels des Seils 5 ein Mitnehmer 8 mit einer Hebeschiene 9 zur Aufnahme einer Fahrzeugscheibe 10 infolge einer entsprechenden Ansteuerung des Antriebssystems 1 bewegt wird. Mittels des Seils 5 wird demnach die Verstellkraft, d. h. ein antriebsseitiges Drehmoment des Elektromotors 3 auf die Fahrzeugscheibe 10 übertragen, die je nach Drehrichtung des Elektromotors 3 entlang eines Verstellweges 11 zwischen einer Schließposition P_S und einer Offenposition P_O angehoben oder abgesenkt werden kann.
In 2 ist das Antriebssystem 1 vergleichsweise detailliert dargestellt. Dieses umfasst den Elektromotor 3 mit einem in einem Motor- oder Polgehäuse 12 und einem damit verbundenen Getriebegehäuse 13 drehbeweglich gelagerten, bewickelten Motoranker (Rotor) 14 sowie einen aus Dauermagneten gebildeten Stator 15. Der Elektromotor 3 treibt über dessen Motorwelle (Antriebswelle) 16 ein Schneckengetriebe mit einer wellenfesten Schnecke 17 und mit einem im Getriebegehäuse 13 drehbeweglich gelagerten Schneckenrad 18 an. Auf dem Schneckenrad 18 sitzt die Seiltrommel 4 koaxial auf der Schneckenraddrehachse D_S, die quer – d. h. um 90° gedreht – zur Motordrehachse D_M orientiert ist.
Das Antriebssystem 1 umfasst des Weiteren eine Elektronik oder ein Elektronikmodul 19 mit einem Mikroprozessor 20, der mittels Pulsweitenmodulation (PWM) in einer H-Brückenschaltung 21 verschaltete Halbleiterschalter, hier in Form von MOSFET's (metal Oxide semiconductor field-effect transistor) T₁ bis T₄ ansteuert, die direkt oder indirekt an den Plus- und Minuspol der Bordnetz- bzw. Versorgungsspannung U_V angeschlossen sind. Mittenabgriffe M_1,2 der beiden aus den Halbleiterschaltern T₁ und T₂ bzw. T₁ und T₂ gebildeten Brückenzweige der H-Brückenschaltung 21 sind mit Bürsten 22, 23 verbunden, die an einem auf der Motorwelle 16 sitzenden Kommutator 24 schleifend anliegen. Anstelle der MOSFET's können auch IGBT's (insulated-gate bipolar transistor) oder IGCT's (integrated gate-commutated thyristor) als Halbleiterschalter in der Brückenschaltung 21 verschaltet sein.
Der Mikroprozessor 20 und somit die Elektronik 19 empfängt über eine Sensorleitung 25 ein Sensorsignal S von einem magnetfeldsensitiven Sensor 26, der mit einem magnetischen Geber in Form eines Permanentmagnet 27 als Sensorsystem zusammenarbeitet. Der Magnet 27, beispielsweise eine Ringmagnet oder Einzelmagnete, ist/sind in die Seitrommel 4 integriert.
Als magnetfeldsensitiver Sensor 26 eignet sich beispielsweise ein Hall-Sensor. Bevorzugt ist jedoch ein AMR-Sensor (anisotrope magnetoresistive) oder ein GMR-Sensor (giant magnetoresistance) vorgesehen. Der Sensor 26 ist axial zur Seitrommel 4 angeordnet.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der Sensor 26 zentral oberhalb bzw. außerhalb der Seitrommel 4 im sogenannten Nassraum N oder zentral unterhalb im sogenannten Trockenraum T einer nicht näher dargestellten Fahrzeugtür des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Ein Türmodulträger 28, beispielsweise aus Kunststoff, trennt den Trockenraum T vom Nassraum N. Während bei der Nassraumanordnung der Magnet 27 möglichst am dem Schneckenrad 18 abgewandten Trommelfreiende 4a der Seiltrommel 4 vorgesehen ist, ist bei der Anordnung im Trockenraum T der Magnet 27 zweckmäßigerweise möglichst am dem Schneckenrad 18 zugewandten Trommelboden 4b der Seiltrommel 4 vorgesehen.
Ein solches Sensorsystem mit einem in die Seiltrommel 4 integrierten, beispielsweise zweipoligen Permanentmagnet 27 und zentral zugeordnetem Sensor 26 eignet sich besonders in Verbindung mit einer Kopplung der abtriebsseitigen Seiltrommel 4 und dem antriebsseitigen Schneckenrad 18 über eine mechanische Drehfeder 28 in Form einer Schlingfeder. Diese wirkt bei einem antriebsseitigen Drehmoment, das über das Schneckengetriebe 17, 18 auf die Seiltrommel 4 übertragen wird, als Kupplung zwischen dem Schneckenrad 18 und der Seiltrommel 4. Bei einem abtriebsseitigen Drehmoment, beispielsweise in Folge einer Erschütterung des Fahrzeugs oder einer manuellen Betätigung der Fahrzeugscheibe 7 wirkt die Drehfeder 28 als Bremse, indem das abtriebsseitige Drehmoment über die Dreh- bzw. Schlingfeder 29 in ein ortsfestes Gehäuseteil 30 des Getriebegehäuses 13 eingeleitet und somit vom Schneckenrad 18 entkoppelt wird. Dies ermöglicht, das Schneckengetriebe 17, 18 nicht selbsthemmend auszuführen, was wiederum zu einer Wirkungsgraderhöhung des Fensterheberantriebs 1 führt.
Eine alternative Anordnung des Sensorsystems ist in 1 veranschaulicht. Dort ist in die (untere) Umlenkrolle 6 der magnetische Geber (Permanentmagnet) 27 integriert. Der Sensor 26 ist wiederum axial zur Umlenkrolle 6, d. h. zentral oberhalb der Drehachse Du der Umlenkrolle 6 und beabstandet zu dieser angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Antriebssystem
2: Grundplatte
3: Elektromotor
4: Seiltrommel
5: Seil/-zug
6: Seilumlenkrolle
7: Führungsschiene
8: Mitnehmer
9: Hebeschiene
10: Fahrzeugscheibe
11: Verstellweg
12: Motor-/Polgehäuse
13: Getriebegehäuse
14: Motoranker/Rotor
15: Stator
16: Motorwelle
17: Schnecke
18: Schneckenrad
19: Elektronik
20: Mikroprozessor
21: Brückenschaltung
22, 23: Bürste
24: Kommutator
25: Sensorleitung
26: Sensor
27: Geber/Magnet
28: Türmodulträger
29: Dreh-/Schlingfeder
30: Gehäuseteil
D_M: Motorwellendrehachse
D_S: Schneckenraddrehachse
D_U: Rollendrehachse
M_1,2: Mittenabgriff
P_O: Offenposition
P_S: Schließposition
P_1...4: Halbleiterschalter
S: Sensorsignal
U: Bordnetz-/Versorgungsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010013597 B3 [0001, 0006]
EP 0964126 A2 [0008]
DE 4138194 A1 [0009]
DE 10231450 A1 [0009]

Claims

Vorrichtung zur Drehzahlerfassung eines Fensterheberantriebs (1) eines Kraftfahrzeugs, – mit einem Elektromotor (3) mit einer um eine Motordrehachse (D_M) rotierenden Motorwelle (16), – mit einem Schneckengetriebe (17, 18) mit einer auf der Motorwelle (16) angeordneten Schnecke (17) und mit einem mit dieser kämmenden Schneckenrad (18) mit quer zur Motordrehachse (D_M) orientierter Drehachse (D_S), – mit einer zum Schneckenrad (18) koaxialen und mit diesem gekoppelten Seiltrommel (4), um die ein zu einer Schlaufe geschlossenes und über mindestens eine Umlenkrolle (6) geführtes Seil (5) gewickelt ist, das mit einen entlang einer Führungsschiene (7) geführten Mitnehmer (8) für eine Fahrzeugscheibe (10) verbunden ist, sowie – mit einem Sensorsystem (26, 27) mit einen magnetfeldsensitiven Sensor (26) und mit einen magnetischen Geber (27), dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (27) in die Seiltrommel (4) integriert und der Sensor (26) axial zur Seiltrommel (4) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Drehzahlerfassung eines Fensterheberantriebs (1) eines Kraftfahrzeugs, – mit einem Elektromotor (3) mit einer um eine Motordrehachse (D_M) rotierenden Motorwelle (16), – mit einem Schneckengetriebe (17, 18) mit einer auf der Motorwelle (16) angeordneten Schnecke (17) und mit einem mit dieser kämmenden Schneckenrad (18) mit quer zur Motordrehachse (D_M) orientierter Drehachse (D_S), – mit einer zum Schneckenrad (18) koaxialen und mit diesem gekoppelten Seiltrommel (4), um die ein zu einer Schlaufe geschlossenes und über mindestens eine Umlenkrolle (6) geführtes Seil (5) gewickelt ist, das mit einen entlang einer Führungsschiene (7) geführten Mitnehmer (8) für eine Fahrzeugscheibe (10) verbunden ist, sowie – mit einem Sensorsystem (26, 27) mit einen magnetfetdsensitiven Sensor (26) und mit einen magnetischen Geber (27), dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (27) in die Umlenkrolle (6) integriert und der Sensor (26) axial zur Umlenkrolle (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiltrommel (6) über eine Drehfeder (29), insbesondere nach Art einer Schlingfeder, mit dem Schneckenrad (18) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drehzahlerfasssung ein AMR- oder GMR-Sensor (26) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Elektromotors (3) eine H-Brückenschaltung (21) mit einer Anzahl von pulsweitenmoduliert gesteuerten Halbleiterschaltern (T_1...4) vorgesehen ist.
Verfahren zur Drehzahlerfassung eines Fensterheberantriebs (1) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor (3) mit einer Motorwelle (16), mit einem Schneckengetriebe (17, 18) mit einer auf der Motorwelle (16) angeordneten Schnecke (17) und mit einem mit dieser kämmenden Schneckenrad (18), mit einer zum Schneckenrad (18) koaxialen und mit diesem gekoppelten Seiltrommel (6), um die ein zu einer Schlaufe geschlossenes und über mindestens eine Umlenkrolle (6) geführtes Seil (5) gewickelt ist, das mit einen entlang einer Führungsschiene (7) geführten Mitnehmer (8) für eine Fahrzeugscheibe (10) verbunden ist, sowie mit einem Sensorsystem (26, 27) mit einen magnetfeldsensitiven Sensor (26) und mit einen magnetischen Geber (27), dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl an der Umlenkrolle (6) oder an der Seiltrommel (4) erfasst wird.