DE102014008676B4

DE102014008676B4 - Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung einer Phasenlage

Info

Publication number: DE102014008676B4
Application number: DE102014008676.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Oberthür
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2034-06-14
Also published as: DE102014008676A1

Abstract

Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung einer Phasenlage von zwei um eine gemeinsame Drehachse (4) rotierenden Elementen (2, 3),
wobei die Vorrichtung (1) wenigstens eine Auswerteeinrichtung (8) und wenigstens einen Sensor (7) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Phasenlage der beiden Elemente (2, 3) anhand eines Gradienten eines Magnetfelds, das durch wenigstens ein an jedem der beiden Elemente (2, 3) exzentrisch angeordnetes Magnetelement (5, 6) erzeugt wird, zu erfassen,
wobei die Magnetelemente (5, 6) einen voneinander unterschiedlichen radialen Abstand zur Drehachse (4) aufweisen,
wobei der Sensor (7) ortsfest auf der Drehachse (4) angeordnet ist,
wobei die Auswerteeinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, aus dem erfassten Gradienten des Magnetfelds und damit anhand der Richtung der Magnetfeldlinien zu bestimmen, in welcher Position sich die beiden rotierenden Elemente (2, 3) befinden und/oder welchen Winkel sie in Bezug auf eine Senkrechte zur Drehachse (4) um die Drehachse (4) einnehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung einer Phasenlage von zwei um eine gemeinsame Achse rotierenden Elementen.
Bei Brennkraftmaschinen kann es erforderlich sein, die Phasenlage bzw. die relative Position zweier um eine gemeinsame Achse rotierender Elemente zu bestimmen. Insbesondere bei Nockenwellen mit Nockenwellenverstellung kann so die Phasenlage eines Kettenrads oder Zahnriemenrads zur Nockenwelle bestimmt werden.
Es ist bekannt, die Phase der beiden Elemente, beispielsweise der Nockenwelle und des Kettenrads separat zu messen, um anschließend aus der Differenz die relative Phase der beiden Elemente zueinander zu bestimmen.
In der DE 100 39 216 C2 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung eines Drehwinkels oder eines Weges anhand eines Magneten und eines Polschuhs, dessen Querschnitt sich kontinuierlich über seine Länge ändert, offenbart. Durch die Querschnittsänderung ändert sich das Magnetfeld am Polschuh über die Länge des Polschuhs.
In der DE 100 34 927 A1 ist eine Magnet-Sensor-Anordnung offenbart, die dazu dient, kontinuierlich die Magnetfeldrichtungsänderung und somit die Position bzw. den aktuellen Drehwinkel einer Nockenwelle zu erfassen.
Außerdem ist aus der DE 101 32 215 A1 eine Anordnung zum Messen der Winkelposition eines Objekts bekannt, bei der magnetoresistive Sensoren dazu verwendet werden, Magnetfeldvektoren eines Magnetfelds, das von einer Magnetanordnung erzeugt wird, auszuwerten, um somit die Winkelposition des Objekts zu bestimmen.
Die Druckschrift DE 198 16 831 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Drehmomenterfassung, bei der an einer Welle zwei Geberräder mit einer Anzahl von Winkelmarken befestigt sind, die durch einen einzigen Sensor abgetastet werden können. Der Sensor ist ein Differenzsensor mit zwei Sensorelementen. Werden aufgrund eines Drehmoments die Geberräder gegeneinander verschoben, so wirken auf die Sensorelemente unterschiedliche Felder.
Um einen Drehwinkel von zwei rotierenden Teilen zu erfassen, werden in der Lehre der Druckschrift DE 412 93 44 A1 Markierungen auf diesen Teilen vorgesehen, die mit einem einzigen Aufnehmer abgetastet werden.
In der Lehre der Druckschrift DE 38 21 083 A1 werden zwei Drehtrommeln oder Scheiben mit jeweils zugeordnetem magnetischen Sensor genutzt. Der Betrag der Torsion wird als Phasendifferenz der Ausgangssignale der Magnetsensoren ermittelt.
Die Druckschrift DE 10 2004 011 809 A1 offenbart eine Magnetsensoranordnung, bei der magnetempfindliche Sensorelemente durch ein bewegtes passives Geberelement beeinflusst werden. Es werden zwei Sensorelemente in einer Gradiometeranordnung genutzt, die jeweils einem von zwei in einem vorgegebenen Abstand angeordneten Permanentmagneten zugeordnet sind. Die Permanentmagnete sind hinsichtlich ihrer Abmaße, ihres Abstandes und ihrer Position zu den Sensorelementen so angeordnet, dass der Offset des Ausgangssignals der Sensorelemente in der Gradiometeranordnung minimiert ist.
Eine Sensoranordnung zum Bestimmen einer relativen Drehung von zwei zueinander koaxial angeordneten Wellen ist aus der Druckschrift WO 2013/050 192 A1 bekannt. An der ersten und zweiten Welle ist jeweils ein Magnetelement angeordnet, wobei ortsfest zwischen den Magnetelementen ein magnetfeldsensitives Messelement angeordnet ist, das ein Magnetfeld erfasst, das sich aus einer Überlagerung der Magnetfelder der Magnetelemente beider Wellen ergibt. Drehen sich beide Wellen relativ zueinander, so verändert sich das resultierende, überlagerte Magnetfeld, so dass aus einer Feldstärke und/oder einer Richtung oder Orientierung der Feldlinien des überlagerten Magnetfeldes ein Maß für die Drehung der Wellen relativ zueinander abgeleitet werden kann.
Aus der Druckschrift DE 102 36 506 A1 ist eine Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer Nockenwelle bekannt. Hierbei sind an einem ersten und zweiten koaxial angeordneten Motorteil jeweils Permanentmagneten angebracht, die durch einen Hallsensor sensiert werden können. Zur Berechnung der Drehwinkel werden Abstände von Mittelpunkten von Signalspitzen des Sensors ausgewertet.
Die Druckschrift US 5 715 780 A offenbart verschiedene Anordnungen zur Erfassung einer relativen Rotation zweier konzentrischer Bauteile. Hierbei können an den Bauteilen sich radial oder axial erstreckende Zähne vorgesehen sein, die beim Vorbeiführen an einem Magnetsensor ein elektromagnetisches Feld stören, so dass ihre Kanten erkannt werden können.
Verschiedene Magnetsensoren, durch die Feldgradienten beziehungsweise Richtungen von magnetischen Feldern erfasst werden können, sind beispielsweise aus dem Artikel M. Hackner et al., An integrated Ninedimensional Hall-Gradient-Sensor, in: SENSOR+TEST Conference 2009, Proceedings, SENSOR 2009, Volume II, Seiten 23 bis 28, der Druckschrift DE 10 2009 022 821 A1 und dem Artikel K. C. J. Dietmayer, Magnetische Sensoren auf Basis des AMR-Effekts, in: tm - Technisches Messen 68 (2001) 6, Seiten 269 bis 279, bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die dazu ausgebildet ist, die Phasenlage zweier um eine gemeinsame Achse rotierender Elemente durch eine einzige. Messung zu erfassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 angegeben.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass diese die Position der beiden um die Achse rotierenden Elemente, sowie deren Phasenlage zueinander zeitgleich bestimmen kann. Die berührungslose Erfassung minimiert hierbei den Verschleiß sowie die Interaktion mit den zu messenden Elementen.
Jedes der beiden Magnetelemente, die an den um die gemeinsame Drehachse rotierenden Elementen angeordnet sind, erzeugt ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ändert bei der Rotation der beiden Elemente ständig seine Richtung. Diese Änderung kann von dem Sensor erfasst werden. Es ist somit möglich, die Phasenlage der beiden Elemente zueinander mit dem Sensor zu erfassen.
Als Magnetelement kann somit jedes Element dienen, das ein Magnetfeld erzeugen oder die Richtung des magnetischen Flusses beeinflussen kann. Dies kann im Speziellen ein Permanentmagnet, ein Elektromagnet, beispielsweise in Form einer Spule, ein anderer magnetisierter Gegenstand oder ein magnetflussleitendes Material sein. Mindestens ein Magnetelement muss ein magnetisches Feld aufbauen.
Vorzugsweise sind die beiden Magnetelemente derart angeordnet, dass die Achse, die ihre beiden Pole verbindet, parallel zur Drehachse der beiden rotierenden Elemente liegt. Dadurch ist es möglich, den Sensor auf der Drehachse in einem bestimmten axialen Abstand anzuordnen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Magnetelemente mit ihren ihre Pole verbindenden Achsen radial senkrecht zur Drehachse angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird es ermöglicht, dass die beiden Magnetelemente um den auf der Drehachse angebrachten Sensor rotieren.
Hierbei ist es zweckmäßig, dass die sich gegenüberliegenden Pole der beiden Magnetelemente gleichnamig gewählt sind, d. h., dass die beiden angrenzenden Pole der Magnetelemente, sowie die beiden voneinander wegweisenden Pole polarweise gleichnamig sind. Eine umgekehrte Wahl der Polung kann dazu führen, dass die rotierenden Elemente Relativpositionen einnehmen, die für den Sensor mehrdeutig sind.
Ebenso sollte bei einer Anordnung der Magnetelemente parallel zur Drehachse darauf geachtet werden, dass diese gleich herum gepolt angeordnet sind.
Der Sensor muss hierbei derart ausgebildet sein, dass eine Änderung der Magnetfeldrichtung ausgehend von den beiden rotierenden Magneten erfasst werden kann. Es wird somit nicht die Änderung der Magnetfeldstärke, sondern die Änderung der Magnetfeldrichtung, also die Änderung der Magnetfeldlinien, erfasst. Als Sensor kommen daher sämtliche Magnetfeldsensoren in Frage, die eine Änderung der Magnetfeldrichtung erfassen können, wie beispielsweise Hallsensoren, induktive Sensoren, Magnetoresistoren, galvanomagnetische Sensoren oder Riesenmagnetowiderstände (GMR-Sensoren) bzw. Kombinationen der genannten Sensoren.
Eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorsehen, dass der Sensor dazu ausgebildet ist, einen Winkel der beiden Elemente, in Bezug auf eine Senkrechte zur Drehachse anhand wenigstens einer von dem Sensor erfassten Information zu ermitteln. Durch die Auswerteeinrichtung wird somit aus den vom Sensor erfassten Daten die Position der beiden rotierenden Elemente um die Drehachse ermittelt.
Da die Erfassung durch den Sensor und die Auswertung durch die Auswerteeinrichtung vorzugsweise kontinuierlich oder in festgelegten zeitlichen Abständen erfolgt, kann ein weiterer Aspekt der Erfindung vorsehen, eine Winkelgeschwindigkeit der beiden rotierenden Elemente anhand wenigstens einer von dem Sensor erfassten Information zu ermitteln. Es ist somit möglich, zusätzlich zur Position der beiden rotierenden Elemente auch deren Winkelgeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen.
Aus der Veränderung der Richtung der Feldlinien des Magnetfelds kann somit auch eine Relativbewegung der beiden Elemente zueinander von der Auswerteeinrichtung ermittelt werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass zusätzlich zur Ausrichtung des Magnetfelds, die sich bei einer Rotation der beiden Elemente ohne Relativbewegung einstellt, eine Veränderung des Magnetfelds eintritt. Aus den Daten des Gradienten des Magnetfelds, also der Änderung der Richtung der Magnetfeldlinien, die durch den Sensor erfasst werden, wird durch die Auswerteeinrichtung die Relativbewegung der beiden rotierenden Elemente zueinander ermittelt.
Da die Winkelgeschwindigkeiten der beiden Elemente durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelt werden können, kann eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorsehen, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl der beiden Elemente anhand wenigstens einer von dem Sensor erfassten Information zu ermitteln. Es ist demnach möglich, zu jedem Zeitpunkt für jedes der beiden rotierenden Elemente dessen Drehzahl zu bestimmen.
Der erfindungsgemäße Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er ortsfest auf der Drehachse angeordnet ist. Wie zuvor beschrieben, kann dieser abhängig von der Ausgestaltung der Magnetelemente von diesem umkreist werden oder in axialer Richtung angeordnet sein. Alternativ könnte der Sensor auch rotieren, was durch entsprechende Algorithmen der Auswerteeinrichtung kompensiert werden müsste.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen . Vorrichtung besteht darin, dass eines der beiden Elemente mit einer Nockenwelle und das andere Element mit einem Kettenrad oder einem Zahnriemenrad verbunden ist. In dieser Ausgestaltungsform ist es demnach möglich, die Phasenlage der Nockenwelle und des Kettenrads sowie deren Relativposition zu erfassen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Frontalansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine Darstellung eines von einem Sensor erfassten Magnetfelds.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum berührungslosen Erfassen einer Phasenlage von zwei um eine gemeinsame Drehachse 4 rotierenden Elementen 2, 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist das rotierende Element 2 mit einer Nockenwelle und das rotierende Element 3 mit einem Zahnriemenrad verbunden, das die Nockenwelle antreibt.
Jedes der beiden rotierenden Elemente 2, 3 verfügt über ein Magnetelement 5, 6. Hierbei ist das Magnetelement 5 mit dem rotierenden Element 2 verbunden und als Permanentmagnet ausgebildet. Es ist so angeordnet, dass der Nordpol des Magnetelements 5 parallel zur Drehachse 4 in Richtung des rotierenden Elements 2 zeigt und der Südpol des Magnetelements 5 in die entgegengesetzte Richtung.
Das Magnetelement 6 ist mit dem rotierenden Element 3 verbunden. Es ist in diesem Ausführungsbeispiel als elektromagnetische Spule ausgebildet, also als induktives Magnetelement. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass das Magnetelement 6 seine Polung, sowie die Stärke des erzeugten Magnetfelds je nach Bestromung der Spule verändern kann.
In einem bestimmten axialen Abstand ist der Sensor 7 angeordnet. Die Drehachse 4 fällt hierbei mit der Symmetrieachse des Sensors 7 in axialer Richtung zusammen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Sensor 7 ortsfest und rotiert nicht mit der restlichen Vorrichtung 1 mit.
Angeschlossen an den Sensor 7 ist eine Auswerteeinrichtung 8. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 8 als separates Bauteil ausgeführt. Es ist ebenso möglich, die Auswerteeinrichtung in den Sensor 7 zu integrieren, oder die Auswerteeinrichtung als Bestandteil einer weiteren Auswerte- oder Steuerungseinrichtung einer Brennkraftmaschine zu realisieren.
Gemäß der Anordnung der beiden Magnetelemente 5 und 6 bildet sich ein Magnetfeld aus. Dieses Magnetfeld wird charakteristisch dadurch bestimmt, wo die beiden Magnetelemente 5 und 6 um die Drehachse 4 angeordnet sind und wie deren relative Position zueinander ist.
2 zeigt eine Frontalansicht der Vorrichtung 1. Es ist dargestellt, dass die beiden Magnetelemente 5 und 6 exzentrisch zur Drehachse 4 angeordnet sind. Diese besitzen einen unterschiedlichen radialen Abstand von der Drehachse, damit sie einander während der Rotation passieren können.
Das von den beiden Magnetelementen 5 und 6 erzeugte Magnetfeld wird von dem Sensor 7 erfasst und der Auswerteeinrichtung 8 zugeführt. Aus den so gewonnenen Daten kann anhand der Richtung der Magnetfeldlinien bestimmt werden, in welcher Position sich die beiden rotierenden Elemente 2 und 3 befinden bzw. welchen Winkel sie um die Drehachse 4 einnehmen. Der Winkel den die beiden rotierenden Elemente 2, 3 zueinander bilden, ist in 2 mit α bezeichnet. Die Schenkel des Winkels werden durch die Verbindungslinien zwischen den Mittelpunkten der Magnetelemente 5, 6 und der Drehachse 4 gebildet.
Befinden sich die rotierenden Elemente 2 und 3 in Rotation, so rotiert auch das von ihnen erzeugte Magnetfeld. Die Rotation dieses Magnetfelds kann vom Sensor 7 erfasst und an die Auswerteeinrichtung 8 übermittelt werden. Aufgrund dieser Daten ist es möglich, die Winkelgeschwindigkeit der beiden rotierenden Elemente 2 und 3 und daraus die Drehzahl zu bestimmen. Aus den Winkelgeschwindigkeiten und der Position der rotierenden Elemente 2, 3 ist somit ihre Phasenlage ebenfalls bestimmt.
Selbstverständlich ist es ebenso möglich, da die Erfassung des Magnetfelds durch den Sensor 7 kontinuierlich erfolgt, auch den Winkel der beiden rotierenden Elemente 2 und 3 und dadurch ihre Position zu jedem Zeitpunkt während der Rotation zu bestimmen.
Rotieren die beiden Elemente 2 und 3 mit unterschiedlicher Winkelgeschwindigkeit, so erfasst der Sensor 7 kein gleichförmiges Magnetfeld, das rotiert, sondern er erfasst ein zeitlich veränderliches Magnetfeld. Aus dem Gradienten des Magnetfelds, bzw. der Änderung der Richtung der Magnetfeldlinien des Magnetfels, das durch die Magnetelemente 5 und 6 erzeugt wird, ermittelt die Auswerteeinrichtung 8 anhand der von dem Sensor 7 erfassten Daten die Relativbewegung zwischen den beiden rotierenden Elementen 2 und 3.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Phasenlage des Zahnriemenrads zur Nockenwelle und darüber hinaus deren Winkelgeschwindigkeit und Relativbewegung zu jedem Zeitpunkt bestimmt.
In 3 ist der Gradient des Magnetfelds und damit die Richtung der Magnetfeldlinien, die von dem Sensor 7 gemessen werden, als Pfeile 9 dargestellt.
Das Magnetelement 6, das als induktives Magnetelement ausgebildet ist, wurde derart geschaltet, dass die Polung gleichsinnig zu der des Magnetelements 5 vorliegt. Die Pfeile 9, die den Gradienten des Magnetfelds andeuten sollen, zeigen in Richtung der magnetischen Südpole. Aufgrund dieser vom Sensor 7 erfassten Daten ist es der Auswerteeinrichtung 8 möglich, die Phasenlage der rotierenden Elemente 2, 3 zu bestimmen.
Es ist offensichtlich, dass bei einer Änderung der Phasenlage zwischen den beiden rotierenden Elementen 2, 3 auch die Phasenlage der an ihnen angebrachten Magnetelemente 5, 6 entsprechend geändert wird und dies durch eine Änderung des Gradienten des Magnetfelds das durch den Sensor 7 erfasst und durch die Auswerteeinrichtung 8 ermittelt wird. In 3 hätte dies eine Änderung der Richtung der Pfeile 9 zur Folge.

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung einer Phasenlage von zwei um eine gemeinsame Drehachse (4) rotierenden Elementen (2, 3), wobei die Vorrichtung (1) wenigstens eine Auswerteeinrichtung (8) und wenigstens einen Sensor (7) aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Phasenlage der beiden Elemente (2, 3) anhand eines Gradienten eines Magnetfelds, das durch wenigstens ein an jedem der beiden Elemente (2, 3) exzentrisch angeordnetes Magnetelement (5, 6) erzeugt wird, zu erfassen, wobei die Magnetelemente (5, 6) einen voneinander unterschiedlichen radialen Abstand zur Drehachse (4) aufweisen, wobei der Sensor (7) ortsfest auf der Drehachse (4) angeordnet ist, wobei die Auswerteeinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, aus dem erfassten Gradienten des Magnetfelds und damit anhand der Richtung der Magnetfeldlinien zu bestimmen, in welcher Position sich die beiden rotierenden Elemente (2, 3) befinden und/oder welchen Winkel sie in Bezug auf eine Senkrechte zur Drehachse (4) um die Drehachse (4) einnehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) dazu ausgebildet ist eine Winkelgeschwindigkeit der beiden Elemente (2, 3) anhand wenigstens einer von dem Sensor (7) erfassten Information zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) dazu ausgebildet ist, eine Relativbewegung der beiden Elemente (2, 3) anhand des Gradienten des Magnetfelds zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl der beiden Elemente (2, 3) anhand des Gradienten des Magnetfelds zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) dazu ausgebildet ist, den Gradienten des Magnetfelds kontinuierlich oder in festgelegten zeitlichen Abständen zu messen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (2) mit einer Nockenwelle verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (3) mit einem Kettenrad oder einem Zahnriemenrad verbunden ist.
Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.