DE102015209865B4

DE102015209865B4 - Verfahren zur Erfassung von Sensorsignalen

Info

Publication number: DE102015209865B4
Application number: DE102015209865.6A
Authority: DE
Inventors: Carolin Heller; Björn Weigel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2035-05-30
Also published as: DE102015209865A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung von zumindest einem sich drehenden Planetenrad (10, 30) eines Planetengetriebes (1) mittels mindestens zweier Sensoren (5, 8), wobei sich das zumindest eine Planetenrad (10, 30) zunächst an einem ersten Sensor (5) der mindestens zwei Sensoren (5, 8), dann an einem zweiten Sensor (8) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) vorbeidreht, wobei jeder Sensor (5, 8) eine verstellbare jeweilige Schaltschwelle (SP5, SP8) aufweist und wobei das zumindest eine Planetenrad 10, 30 von den einzelnen Sensoren (5, 8) erfasst wird, wenn in jedem Sensor (5, 8) die jeweilige Schaltschwelle (SP5, SP8) erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- zu einem ersten Zeitpunkt t₁ die Schaltschwelle (SP8) des zweiten Sensors (8) geringer ist (SP8₁) als die Schaltschwelle (SP5) des ersten Sensors (5), sodass der erste und zweite Sensor (5, 8) das zumindest eine Planetenrad (10, 30) zeitgleich erfassen und
- wobei zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, wobei t₂ > t₁ ist, die Schaltschwelle (SP8) des zweiten Sensors (8) höher ist (SP8₂) als die Schaltschwelle (SP5) des ersten Sensors (5), sodass der erste und zweite Sensor (5, 8) das zumindest eine Planetenrad 10, 30 zeitgleich nicht mehr erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von zumindest einem sich drehenden Planetenrad eines Planetengetriebes mittels mindestens zweier Sensoren, wobei sich das zumindest eine Planetenrad zunächst an einem ersten Sensor der mindestens zwei Sensoren, dann an einem zweiten Sensor der mindestens zwei Sensoren vorbeidreht, wobei jeder Sensor eine verstellbare jeweilige Schaltschwelle aufweist und wobei das zumindest eine Planetenrad von den einzelnen Sensoren erfasst wird, wenn in jedem Sensor die jeweilige Schaltschwelle erreicht wird.
Ein Planetengetriebe der vorgenannten Gattung kann wegen seiner günstigen Eigenschaften und wegen seiner Einsatzmöglichkeit insbesondere als Überlagerungs-, Übersetzungs-, Schalt- oder Abzweiggetriebe in vielen Bereichen der Antriebstechnik angewendet werden. Dieser Getriebetyp hat sich besonders im Fahrzeugbau durchgesetzt.
Ein wesentliches Merkmal für ein Verhalten eines Planetengetriebes ist dessen Laufgrad F. Der Laufgrad eines Getriebes gibt an, wie viele voneinander unabhängige Bewegungsgrößen als bekannt vorgegeben werden müssen, damit sein Bewegungszustand eindeutig bestimmbar ist. Während Standgetriebe stets zwangläufig sind (F=1), können einfache Planetengetriebe Laufgrade von F=1 oder F=2, zusammengesetzte Planetengetriebe Laufgrade von F ≥ 1 aufweisen.
Konstruktiv lässt sich ein Planetengetriebe in ein einfaches Planetengetriebe mit einem Steg mit mindestens einem Planetenrad und ein oder zwei Zentralräder und in ein zusammengesetztes Planetengetriebe mit mehreren einfachen Planetengetrieben unterscheiden. Einfache Planetengetriebe mit koaxialer Lage der Anschlusswellen werden auch als rückkehrende Planetengetriebe bezeichnet Planetengetriebe mit nur einem Zentralrad und einer nicht koaxialen umlaufenden Anschlusswelle werden auch als offene Planetengetriebe bezeichnet. Wird bei einem zusammengesetzten Planetengetriebe der Bauaufwand durch Vereinigung von Stegen, gleich großen Zentralrädern und/oder gleich großen Planetenrädern vereinfacht, so spricht man auch von reduzierten Planetengetrieben.
Nach der Nutzung lässt sich ein Planetengetriebe u.a. in ein Übersetzungsgetriebe und ein Überlagerungsgetriebe einteilen, wobei ein Übersetzungsgetriebe ein einfaches oder zusammengesetztes Planetengetriebe mit Laufgrad F = 1 ist und wobei ein Überlagerungsgetriebe ein einfaches oder zusammengesetztes Planetengetriebe mit Laufgrad F ≥ 2 zur Überlagerung von Drehzahlen oder Leistungen ist. Gebräuchliche Bezeichnungen für ein Überlagerungsgetriebe sind auch Differential-, Sammel-, Verteil- und Ausgleichsgetriebe.
Nach der Nutzung lässt sich ein Planetengetriebe zusätzlich u.a. in ein Schaltgetriebe und Wendegetriebe unterscheiden.
Ein Planetengetriebe lässt sich auch nach seiner Stegbewegung unterteilen. Ist der Steg bei einem einfachen Planetengetriebe feststehend, so ist der Laufgrad F=1. Diese Getriebeart ist als Standgetriebe bekannt. Umlaufrädergetriebe wird ein einfaches Planetengetriebe mit einem umlaufenden Steg (F=1 oder F=2) oder ein zusammengesetztes Planetengetriebe mit mindestens einem umlaufenden Steg (F≥1) genannt.
Weitere Unterteilungen nach u.a. Anzahl der laufenden Anschlusswellen, Vorzeichen der Standgetriebeübersetzung, Veränderliche Standgetriebeübersetzung oder Getriebekombinationen sind möglich.
Ein Sensor in einem Planetengetriebe, kann mehrere Funktionen erfüllen: Er kann einen oder mehrere Betriebszustände und/oder einen oder mehrere vorgebbare Werte erfassen und/oder physikalische Größen und/oder chemische Größen in elektrische Signale umwandeln. Der Sensor fungiert als eine Art Bindeglied zwischen dem Planetengetriebe z.B. eines Fahrzeugs mit seinen komplexen Funktionen und elektronischen Steuergeräten als Verarbeitungseinheiten. Der Sensor kann eine Anpassschaltung umfassen, die ein Signal aufbereiten und verstärken kann, damit es von einem Steuergerät weiterverarbeitet werden kann. Sensoren können heutzutage eine hohe Integrationsstufe aufweisen, d.h., dass viele Funktionen, wie z.B. Signalaufbereitung, Analog-Digital-Wandlung, Selbstkalibrierungsfunktionen und Mikroprozessor bereits im Sensor untergebracht sein können.
Ein Verfahren für eine automatische Zustandsüberwachung von einem oder mehreren Planetenrädern in einem Planetengetriebe ist wünschenswert, um z.B. konstruktive Schwächen wie z.B. ein Bruch eines oder ein Bruch im Planetenträger oder um Unterbrechungen in nachgeschalteten Wellen, z.B. ein Bruch in einem nachfolgendem Lastpfad erkennen zu können, da ein mechanischer Bruch sicherheitskritisch ist und die Funktion des Planetengetriebes nicht mehr gewährleistet wäre. Durch die Überwachung des Zustands ist z.B. eine Einleitung eines sicheren Betriebszustandes und/oder eine Ausgabe an ein Ausgabegerät möglich.
Aus „Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe“ (Hrsg. Konrad Reif, Vieweg+Teubner Verlag, 2010, S. 148, 149, 154, 155) ist eine allgemeine Anwendung eines Sensors als Getriebe-Drehzahlsensor beschrieben. Der Sensor kann dabei in ein Getriebesteuermodul integriert oder als „stand-alone“-Version ausgelegt sein. Der Getriebe-Drehzahlsensor kann einen differentiellen Hall-Effekt-IC mit 2-Draht-Stromschnittstelle besitzen und ist zum Betrieb an eine Spannungsquelle angeschlossen. Der Getriebe-Drehzahlsensor kann das Drehzahlsignal von ferromagnetischen Zahnrädern, Stanzblechen oder aufgebrachten Multipolen detektieren, wobei er den Hall-Effekt ausnutzen und ein Signal mit einer von der Drehzahl unabhängigen konstanten Amplitude liefern kann. Zur Signalabgabe wird der Versorgungsstrom im Rhythmus des Inkrementsignals moduliert. Die Strommodulation lässt sich dann im Steuergerät mit einem Messwiderstand in eine Signalspannung umwandeln.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Sensoren bei Planetengetrieben, insbesondere bei Differentialgetrieben, einzusetzen, um beispielsweise eine Drehzahl eines Tellerrades feststellen zu können. Aus der US 2007 / 0 197 338 A1 ist bekannt, eine Position eines Differentialgehäuses oder eines daran angeordneten Schaftes mittels Sensor festzustellen. Aus der JP 2007 - 154 939 A ist bekannt, Sensoren in Kegelraddifferentialgetrieben einzusetzen, um einen Zustand desselben laufend zu überprüfen. Aus der EP 0 939 247 A2 ist bekannt, in einem Differential mittels Sensor die Differentiationsbedingungen zwischen dem Kegelrad und dem Antriebskegelrad zu erfassen.
Grundsätzlich ist bekannt, Näherungssensoren an bestimmte Umgebungs- und Messbedingungen mittels Einstellmittel anzupassen. In der einfachsten Form ist dieses Einstellmittel ein elektrisches Potentiometer, mit welchem ein Referenzwert oder Schwellwert für eine Auswerteelektronik eingestellt werden kann. Nähert sich ein Objekt, so wird dadurch die Aufnahmeimpedanz des Sensors verändert. Bei kapazitiven Sensoren wird die Aufnahmeimpedanz im Wesentlichen aus einer veränderlichen Kapazität gebildet. Die Größe der Kapazität ist dem Abstand zwischen Sensor und Objekt proportional. Bei induktiven Sensoren besteht die Aufnahmeimpedanz im Wesentlichen aus einer von Abstand Sensor-Objekt abhängigen Induktivität. Die veränderliche Impedanz wird mittels einer elektronischen Schaltung ausgewertet und zu einem Ausgangssignal umgeformt. Es erfolgt dabei ein stetiger Vergleich mit dem eingestellten Schwellwert. Der einstellbare Schwellwert wird auch als Schaltwert oder Schaltschwelle bezeichnet. Mit der Einstellung der Schaltschwelle wird der Näherungsschalter an die jeweiligen Umgebungsbedingungen und Eigenschaften des zu detektierenden Objekts individuell angepasst. Heutzutage erfolgt diese Anpassung nicht mehr manuell sondern automatisch. In der DE 199 54 267 A1 ist ein solches Verfahren zur automatischen Einstellung der Schaltschwelle kapazitiver sowie induktiver Näherungssensoren offenbart.
Durch hohe Sicherheitsanforderungen kann es vorgeschrieben sein, zusätzlich zu einem einzigen Sensor zumindest einen weiteren Sensor zur Zustandserkennung in einem Getriebe zu verwenden, sodass auch von einem Sensornetzwerk gesprochen werden kann. Häufig werden diese Sensoren aus Platzgründen nacheinander angeordnet, so dass ein zu erfassendes Objekt sequentiell, d.h. der Reihe nach an den Sensoren vorbeiläuft und beispielsweise ein erster Sensor ein erstes Signal und zeitlich nachfolgend ein zweiter Sensor ein zweites Signal erzeugt. Sensoren, die unabhängig voneinander Signale erzeugen können werden auch heterogene Sensoren genannt. Ein Sensornetzwerk, das mittels heterogener Sensoren zeitlich aufeinander folgende Signale erzeugt, wird asynchrones Sensornetzwerk bezeichnet. Ein Problem, das sich bei asynchronen Sensornetzwerken stellt, ist die Verknüpfung, Zusammenführung und Aufbereitung von Daten aus den verschiedenen Sensoren (Sensorfusion), mit dem Ziel präziseres Wissen über Messwerte und Ereignisse zu gewinnen.
Stükers und Effertz schlagen in ihren Dissertationen („Heterogene Sensordatenfusion zur robusten Objektverfolgung im automobilen Straßenverkehr“, Universität Oldenburg, 2004 bzw. „Autonome Fahrzeugführung in urbaner Umgebung durch Kombination objekt- und kartenbasierter Umfeldmodelle“, Technische Universität Braunschweig, 2009) drei Verfahren zur Sensorfusion in asynchronen Sensornetzwerken vor: Messwertprädiktion, Messwertpuffer und Retrodiktion. Das Messwertpufferkonzept hat sich dabei gegenüber den beiden anderen Verfahren als vorteilhaft erwiesen, um eine korrekte zeitliche Reihenfolge der einzelnen Messwerte zu rekonstruieren. Bei der Messwertpuffermethode werden beispielsweise vorangegangene Sensorsignale in einem Messwertpuffer zwischengespeichert, bis ein weiteres Sensorsignal zur Verfügung steht. Erst dann erfolgt ein Vergleich zwischen mehreren Sensormesswerten. Nachteilig bei dieser Art der asynchronen Messwertverarbeitung ist der Zeitverzug der dadurch entsteht, dass man auf den weiteren Sensormesswert „warten“ muss. Anders ausgedrückt: heterogene Sensoren lassen sich bislang nicht synchronisieren.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges, betriebssicheres und präziseres Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Planetenrads nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zu einem ersten Zeitpunkt t₁ die Schaltschwelle des zweiten Sensors geringer ist als die Schaltschwelle des ersten Sensors, sodass der erste und zweite Sensor das zumindest eine Planetenrad zeitgleich erfassen und wobei zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, wobei t₂ > t₁ ist, die Schaltschwelle des zweiten Sensors höher ist als die Schaltschwelle des ersten Sensors, sodass der erste und zweite Sensor das zumindest eine Planetenrad zeitgleich nicht mehr erfassen.
Bei dem Planetengetriebe handelt es sich um ein aus dem Stand der Technik bekanntes Planetengetriebe, wobei das Planetenrad an einem Planetenträger oder Steg an einer ersten Drehachse drehbar gelagert sein kann und mit dem Planetenträger eine zweite Drehachse umlaufen kann. Umläuft das Planetenrad die zweite Drehachse, so rotiert es radial beabstandet von dieser um diese. Bewegt sich das Planetenrad an den mindestens zwei Sensoren vorbei, wobei es zunächst an dem ersten und anschließend an dem zweiten Sensor vorbeiläuft, so kann mittels der Sensoren ein jeweiliges Signal erzeugt werden, welches den Umlauf des Planetenrads repräsentiert.
Bei beispielsweise zwei Sensoren können pro vollständigem Umlauf ein Signal je Sensor, also zwei Signale in der Summe, erzeugt werden, die eine Verdrehung des Planetenrads um die zweite Drehachse repräsentieren. Bei einem beispielhaften Planetengetriebe mit zwei Planetenrädern und zwei Sensoren „sieht“ ein jeder Sensor pro Umlauf zwei Planetenräder.
Überwachen z.B. zwei Sensoren den Umlauf eines Planetenrads in einem Planetengetriebe nach dem Stand der Technik, so kann ein erster Sensor ein erstes Signal und zeitlich danach ein zweiter Sensor ein zweites Signal erzeugen, wobei diese Signale den Umlauf des Planetenrads repräsentieren. Man spricht hierbei auch von einem asynchronen Sensornetzwerk, weil die beiden Sensoren z.B. aufgrund ihrer räumlichen Anordnung im Getriebe nicht zeitgleich, also asynchron, die das Planetenrad repräsentierende Signal erzeugen können. Läuft das Planetenrad um, so werden pro Umlauf zwei Signale erzeugt, die phasenverschoben sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein synchrones, also zeitgleiches Erfassen von Sensorsignalen in dem asynchron angeordneten Sensornetzwerk ermöglicht, das die Phasenverschiebung kompensieren kann.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Schaltschwelle des zweiten Sensors in einem ersten Zeitpunkt, z.B. in einem Zeitpunkt t₁, herabgesetzt wird, und zwar derart, dass die Schaltschwelle des zweiten Sensors geringer ist als die des ersten Sensors. Hierdurch ist es für den zweiten Sensor „einfacher“ das Planetenrad, das sich zunächst dem ersten Sensor nähert, zu erfassen, was in vorteilhafter Weise ein synchrones, d.h. zeitgleiches Erfassen des Planetenrads mittels des zumindest ersten und zweiten Sensors ermöglicht.
In einem späteren zweiten Zeitpunkt, z.B. in einem Zeitpunkt t₂, kann die Schaltschwelle des zweiten Sensors heraufgesetzt werden, also höher sein als die zweite Schaltschwelle des ersten Sensors, sodass der zweite Sensor im Vergleich zum ersten Sensor das bereits erfasste Planetenrad „einfacher“ wieder „freigibt“.
Mit dem Herabsetzen und dem Heraufsetzen der Schaltwelle ist gemeint, dass eine Empfindlichkeit des Sensors verändert wird. Wird also die Schaltschwelle herabgesetzt, so wird die Empfindlichkeit erhöht. Dementsprechend wird die Empfindlichkeit verringert, wenn die Schaltschwelle heraufgesetzt wird.
Das Heraufsetzen der Schaltschwelle des zweiten Sensors kann innerhalb einer vorgebbaren Zeitspanne erfolgen, solange das bereits von dem ersten und zweiten Sensor erfasste Planetenrad vom ersten Sensor noch erfasst wird, wodurch in vorteilhafter Weise der erste und Sensor das Planetenrad zeitgleich nicht mehr erfassen.
Es hat sich herausgestellt, dass mittels der Erfindung die Sensorsignale unmittelbar zur Verfügung stehen und nicht, wie bei bisher bekannten Methoden, auf ein Signal „gewartet“ werden muss, um sie beispielsweise zu vergleichen. Zudem hat sich herausgestellt, dass das erfindungsgemäße Verfahren drehzahlunabhängig arbeitet und damit geschwindigkeitsunabhängig ist. Weiterhin hat sich gezeigt, dass nur die Schaltschwelle eines einzigen Sensors geändert werden braucht. Darüber hinaus werden Rohdaten des Sensors verwendet und nicht aufbereitete und damit fehleranfällige Daten, wie dies im Stand der Technik üblich ist.
Bevorzugt ist zudem ein Verfahren, bei dem der erste und zweite Sensor der mindestens zwei Sensoren ein induktiver Sensor ist. Induktive Sensoren kann man in die Funktionsgruppen Oszillator, Auswerteeinheit und Ausgangsstufe einteilen. Wird an den Oszillator eine Spannung angelegt, so beginnt er zu schwingen und nimmt dabei einen bestimmten Strom auf. Es entsteht ein hochfrequentes Wechselfeld, welches an einer aktiven Fläche der Sensoren austritt. Bei hochfrequenten Wechselfeldern sind elektrisches und magnetisches Feld miteinander gekoppelt. Das elektrische Feld bedingt das magnetische Feld und umgekehrt.
Weist das Planetenrad magnetisch oder elektrisch leitendes Material auf, so kann es das Wechselfeld deformieren, indem es ein Wirbelstrom induziert. Dieser kann dem hochfrequenten Feld entgegenwirken. Der Oszillator kann somit bedämpft werden, wodurch sich seine Stromaufnahme ändert. Die nachgeschaltete Auswerteeinheit kann die durch die Bedämpfungsfahne hervorgerufene Impedanzänderung erkennen. Diese Impedanzänderung kann anschließend beispielsweise durch eine in den Sensoren angeordnete Auswerteelektronik in ein Schaltsignal umgesetzt werden. Wird der elektrisch leitende Gegenstand, also das Planetenrad entfernt, ist der Oszillator wieder unbedämpft. Er beginnt wieder zu schwingen. Der ursprüngliche Schaltzustand der Sensoren ist wieder hergestellt. Je nach Aufbau der Sensorauswerteeinheit kann diese auf eine Induktivitätsänderung oder auf eine Güteänderung des Schwingkreises reagieren.
Dadurch können in der Auswerteelektronik zwei physikalische Zustände entstehen: Das zu erfassende Planetenrad ist außerhalb einer kritischen Entfernung mit dem Ergebnis, dass der Oszillator beispielsweise mit hoher Amplitude schwingt oder das zu erfassende Planetenrad ist innerhalb der kritischen Entfernung mit dem Ergebnis, dass der Oszillator beispielsweise nicht schwingt.
Die induktiven Sensoren arbeiten berührungslos, sind verschleißfrei, schalten sehr schnell und ohne Prellen und sind somit langlebig.
Für die Kompensation der Phasenverschiebung ist grundsätzlich unerheblich in welche von zwei Richtungen das Planetenrad eine entsprechende Drehachse umläuft, solange sich die Drehrichtung einer Umdrehung zwischen einer Erfassung des Planetenrads und einer Signalpause, die auf eine Erfassung folgt und umgekehrt nicht ändert. Besonders bevorzugt ist daher ein Verfahren, bei dem zusätzlich eine erste und zweite Umlaufrichtung des Planetenrads erfasst wird. Dies kann beispielsweise mittels eines dritten Sensors erfolgen.
Dies bietet den Vorteil, dass beide Umlaufrichtungen des Planetenrads erfasst werden können. Die zumindest zwei Sensoren erhalten dabei eine Information in welche von beiden Drehrichtungen das Planetenrad die zweite Drehachse umläuft.
Weiterhin bevorzugt ist ein Verfahren bei dem der erste und zweite Sensor der mindestens zwei Sensoren in einem gemeinsamen Sensorgehäuse angeordnet sind. Ein solcher Duplexsensor bietet platzsparende Vorteile gegenüber Sensoren, die räumlich weit auseinander relativ zueinander angeordnet sind.
Darüber hinaus ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem es sich bei dem ersten und zweiten Sensor der mindestens zwei Sensoren um Sensoren handelt, deren Stromkreise voreinstellungsmäßig geschlossen sind. Bei einem n/c-Sensor (normally closed) ist der Stromkreis des Sensors voreinstellungsmäßig geschlossen, d.h. wenn der Sensor kein Planetenrad oder keinen Markierungskörper detektiert, liefert der Sensor einen hohen Spannungswert, z.B. den Spannungswert „high“.
Der Vorteil des n/c-Sensors liegt darin, dass ein Abbruch der Versorgungsspannung bei stillstehendem Planetengetriebe besser erkannt wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn im Normalbetrieb über einen größeren Winkelbereich nicht detektiert wird und dementsprechend über einen größeren Bereich der Spannungswert „high“ erwartet werden würde.
Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn es sich bei dem ersten und zweiten Sensor der mindestens zwei Sensoren um Sensoren handelt, deren Stromkreise voreinstellungsmäßig offen sind.. Bei einem n/o-Sensor ist der Stromkreis des Sensors voreinstellungsmäßig offen, d.h. wenn kein Planetenrad vor dem Sensor ist, liefert der Sensor den Spannungswert „low“.
Der Vorteil des n/o-Sensors liegt darin, dass er überwiegend einen niedrigen Spannungswert liefert und somit energiesparender als ein n/c Sensor ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Winkelbereiche, bei denen der Sensor nicht detektiert, größer sind als die Winkelbereiche, bei denen der Sensor im Normalbetrieb detektiert.
Darüber hinaus bevorzugt ist es, dass es sich bei dem ersten Sensor der mindestens zwei Sensoren um einen Sensor handelt, dessen Stromkreis voreinstellungsmäßig geschlossen ist, und bei dem zweiten Sensor der mindestens zwei Sensoren um einen Sensor handelt, dessen Stromkreis voreinstellungsmäßig offen ist.
Ein Nachteil eines n/o-Sensors ist, dass u.U. nicht zwischen einem Defekt, z.B. dem Abbruch einer Spannungsversorgung, und der Detektion des Planetenrads unterschieden werden könnte.
Ein Nachteil eines n/c Sensors liegt darin, dass er überwiegend ein „hohes“ Signal liefert und damit viel Energie verbraucht.
Mittels einer Kombination eines n/o-Sensors und eines n/c-Sensors kann in vorteilhafter Weise ein redundantes, komplementäres Ausgangssignal der Sensoren erzeugt werden, sodass die Vorteile beider Sensorarten miteinander verbunden werden können.
Es hat sich herausgestellt, dass ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens darin liegt, dass ein Sensoraufbau divers zueinander sein kann. Das bedeutet, dass unterschiedliche Hardwarekomponenten bei den beiden Sensoren verwendet werden können. Dies erhöht die Sicherheit gegen zufällige elektrische Fehler, weil insbesondere gemeinsame Fehler ausgeschlossen werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1: einen Ausschnitt eines beispielhaften Planetengetriebes mit zwei Planetenrädern und zwei Sensoren;
2: einen beispielhaften über die Zeit t aufgetragenen Ausgangssignalverlauf eines Verfahrens aus dem Stand der Technik bei dem Planetengetriebe aus 1;
3: einen beispielhaften über die Zeit t aufgetragenen Verlauf einer Menge eines magnetischen Materials im Erfassungsbereich der Sensoren gemäß dem Stand der Technik aus 2;
4: einen beispielhaften über die Zeit t aufgetragenen Ausgangssignalverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bei dem Planetengetriebe aus 1;
5: einen beispielhaften über die Zeit t aufgetragenen Verlauf einer Menge eines magnetischen Materials des zu erfassenden Planetenrads im Erfassungsbereich des Sensors des erfindungsgemäßen Verfahrens bei dem Planetengetriebe aus 1 und
6: ein beispielhaftes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung wird anhand eines als Kegelraddifferential ausgebildeten und in der 1 dargestellten Planetengetriebes 1 mit zwei Planetenrädern 10, 30 eines Fahrzeugs und einem ersten Sensor 5 und einem zweiten Sensor 8 erläutert.
Das Planetengetriebe 1 ist derart ausgebildet, dass mittels diesem aus einem Hauptantriebsstrang Antriebsenergie auf zwei parallel geschaltete Lastpfade abzweigbar ist und zugleich zur Vermeidung von Verspannungen zwischen den beiden Lastpfaden Relativverdrehungen ausgleichbar sind.
Hierfür weist das Planetengetriebe eine nicht dargestellte Eingangswelle, zwei Anschlusswellen 3, 4 einen ersten und zweiten nicht dargestellten Planetenträger mit einem ersten und zweiten magnetisch beschichteten Planetenrad 10, 30 auf. Die beiden Planetenräder 10, 30 sind an einem jeweiligen nicht dargestellten Steg des jeweiligen Planetenträgers drehbar gelagert.
Die beiden Sensoren 5, 8 sind achsparallel angeordnet und können eine Winkellage der Planetenräder 10, 30 um zumindest und/oder zu zumindest einer der beiden Drehachsen 6, 7 ermitteln, d.h. sowohl eine Drehung um die erste Drehachse 6, die zugleich die eigene Drehachse ist, als auch eine Verkippung, d.h. eine Verdrehung relativ zur ersten Drehachse 6.
Hierfür weisen die beiden Planetenräder 10, 30 in ihrem radial äußeren Randbereich jeweils einen konzentrisch angeordneten Markierungskörper 20, 40 mit einer Unterbrechung 21 bzw. 41 auf. Der Markierungskörper erstreckt sich in Umfangsrichtung über ein Winkelintervall α von ca. 300°. Dem Fachmann ist klar, dass hier auch ein anderes Winkelintervall gewählt werden kann.
Der Markierungskörper 20, 40 kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Die beiden Planetenräder 10, 30 sind achsgleich angeordnet, sodass sie ihre jeweilige erste Drehachse eine gemeinsame Drehachse 6 bildet und kämmen jeweils mit einem Tellerrad, das jeweils drehfest mit einer der beiden als Abtriebswellen ausgebildete Anschlusswellen verbunden ist. Die beiden Planetenräder 10, 30 sind zur zweiten Drehachse 7 beabstandet und können um diese zweite Drehachse 7, die die erste Drehachse 6 lotrecht schneidet, rotieren, d.h. umlaufen. Die Planetenräder 10, 30 umlaufen die zweite Drehachse 7 in eine von beiden Richtungen ohne einen Richtungswechsel zu durchzuführen. In der 1 sind die beiden Planetenräder 10, 30 in ihrer jeweiligen Neutralstellung dargestellt. In dieser weisen die beiden Abtriebswellen 2, 3 zueinander keine Relativverdrehung auf.
Die Ansicht der 1 stellt zudem eine Momentaufnahme dar, in der das Planetenrad 10 auf „Höhe“ der Sensoren 5, 8 ist. Deutlich zu erkennen ist, wie die Unterbrechung 21 des Markierungskörpers 20 in der Neutralstellung des Planetenrads 10 von den Sensoren 5, 8 weggerichtet ist. Zwischen dem Planetenrad 10 und den Sensoren 5, 8 ist ein möglicher Abstand minimal.
Die Sensoren 5, 8 erfassen eine Präsenz des Markierungskörpers 20 und erzeugen ein erstes Signal und ein zweites Signal, ehe das Planetenrad 10 weiter um die zweite Drehachse 7 läuft.
Wie ferner der 1 zu entnehmen und in den Verläufen der 2 bis 4 gezeigt ist, kann der Umlauf eines jeweiligen Planetenrads 10, 30 in Winkelbereiche einer Erfassung und einer Nicht-Erfassung eingeteilt werden. Die Winkelbereiche können dabei folgende Werte aufweisen:

- 0° < 40° Erfassung des Planetenrads 10
- 41° < 179° keine Erfassung eines Planetenrads
- 180° < 220° Erfassung des Planetenrads 30
- 221 ° < 359° keine Erfassung eines Planetenrads,

_1/2

₁

₂

Den Teilwinkeln Δφ ist ein jeweiliger entsprechender Zeitbereich Δt zugeordnet.
Der Teilwinkel kann somit als Winkeländerung zwischen einer fallenden und einer steigenden oder einer steigenden und einer fallenden Flanke eines Ausgangssignals des Sensors definiert werden oder - anders ausgedrückt - als Winkeländerung zwischen einer Detektion des Planetenrads 10, 30 und einer Signalpause, die auf eine Detektion folgt und umgekehrt.
Die als Duplexsensor ausgebildeten induktiven Näherungsschalter 5, 8 schalten berührungsfrei und somit ohne äußere mechanische Betätigungskraft. Dadurch besitzen sie eine hohe Lebensdauer und eine große Zuverlässigkeit.
2 zeigt einen nach dem Stand der Technik beispielhaften Spannungsausgangssignalverlauf der Planetenräder 10, 30 in eine Umlaufrichtung bezogen auf eine Zeit t. Der obere Graph stellt einen Ausgangssignalverlauf des ersten Sensors 5 und das untere Bild einen Ausgangssignalverlauf des zweiten Sensors 8 dar. Die Planetenräder 10, 30 umlaufen die zweite Drehachse 7 kontinuierlich in eine von beiden Drehrichtungen. Bei einem vollständigen Umlauf des Getriebes werden mittels der Sensoren 5, 8 Signale S11, S12, S21, S22 erzeugt. S11, S21 repräsentiert das Planetenrad 10, S₁₂, S₂₂ repräsentiert das Planetenrad 30. Zwischen Signalen desselben Sensors liegt eine jeweilige Signalpause. So lässt sich ein 360°-Umlauf in vier Zeitbereiche Δt₁12, Δt₁23, Δt₁34 und Δt₁41 und in vier Umlaufwinkelbereiche oder auch Teilwinkel Δφ₁12, Δφ₁23, Δφ₁34 und Δφ₁41 unterteilen bzw. in vier Zeitbereiche Δt₂12, Δt₂23, Δt₂34 und Δt₂41 und in vier Umlaufwinkelbereiche oder auch Teilwinkel Δφ₂12, Δφ₂23, Δφ₂34 und Δφ₂41 unterteilen.
Voreinstellungsmäßig liegt eine geringe Spannung (Low) an. Wird das Planetenrad 10, 30 erkannt, so liegt eine hohe Spannung (High) an. Die Bereiche in denen das Planetenrad 10, 30 erkannt wird, entsprechen den zeitlichen Bereichen Δt₁23 und Δt₁41 bzw. Δt₂23 und Δt₂41. Die Signalpausen zwischen den Signalen desselben Sensors 5, 8 entsprechen den zeitlichen Bereichen Δt₁12 und Δt₁34 bzw. Δt₂12 und Δt₂34.
Zunächst erzeugt der erste Sensor 5 ein das Planetenrad 10 repräsentierende Signal. Anschließend erzeugt der zweite Sensor 8 ein das Planetenrad 10 repräsentierende Signal. Zwischen diesen beiden Signalen liegt eine Verzögerung oder Phasenverschiebung Δt₅₈, wie in der 2 anhand gestrichelter Markierungen dargestellt ist. 2 repräsentiert damit die elektronische Umsetzung einer Impedanzänderung in ein Schaltsignal, was in 3 näher erläutert wird.
3 zeigt einen nach dem Stand der Technik beispielhaften über die Zeit t aufgetragenen Verlauf einer Menge eines magnetischen Materials (Vol.) im Erfassungsbereich der Sensoren. 3 gibt also an, wie viel „magnetisches Material“ in Reichweite der Sensoren 5, 8 liegt, was in 3 mit „Magnetic material in front of Sensor 5“ bzw. „Magnetic material in front of Sensor 8“ gekennzeichnet ist.
„Verknüpft“ werden eine nichtkritische und eine kritische Entfernung des Planetenrads 10, 30 zu den Sensoren 5, 8 mit der jeweiligen Schaltschwelle SP, die zwischen einer oberen und unteren Flanke und umgekehrt liegt und mit „Threshold of Sensor shift“ bezeichnet ist.
Wird dieser Wert erreicht, liegt das Planetenrad 10, 30 innerhalb der kritischen Entfernung, wird erfasst und ein Signal S11, S12, S21, S22 wird erzeugt. Wird dieser Wert nicht erreicht, liegt das Planetenrad 10, 30 außerhalb der kritischen Entfernung, wird nicht erfasst und die Signalerzeugung wird unterlassen.
Nähert sich (von links beginnend) das Planetenrad 10, 30 den Sensoren 5, 8, so gelangt es zunächst in Reichweite des Sensors 5 und dann in Reichweite des Sensors 8. Mit zunehmender Verkürzung eines Abstandes zwischen dem Planetenrad 10, 30 und dem jeweiligen Sensor 5, 8 nimmt die Einflussnahme des Planetenrads 10, 30 auf ein vom jeweiligen Sensor 5, 8 erzeugtes magnetisches Feld zu. Diese Deformation bewirkt eine Veränderung der Impedanz der Magnetspulen. Werden die Schaltschwellen SP der Sensoren 5, 8 nacheinander erreicht, wird nacheinander eine kritische Entfernung unterschritten und die abstandsabhängige Impedanzänderung wird elektronisch in ein Schaltsignal umgesetzt. Die zeitliche Verzögerung entspricht der Phasenverschiebung Δt₅₈.
Entfernt sich das Planetenrad 10, 30 zunächst vom Sensor 5, dann vom Sensor 8, so nimmt die Deformation des jeweiligen Magnetfelds nacheinander wieder ab, d.h. die Sensoren 5, 8 „sehen“ nacheinander wieder weniger magnetisches Material. Wird die jeweilige Schaltschwelle SP wieder erreicht, wird dies elektronisch in ein jeweiliges Schaltsignal umgesetzt und ein ursprünglicher Schaltzustand der Sensors 5, 8 ist wieder herstellt.
Die 4, 5 zeigen, wie die zeitliche Verzögerung Δt₅₈ erfindungsgemäß kompensiert wird, d.h. die zeitliche Verzögerung Δt₅₈ aus den 2, 3 den Wert Null annimmt. 4 stellt einen beispielhaften über die Zeit t aufgetragenen Ausgangssignalverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dar und repräsentiert die elektronische Umsetzung der Impedanzänderung (siehe dazu 5) in das Schaltsignal. In 4 ist deutlich zu erkennen, dass die Phasenverschiebung der 2 kompensiert ist. In ein Zeitpunkt t₂ erfassen die beiden Sensoren 5, 8 das Planetenrad 10, 30 zeitgleich und erfassen es in einem Zeitpunkt t₄ zeitgleich nicht mehr. Dies führt auch dazu, dass die Signalpausen desselben Sensors 5, 8 ebenfalls synchron verlaufen.
5 zeigt, dass die Schaltschwelle SP8 des Sensors 8 die Werte SP8₁ und SP8₂ aufweisen kann und abwechselnd größer oder kleiner als die Schaltschwelle SP5 des Sensors 5 ist.
Der zweite Sensor 8 weist in einem Zeitpunkt t₁ eine geringere Schaltschwelle SP8₁ auf als der Sensor 5, sodass SP8₁ < SP5 ist, und in einem Zeitpunkt t₃ die höhere Schaltschwelle SP8₂ auf, sodass SP8₁ > SP5 ist. Die Erfassung beginnt zeitgleich im Zeitpunkt t₂ und endet zeitgleich im Zeitpunkt t₄. Dieses Prinzip wiederholt sich fortwährend. Im jeweiligen Zeitintervall Δt₁₃ weist der Sensor 8 die geringere Schaltschwelle SP8₁ auf. Zwischen diesen jeweiligen Bereichen weist er die höhere Schaltschwelle SP8₂.
Der Fachmann weiß, dass die Größe der Impedanzänderung u.a. von

- Abmessung und Lage des Planetenrads 10, 30 vor den Sensoren 5, 8,
- Abmessungen des Planetenrads 10, 30 und seiner Ebenheit,
- Leitfähigkeit des Planetenrads 10, 30 und
- Permeabilität des Planetenrads 10, 30 abhängig ist.

Der Fachmann weiß zudem, dass eine nicht dargestellte Sensorauswerteeinheit auch auf eine Güteänderung des Schwingkreises reagieren kann und nicht auf eine Induktivitätsänderung beschränkt bleiben muss.
In der 6 sind beispielhaft die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Planetenrad 10, 30 läuft zunächst am ersten Sensor 5, dann am zweiten Sensor 8 vorbei. In einem Ausgangspunkt 100 zu einem Zeitpunkt to beginnt ein Umlauf des Planetenrads 10, 30. In einem ersten Schritt 110 zu einem Zeitpunkt t₁ wird die Schaltschwelle SP8 des nacheilenden Sensors 8 herabgesetzt, sodass sie geringer ist SP8₁ als die Schaltschwelle SP5 des ersten Sensors 5, d.h. SP8₁ < SP5. In einem darauffolgenden zweiten Schritt 120 zum Zeitpunkt t₂ wird das Planetenrad 10, 30 mittels der Sensoren 5, 8 zeitgleich erfasst, da der Sensor 8 nun einen größeren Erfassungsbereich aufweist als der Sensor 5, sodass eine ursprüngliche Phasenverschiebung kompensiert wird, d.h. Δt₅₈ den Wert Null annimmt. In einem anschließenden dritten Schritt 130 zu einem Zeitpunkt t₃ wird die Schaltschwelle SP8 des Sensors 8 heraufgesetzt SP8₂, sodass sie größer ist als die Schaltschwelle SP5 des Sensors 5, d.h. SP8₂ > SP5. In einem vierten Schritt 140 zum Zeitpunkt t₄ wird das Planetenrad 10, 30 mittels der Sensoren 5, 8 zeitgleich nicht mehr erfasst, da der Sensor 8 nun einen kleineren Erfassungsbereich aufweist als der Sensor 5 und dadurch eine ursprüngliche Phasenverschiebung kompensiert wird, d.h. Δt₅₈ den Wert Null annimmt. Es wird ein Ende 200 des Umlaufs erreicht und die Schritte 110 bis 140 werden wiederholt.
Selbstverständlich kann auch eine Richtungsumkehr des Planetengetriebes 1 erfolgen. In einem solchen Fall wird nicht die Schaltschwelle des Sensors 8 sondern die des Sensors 5 in gleicher Weise wie oben beschrieben verändert. Mit anderen Worten: Der erste Sensor dient als Referenzsensor an dem sich der zweite Sensor orientiert.
Zwar ist es technisch vorstellbar, immer den zweiten Sensor als einen Referenzsensor zu verwenden, d.h. die Schaltschwelle des ersten Sensors zu verändern. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Kompensation um Δt₅₈ verzögert ist.
Die dargestellten Figuren sind nur beispielhafte Ausführungsform der Erfindung. Es versteht sich, dass jede andere Ausführungsform denkbar ist, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Planetengetriebe, Kegelraddifferential
3, 4: Anschlusswelle, Abtriebswelle
5: erster Sensor
6: erste, eigene Drehachse
7: zweite Drehachse
8: zweiter Sensor
10: erstes Planetenrad
20: Markierungskörper
21: Unterbrechung
30: zweites Planetenrad
40: Markierungskörper
41: Unterbrechung
42: Erfassungsbereich
100: Beginn Umlauf
110: erster Schritt, SP8₁ < SP5
120: zweiter Schritt, zeitgleiches Erfassen
130: dritter Schritt, SP8₂ > SP5
140: vierter Schritt, zeitgleiches Nicht-mehr-Erfassen
200: Ende Umlauf
Δt: Zeitbereich
Δt112-Δt141: Zeitbereich des Planetenrad 10, 30 (Sensor 5)
Δt212-Δt241: Zeitbereich des Planetenrad 10, 30 (Sensor 8)
Δt58: Verzögerung, Phasenverschiebung
Δt13: Zeitbereich, wobei Sensor 8 SP8₁ aufweist
Δφ: Umlaufwinkelbereich, Teilwinkel
S11, S12: Planetenrad 10, 30 repräsentierendes Signal mittels Sensor 5 erzeugt
S21, S22: Planetenrad 10, 30 repräsentierendes Signal mittels Sensor 8 erzeugt
SP: erste Schaltschwelle des Sensors 5, 8
SP5: Schaltschwelle des Sensors 5
SP8: Schaltschwelle des Sensors 8
SP81: Schaltschwelle des Sensors 8 im Zeitpunkt t₁, SP8₁ < SP5
SP82: Schaltschwelle des Sensors 8 im Zeitpunkt t₂, SP8₂ > SP5
t0 - t4: Zeitpunkte

Claims

Verfahren zur Überwachung von zumindest einem sich drehenden Planetenrad (10, 30) eines Planetengetriebes (1) mittels mindestens zweier Sensoren (5, 8), wobei sich das zumindest eine Planetenrad (10, 30) zunächst an einem ersten Sensor (5) der mindestens zwei Sensoren (5, 8), dann an einem zweiten Sensor (8) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) vorbeidreht, wobei jeder Sensor (5, 8) eine verstellbare jeweilige Schaltschwelle (SP5, SP8) aufweist und wobei das zumindest eine Planetenrad 10, 30 von den einzelnen Sensoren (5, 8) erfasst wird, wenn in jedem Sensor (5, 8) die jeweilige Schaltschwelle (SP5, SP8) erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass - zu einem ersten Zeitpunkt t₁ die Schaltschwelle (SP8) des zweiten Sensors (8) geringer ist (SP8₁) als die Schaltschwelle (SP5) des ersten Sensors (5), sodass der erste und zweite Sensor (5, 8) das zumindest eine Planetenrad (10, 30) zeitgleich erfassen und - wobei zu einem zweiten Zeitpunkt t₂, wobei t₂ > t₁ ist, die Schaltschwelle (SP8) des zweiten Sensors (8) höher ist (SP8₂) als die Schaltschwelle (SP5) des ersten Sensors (5), sodass der erste und zweite Sensor (5, 8) das zumindest eine Planetenrad 10, 30 zeitgleich nicht mehr erfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Sensor (5, 8) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) ein induktiver Sensor ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine erste und zweite Umlaufrichtung des zumindest einen Planetenrads (10, 30) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Sensor (5, 8) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) in einem gemeinsamen Sensorgehäuse angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten und zweiten Sensor (5, 8) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) um Sensoren handelt, deren Stromkreise voreinstellungsmäßig geschlossen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten und zweiten Sensor (5, 8) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) um Sensoren handelt, deren Stromkreise voreinstellungsmäßig offen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Sensor (5) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) um einen Sensor handelt, dessen Stromkreis voreinstellungsmäßig geschlossen ist, und bei dem zweiten Sensor (8) der mindestens zwei Sensoren (5, 8) um einen Sensor handelt, dessen Stromkreis voreinstellungsmäßig geschlossen ist.