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Die Erfindung betrifft ein Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ausrichtung einer Stellwelle eines Stellelementes gemäß Patentanspruch 5.
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Luftleitelemente von Kraftfahrzeugen sind bekannt. Diese Luftleitelemente, welche an den Kraftfahrzeugen bevorzugt an einem Heck des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, weisen ein Profil auf, welches relativ zu einer Karosserie des Kraftfahrzeugs zwischen einer ersten Extremposition, in Form einer eingefahrenen Ruheposition, und einer zweiten Extremposition, in Form einer maximal ausgefahrenen Wirkposition, verstellbar ist. Bekannt sind zum Beispiel Kraftfahrzeuge, deren Luftleitelement, auch Spoiler genannt, in der Karosserie versenkbar ist und in seiner Wirkposition überwiegend außerhalb der Karosserie angeordnet ist.
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Die Luftleitelemente werden mit Hilfe eines Stellelementes und einer zwischen dem Stellelement und dem Luftleitelement ausgebildeten Kinematik in ihre entsprechenden Positionen gestellt. Das Stellelement weist ein Abtriebselement auf, welches üblicherweise in Form einer Stellwelle ausgebildet ist, wobei das Abtriebselement mit der Kinematik verbunden ist. Eine Lage der Stellwelle bezogen auf die Kinematik wird mit Hilfe eines Sensors ermittelt, wobei dieser Sensor in Form eines Hall-Sensors ausgebildet ist.
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Die Genauigkeit von insbesondere kostengünstigen Absolutwinkelgebern auf Basis von so genannten Hall-Sensoren weist üblicherweise eine Unschärfe von bis zu 3% eines Messbereichsendwertes auf. Insbesondere bei einer Bestimmung der Position des Luftleitelementes sind jedoch größere Genauigkeiten des Absolutwinkelgebers gewünscht.
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So geht aus der Patentschrift
DE 10 2009 048 272 B3 ein Verfahren zur Positionierung eines magnetischen Sensors hervor, wobei ein mit einem Magneten bestückter Kolben in vordefinierte Positionen relativ zum Sensor bewegt wird. Die einzelnen Messsignale der vordefinierten Positionen werden eingelernt, so dass der Sensor optimal positioniert und bspw. Schaltpunkte von pneumatischen Zylindern exakt eingestellt werden können.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 102 459 A1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen eines Sensorsystems, wobei bei Inbetriebnahme des Sensorsystems ein Einlernvorgang durchgeführt wird, um einen Schaltaktuator unabhängig von Toleranzen ansteuern zu können.
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Der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 011 667 A1 ist ein Sensor in Form eines Hall-Sensors zu entnehmen, welcher eine translatorische Bewegung eines Abtriebselementes erfasst, wobei zumindest ein Schaltpunkt eingelernt wird, so dass eine Positionierung des Hall-Sensors von untergeordneter Bedeutung ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welches eine verbesserte Genauigkeit bei einer Positionsbestimmung des Luftleitelementes aufweist. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines Verfahrens zur Ausrichtung einer Stellwelle eines Stellelementes.
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Die Aufgabe wird durch ein Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ausrichtung einer Stellwelle eines Stellelementes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Stellelement ist für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei das Luftleitelement in seiner Position relativ zum Kraftfahrzeug zwischen einer ersten Extremposition und einer zweiten Extremposition einstellbar ist. Zur Einstellung des Luftleitelementes steht das Stellelement mit einer Kinematik des Luftleitelementes in einer Wirkverbindung. Das Stellelement weist einen Stellmotor und eine Stellwelle auf, welche mit der Kinematik wirkverbunden ist. Zur Bestimmung eines Wellenwinkels der Stellwelle ist ein Sensor vorgesehen, der mit einem magnetischen Element der Stellwelle korrespondierend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist zur Bestimmung einer genauen Position des Luftleitelements das magnetische Element in Form eines eingelernten Elementes ausgestaltet. Der Vorteil der Erfindung ist in einer deutlich verbesserten, mit anderen Worten, exakteren Bestimmung der Position des Luftleitelementes zu sehen. Mit Hilfe dieser exakteren Bestimmung der Position des Luftleitelementes ist dieses auch wesentlich exakter positionierbar. Das Luftleitelement dient der Herbeiführung eines bestimmten Abtriebes des Kraftfahrzeugs, damit dieses insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten einem Auftrieb des Kraftfahrzeugs entgegen wirken kann. Des Weiteren dient das Luftleitelement einer Reduzierung eines Strömungswiderstandes des Kraftfahrzeugs im Fahrbetrieb und führt eine entsprechende Strömungslinienführung der das Kraftfahrzeugs umströmenden Luft herbei. Somit ist es von Vorteil, die Positionierung des Luftleitelementes exakt bestimmen zu können, damit seine Position den entsprechenden Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs verbessert angepasst werden kann.
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Zur deutlichen Erfassung einer magnetischen Flussdichte des magnetischen Elementes ist der Sensor dem magnetischen Element gegenüberliegend angeordnet. Dadurch sind sowohl bei einer Ausrichtung der Stellwelle als auch im Betrieb des Stellelementes exakte Messungen durchzuführen.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellelementes entspricht eine Position des magnetischen Elements relativ zum Sensor einer Nulllage der Stellwelle. Das heißt, dass in dieser Position das magnetische Element bezüglich seiner magnetischen Flussdichte den Wert Null aufweist. Dieser Wert ist ein Übergang von einem Südpol des magnetischen Elementes zu einem Nordpol des magnetischen Elementes bezogen auf die Flussdichte den Wert Null auf. Des Weiteren ist diese Lage charakteristisch für einen größten Flussdichtedifferentialwert eines Verlaufes der Flussdichte über eine vollständige Umdrehung der das magnetische Element aufweisenden Stellwelle relativ zum Sensor. Mit anderen Worten entspricht die Nulllage einem Nulldurchgang des Verlaufes vom Südpol zum Nordpol. In dieser Position bzw. Lage können über sämtliche mögliche Einflüsse, bspw. einer Feldstärke des magnetischen Elementes hinweg höhere Genauigkeiten der Bestimmung der Position des Luftleitelementes erreicht werden.
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Bevorzugt ist dieser Nulllage einer Position des Luftleitelementes in einem ausgefahrenen Zustand zugeordnet. Insbesondere weist in dieser Position das Kraftfahrzeug einen bezogen auf seine Geschwindigkeit verbrauchsoptimierten Zustand auf.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausrichtung einer Stellwelle eines Stellelementes, insbesondere ein Stellelement für ein Luftleitelement eines Kraftfahrzeugs, wobei die Stellwelle ein magnetisches Element aufweist, welchem ein Sensor zugeordnet ist. Die Stellwelle ist eine Drehbewegung um ihre Längsachse ausführbar ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt die Stellwelle um zumindest 360° um ihre Längsachse verdreht wird, wobei während der Verdrehung Wellenwinkel der Stellwelle zugehörige magnetische Flussdichten des magnetischen Elementes gemessen werden. In einem zweiten Schritt wird der Wellenwinkel mit einem größten Flussdichtedifferentialwert bestimmt. In einem dritten Schritt wird dieser Wellenwinkel als Nulllage definiert und in einem vierten Schritt wird der Nulllage eine ausgewählte Position des Luftleitelementes zugeordnet. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der einfachen Ermittlung des Wellenwinkels, bei welchem über störende Einflüsse , d.h. mit anderen Worten ein entsprechendes Magnetfeld verändernde Einflüsse, hinweg eine genaue Bestimmung der Lage der Stellwelle ermöglicht ist. Dies dient der Herbeiführung einer verbesserten, mit anderen Worten genaueren Positionsbestimmung des Luftleitelementes.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als ausgewählte Position eine ausgefahrene Position des Luftleitelementes der Nulllage zugeordnet. Bevorzugt wird als ausgewählte Position der Nulllage eine Position des Luftleitelementes zugeordnet, die sich durch einen verbrauchsoptimierten Betrieb des Kraftfahrzeugs auszeichnet.
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Vorteilhafterweise wird das Verfahren in einer End-of-Line-Prüfanlage durchgeführt. Eine End-of-Line-Prüfanlage zeichnet sich dadurch aus, dass sämtliche Funktionalitäten des Stellelementes im zusammengebauten Zustand überprüft werden. Da im zusammengebauten Zustand sämtliche Bauteile des Stellelementes angeordnet sind, ist es von Vorteil in diesem Zustand die Ausrichtung der Stellwelle durchzuführen, da eine Lageverschiebung der Bauteile nicht mehr erfolgen kann und somit eine fehlerhafte Zuordnung der Nulllage der Stellwelle eliminiert werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Innenansicht von oben ein erfindungsgemäßes Stellelement,
- 2 ein Wellenwinkel-Flußdichte-Diagramm einer Stellwelle des Stellelementes gem. 1, und
- 3 in einer perspektivischen Darstellung ein Heck eines Kraftfahrzeug aufweisend ein Luftleitelement mit dem Stellelement gem. 1.
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Ein erfindungsgemäßes Stellelement 1 für ein in 3 dargestelltes Luftleitelement 2 eines Kraftfahrzeugs 3 ist gemäß 1 ausgebildet. Das Stellelement 1 weist einen elektrisch betreibbaren Stellmotor 4 auf, mit dessen Hilfe eine Stellwelle 5 bewegbar ausgebildet ist. Die Stellwelle 5 ist in einem Gehäuse 6 des Stellelementes 1 um ihre Längsachse 7 rotierbar gelagert, wobei ein Endbereich 8 der Stellwelle 5 aus dem Gehäuse 6 hinausragend ausgeführt ist und mit dem Luftleitelement 2 mit Hilfe einer Kinematik 9 in Wirkverbindung steht. Das Luftleitelement 2 ist relativ zu einer Karosserie 21 des Kraftfahrzeugs 3 zwischen einer ersten Extremposition E1, in Form einer eingefahrenen Ruheposition, und einer zweiten Extremposition E2, in Form einer maximal ausgefahrenen Wirkposition, verstellbar.
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Das Gehäuse 6 ist entlang einer Längserstreckung des Stellelementes 1 in einen ersten Gehäuseteil 10 und einen nicht näher dargestellten zweiten Gehäuseteil. Es sei hier kurz erwähnt, dass die Begriffe oben und unten lediglich zur Unterscheidung der Ansichten des Stellelementes 1 dienen. Sie besitzen keinen Hinweis darauf, wie das Stellelement 1 im Kraftfahrzeug 3 verbaut ist.
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Die Rotationsbewegung der Stellwelle 5 wird mit Hilfe eines Getriebes 11, aufweisend zwei Getriebestufen, eine erste Getriebestufe 12, welche mit dem Stellmotor 4 verbunden ist, und eine zweite Getriebestufe 13, welche mit der Stellwelle 5 verbunden ist, herbeigeführt.
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Der Stellmotor 4, welcher in Form eines Elektromotors ausgeführt ist, ist zur Energieversorgung mit einem steckerartigen Anschluss 14 verbunden, der am Gehäuse 6 aufgenommen ist. Der Stellmotor 4 ist bevorzugt in Form eines üblichen Gleichstrommotors oder besonders bevorzugt in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors, da sich dieser, im Vergleich zum üblichen Gleichstrommotor, durch ein geringes Gewicht auszeichnet.
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Das Stellelement 1 weist an seiner Stellwelle 5 ein magnetisches Element 15 auf, welches im Weiteren als Magnet bezeichnet ist, welcher in Form eines zweipoligen Magneten, aufweisend einen Südpol S und einen Nordpol N, aufgebildet ist. Der Magnet 15 ist drehfest mit der Stellwelle 5 verbunden. Da die Stellwelle 5 eine Drehbewegung um ihre Längsachse 7 ausführbar ausgebildet ist, ist der Magnet 15 ebenfalls um die Längsachse 7 verdrehbar angeordnet.
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Dem Magneten 15 gegenüberliegend ist ein Sensor 16 zur Bestimmung eines Wellenwinkels ϕ der Stellwelle 5 auf einer Platine 17 des Stellelementes 1 positioniert.
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Der Magnet 15 ist in Form eines so genannten eingelernten Magneten ausgebildet, wobei ein bestimmter Wellenwinkel Φ_0 als so genannte Nulllage definiert ist. Diese Nulllage ϕ_0 kennzeichnet die Lage der Stellwelle 5, in der eine magnetische Flußdichte B des Magneten 15 ihren größten betragsmäßigen Steigungswert aufweist. Das heißt mit anderen Worten, in der ein Differential der Flußdichte B seinen größten betragsmäßigen Wert besitzt. Oder mit weiter anderen Worten, in der eine Kennlinie 18 der Flußdichte B über dem Wellenwinkel ϕ ihre größte betragsmäßige Steigung aufweist. Dieser Wert ist im Weiteren als Flussdichtedifferentialwert bezeichnet.
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In 2 ist beispielhaft in einem Wellenwinkel-Flußdichte-Diagramm die Kennlinie 18 der Stellwelle 5 des Stellelementes 1 gem. 1 dargestellt. Bei einem Wellenwinkel ϕ mit einem Wert von 0° befindet sich das Luftleitelement 2 in seiner ersten Extremposition E1. Bei einem Wellenwinkel ϕ mit einem Wert von 240° ist das Luftleitelement 2 in seiner zweiten Extremposition E2 angeordnet. Das Kraftfahrzeug 3 weist im einem verbrauchsoptimierten Betrieb eine Positionierung des Luftleitelementes 2 in einer weiteren Position E3 auf. Die Stellwelle 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel zur genauen Ermittlung der Position des Luftleitelementes 2 so eingelernt, dass in der Nulllage ϕ_0 der Stellwelle 5 das Luftleitelemente 2 in seiner weiteren Position E3 angeordnet ist. Es ist selbstredend, dass die Wahl der Nulllage ϕ_0 bezogen auf die Position des Luftleitelementes 2 relativ zur Karosserie 21 individuell ist. Des Weiteren ist selbstredend, dass unter der Nulllage ϕ_0 der Wellenwinkel ϕ zu verstehen ist, der eine bestimmte Position des Luftleitelementes 2 kennzeichnet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Nulllage ϕ_0 der Stellwelle 5 gliedert sich in die folgenden Schritte:
- 1. Schritt: Die Stellwelle 5 wird um zumindest 360° um ihre Längsachse 7 verdreht. Während der Verdrehung werden den Wellenwinkel ϕ zugehörige magnetische Flussdichten B des Magneten 15 gemessen.
- 2. Schritt: Es wird der Wellenwinkel ϕ mit einem größten Flussdichtedifferentialwert bestimmt.
- 3. Schritt: Diesem Wellenwinkel ϕ wird die Nulllage ϕ_0 zugeordnet. Das heißt mit anderen Worten, dass dieser Wellenwinkel ϕ als Nulllage ϕ_0 definiert wird und im Rahmen einer Programmierung des Stellelementes 1 entsprechend festgelegt wird.
- 4. Schritt: Auswahl der der Nulllage ϕ_0 zuzuordnenden Position des Luftleitelementes 2.
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Bevorzugt wird der Nulllage ϕ_0 eine zumindest ausgefahrenen Position des Luftleitelementes 2 zugeordnet, wobei bevorzugt eine Position gewählt wird, in der sich das Kraftfahrzeug 3 in einem verbrauchsoptimierten Betrieb befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies die weitere Position E3. Ebenso könnte auch jede andere Position des Luftleitelementes 2 der Nulllage ϕ_0 zugeordnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048272 B3 [0005]
- DE 102011102459 A1 [0006]
- DE 102013011667 A1 [0007]
