DE102018124232A1

DE102018124232A1 - Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils und Kupplungsaktor mit einer Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102018124232A1
Application number: DE102018124232.8A
Authority: DE
Inventors: Jie Zhou
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2020-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit (10) zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils, umfassend ein Sensorelement (14) mit einem Sendeelement, welches ein Messsignal (16, 17) aussendet und einem Empfangselement, welches das Messsignal (16, 19) empfängt, ein mit dem Drehbauteil sich um eine Drehachse (100) drehbares Reflektionselement (12), welches das Messsignal (16, 17) reflektiert, wobei die Laufzeit des Messsignals (16) abhängig von einem Messabstand (h') zwischen dem Reflektionselement (12) und dem Sensorelement (14) ist, wobei das Reflektionselement (12) eine sich in Umfangsrichtung (102) stetig ändernde Reflektionshöhe (H) aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kupplungsaktor zur automatisierten Kupplungsbetätigung, umfassend einen drehbaren Rotor und eine Sensoreinheit (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Kupplungsaktor mit einer Sensoreinheit.
In einem Kraftfahrzeug werden zur automatisierten Betätigung von Kupplungen bekanntermaßen Aktoren eingesetzt. Speziell bei automatisiert betätigten Kupplungen wie der E-Clutch bei Anwendung in Handschaltgetrieben werden Aktoren eingesetzt. Ein derartiger Aktor ist der modulare Kupplungsaktor, auch Modular Clutch Actuator oder abgekürzt MCA genannt. Dieser umfasst einen Rotor und eine Spindel. Der Rotor führt eine Drehbewegung aus, die über ein Planeten-Wälzgewinde, abgekürzt PWG in eine translatorische Bewegung einer Spindel umgesetzt wird. Die translatorische Bewegung der Spindel bewirkt die Kupplungsbetätigung. Es ist bekannt, die Winkelposition der Spindel über Sensoren zu erfassen.
Aus DE 10 2016 212 175 A1 ist bekannt, zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils Magnetfeldsensoren einzusetzen. In WO 2015/165456 A1 werden induktive oder kapazitive Sensoren zur Erfassung einer Rotorlage eines Elektromotors verwendet.
Aus DE 10 2012 202 639 A1 ist bekannt, eine Winkelposition eines rotierenden Bauteils über eine Abstandssensorik zu bestimmen, bei der ein abzutastender Messwertgeber eine von einer rotatorischen Bewegung übersetzte translatorische Bewegung ausführt. Die zur Ausübung der Übersetzung notwendige konstruktive Ausgestaltung der Abstandssensorik ist dabei aufwendig und teuer.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensoreinheit zu verbessern. Weiterhin soll ein Kupplungsaktor mit einer Sensoreinheit verbessert werden.
Wenigstens eine dieser Aufgaben wird durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Entsprechend wird eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils vorgeschlagen, umfassend ein Sensorelement mit einem Sendeelement, welches ein Messsignal aussendet und einem Empfangselement, welches das Messsignal empfängt, ein mit dem Drehbauteil sich um eine Drehachse drehbares Reflektionselement, welches das Messsignal reflektiert, wobei die Laufzeit des Messsignals abhängig von einem Messabstand zwischen dem Reflektionselement und dem Sensorelement ist und das Reflektionselement eine sich in Umfangsrichtung stetig ändernde Reflektionshöhe aufweist.
Dadurch kann eine kostengünstige Umsetzung der Sensoreinheit ermöglicht werden. Die Zuverlässigkeit der Erfassung der Winkelposition kann erhöht werden. Die Messgenauigkeit kann verbessert werden und die Anfälligkeit gegenüber äußeren Störungen kann verringert werden.
Der Messabstand zwischen der Oberfläche des Reflektionselements, die dem Sensorelement zugewandt ist und dem Sensorelement ist abhängig von der Reflektionshöhe. Je grösser die Reflektionshöhe ist, desto kleiner ist der Messabstand und dementsprechend umso kleiner ist die Laufzeit des Messsignals. Der Messabstand kann über die Messung der Laufzeit erfasst werden. Über den mit Änderung der Reflektionshöhe korrelierten Messabstand, von welchem wiederum die Laufzeit des Messsignals abhängt, kann auf die Winkelposition des Reflektionselements und damit des Drehbauteils geschlossen werden.
Es können zwei Sensorelemente, die gegenüber dem Reflektionselement umfangsseitig versetzt angeordnet sind, vorgesehen sein. Die beiden Sensorelemente können um 90° versetzt angeordnet sein.
Das Sensorelement kann radial beabstandet zu der Drehachse angeordnet sein. Dabei wird eine sogenannte off-axis Messung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Reflektionselement mit dem Drehbauteil zumindest drehfest verbunden oder mit diesem einteilig ausgeführt.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Sensorelement ein Ultraschallsensor, umfassend einen Ultraschallsender als Sendeelement und einen Ultraschallempfänger als Empfangselement. Der Ultraschallsensor kann ein Ultraschallmesskopf sein. Der Ultraschallsensor kann ein Ultraschallarray umfassen.
Das Sensorelement kann auch ein LIDAR-Sensor oder ein RADAR-Sensor sein. Das Messsignal kann als elektromagnetisches Signal vorliegen.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung ist das Sensorelement axial beabstandet zu dem Reflektionselement angeordnet und der Messabstand liegt in axialer Richtung.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist weiterhin ein zweites Reflektionselement mit einer sich in Umfangsrichtung stetig ändernden Reflektionshöhe vorgesehen. Das erste und zweite Reflektionselement können um eine gemeinsame Drehachse drehbar sein. Das erste und zweite Reflektionselement können konzentrisch angeordnet sein. Ein Aussendurchmesser des einen Reflektionselements kann kleiner oder gleich einem Innendurchmesser des jeweils anderen Reflektionselements sein. Das zweite Reflektionselement kann mit dem ersten Reflektionselement fest verbunden sein. Das erste und zweite Reflektionselement können einteilig ausgebildet sein.
Bei Verwendung von dem ersten und zweiten Reflektionselements kann ein Sensorelement zur Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils genügen.
In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind das erste und zweite Reflektionselement derart zueinander verdreht ausgerichtet, dass eine maximale Reflektionshöhe des ersten Reflektionselements um einen ersten Winkel versetzt zu einer maximalen Reflektionshöhe des zweiten Reflektionselements liegt. Vorzugsweise beträgt der erste Winkel 90°.
In einer weiteren speziellen Ausführung der Erfindung sind zusätzlich ein drittes Reflektionselement und ein viertes Reflektionselement angeordnet, die eine Unwucht des ersten und zweiten Reflektionselements ausgleichen. Das dritte Reflektionselement kann derart angeordnet sein, dass dessen maximale Reflektionshöhe um 180° versetzt zu der maximalen Reflektionshöhe des ersten Reflektionselements angeordnet ist. Das vierte Reflektionselement kann derart angeordnet sein, dass dessen maximale Reflektionshöhe um 180° versetzt zu der maximalen Reflektionshöhe des zweiten Reflektionselements angeordnet ist.
Der Bauteilverbund aus erstem, zweiten, dritten und vierten Reflektionselement kann durch die Anordnung der Bauteile untereinander ausgewuchtet sein.
Das dritte und vierte Reflektionselement können fest miteinander verbunden sein. Das dritte und vierte Reflektionselement können einteilig ausgebildet sein. Das erste, zweite, dritte und vierte Reflektionselement können miteinander fest verbunden sein, im Speziellen einteilig ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das jeweilige Reflektionselement eine Keilscheibe.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ändert sich die Reflektionshöhe umfangsseitig zwischen einer minimalen und einer maximalen Reflektionshöhe konstant um einen Keilwinkel. Die minimale und die maximale Reflektionshöhe sind bevorzugt um 180° beabstandet.
Weiterhin wird ein Kupplungsaktor zur automatisierten Kupplungsbetätigung, umfassend einen drehbaren Rotor und eine Sensoreinheit mit wenigstens einem der vorstehend genannten Merkmale vorgeschlagen, wobei die Sensoreinheit zur Erfassung einer Winkelposition des Rotors vorgesehen ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:

1: Eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
2: Eine Seitenansicht der Sensoreinheit aus 1.
3: Messkurven einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
4: Eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
5: Ein Sensorelement in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
6: Messkurven einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
7: Sensorelement einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
8: Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
9: Diagramm über den Verlauf der Radiusvergrößerung und des Durchmessers des Reflektionselements einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
10: Ablaufdiagramm zur Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils durch eine Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
11: Diagramm über den Verlauf der Dämpfung und der Wellenlänge eines Messsignals einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
12: Diagramm über den Verlauf der Dämpfung und der Höhendifferenz und der gesamten Dämpfung eines Messsignals einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
13: Messsignalverlauf eines Sensorelements mit vier Messbereichen einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.
14: Diagramm über den Verlauf der Abtastvorgänge einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit 10 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Die Sensoreinheit 10 dient der Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils. Das Drehbauteil ist hier nicht dargestellt, ist aber mit einem Reflektionselement 12 drehfest verbunden.
Die Sensoreinheit 10 umfasst ein erstes und zweites, jeweils um 90° versetzt angeordnetes Sensorelement 14. Jedes Sensorelement 14 weist ein Sendeelement, welches ein Messsignal 16 aussendet und ein Empfangselement, welches das Messsignal 16 empfängt, auf. Das Sendeelement und Empfangselement können das gleiche Bauteil darstellen, indem beispielsweise zwischen einer Sendefunktion und einer Empfangsfunktion gewechselt wird.
Das um die Drehachse 100 drehbare Reflektionselement 12 reflektiert das ausgesendete Messsignal. Die Laufzeit des Messsignals ist dabei abhängig von einem Messabstand h' zwischen dem Reflektionselement 12 und dem Sensorelement 14.
Das Reflektionselement 12 weist eine sich in Umfangsrichtung 102 stetig ändernde Reflektionshöhe auf. Der Messabstand h' zwischen der Oberfläche 20 des Reflektionselements 12, die dem jeweiligen Sensorelement 14 zugewandt ist und dem Sensorelement 14 ist abhängig von der Reflektionshöhe. Je grösser die Reflektionshöhe ist, desto kleiner ist der Messabstand h' und dementsprechend umso kleiner ist die Laufzeit des Messsignals 16.
Der Messabstand h' kann über die Messung der Laufzeit erfasst werden. Über den mit Änderung der Reflektionshöhe korrelierten Messabstand h', von welchem wiederum die Laufzeit des Messsignals 16 abhängt, kann auf die Drehposition des Reflektionselements 12 und damit des Drehbauteils geschlossen werden.
Das Sensorelement 14 ist radial beabstandet zu der Drehachse 100 angeordnet, um eine sogenannte off-axis Messung zu ermöglichen.
Das Sensorelement 14 umfasst einen Ultraschallsensor, wiederum umfassend einen Ultraschallsender als Sendeelement und einen Ultraschallempfänger als Empfangselement. Das Sendeelement und das Empfangselement können durch das gleiche Bauteil gebildet sein, indem beispielsweise zwischen einer Sendefunktion und einer Empfangsfunktion umgeschaltet wird. Der Ultraschallsensor kann ein Ultraschallmesskopf sein. Der Ultraschallsensor kann mehrere Sendeelemente und Empfangselemente, die durch das gleiche Bauteil gebildet sein können, enthalten, die ein Ultraschallarray darstellen.
In 2 ist eine Seitenansicht der Sensoreinheit 10 aus 1 dargestellt. Das jeweilige Sensorelement 14 gibt das Messsignal 16 aus.
Das Reflektionselement 12 ist eine Keilscheibe. Die Reflektionshöhe H ändert sich umfangsseitig zwischen einer minimalen Reflektionshöhe 22 und einer maximalen Reflektionshöhe 24 konstant und stetig um einen Keilwinkel α. Die minimale und die maximale Reflektionshöhe sind bevorzugt um 180° beabstandet. Die Höhendifferenz H_max hängt von dem Keilwinkel α und dem Durchmesser D wie folgt ab $H_{m a x} = D \cdot tan (α)$
Das Reflektionselement 12 weist eine sich in Umfangsrichtung 102 stetig ändernde Reflektionshöhe auf. Der Messabstand h' zwischen der Oberfläche 20 des Reflektionselements 12, die dem jeweiligen Sensorelement 14 zugewandt ist und dem Sensorelement 14 ist die Summe aus dem geometrischen Messabstand h und der Reflektionshöhe H.
3 zeigt Messkurven einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das von einem Sensorelement erfasste Messsignal 28 ist gegenüber dem von dem anderen um 90° versetzt angeordneten Sensorelement erfassten Messsignal 30 ebenfalls um 90° versetzt. Aus diesen beiden Messsignalen 28, 30 kann die Winkelposition des Reflektionselements ermittelt werden.
In 4 ist eine räumliche Ansicht einer Sensoreinheit 10 in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Zusätzlich zu dem ersten Reflektionselement 12 sind konzentrisch dazu und jeweils konzentrisch zueinander ein zweites Reflektionselement 32, ein drittes Reflektionselement 34 und ein viertes Reflektionselement 36 angeordnet. Das zweite, dritte und vierte Reflektionselement 32, 34, 36 sind jeweils als Keilscheiben ausgeführt und haben jeweils eine in Umfangsrichtung sich stetig ändernde Reflektionshöhe.
Ein Aussendurchmesser des zweiten Reflektionselements 32 ist kleiner als ein Innendurchmesser des ersten Reflektionselements 12. Auch ist der Aussendurchmesser des zweiten Reflektionselements 32 kleiner als ein Innendurchmesser des dritten und vierten Reflektionselement 34, 36. Der Aussendurchmesser des dritten Reflektionselements ist kleiner als ein Innendurchmesser des vierten Reflektionselements 36.
Das zweite Reflektionselement 32 ist gegenüber dem ersten Reflektionselement 12 um 90° versetzt. Eine maximale Reflektionshöhe des ersten Reflektionselements 12 ist um 90° versetzt zu einer maximalen Reflektionshöhe des zweiten Reflektionselements 32. Das dritte Reflektionselement ist gegenüber dem zweiten Reflektionselement um 90° versetzt und gegenüber dem ersten Reflektionselement 12 um 180° versetzt. Das vierte Reflektionselement ist gegenüber dem dritten Reflektionselement 34 um 90° versetzt und gegenüber dem zweiten Reflektionselement 32 um 180° versetzt.
Bei Verwendung wenigstens des ersten Reflektionselements 12 und des zweiten Reflektionselements 32 kann ein einzelnes Sensorelement 14 zur Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils genügen. Das Drehbauteil, welches hier nicht dargestellt ist, ist mit dem ersten, zweiten, dritten und vierten Reflektionselement 12, 32, 34, 36 drehfest verbunden.
Das dritte Reflektionselement 34 und vierte Reflektionselement 36 können eine Unwucht des ersten Reflektionselements 12 und des zweiten Reflektionselements 32 ausgleichen. Der Bauteilverbund aus erstem, zweiten, dritten und vierten Reflektionselement 12, 32, 34, 36 wird durch die Anordnung der Bauteile untereinander ausgewuchtet und eine Belastung auf das Drehbauteil verringert.
5 zeigt ein Sensorelement 14 in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das Sensorelement 14 ist in einem Ultraschallmesskopf aufgebaut, umfassend ein Sensorarray, bestehend aus mehreren Ultraschallsensoren. Dadurch kann das Messsignal zweidimensional erfasst werden.
In 6 sind Messkurven einer Sensoreinheit in einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Messsignal 38 des ersten Reflektionselements, das Messsignal 40 des zweiten Reflektionselements, das Messsignal 42 des dritten Reflektionselements und das Messsignal 42 des vierten Reflektionselements sind jeweils um 90° zueinander verschoben. Das ist dadurch bedingt, da das erste, zweite, dritte und vierte Reflektionselement um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
Am Beispiel eines Ultraschallsensors als Sensorelement werden nachfolgend beispielhaft die einzelnen Schritte angegeben, aus denen sich die Eigenschaften und Abmessungen der Sensoreinheit gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ergeben, um die geforderte Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils durchführen zu können.
7 und 8 geben die geometrischen Verhältnisse an dem als Sensorarray ausgeführten Sensorelement 14 wieder.
Zunächst werden die notwendigen Abmessungen der Sensoreinheit 10 festgelegt. Dabei sind mehrere Abmessungen von Bedeutung, beispielsweise die Ringbreite des ringförmigen Reflektionselements, welches beispielhaft als Keilring ausgebildet ist und die Länge / und Breite b des Sensorelements 14.
Wie aus 8 ersichtlich ist, wird durch den Keilwinkel α das gesendete Messsignal 17 gewinkelt von dem Reflektionselement 12 zurückgeworfen und trifft als empfangenes Messsignal 19 mit einer Signalverschiebung s₀ auf dem Sensorelement 14 auf. Dabei wird der Durchmesser r des gesendeten Messsignals 17 zu einem Durchmesser r' des empfangenen Messsignals 19.
In 7 ist die zweidimensionale Signaldarstellung des gesendeten Messsignals 17 und des empfangenen Messsignals 19 auf dem Sensorelement 14 aufgezeigt. Das empfangene Messsignal 17 kann auf einem Kreis mit dem Radius, der der Signalverschiebung s₀ entspricht, liegen.
Der Durchmesser r des gesendeten Messsignals 17 vergrößert sich gemäß folgendem Zusammenhang zu dem Durchmesser r' des empfangenen Messsignals 19 $r' = \frac{r}{cos (2 α)} + 2 h' (1 + \frac{1}{cos (2 α)}) \cdot tan β$
mit dem maximalen Messabstand h_max , der wie folgt festgelegt ist $h_{m a x} = h + H_{m a x}$
mit dem geometrischen Messabstand h und der Höhendifferenz H_max .
Das gesendete Messsignal kann um den Abstrahlwinkel β bereits gewinkelt ausgesendet werden.
Ist der Abstrahlwinkel β Null, kann (2) zu $r' = \frac{r}{cos (2 α)}$
vereinfacht werden.
Die Höhendifferenz H_max des Reflektionselements ist nach (1) abhängig von dem Durchmesser D des Reflektionselements und dem Keilwinkel α.
Unter Berücksichtigung von (1) wurde eine Simulation durchgeführt, deren Ergebnisse in dem Diagramm in 9 veranschaulicht sind. Es wird deutlich, dass die Radiusvergrößerung G, die wie folgt definiert ist $G = \frac{r'}{r}$
und die möglichst klein sein soll, umso kleiner wird, je kleiner der Keilwinkel α ist. Andererseits zeigt sich ein gegensätzlicher Verlauf bei dem Durchmesser D des Reflektionselements (siehe hierfür 2), der bei festgelegter Höhendifferenz H_max umso grösser sein muss, je kleiner der Keilwinkel α ist.
In 9 entspricht einem beispielhaften Keilwinkel α von 10,02° eine Durchmesservergrößerung G von 1,064, was einer Vergrößerung des Durchmessers r um 6,4% entspricht und ein Durchmesser D von 30,56 mm.
Die Signalverschiebung s₀ ist $s_{0} = h_{m a x} \cdot tan (2 α)$
Mit (3) ist die Signalverschiebung $s_{0} = (h + H_{m a x}) \cdot tan (2 α)$
Die Länge / des Sensorelements soll der Vorgabe $I \geq s_{0} + 2 r'$
genügen. Die Breite b des Sensorelements hängt von der Anzahl n der in 7 gezeigten Messbereiche 18 innerhalb des Sensorarrays ab und soll der Vorgabe $b \geq n (s_{0} + 2 r')$
entsprechen.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm 46 zur Erfassung der Winkelposition des Drehbauteils. Das Sensorelement 14 mit vier Messbereichen erfasst jeweils Messsignale 16, zu denen in Schritt (1) eine Offsetkorrektur erfolgt. In Schritt (2) werden durch Berücksichtigung von jeweils zwei Messsignalen Werte für die Winkelposition berechnet, die dann zur Behebung von Nichtlinearitäten und Toleranzen, beispielsweise bei der Verdrehung der jeweiligen Reflektionselemente, in Schritt (3) über einen Datafusionalgorithmus 48, beispielsweise über Single-Value-Decomposition, abgekürzt SVD, zu einem Ausgabewert φ für die Winkelposition des Drehbauteils zusammengeführt und ausgegeben werden.
Die Winkelauflösung der Sensoreinheit ist von der Genauigkeit des Reflektionselements und des Messsignals abhängig.
Mit der Oberflächenrauheit R_z des Reflektionselement ist das Signal-Rausch-Verhältnis $S N R = \frac{H_{m a x}}{R_{z}}$
Die Höhendifferenz H_max ist über (1) festgelegt.
Die Auflösung R_r des Reflektionselements ist mit (10) $R_{r} = 10^{- \frac{S N R}{10}} = \frac{R_{z}}{h_{m a x}} \cdot 100 [%]$
Die Auflösung des Messsignals, hier des Ultraschallsignals ist von der Wellenlänge λ des Ultraschalls abhängig und ist $R_{s} = \frac{λ}{2 H_{m a x}} \cdot 100 [%]$
Dabei soll gelten $\frac{λ}{2} > R_{z}$
Weiterhin gilt nach $c = λ \cdot f$
dass die Wellenlänge λ umso kleiner ist, je höher die Frequenz f ist, bei gegebener Schallgeschwindigkeit c des Ultraschalls, die in Luft ungefähr 340 m/s ist. Eine hohe Frequenz bedeutet jedoch auch eine hohe Dämpfung des Messsignals.
11 zeigt bei einer Temperatur von 25°C im oberen Diagramm die Dämpfung des Messsignals in Luft in Abhängigkeit von der Frequenz und im unteren Diagramm λ/2 abhängig von der Frequenz. In beiden Diagrammen sind einige Beispielwerte angezeigt.
Die gesamte Messauflösung R_g ist der größte Wert aus der Auflösung des Reflektionselements und des Sensors $R_{g} = max (R_{r}, R_{s})$
Die digitale Auflösung R_d ist $R_{d} = \frac{log (R_{g})}{log (2)}$
Die Winkelauflösung der Sensoreinheit kann über $R_{w} = 2^{7 - R_{d}}$
ermittelt werden.
Eine Aufgabe bei der Auslegung der Sensoreinheit ist es, geeignete Werte für die Frequenz, die Wellenlänge und die erforderliche Winkelauflösung festzulegen.
Soll die Sensoreinheit beispielsweise eine Winkelauflösung von 1° aufweisen, kann die digitale Auflösung nach (15) und (16) gleich 128 betragen.
Die Dämpfung soll mit kleiner als 4 dB/mm angenommen werden. Dann können eine Frequenz von 4 MHz, entsprechend einer Dämpfung von 3,33 dB/mm, wie in 11 dargestellt und eine halbe Wellenlänge von 42 µm festgelegt werden. Damit kann mit (12) die Höhendifferenz H_max zu 5,4 mm bestimmt werden. Außerdem kann der Messabstand h mit 2 mm angenommen werden.
Wie 12 zeigt, in der jeweils bei einer Temperatur von 25°C das obere Diagramm die Dämpfung des Messsignals und die Höhendifferenz jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz und das untere Diagramm die gesamte Dämpfung, ebenfalls abhängig von der Frequenz, abbildet, liegt die gesamte Dämpfung damit ungefähr - 49 dB.
Die Oberflächenrauheit R_z kann damit beispielsweise 6 µm betragen. Die Ebenheit des Reflektionselements kann bei der Auflösung ebenfalls von Bedeutung sein. Diese Toleranz kann jedoch mit einem End-of-Line Lernen korrigiert werden.
Um die erforderliche Zeitauflösung der Sensoreinheit festzulegen, ist der folgende Zusammenhang für das Messzeitintervall $t_{e c h o} = \frac{2 (h + H)}{c}$
zu berücksichtigen, wobei gilt $0 \leq H \leq H_{m a x}$
Mit den zuvor getroffenen Annahmen und beispielhaft angegeben Werten kann das Messzeitintervall t_echo innerhalb des Empfangsbereichs 50 beispielsweise 11,8 bis 79,6 µs sein. Die Messintervallperiode τ ist gemäß den Gegebenheiten nach 13 für das Sensorarray mit den vier Messbereichen 18 grösser als das Messzeitintervall festzulegen. Beispielsweise kann die Messintervallperiode 100 µs betragen.
Die Messsignalsendezeit t_s muss kleiner als das kleinste Messzeitintervall sein. Beispielsweise kann die Messsignalsendezeit 8 µs sein.
14 gibt den Zusammenhang zwischen der Anzahl der möglichen Abtastvorgänge pro Umdrehung und der Drehzahl des Drehbauteils an. Die Sensoreinheit kann beispielsweise bei einer angenommenen Drehzahl von 10000 U/min 60 Abtastvorgänge pro Umdrehung umsetzen.
Bezugszeichenliste

10: Sensoreinheit
12: Reflektionselement
14: Sensorelement
16: Messsignal
17: Messsignal
18: Messbereich
19: Messsignal
20: Oberfläche
21: Reflektionshöhe
22: Reflektionshöhe
23: Höhendifferenz
24: Reflektionshöhe
26: Durchmesser
28: Messsignal
30: Messsignal
32: Reflektionselement
34: Reflektionselement
36: Reflektionselement
38: Messsignal
40: Messsignal
42: Messsignal
44: Messsignal
46: Ablaufdiagramm
48: Datafusionalgorithmus
50: Empfangsintervall
100: Drehachse
102: Umfangsrichtung
α: Keilwinkel
H_max: Höhendifferenz
H: Reflektionshöhe
h: geometrischer Messabstand
h': Messabstand
h_max: maximaler Messabstand
l: Länge des Sensorelements
b: Breite des Sensorelements
s₀: Signalverschiebung
r: Durchmesser des gesendeten Messsignals
r': Durchmesser des empfangenen Messsignals
β: Abstrahlwinkel
G: Radiusvergrößerung
c: Schallgeschwindigkeit
λ: Wellenlänge
f: Frequenz
R_z: Oberflächenrauheit
SNR: Signal-Rausch-Verhältnis
t_echo: Messzeitintervall
τ: Messintervallperiode
t_s: Messsignalsendezeit
R_r: Auflösung des Reflektionselements
R_s: Auflösung des Sensorelements
R_g: gesamte Messauflösung
R_d: digitale Auflösung
R_w: Winkelauflösung der Sensoreinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016212175 A1 [0003]
WO 2015/165456 A1 [0003]
DE 102012202639 A1 [0004]

Claims

Sensoreinheit (10) zur Erfassung einer Winkelposition eines Drehbauteils, umfassend ein Sensorelement (14) mit einem Sendeelement, welches ein Messsignal (16, 17) aussendet und einem Empfangselement, welches das Messsignal (16, 19) empfängt, ein mit dem Drehbauteil sich um eine Drehachse (100) drehbares Reflektionselement (12), welches das Messsignal (16, 17) reflektiert, wobei die Laufzeit des Messsignals (16) abhängig von einem Messabstand (h') zwischen dem Reflektionselement (12) und dem Sensorelement (14) ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektionselement (12) eine sich in Umfangsrichtung (102) stetig ändernde Reflektionshöhe (H) aufweist.
Sensoreinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektionselement (12) mit dem Drehbauteil zumindest drehfest verbunden ist oder mit diesem einteilig ausgeführt ist.
Sensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (14) ein Ultraschallsensor ist, umfassend einen Ultraschallsender als Sendeelement und einen Ultraschallempfänger als Empfangselement.
Sensoreinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (14) axial beabstandet zu dem Reflektionselement (12) angeordnet ist und der Messabstand (h') in axialer Richtung liegt.
Sensoreinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein zweites Reflektionselement (32) mit einer sich in Umfangsrichtung (102) stetig ändernden Reflektionshöhe (H) vorgesehen ist.
Sensoreinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Reflektionselement (12, 32) derart zueinander verdreht ausgerichtet sind, dass eine maximale Reflektionshöhe (H_max) des ersten Reflektionselements (12) um einen ersten Winkel versetzt zu einer maximalen Reflektionshöhe (H_max) des zweiten Reflektionselements (32) liegt.
Sensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein drittes Reflektionselement (34) und ein viertes Reflektionselement (36) angeordnet sind, die eine Unwucht des ersten und zweiten Reflektionselements (12, 32) ausgleichen.
Sensoreinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Reflektionselement (12) eine Keilscheibe ist.
Sensoreinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Reflektionshöhe (H) umfangsseitig zwischen einer minimalen und einer maximalen Reflektionshöhe konstant um einen Keilwinkel (α) ändert.
Kupplungsaktor zur automatisierten Kupplungsbetätigung, umfassend einen drehbaren Rotor und eine Sensoreinheit (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (10) zur Erfassung einer Winkelposition des Rotors vorgesehen ist.