DE2924590C2

DE2924590C2 - Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und Winkellage einer rotierenden Welle

Info

Publication number: DE2924590C2
Application number: DE2924590A
Authority: DE
Inventors: James C. Lincoln Park Mich. Cook II
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1979-06-19
Publication date: 1984-05-17
Also published as: US4180753A; GB2024433A; DE2924590A1; GB2024433B; CA1119691A; JPS559190A

Description

Die Erllndung bezieht sich aiii eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und Winkellage einer rotierenden Welle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erläuterten Art.

Aus der Zeitschrift »Messen und Prüfen«, September 1970, Seiten 737 und 738, sind bereits Vorrichtungen dieser Art bekannt, wobei als Zahnelcmente bzw. Nutelemente entweder vorhandene Schraubenköpfe oder Stahlbolzen bzw. Nuten oder Bohrungen in umlaufenden Stahlteilen oder aber die normale Verzahnung \ on Zahnrädern benutzt werden.

Im ersten Fall kann dies zu stark unterschiedlichen Signalen führen, wohingegen im zweiten Fall eine Vielzahl von verhältnismäßig schwachen Signalen erzielt werden, die jeweils unterschiedliche Schwierigkelten bei der Erfassung bereiten.

Aus "der GB-PS 13 82 626 und der DE-OS 23 57 061 sind Vorrichtungen der im Oberbegriff erläuterten Art bekannt, bei denen verschieden geformte Zahnelemente zur Erzeugung unterschiedlicher Impulsfolgen vorgesehen sind, um sowohl ein Drehzahl-Signal als auch ein Signal für eine bestimmte Drehwinkelstellung zu erzeugen.

Bei der aus der DE-OS 23 57 061 zu entnehmenden Vorrichtung ist an einem rotierenden Rad mit einer Anzahl von Zähnen einer dieser Zähne mit einem Einschnitt versehen, der innerhalb dieses Zahnes eine zusätzliche Zahnlücke schafft. Da der Abstand zwischen zwei benachbarten Zähnen ohne einen Einschnitt einer normalen Zahnlücke entspricht, kann durch Vergleichen des Abstandes zweier aufeinanderfolgender Zähne die Lage des mit einem Einschnitt versehenen Zahnes festgestellt werden.

Diese bekannte Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Zähne eine verhältnismäßig große Dicke aufweisen müssen, um im Falle eines mit einem Einschnitt versehenen Zahnes am Aufnehmer noch ein deutliches Signal zu erzeugen. Die minimale Dicke der Zähne an dem rotierenden Rad ist somit auf ein Maß begrenzt, bei dem in einem Zahn noch ein Einschnitt angebracht werden kann, der von einem Aufnehmer noch deutlich als Lücke zwischen zwei benachbarten Zahnteilen erfaßbar Ist. Eine solche Anordnung Ist daher dann nicht mehr geeignet, wenn eine verhältnismäßig enge Impuls- oder Signalfolge gewünscht wird. Darüber hinaus Ist ein verhältnismäßig hoher Schaltungsaufwand nötig, um den Vorbeilauf des mit einem Einschnitt versehenen Zahnes am Aufnehmer deutlich festzustellen.

Ein weiteres Problem, das durch die bekannten Anordnungen noch nicht zufriedenstellend gelöst Ist, besteht darin, eine zufriedenstellend genaue Erfassung der Drehzahl eines Verbrennungsmotors In Umdrehungen/min zu erzielen, wenn an dem rotierenden Rad eines Verbrennungsmotors nur zwei Winkellagen zum Bestimmen der Zündung der Zylinder des Verbrennungsmotors erforderlich sind. Zum Beispiel werden bei einem Vlerzyllnder-Vlertakt-Verbrennungsmotor jeweils nur zwei Zylinder während einer Umdrehung des rotierenden Rades gezündet. Obwohl auf diese Welse nur *.wei bestimmte Bezugsstellungen an dem rotierenden Rad erforderlich sind, führen diese beiden Signale beim Erlassen der Drehzahl In Umdrehungen/min zu Ungenauigkeiten, die es wünschenswert erscheinen lassen, eine bestimmte Bezugsstellung am rotierenden Rad zur Verfügung zu haben, über die eine genauere Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle In Umdrehungen/min möglich Ist. Obwohl die verschiedenen Bezugsstellungen entsprechenden Signale unterschiedlich sein sollen, sollen sie andererseits einander so hinreichend ähnlich sein, daß sie von ein- und

demselben Aufnehmer erfaßt und unterschieden werden können.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und Winkellage einer rotierenden Welle der im Oberbegriff des Patentanspruchs erläuterten Art derart zu verbessern, daß eine Ausbildung an der rotierenden Welle elektrische Signale von etwa gleicher Form und Stärke erzeugt, die jedoch durch Ihre entgegengesetzte Polarität sicher unterschieden werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 aufgezeigten Merkmale aufweist.

In den Patentansprüchen 2 bis 6 sind v/eitere zweckmäßige AusführungsdetalliS der Vorrichtung erläutert.

Dadurch, daß ein Zahnelement aus einem von der Achse der Welle weggerichteten Vorsprung und ein Nutelement durch zwei benachbarte, im Abstand angeordnete, von der Achse der Welle weggerichtete Vorsprünge gebildet sind, deren Abstände· von der Achse der Welle derart gewählt sind, daß bei einem V-.rbeilauf des Zahnelementes oder des Nutelementes am Aufnehmer ein elektrisches Signal von entgegengesetzter Polarität, aber etwa gleicher Stärke erzeugt wird, wird auf einfache Weise sichergestellt, daß mit verhältnismäßig einfachen Aufnehmern zwei gesonderte Signale einwandfrei unterscheidbar erfaßt werden können.

Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 2 ein Wellendiagramm der von einer Vorrichtung nach F i g. 1 erzeugten Signalfolge;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich des Aufnehmers mit einer Ausführungsform des Aufnehmers;

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich des Aufnehmer., mit einer weiteren Ausführungsform des Aufnehmers.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und Winkellage einer rotierenden Weile mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besteht Im wesentlichen aus einem Geber 20 In Form einer rotierenden Scheibe und einem Aufnehmer 30. Der Aufnehmer 30 Ist elektrisch mit einer Meßschaltung 11 und einer Steuerschaltung 12 verbunden. Eine Drehung des Gebers 21? erzeugt eine Änderung des magnetischen Kraftflusses, die vom Aufnehmer 30 festgestellt und als elektrische Spannung an die Meßschaltung 11 weitergegeben wird. Die Steuerschaltung 12 übernimmt hierbei die Verarbeitung der von der Meßschaltung 11 kommenden elektrischen Signale. Die Steuerschaltung 12 verarbeitet zum Beispiel diese elektrischen Signale, um die Zündung des Verbrennungsmotors zu steuern oder um die Drehzahl des Verbrennungsmotors zu erfassen und anzuzeigen.

Der Geber 20 besteht Im wesentlichen aus einer elliptischen Scheibe mit zwei Zahnelementen 21, die Im Umfang der Scheibe mit dem geringeren Durchmesser 23 radial vorspringen und mit zwei Nutelementen (22) die am Umfang der Scheibe mit größerem Durchmesser 24 radial zurückspringen. Der Geber 20 rotiert um die Achse 25, so daß die Zahnelemente 21 und die Nutelemente 22 am Aufnehmer 3ö vorbellaulen. Der Geber 20 bzw. die elliptische Scheibe bestehen aus magnetischem Material. so daß sie das vom Aufnehmer erzeugte magnetische Kraftfeld beelnllussen.

Insbesondere ist es wünschenswert, daß die Beeinflussung des Magnetfeldes durch ein Zahnelement 21, das am Aufnehmer 30 vorbeiläuft, die gleiche ist wie die eines Nutelements 22, das am Aufnehmer 30 vorbeiläuft. Die vorliegende Erfindung hat beachtet, daß bei einem Geber mit kreisförmigem Umfang ein Nutelement und ein Zahnelement in unterschiedlicher Entfernung ar.i Aufnehmer 30 vorbeilaufen würden und dementsprechend der Einfluß eines Zahnelements das Magnetfeld größer sein würde als der Einfluß eines Nutelements. Dementsprechend wurde gemäß der Erfindung der Geber 20 bzw. die rotierende Scheibe 20 so gestaltet, daß die Nutelemente 22 und die Zahnelemente 21 in etwa dem gleichen Abstand am Aufnehmer 30 vorbeilaufen und einen Einfluß von im wesentlichen gleicher Stärke auf das Magnetfeld ausüben, obwohl dieser Einfluß von entgegengesetzter Polarität ist. Auf d'ese Weise ergibt sich das besondere Verhältnis zwischen der Breite des Zahnelementes und der Breite der Nutelemente zum Teil aus den magnetischen Eigenschaften rf°s Materials, das das Zahnelement bildet, im Verhältnis /u den magnetischen Eigenschaften des Materials, das das Nutelement bildet.

Die Zahnelemente 21 weisen eine im wesentlichen rechteckige Form auf und liegen auf dem kürzeren Durchmesser 23 der rotierenden Scheibe 20. Die Nutelemente 22 weisen gleichfalls eine im wesentlichen rechteckige Form auf und liegen auf dem längeren Durchmesser 24 der rotierenden Scheibe 20.

Um die bei einem Vorbeilaufen eines Zahnelements 21 am Aufnehmer 30 bewirkte Verstärkung des magnetischen Kraftflusses einer Verringerung des magnetischen Kraftflusses beim Vorbeilaufen eines Nutelements 22 am Aufnehmer 30 der Stärke nach anzugleichen, hat es sich herausgestellt, daß es vorteilhaft Ist, daß die Nuteiemente 22 etwa zwei- bis zweieinhalbmal so breit wie ein Zahnelement 21 und ihre radiale Tiefe größer als die radiale Höhe eines Zahnelements 21 Ist.

Der Umfang der rotierenden Scheibe 20 zwischen einem Zahnelement 21 und einem benachbarten Nutelement 22 verläuft nach einer kontinuierlichen Kurve dera'U daß eine Änderung des magnetischen Kraftflusses im Bereich des Aufnehmers 30 im wesentlichen gleich bleibt und dementsprechend ein im wesentlichen konstantes elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird. Da der Umfang der rotierenden Scheibe 20 benacnbart dem Zahnelement 21 einen größeren Abstand zum Aufnehmer 30 aufweist als der Umfang der rotierenden Scheibe 20 benachbart einem Nutelement 22, Ist das Maß einer Veränderung der Krümmung benachbart einem Zahnelement 21 größer als das Maß der Veränderung der Krümmung benachbart einem Nutelement 22. Die Krümmung zwischen einem Zahnelement 21 und einem Nutelement 22 nil darüber hinaus glatt und kontinuierlich verlaufen, um keine abrupten Veränderungen Im elektrischen Ausgangssignal des A-Jlnehmers 30 zu bewirken.

Der Aufnehmer 30 erlaf3t Veränderungen Im magnetischen Kralifluß und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, dessen Spannung ein Maß für die Veränderung des magnetischer. Kraftflusses ist.

Wie aus Flg. 3 zu ersehen Ist, kann ein solcher Aufnehmer 30 aus einem Permanentmagneten 31, einem Polstück 32 und einer Wicklung 33 am Polstück 32 bestehen. Eine Veränderung des magnetischen Kraltllusses am Polstück 32 induziert In der Wicklung 33 eine Spannung und erzeugt auf diese Welse ein elektrisches Ausgangssignal für die Mefischaltung 11.

Wie aus Flg. 4 zu ersehen ist, kann ein solcher Aufnehmer 30i; aus einem Permanentmagneten 31a und

einem Halbleiter 36 bestehen, die derart zueinander angeordnet sind, daß ein magnetischer Krattlluß im Bereich des Halbleiters 36 einen sogenannten Hall-Effekt bewirkt und eine Verschiebung von Ladungsträgern Innerhalb des Halbleiters 36 dazu verwendet werden kann, um eine Spannung proportional dem Magnetfluß zu erzeugen.

Bei einer Vorrichtung nach Flg. 4 1st das erzeugte elektrische Ausgangssignal proportional der Stiirke des magnetischen Kraflllusses, während bei einer Vorrichtung gemäß Flg. 3 das elektrische Ausgangssignal proportional der Veränderung des magnetischen KraftI]usscs ist.

Unabhängig von der gewählten Form des Aufnehmers 30 kann In beiden Fällen die Form der rotierenden Scheibe 20 bzw. des Gebers die gleiche sein.

In Flg. 2 Ist eine Signalfolge aufgezeigt, wie sie von einem Aufnehmer gemäß Fig. 3 erzeugt wird. Wie aus der Wellenform der Signallolge zu ersehen ist. Ist die Größe des elektrischen Signals in Abhängigkeit vom Vorbeilauf eines Zahnelements 21 und eines Nutelements 22 am Aufnehmer 30 abwechselnd In der Auleinanderfolge und in der Größe annähernd gleich. Die Polarität der beiden Signale Ist jedoch umgekehrt. Während ein Zahnelement 21 ein Signal mit einem positiven Anstieg gefolgt von einem negativen Abfall erzeugt, liefert ein Nutelement 22 ein Signal mit einem negativen Abfall gefolgt von einem positiven Anstieg. Während des Überganges von einem Zahnelement 21 zu einem Nutelement 22 wird ein Signal von geringer positiver Größe erzeugt, da der magnetische Kraltfluß am Aufnehmer 30 durch die zunehmende Masse der rotierenden Scheibe 20 zunimmt während eines Überganges von einem Nutelement 22 zu einem Zahnelement 21, wird ein Signal geringer negativer Größe erzeugt, da der abnehmende Durchmesser der rotierenden Scheibe 20 eine Verringerung des magnetischen Kraftflusses bewirkt.

Die in Fig. 1 gezeigte Steuerschaltung 12 verarbeitet die In Fig. 2 gezeigte Signalfolge, um zum Beispiel damit die Zündung der Zündkerze eines Zylinders eines Verbrennungsmotors zu steuern, wenn das elektrische Signal eines Zahnelements 21 einen Nulldurchgang aufweist. Ein solcher Nulldurchgang würde normalerweise auf etwa ICFC von dem oberen Totpunkt des Kolbens festgesetzt. Die Steuerung 12 kann andererseits auch die Drehzahl des Verbrennungsmotors in Umdrehungen/min ^4:) angeben, in dem die Anzahl von Nulldurchgängen der Signalfolge während einer bestimmten Zeitspanne gezahlt wird.

Das Vorhandensein eines Unterschieds zwischen der Signalform des von einem Nutelement 22 und einem ^M Zahnelement 21 erzeugten elektrischen Signals ermöglicht der Steuerschaltung 12 eine einfache Verarbeitung der Signallolge. Andererseits ermöglicht das Vorhandensein der elektrischen Signale von den Nutelementen 22 in Zusammenwirken mit den elektrischen Signalen von den Zahnelementen 21 eine genauere Erfassung der Drehzahl des Verbrennungsmotors. Durch die Tatsache, daß die Größe der elektrischen Signale von den Zahnelementen und den Nutelementen 22 Im wesentlichen gleich sind, 1st ein einfacherer Aulbau der Steuerschaltung 12 möglich und ebenso eine einfachere Verarbeitung der Signale, da sich hierbei Störsignale geringerer Größe nicht störend einschleichen können. Das Ist Insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen wesentlich, wo Infolge der vielen elektrischen Verbraucher und Einrichtungen Im Kraftfahrzeug eine Unzahl von Störsignalen entstehen können.

Bei experimentellen Versuchsauslührungen wurde festgestellt, daß bei einer rotierenden Scheibe 20 aus einem magnetischen Material von einer Dicke von etwa 5 mm und einem Durchmesser von etwa 100 mm ein Zahnelement 21 eine Dicke von etwa 3 mm und eine radiale Höhe von etwa 3,2 mm aufweisen kann, während ein Nutelement 22 eine Breite von 7,5 mm und eine radiale Tiefe von 9 mm aufweisen kann.

In der nachstehenden Tabelle Ist der wirksame Radius einer rotierenden Scheibe 20 In Abhängigkeit von Ihrer Winkellage angegeben, wobei ein Zahnelement 21 um 90° gegenüber einem Nutelement 22 versetzt angeordnet lsi. KIn Nutelement 22 bildet hierbei eine Bezugsstellung für el.rsn Winkel von 0°. Bei der Angabe des Radius für eine Winkellage von 0" Ist der Einschnitt des Nutelements 22 berücksichtigt. Ebenso Ist bei einer Winkellage von 90° der Vorsprung des Zahnelements 21 berücksichtigt.

J5

Winkellage C)	Radius (mm)
0	53,59
10	53,46
20	53 3!
30	53^13
40	52,90
50	52.62
60	52,29
70	51,84
80	51,23
90	50,4 +3,2 = 53,6

Ein typischer Aufnehmer 30 kann zum Beispiel aus einem Permanentmagneten aus Alnico V mit Im wesentlichen zylindrischer Form, einer Länge von 25,4 mm und einem Durchmesser von ungefähr 8 mm bestehen. Ein zylindrisches Polstück aus Weichelsen liegt mit seinem einen Ende gegen den Alnlco-Dauermagneten an. Das Polstück wird von einer Wicklung umfaßt, die bei einem Durchmesser von 3,9 mm und einer Länge von etwa 6,3 mm etwa 3100 Windungen umfaßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl und Winkellage einer rotierenden Welle mit einem an der Welle befestigten Geber und einem feststehenden Aufnehmer, wobei der Geber in Form von an der rotierenden Welle abwechselnd angeordneten vorspringenden Zahnelementen und zurückspringenden Nutelementen unterschiedliche Impulse erzeugt, die vom Aufnehmer in elektrische Signale umgesetzt und in einer mit diesen verbundenen elektronischen Schaltung verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zahnelement (21) aus einem von der Achse der Welle (25) weggerichteten Vorsprung und ein Nutelement (22) durch zwei benachbarte, im Abstand angeordnete, von der Achse der Welle (25) weggerichtete Vorsprünge gebildet sind, deren Abstände von der Achse der Welle (25) derart gewählt sind, daß bei einem Vorbeilauf des Zahnelementes

(21) oder des Nutelementes (22) am Aufnehmer (30) ein elektrisches Signal von entgegengesetzter Polarität aber etwa gleicher Stärke erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (20) aus einer rotierenden Scheibe aus magnetischem Material mit einer im wesentlichen ovalen bzw. elliptischen Form besteht, wobei das Zahnelement (21) gegenüber deren kleinerem Durchmesser (23) vorspringt und das Nutelement

(22) gegenüber deren größerem Durchmesser (24) zurückspringt, beide, das Zahnelement (21) und das Nutelement (22) eine im wesentlichen rechteckige Form aufweisen und eier Umiang der Scheibe (20) zwischen einem Zshnelemem (21) und einem benachbarten Nutelement (22) eine kontinuierliche Kurve ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zahnelemente (21) einander gegenüberliegen und zwei Nutelemente (22) einander gegenüberliegen und um 90° gegenüber den beiden Zahnelementen (21) versetzt angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (30) aus einem Permanentmagneten (31), einem Polstück (32) und einer Wicklung (33) besteht und das Polstück (32) so nahe der Umlaulbahn der rotierenden Scheibe (20) angeordnet Ist, daß ein Vorbeilauf der Zahnelemente (21) und der Nutelemente (22) eine Änderung des magnetischen Krafttlusses Im Polstück (32) bewirkt, die über eine Meßschaltung (11) an der Wicklung (33) feststellbar Ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (30a) aus einem Permanentmagneten (31a) in Verbindung mit einem Halbleiter (36) besteht, der einen Hall-Effekt bzw. eine Ladungsverschiebung In Abhängigkeit vom Magnetfeld bewirkt, die über eine Meßeinrichtung am Halbleiter (36) feststellbar Ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutelemente (22) zwei- bis zwelelnhalbmal so breit wie die Zahnelemente (21) ausgeführt sind und Ihre radiale Tiefe größer als die radiale Höhe der Zahnelemente (21) gewählt Ist.