DE4129344A1 - Einrichtung zur erfassung des drehwinkels von zwei rotierenden teilen - Google Patents
Einrichtung zur erfassung des drehwinkels von zwei rotierenden teilenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des
Hauptanspruchs.
Zur Steuerung und Regelung von Brennkraftmaschinen, insbesondere für
die elektronische Zündung und die Einspritzung ist es erforderlich,
sowohl die Stellung der Kurbelwelle als auch die der Nockenwelle zu
kennen.
Dabei wird üblicherweise ein mit der Nockenwelle verbundenes Geber
rad mit einer einzigen Markierung von einem sogenannten Phasen
signalgeber abgetastet, der üblicherweise als induktiver, optischer
oder Hall-Geber ausgebildet ist und im Zündverteiler oder an der
Nockenwelle angeordnet ist. Neben dem Phasensignalgeber wird ein
zweiter Geber verwendet, der eine mit der Kurbelwelle der Brenn
kraftmaschine verbundene Geberscheibe abtastet, wobei diese übli
cherweise eine Vielzahl gleichartiger Markierungen sowie eine unter
scheidbare Markierung aufweist.
Mit Hilfe der gleichartigen Markierung wird die Drehzahl bestimmt,
die unterscheidbare Markierung wird zur Erzeugung eines Bezugsmar
kensignales vorgesehen.
Mit einer derartigen Anordnung kann die Stellung der Kurbelwelle so
wie die der Nockenwelle und damit auch die Lage der beiden Wellen
zueinander festgelegt werden, es ist damit auch eine Zylinderer
kennung möglich, die insbesondere für die elektronische Zündung un
bedingt erforderlich ist. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise
aus der DE-OS 33 07 833 bekannt.
Diese bekannte Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß sie sehr
aufwendig ist, da zwei getrennte Geber erforderlich sind. Dies ist
zum einen teuer, zum anderen besteht die Gefahr, daß in rauhem
Betrieb der Brennkraftmaschine einer der beiden Sensoren ausfallen
kann.
Auch bei anderen Einrichtungen, bei denen die Stellungen zweier
rotierender Teile erfaßt werden sollen, ist für jedes der Teile ein
eigener Sensor vorgesehen, so auch bei einer in der noch nicht
veröffentlichten DE-P 40 38 413 beschriebenen Einrichtung zur
Bestimmung des auf eine Welle ausgeübten Drehmoments, bei der zwei
mit der Welle verbundene Inkrementräder abgetastet werden, wobei aus
ihrer Verdrehung gegeneinander das Drehmoment ermittelt wird.
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruchs, die sich ganz allgemein auf die Erfassung von
zwei benachbarten rotierenden Teilen bezieht, hat den Vorteil, daß
nur ein einziger Sensor zur Erfassung der Drehwinkel zweier rotie
render Teile sowie des Drehwinkels zwischen beiden rotierenden Tei
len erforderlich ist. Dies ist möglich durch die vorteilhafte Anord
nung und Ausgestaltung der beiden rotierenden Teile. Da nur ein
Geber erforderlich ist, ist eine Kostensenkung gegenüber den aus dem
Stand der Technik bekannten Vorrichtungen möglich, außerdem kann bei
Verwendung eines einzigen Gebers anstatt zweier getrennter Geber
auch nur einer ausfallen.
Da der Drehwinkel beider rotierender Teile mit demselben Geber er
mittelt wird, ist es möglich, den Drehwinkel zwischen diesen beiden
rotierenden Teilen besonders genau festzulegen.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Einrichtung zur
Messung des Verdrehwinkels zwischen dem synchron mit der Kurbelwelle
umlaufenden Kettenrad und der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine
eingesetzt werden, dadurch ist es möglich, bei Brennkraftmaschinen
mit Nockenwellenverstellung den veränderbaren Verdrehwinkel bei dis
kreten Zeitpunkten quantitativ zu bestimmen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Einrichtung möglich.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung abgebildet,
Fig. 2 zeigt die Lage des Kettenrades bzw. der Kurbelwelle in bezug
auf die Lage der Nockenwelle für einen ersten Drehwinkel ϕ0, Fig. 3
zeigt die Lage des Kettenrades bzw. der Kurbelwelle in Bezug zur
Lage der Nockenwelle für einen zweiten Drehwinkel ϕ1 und Fig. 4
zeigt den zeitlichen Verlauf des auszuwertenden Gebersignals (nach
eventuell erforderlichen Aufbereitungsmaßnahmen zur Erzielung von
Rechteckverläufen).
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist mit 10 das sogenannte Kettenrad bezeichnet, das in festem Bezug
zur nicht dargestellten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine steht.
Mit dem Kettenrad 10 ist eine Geberscheibe 11 verbunden, die eine
Markierung 12 aufweist, die als gekröpfter Zahn ausgebildet ist, der
seitlich über die Geberscheibe 11 hinausragt.
Mit 13 ist eine zweite Geberscheibe bezeichnet, die an ihrer Ober
fläche eine Markierung 14 aufweist, wobei die zweite Geberscheibe
mit der Nockenwelle 15 verbunden ist. Die Geberscheibe 13 ist in
räumlicher Nähe zur Geberscheibe 11 angeordnet, so daß die über die
Geberscheibe 11 hinausstehende Markierung 12 sich in der Nähe der
Geberscheibe 13 befindet, wobei sie jedoch einen wählbaren von der
Geberscheibe 13 aufweist. In Fig. 2 und Fig. 3 ist die Seitenan
sicht dieser Anordnung dargestellt, wobei Fig. 2 für einen Ver
stellwinkel ϕ0 zwischen Kettenrad und Nockenwelle und Fig. 3 für
einen Verstellwinkel ϕ1 zwischen Kettenrad und Nockenwelle angegeben
ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung wird von einem feststehenden Auf
nehmer 16 abgetastet, der so angeordnet ist, daß beide Markierungen
12, 14 in unmittelbarer Nähe an ihm vorbeilaufen.
Die vom Aufnehmer 16 beim Vorbeilaufen der Markierungen 12, 14 abge
gebenen Spannungsimpulse werden in einer Auswerteschaltung 17 zu
rechteckförmigen Spannungsimpulsen U17 aufbereitet und in einem
nachfolgenden z. B. als Mikrorechner ausgebildeten Steuergerät 18
ausgewertet, so daß vom Steuergerät 18 über Ausgänge 19, 20 eine
Steuerung der Zündung und Einspritzung sowie anderer Funktionen er
folgen kann.
Im Steuergerät 18 werden in üblicher Weise aus den Spannungsimpulsen
U17 bzw. aus den zeitlichen Abständen gleichartiger Winkelmarken
flanken der Spannungsimpulse U17, die Drehzahl, die Lage der Be
zugsmarke oder die Zylinder-1-Erkennung abgeleitet. Auf den genauen
Ablauf der Auswertung soll an dieser Stelle nicht eingegangen wer
den, dies wird beispielsweise in der DE-OS 34 23 664 für die Dreh
zahlmessung und die Erkennung der Lage der Bezugsmarke und in der
DE-OS 36 11 262 für die Zylinder-1-Erkennung näher erläutert.
Mit der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung kann jedoch zusätzlich
noch der Verdrehwinkel zwischen Kettenrad und Nockenwelle bestimmt
werden. Dies geschieht durch Auswertung der Spannungsfolge nach
Fig. 4, wobei zu beachten ist, daß bei der nach Fig. 2 gewählten
Anordnung der erste auftretende Spannungsimpuls von der Markierung
12 und der zweite auftretende Spannungsimpuls von der Markierung 14
verursacht wird. In der Fig. 4 sind diese Spannungen über der Zeit
t als U12 und U14 aufgetragen.
Der zeitliche Abstand zwischen gleichen Winkelflanken der Spannungs
impulse U12 und U14 wird als Tϕ bezeichnet, der zeitliche Abstand
zwischen zwei Spannungsimpulsen U12 oder auch zwei Spannungsimpul
sen U14 sei T2π .
Mit den in Fig. 4 angegebenen Größen ergibt sich der augenblick
liche Verstellwinkel ϕ unter Annahme einer näherungsweise konstanten
Drehzahl der Gleichung:
ϕ= (Tϕ / T2 π) × 2π bzw. ϕ0 = (Tϕ 0 / T2 π) × 2π,
wobei die zu den Winkeln ϕ und 2π gehörenden Zeiten T 2 und
T2 π durch entsprechende Auswertung der Pulsfolgen im Steuergerät,
insbesondere Zeitmessungen gewonnen werden.
Mit den in den Fig. 2 und 3 eingezeichneten Winkelstellun
gen ϕ0 und ϕ1 ergibt sich für den eigentlichen Verstellwinkel ϕ:
ϕ = ϕ1-ϕ0,
wobei ϕ0 üblicherweise zu einer Anschlagposition gehört.
Da im Steuergerät, wie bereits erwähnt, auch die Drehzahl bestimmt
wird, können die Winkel ϕ0 und ϕ1 auch durch alleinige Messung der
Zeiten Tϕ0 errechnet werden, da die Zeit T2 π gleich dem Kehrwert
der Nockenwellendrehzahl ist (T2 π = 1/n).
Die hier beschriebene Möglichkeit zur Erfassung des Verdrehwinkels
zwischen Kettenrad 10 und Nockenwelle 15 läßt sich besonders gut bei
Brennkraftmaschinen einsetzen, bei denen eine Nockenwellenverstel
lung erfolgt. Dabei wird die Winkellage der Nockenwelle in Bezug auf
die Lage der Kurbelwelle bzw. des Kettenrades in Abhängigkeit von
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine verstellt, wodurch die
Zündung und/oder die Kraftstoffeinspritzung der Brennkraftmaschine
steuerbar ist. Eine solche Brennkraftmaschine wird beispielsweise in
der DE-OS 32 47 916 beschrieben.
Die Erfassung des Verdrehwinkels kann zu diskreten Zeitpunkten er
folgen. Der Zeitabstand ist abhängig von der Anzahl Markierungen und
der Drehzahl.
Das in den Fig. 1 bis 3 aufgezeigte Ausführungsbeispiel weist auf
jedem der beiden Geberräder eine Markierung auf. Falls es erforder
lich ist, können jedoch auch mehrere Markierungen auf einer bzw.
mehreren Markierungen auf jeder der Geberscheiben angebracht werden,
es ist weiterhin möglich, die Markierungen 12 und 14 so auszubilden,
daß sich die Spannungsimpulse U12 und U14 in ihrer Länge und ihrer
Höhe in charakteristischer Weise unterscheiden, weiterhin ist mög
lich, eine der beiden Markierungen 12, 14 als Doppelzahn oder in
beliebiger anderer, leicht unterscheidbarer Weise auszubilden.
Damit mit einer Einrichtung nach den Fig. 1 bis 3 eine einfache
Zylinder-1-Erkennung aus der Lage der Nockenwellenmarke durchführbar
ist, sind folgende Möglichkeiten gegeben:
Es werden beide Markierungssignale verwendet, dann muß beim Einbau
der Geberscheibe dafür gesorgt werden, daß der Winkel ϕ1 zwischen
den beiden Markierungen über den gesamten Verstellbereich kleiner
als 180° (bezogen auf die Nockenwelle) bleibt.
Falls nur das Signal verwertet wird, das von der Markierung des Ket
tenrades verursacht wird, das also relativ zur Kurbelwelle nicht
verstellt wird, ist es erforderlich, daß die Markierung des Ketten
rades bzw. der mit diesem verbundenen Scheibe und die Markierung der
mit der Nockenwelle verbundenen Geberscheibe unterschiedlich geformt
sind, so daß eine eindeutige Unterscheidung möglich ist.
Bei einer Brennkraftmaschine, die einen getrennten Kurbelwellenstel
lungsgeber mit üblicher Geberscheibe und Aufnehmer und außerdem
einen erfindungsgemäßen Aufnehmer zum gleichzeitigen Abtasten eines
mit der Nockenwelle verbundenen Geberrades und des Kettenrades auf
weist, kann bei einem Ausfall des Kurbelwellengebers ein Notbetrieb
stattfinden, da sich dann, wie bereits ausgeführt, aus den Signalen
des Nockenwellen-/Kettenrad- Aufnehmers die Kurbelwellenstellung un
abhängig vom Kurbelwellengeber bestimmten läßt.
Claims (9)
1. Einrichtung zur Erfassung des Drehwinkels von zwei rotierenden
Teilen, die jeweils mindestens eine Markierung aufweisen und mittels
eines Aufnehmers abgetastet werden, dessen Ausgangssignale in einer
zugeordneten Verarbeitungseinrichtung ausgewertet werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Markierungen (12, 14) einander räumlich zu
geordnet sind und beide von demselben Aufnehmer (16) abgetastet
werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden rotierenden Teile, die Kurbelwelle und die Nockenwelle in
einer Brennkraftmaschine sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine
rotierende Teil das mit der Kurbelwelle in Verbindung stehende Ket
tenrad (10) mit einer Markierung (12) und das andere rotierende Teil
eine mit der Nockenwelle (15) in Verbindung stehende Geberscheibe
(13) mit wenigstens einer als Zahn ausgebildeten Markierung (14)
ist, wobei wenigstens eine Markierung (12, 14) als gekröpfter Zahn
ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Winkelmarken (12, 14) unterscheidbar sind.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine der Winkelmarken (12, 14) als Doppelzahn
ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die vom Aufnehmer (16) gelieferte Spannungsim
pulsfolge U (17) in einem Steuergerät (18) ausgewertet wird, wobei
aus den zeitlichen Abständen zwischen entsprechenden Spannungsimpul
sen die Drehzahl und/oder die Winkellage der rotierenden Teile
und/oder der Verschiebungswinkel (4) zwischen den beiden Teilen be
stimmt wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver
drehwinkel (4) zwischen dem Kettenrad (10) und der Nockenwelle (15)
einer Brennkraftmaschine gemessen wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei
einer Brennkraftmaschine mit einem getrennten Kurbelwellenstellungs
geber bei Ausfall dieses Kurbelwellenstellungsgebers ein Notlauf
stattfindet und die für die Steuerung der Brennkraftmaschine erfor
derlichen Daten aus den Signalen des die Nockenwelle und das Ketten
rad abtastenden Aufnehmers bestimmt werden.
9. Brennkraftmaschine mit einem mit der Kurbelwelle in Verbindung
stehenden Kettenrad (10) und einer über das Kettenrad angetriebenen
Nockenwelle (15), die gegenüber der Kurbelwelle um einen Verstell
winkel verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrich
tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung des Ver
stellwinkels verwendet wird.
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