DE4129344C2 - Einrichtung zur Erfassung des Drehwinkels von zwei rotierenden Teilen - Google Patents

Einrichtung zur Erfassung des Drehwinkels von zwei rotierenden Teilen

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Description

Stand der Technik
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 33 07 833 A1 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 nachveröffentlichten DE 40 38 413 A1 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.
Aus der DE 39 35 450 C1 ist eine Kupplungsvorrichtung zum phasensynchronen Kuppeln zweier sich drehender Maschinenelemente bekannt, bei der die beiden Maschinenelemente Codierelemente aufweisen, die von einem ortsfesten Sensor abgetastet werden. Der Sensor liefert ein Ausgangssignal, das Pulse aufweist, die von jeweils einem der beiden Codierelemente abhängig sind und die mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung derart ausgewertet werden, dass durch Ortsbestimmung der einzelnen Pulslagen die Zuordnung der drehenden Maschinenelemente zueinander bestimmt wird. Ist die gewünschte Zuordnung erreicht und drehen sich die beiden Teile mit der selben Geschwindigkeit, wird gekuppelt. Eine Winkellageerfassung zweier Wellen bei einer Brennkraftmaschinensteuerung wird nicht erwähnt.
Die DE 38 21 083 A1 befaßt sich mit der Drehmomenterfassung bei einer Antriebswelle einer Brennkraftmaschine. Auf der Welle sind zwei Zahnräder befestigt, die von jeweils einem Sensor oder gemeinsam von einem einzigen Sensor abgetastet werden. Sofern ein Drehmoment auf die Welle einwirkt tordiert die Welle und die Zahnräder werden gegeneinander verdreht. Durch Auswertung der von den Sensoren oder vom Sensor gelieferten Impulsfolge läßt sich bei sonst bekannten Zusammenhängen das auf die Welle wirkende Drehmoment bestimmen. Die Auswertung der Sensorsignale zur Ermittlung der Winkelstellung wird nicht erwähnt.
Die DE 32 47 916 A1 befaßt sich mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Ventile einer Brennkraftmaschine über zwei Nockenwellen, die gegeneinander verdreht werden können. Zur Ermittlung des Verdrehwinkels der beiden Nockenwellen gegeneinander wird ein Wegsensor eingesetzt, der die Winkellage eines Ringtellers ermittelt, der für die Verdrehung der Nockenwellen gegeneinander verantwortlich ist. Eine Ausgestaltung derart, dass die beiden Nockenwellen mit je einem eigenen Zahnrad versehen werden, das von einem gemeinsamen Sensor abgetastet wird, wird nicht beschrieben.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs 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 dem selben 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.
Zeichnung
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).
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
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 hinaustehende Markierung 12 sich in der Nähe der Geberscheibe 13 befindet, wobei sie jedoch einen wählbaren Abstand 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 34 23 664 A1 für die Dreh­ zahlmessung und die Erkennung der Lage der Bezugsmarke und in der DE 36 11 262 A1 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 Spannungs folge 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 Spannungs impul­ sen U14 sei T2 π.
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 Tϕ 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 Tϕ 0 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 32 47 916 A1 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 bestimmen läßt.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Erfassung des Drehwinkels von zwei rotierenden Teilen, die jeweils mindestens eine Markierung aufweisen und mittels eines Aufnehmers abgetastet werden, dessen Ausgangssignal in einer zugeordneten Verarbeitungseinrichtung ausgewertet wird, wobei die beiden Markierungen der rotierenden Teile einander räumlich so zugeordnet sind, dass beide Markierungen von dem selben Aufnehmer abgetastet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden rotierenden Teile mit zwei Wellen einer Brennkraftmaschine in Verbindung stehen, dass das eine rotierende Teil eine mit der Kurbelwelle bzw. dem Kettenrad (10) in Verbindung stehende Geberscheibe (11) mit einer Markierung (12) und das andere rotierende Teil eine mit einer Nockenwelle (15) in Verbindung stehende Geberscheibe (13) mit einer Markierung (14) ist, und dass wenigstens eine Markierung (12, 14) als gekröpfter Zahn ausgebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (12, 14) unterscheidbar sind.
3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Markierungen (12, 14) als Doppelzahn ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Aufnehmer (16) gelieferte Spannungsimpulsfolge (U17) in einem Steuergerät (18) der Brennkraftmaschine ausgewertet wird, wobei aus den zeitlichen Abständen zwischen entsprechenden Spannungsimpulsen die Drehzahl und/oder die Winkellage der rotierenden Teile und/oder der Verschiebungswinkel (ϕ0) zwischen den beiden Teilen bestimmt wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrehwinkel (ϕ) zwischen dem Kettenrad (10) und der Nockenwelle (15) der Brennkraftmaschine gemessen wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mit einem getrennten Kurbelwellenstellungsgeber bei Ausfall dieses Kurbelwellenstellungsgebers ein Notlauf stattfindet und die für die Steuerung der Brennkraftmaschine erforderlichen Daten aus den Signalen des die Nockenwelle und das Kettenrad abtastenden Aufnehmers bestimmt werden.
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