DE4132049A1

DE4132049A1 - Messeinrichtung zur bestimmung eines drehwinkels

Info

Publication number: DE4132049A1
Application number: DE19914132049
Authority: DE
Inventors: Heinz Rilling; Armin Dipl Ing Witzig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1992-10-29

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruches. Aus der DE-P 4 10 42 107 ist schon eine Meßeinrichtung mit einem Spu lenkörper vorgeschlagen worden, der aus zwei in axialer Richtung versetzt angeordneten Kernen besteht, die im Querschnitt gesehen an nähernd halbkreisförmig ausgebildet sind, wobei die halbkreisförmi gen Segmente um 180° gegeneinander versetzt sind. Mit Hilfe eines Befestigungsflansches ist der Spulenkörper auf einer ortsfesten Grundplatte angeordnet.

Beide Kerne stehen in Wirkverbindung mit einem hülsenförmig ausge bildeten Meßteil, das den Spulenkörper in Umfangsrichtung gesehen halb und in axialer Richtung vollständig überdeckt. Das Meßteil ist mit einer Welle, deren Drehbewegung bestimmt werden soll, drehfest verbunden. Die Welle durchdringt den Spulenkörper in einer Bohrung und ist in dem ortsfesten Spulenkörper mittels eines zylindrischen Gleitlagers gelagert. Axial wird die Welle durch eine Sicherungs scheibe, die in einer Nut der Welle montiert ist und sich an einer Anlauffläche des Spulenkörpers abstützt, geführt. Voraussetzung für ein der Stellung der Welle exakt entsprechendes Ausgangssignal der Meßeinrichtung ist eine sehr genaue Einhaltung des Abstandes des Meßteils gegenüber dem Spulenkörper. Dies stellt bezüglich den Tole ranzen sehr hohe Anforderungen an die Lagerung der Welle. Bei der bekannten zylindrischen Ausführung des Gleitlagers sind die gefor derten engen Toleranzgrenzen nur durch einen erheblichen Aufwand einzuhalten. Ferner entsteht durch Verschleiß mit zunehmender Be triebszeit ein Lagerspiel das nicht nachgestellt werden kann, wo durch die Funktionsfähigkeit der Meßeinrichtung beeinträchtigt wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkma len des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß das Auf treten eines axialen und/oder radialen Lagerspiels am Lagerzapfen verhindert wird. Auch bei Abnutzung der Lagerflächen bleibt die geo metrische Lage der Drehachse des Lagerzapfens erhalten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Meßeinrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung einer Feder, die sich einerseits an dem Spulenkörper und andererseits an einer an dem Lagerzapfen fixierten Anlaufscheibe ab stützt, wodurch der Lagerzapfen mit einer genau definierten Kraft gegen die Lauffläche des Spulenkörpers gepreßt wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung verein facht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Meßeinrichtung,

Fig. 2 einen Lagerzapfen mit Meßteil, Kupplung und Verbindungsstück.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 der Zeichnung ist mit 3 ein bereits aus der DE-P 4 10 42 107 bekannter Sensor einer Meßeinrichtung bezeichnet, der in einem nicht näher dargestellten Gehäuse angeordnet ist und einen aus vorzugsweise elektrisch nicht leitendem Material bestehen den Spulenkörper 4 aufweist. Dieser besteht aus zwei in axialer Richtung versetzt angeordneten Kernen 5, 6, wobei der eine Kern 6 einen Befestigungsflansch 7 aufweist. Mit Hilfe dieses Befestigungs flansches 7 ist der Spulenkörper 4 auf einer Grundplatte 10 des nicht näher dargestellten Gehäuses in diesem ortsfest angeordnet.

Die beiden in axialer Richtung versetzt angeordneten Kerne 5, 6 sind im Querschnitt gesehen annähernd halbkreisförmig oder ungefähr D-förmig ausgebildet. Ferner sind die Kerne 5, 6 um 180° in radia ler Richtung zueinander versetzt angeordnet, so daß bei der D-förmi gen Ausgestaltung der Kerne 5, 6 die jeweils nur gering gebogene Wand die Achse des Spulenkörpers 4 mit umgreift. Auf jeden Kern 5, 6 ist jeweils eine Drahtspule 11, 12 in Umfangsrichtung des Spulenkör pers 4 gewickelt.

Der Spulenkörper 4 weist eine Bohrung 13 auf, die einen sich in Richtung einer Welle 9 kegelig öffnenden Abschnitt 14 hat, der als Lauffläche für einen in Fig. 2 der Zeichnung näher dargestellten Lagerzapfen 17 dient. An den kegeligen Abschnitt 14 der Bohrung 13 schließen sich in Richtung zur Grundplatte 10 hin zwei axial ver setzte, koaxiale Stufen 18, 19 unterschiedlichen Durchmessers an, wobei die dem kegligen Abschnitt 14 zugewandte Stufe 18 einen gerin geren Durchmesser als die der Grundplatte 10 zugewandte Stufe 19 aufweist. In die Stufe 18 der Bohrung 13 ragt teilweise eine kege lige Wandung 20, die mit ihrer Innenseite einen Teil der Lauffläche des Abschnittes 14 bildet.

Der Lagerzapfen 17 weist einen entsprechend der Lauffläche des kege ligen Abschnittes 14 kegelig ausgeführten Lagerabschnitt 23 auf, der in seiner axialen Erstreckung den kegeligen Abschnitt 14 der Bohrung 13 geringfügig überragt, so daß die den Lagerabschnitt 23 begrenzen den Bauteilkanten des Lagerzapfens 17 nicht innerhalb des Bereichs des kegeligen Abschnittes 14 liegen und diesen beschädigen. Der La gerabschnitt 23 des Lagerzapfens 17 und die Lauffläche des kegeligen Abschnittes 14 der Bohrung 13 bilden zusammen ein kegeliges Gleit lager 14, 23, dessen axiales und radiales Spiel sich selbständig einstellt.

An einem der Grundplatte 10 abgewandten Ende ist der Lagerzapfen 17 durch eine in radialer und axialer Richtung elastische Kupplung 24 mit einem Verbindungsstück 25 drehfest verbunden, das beispielsweise in einem Deckel 28 eines nicht näher dargestellten Gehäuses gelagert und in das die Welle 9 mit radialer Spannung eingeschoben ist, deren Drehwinkel bestimmt werden soll. Die elastische Kupplung 24 gleicht radiale und axiale Bewegungen der Welle 9 gegenüber einer Sensor längsachse 22 aus, so daß diese nicht auf den Sensor 3 übertragen werden.

Dem Lagerabschnitt 23 schließt sich an dem der Grundplatte 10 zuge wandten Ende ein zylindrischer Abschnitt 26 an, der eine umlaufende Ringnut 27 aufweist, in der ein Sicherungsring 29 montiert ist. Der Sicherungsring 29 fixiert eine auf dem zylindrischen Abschnitt 26 beweglich angeordnete Anlaufscheibe 30 in ihrer axialen Lage. Die Anlaufscheibe 30 überdeckt mit ihrem äußeren Umfang mit geringem Spiel einen durch die beiden Stufen 18, 19 gebildeten Absatz 31 und verhindert ein Herausgleiten des Lagerzapfens 17 aus der Bohrung 13.

Der Lagerzapfen 17 wird durch eine kegelig ausgebildete Feder 32, die sich einerseits an der Anlaufscheibe 30 und andererseits an dem Spulenkörper 4 abstützt und die kegelige Wandung 20 an deren Außen seite umschließt, in den kegeligen Abschnitt 14 der Bohrung 13 gezo gen, so daß jedes axiale und radiale Spiel ausgeglichen wird.

Der auf den kegeligen Abschnitt 14 und den Lagerabschnitt 23 wir kende Druck und die Lagerreibung nehmen um so größere Werte an, je kleiner der Kegelwinkel gewählt wird. Bei der Wahl der Material paarung ist auf einen geringen Reibungskoeffizienten und einen an nähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der für den kegeligen Abschnitt 14 und den Lagerabschnitt 23 verwandten Materialien zu achten, da ansonsten die Gefahr besteht, daß das Lager bei Tempera turschwankungen frißt.

Um den Spulenkörper 4 herum ist mit einem geringen Abstand ein aus elektrisch leitendem (ferromagnetisch und/oder nicht ferromagneti schem Stoff) oder aus ferromagnetischem Stoff bestehendes Meßteil 38 angeordnet, das mit dem Lagerzapfen 17 der Kupplung 24 zugewandt verbunden und als Hülsensegment ausgebildet ist und etwa in Umfangs richtung gesehen den halben Umfang des Spulenkörpers 4 überdeckt. Die axiale Länge d des Meßteils 38 sollte vorzugsweise mindestens die Breite e der Spulen 11, 12 und des sich zwischen den Spulen be findlichen Bereichs 39 des Spulenkörpers 4 aufweisen. Ist die Länge d größer als die Länge e, so können keine bzw. nur geringe axiale Justierfehler des Meßteils 38 auftreten. Der Spulenkörper 4 und das Meßteil 38 stellen zwei Sensorteile dar, die mittels des Lagerzap fens 17 relativ zueinander verdrehbar sind.

In Ausgangsstellung ist das Meßteil 38 so ausgerichtet, daß es beide Spulen 11, 12 mit gleich großen Umfangflächen überdeckt. Der Sensor 3 kann nach dem induktiven und/oder nach dem Wirbelstromprinzip ar beiten, wobei in beiden Fällen die Spulen 11, 12 von einem Wechsel strom durchflossen werden. Zur Messung wird das Meßteil 38 entspre chend der Drehung der Welle 9 um den Spulenkörper 4 herum gedreht, bzw. um einen gewünschten Winkelbereich bewegt.

Im folgenden sei das Wirbelstrommeßprinzip erläutert. An den Spulen 11, 12 entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metalli schen Oberfläche des Meßteils 38 Wirbelströme erzeugt. Die Stärke der Wirbelströme ist abhängig von der vom Magnetfeld durchsetzten Fläche des Meßteils 38. Ferner ist die Stärke der erzeugten Wirbel ströme auch abhängig vom verwendeten Material des Meßteils 38 sowie vom Abstand der Spule 11, bzw. 12 zu der Innenseite des Meßteils 38. Durch die auf dem Meßteil 38 erzeugten Wirbelströme wird der Spu len-Wechselstromwiderstand verändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenützt wird. Da sich ebenfalls die Spuleninduktivität mit größer werdender Wirbelstromausbildung verringert, kann auch diese Induk tivitätsänderung zur Meßsignalgewinnung ausgenutzt werden (Spulen induktivität-Auswerteverfahren). Bei der Drehbewegung des Meßteils 38 wird die der jeweiligen Spule 11 bzw. 12 zugeordnete Oberfläche des Meßteils 38 gegensinnig verändert. Dadurch wird die der Spule 11 zugeordnete Oberfläche des Meßteils 38 zum Beispiel um denselben Be trag erhöht, wie sie gegenüber der anderen Spule 12 verringert wird. Die beiden Spulen 11, 12 sind bei dem Spulenwechselstromwider stand-Auswerteverfahren in einer Wheatstoneschen Halbbrückenschal tung verschaltet. Dadurch kompensieren sich die in den Spulen 11, 12 gleichzeitig auftretenden und gleichsinnig wirkenden Meßfehler. Sind die Spulen 11, 12 aus Draht aufgewickelt, so können die Spulen 11, 12 in einem weiten Frequenzbereich des Wechselstroms betrieben wer den. Dieser Bereich kann zum Beispiel ungefähr von 5 kHz bis 5 MHz reichen. Es genügt hierzu, den Durchmesser der Spulen 11, 12 und/oder die Windungsanzahl der Windungen der Spulen 11, 12 zu ver ändern (z. B. durch Variieren der Anzahl der Spulenlagen).

Werden die Spulen 11, 12 mit einer hohen Trägerfrequenz f_T (Fre quenz des Wirbelstromes, der die Spule durchfließt) von zum Beispiel 1 MHz gespeist, so wird die Ausbreitung der Wirbelströme stark durch den Skineffekt bestimmt. Dies bedeutet, daß das erzeugte elektromag netische Wechselfeld der Spulen 11, 12 nur auf der äußeren Schicht der den Spulen zugewandten Oberfläche des Meßteils 22 Wirbelströme ausbildet. Werden hingegen die Spulen 11, 12 mit einem Wechselstrom mit sehr tiefer Trägerfrequenz f_T von zum Beispiel weniger als 5 kHz gespeist, so dringt das von den Spulen erzeugte magne tische Wechselfeld tiefer in die den Spulen zugewandte Oberfläche des Meßteils 38 ein. Die Größe der Eindringtiefe der Wirbelströme hängt auch vom Material des Meßteils 38 ab.

Anstelle des bisher beschriebenen Wirbelstromprinzips kann auch das induktive Meßverfahren sinngemäß angewandt werden. Hierzu muß ledig lich das Meßteil 38 aus ferromagnetischem Material bestehen oder eine ferromagnetische Schicht aufweisen.

Bei entsprechender Abstimmung der wichtigsten Parameter (Höhe der Trägerfrequenz, Material des Meßteiles 38) kann erreicht werden, daß mit großer Überdeckung der Spulenoberfläche der Sensorspule beim induktiven Verfahren sich der Wechselstrom-Widerstand erhöht, wäh rend er sich beim Wirbelstromverfahren erniedrigt.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung der Meßeinrichtung eignet sich insbesonders für Drosselklappengeber von Brennstoffeinspritzanlagen gemischverdichtender fremdgezündeter Brennkraftmaschinen, für deren ordnungsgemäße Funktion eine während der gesamten Betriebszeit weit gehend spielfreie Lagerung Voraussetzung ist.

Claims

1. Meßeinrichtung zur berührungslosen Bestimmung eines Drehwinkels mit Hilfe zweier, mittels eines in eine Bohrung greifenden Lagerzap fens relativ zueinander drehbar gelagerter Sensorteile, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lagerzapfen (17) mit dem einen Sensorteil (38) verbunden ist und einen kegelförmigen Lagerabschnitt (23) aufweist, der in einem entsprechend kegelförmigen, in dem zweiten Sensorteil (4) ausgebildeten Abschnitt (14) der Bohrung (13) gelagert ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Feder (32) einerseits an dem zweiten Sensorteil (4) und ande rerseits an einer auf dem Lagerzapfen (17) mit einem Sicherungsring (29) axial fixierten Anlaufscheibe (30) abstützt und den Lagerzapfen (17) in den Abschnitt (14) zieht.