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Dokumentenidentifikation DE102004062098A1 13.07.2006
Titel Stelleinrichtung
Anmelder Pierburg GmbH, 41460 Neuss, DE
Erfinder Bürger, Frank, 52355 Düren, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 23.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004062098
Offenlegungstag 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse F02D 9/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 31/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Klappen, weist eine mit dem Stellglied verbindbare Abtriebswelle auf. Ferner sind zwei in einem Abstand zu der Abtriebswelle mit dieser verbundenen Magnete (28, 30) vorgesehen. Zur Messung des Magnetfeldes ist ein ortsfester, beispielsweise im Gehäuse (20) angeordneter Magnetfeldsensor (32) vorgesehen. Um Winkellagen zwischen den beiden Magneten (28, 30) messen zu können, ist zur Linearisierung des Magnetfeldes ein Verbindungselement (36), insbesondere ein Draht, vorgesehen, der die beiden Magnete (28, 30) miteinander verbindet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellelemente, insbesondere Klappen. Bei den Klappen handelt es sich beispielsweise um Drosselklappen, Drallklappen oder Abgasklappen.

Zum Stellen von Klappen sind diese mit einer Stelleinrichtung verbunden. Die Stelleinrichtung weist eine Antriebseinrichtung, wie eine Elektromotor, auf. Dieser treibt üblicherweise über ein zwischengeschaltetes Getriebe eine Abtriebswelle an. Die Abtriebswelle ist unmittelbar oder mittelbar mit der Klappe verbunden. Eine mittelbare Verbindung kann beispielsweise über ein Getriebe, ein Gestänge oder einen Hebel erfolgen. Mit Hilfe der Stelleinrichtung kann somit ein Verschwenken der Klappe in unterschiedliche Stellungen erfolgen. Beispielsweise bei Drosselklappen sind nicht nur die Endstellungen, sondern auch Zwischenstellungen wichtig. Es ist somit erforderlich, den Schwenkwinkel der Klappe zu bestimmen. Hierzu ist es bekannt, in der Stelleinrichtung ein Potentiometer vorzusehen, wobei ein Schleifer des Potentiometers mit einer Welle der Stelleinrichtung, beispielsweise der Abtriebswelle, verbunden ist. Nachteilig bei der Verwendung eines Potentiometers ist jedoch, dass dieses verschleißanfällig ist und auf Grund des Verschleißes Ungenauigkeiten hervorgerufen werden.

Um eine berührungslose Winkelerfassung zu ermöglichen, ist es ferner bekannt, einen diametral magnetisierten Ring- oder Teilring-Magneten mit einer Welle der Stelleinrichtung, insbesondere der Abtriebswelle zu verbinden und dem Magneten gegenüberliegend einen ortsfesten Magnetfeldsensor, wie einen Hall-Sensor, vorzusehen. Derartige Ringmagnete sind jedoch teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellelemente, insbesondere Klappen, zu schaffen, mit der zuverlässig und kostengünstig eine Winkellage bestimmt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung weist zur Winkelbestimmung zwei in einem Abstand zur Abtriebswelle mit dieser verbundene Magnete auf. Hierbei handelt es sich bei der Abtriebswelle der Stelleinrichtung vorzugsweise um eine hinter einem Getriebe angeordnete Welle. Es kann sich jedoch auch um eine andere Welle der Stelleinrichtung handeln. Dem Magneten gegenüberliegend ist ein ortsfest angeordneter Magnetfeldsensor vorgesehen. Der Magnetfeldsensor, bei dem es sich insbesondere um einen Hall-Sensor oder Hall-Schalter handelt, der vorzugsweise frei programmierbar ist, ist beispielsweise im Gehäuse der Stelleinrichtung angeordnet oder mit diesem verbunden. Als Magneten sind vorzugsweise Stab- oder Stiftmagneten vorgesehen. Um mit Hilfe des Magnetfeldsensors eine Winkellage detektieren zu können, sind die beiden Magnete erfindungsgemäß über ein magnetisierbares Verbindungselement miteinander verbunden. Hierdurch erfolgt in dem Winkelbereich zwischen den beiden Magneten eine Linearisierung des Magnetfeldes. Hierbei wird unter Linearisierung des Magnetfeldes verstanden, dass der Verlauf der Feldstärke eine ausreichende Linearität aufweist, wobei Abweichungen von einem exakten, linearen Magnetfeldverlauf von bis zu 20 %, vorzugsweise bis zu 10 % tolerierbar sind.

Durch das Vorsehen eines magnetisierbaren Verbindungselementes, bei dem es sich in besonders bevorzugter Ausführungsform um einen Metalldraht handelt, kann eine ausreichende Linearisierung des Magnetfeldes in dem interessierenden Winkelbereich von beispielsweise 90 % erzielt werden. Hierbei können Abweichungen von einem exakten linearen Verlauf beispielsweise dadurch ausgeglichen werden, dass der Hall-Sensor entsprechend programmiert wird.

Da die Magnete in einem festen Abstand zur Abtriebswelle mit dieser verbunden sind, bewegen sich die Magnete auf einer Kreislinie. Es ist daher bevorzugt, das Verbindungselement ebenfalls auf einer Kreislinie anzuordnen.

Zur Aufnahme der Magnete ist vorzugsweise ein Halteelement mit der Abtriebswelle verbunden. Bei dem Halteelement handelte es sich in besonders bevorzugter Ausführungsform um ein Zahnrad eines in der Stelleinrichtung vorgesehenen Getriebes. Vorzugsweise ist auch das Verbindungselement mit dem Halteelement verbunden. Hierbei ist das Verbindungselement, bei dem es sich vorzugsweise um einen Draht handelt, vorzugsweise innerhalb des Halteelementes angeordnet. Da das Halteelement vorzugsweise aus Kunststoff ist, ist es möglich, das Verbindungselement, bzw. den Draht, in das Halteelement einzuspritzen bzw. mit Kunststoff zu umspritzen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor mit einem Verstärkungselement verbunden. Bei dem Verstärkungselement handelt es sich vorzugsweise um einen magnetisierbaren, vorzugsweise zylindrischen Stift oder Draht, der vorzugsweise auf der Rückseite des Magnetfeldsensors, d. h. auf der von den Magneten abgewandten Seite des Magnetfeldsensors angeordnet ist. Das Verstärkungselement verläuft vorzugsweise senkrecht zu dem Verbindungselement.

Um eine gute Messung der Winkellage zu erzielen, ist es bevorzugt, dass die Amplitude mindestens 20 mT beträgt.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Explosionsansicht einer Stelleinrichtung,

2 eine schematische Draufsicht eines die Magneten tragenden Zahnrades und

3 ein Diagramm der Magnetfeldstärke über den Winkel.

Eine Stelleinrichtung weist einen Elektromotor 10 auf, der eine Antriebswelle 12 antreibt. Auf der Antriebswelle 12 ist ein Schneckenrad 14 mit Hilfe von Halteelementen 16 angeordnet. Das Schneckenrad 14 greift in ein Zahnrad 18 ein. Das Zahnrad 18 ist in der Gehäusehälfte 20 drehbar gehalten und mit einer nicht dargestellten Abtriebswelle fest verbunden. Die Abtriebswelle ragt durch eine Öffnung 22 aus der Gehäusehälfte 24 heraus und ist in einer gegenüberliegenden Gehäusehälfte 24 in einer zylindrischen Aufnahme 26 gelagert.

Zur Erfassung einer Winkellage der Abtriebswelle, die einer Winkellage des fest mit der Abtriebswelle verbundenen Zahnrads 18 entspricht, sind in dem Zahnrad zwei Stiftmagnete 28, 30 beispielsweise in einem Winkel von &agr; = 90° zueinander mit dem Zahnrad 18 verbunden. Den beiden Magneten 28, 30 gegenüberliegend ist ein ortsfester Sensor 32 (1) vorgesehen. Der Sensor 32 ist auf einer Leiterplatte 34, die in der Gehäusehälfte 20 gehalten ist, angeordnet.

Um die erfindungsgemäße Linearisierung des Magnetfeldes innerhalb des Stellwinkels &agr; zu realisieren, sind die beiden Magneten 28, 30 über einen als Verbindungselement dienenden Draht 36 (2) miteinander verbunden. Der Draht 36 ist innerhalb des Zahnrades 18 angeordnet und dementsprechend von Kunststoff umspritzt.

In einem Versuch, dessen Ergebnis in dem in 3 dargestellten Diagramm dargestellt ist, beträgt der Winkel &agr;, d. h. der Magnetabstand, 90°. Das Verbindungselement 36 ist als Viertelkreis ausgebildet und aus einem Metalldraht mit einem Durchmesser von 1,5 mm hergestellt. Der verwendete Hall-Sensor war mit einem Verstärkungselement an seiner Rückseite versehen. Als Verstärkungselement diente ein zylindrischer Metallstift mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Länger von 7 mm. Die Stiftmagnete waren ebenfalls zylindrisch ausgebildet und wiesen einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 3 mm auf. Der Hall-Sensor wurde in einem Abstand von 3 mm zu den Magneten 28, 30 angeordnet.

In dem interessierenden Winkelbereich von &agr; = 90° wurde ein Kurvenverlauf mit einer ausreichenden Linearität ermittelt. Mit dieser Anordnung ist es somit auf einfache Weise möglich, in dem Winkelbereich &agr; unterschiedliche Winkel anzufahren bzw. zu messen. Da die Kurve im Bereich von ca. 28 mT bis –20 mT verläuft, weist die Kurve auch eine ausreichend hohe Amplitude auf, um ein zufriedenstellendes Messsignal mit dem Hall-Sensor zu erzielen.

Ferner durchgeführte Messungen haben gezeigt, dass ohne das Vorsehen des erfindungsgemäßen Verbindungselementes eine Abflachung der Kurve zwischen den beiden Stiftmagneten, d. h. im dargestellten Ausführungsbeispiel bei &agr; = 45° erfolgt. Dies kann zu Messungenauigkeiten und somit zu einer nicht exakten Winkelbestimmung führen. Eine gewisse Verringerung der Abflachung kann bereits dadurch erzielt werden, dass der Hall-Sensor mit einem Verstärkungselement verbunden wird.

Eine gute Linearisierung der Kurve kann auch ohne das Vorsehen des Verbindungselementes erzielt werden, sofern ein Verstärkungselement vorgesehen ist, wenn der Abstand des Hall-Sensor zu den Stiftmagneten vergrößert wird. Dies hat jedoch den erheblichen Nachteil, dass die Amplitude abnimmt und somit die Messgenauigkeit sinkt. Bei einer Vergrößerung des Abstands des Hall-Sensors von dem Magneten auf 6 mm liegt die Messkurve zwischen +10 mT und –5 mT.

Bei einer weiteren Messung wurde zusätzlich das Verstärkungselement entfernt. Hierdurch hat sich die Amplitude weiter verringert, so dass der Messbereich ca. +4 mT bis –3 mT betragen hat.

Ausgehend von dem in 3 dargestellten Diagramm wurde in einer weiteren Messung das Verstärkungselement entfernt. Hierbei konnte weiterhin eine gute linearisierte Kurve gemessen werden. Die Amplitude verringerte sich jedoch, so dass die Messung in einem Bereich von ca. +18 mT – –13 mT lag.

Bei einer weiteren Messung wurde wiederum von den an Hand 3 beschriebenen Messbedingungen ausgegangen, wobei jedoch der Abstand des Hall-Sensors von den Magneten auf 3 mm erhöht wurde. Hierbei erfolgte eine gute Linearisierung, jedoch eine erhebliche Verringerung der Amplitude, so dass der Messbereich nur noch im Bereich von ca. +11 mT bis –6 mT lag.


Anspruch[de]
  1. Stelleinrichtung für in Kraftfahrzeugen angeordnete Stellglieder, insbesondere Klappen, wie Drall-, Drossel- oder Abgasklappen, mit

    einer mit dem Stellglied verbindbaren Abtriebswelle,

    zwei in einem Abstand zur Abtriebswelle mit dieser verbundenen Magnete (28, 30) und

    einem ortsfest angeordneten Magnetfeldsensor (32),

    wobei die Magnete (28, 30) über ein magnetisierbares Verbindungselement (36) zur Linearisierung des Magnetfeldes miteinander verbunden sind.
  2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (36) als Draht ausgebildet ist.
  3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement entlang einer Kreislinie verläuft.
  4. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, gekennzeichnet durch ein mit der Abtriebswelle verbundenes, die Magnete tragendes Halteelement (18).
  5. Stelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (36) mit dem Halteelement (18) verbunden, insbesondere innerhalb des Halteelementes (18) angeordnet ist.
  6. Stelleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (18) ein Zahnrad der Stelleinrichtung ist.
  7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor mit einem Verstärkungselement zur Verstärkung des vom Magnetfeldsensor (32) messbaren Magnetfeldes verbunden ist.
  8. Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement auf der von den Magneten (28, 30) abgewandten Seite des Magnetfeldsensors (32) angeordnet ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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