Beschreibung

Titel Geberrad für eine Welle

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Geberrad für eine Welle, insbesondere eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit einer Vielzahl von Markierungen bestehen aus Standardmarkierungen, die jeweils einen Zahn und eine Zahnlücke umfassen, sowie mindestens eine von den Standardmarkierungen abweichende Sondermarkierung. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anordnung eines derartigen Geberrades, ein Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung einer Weile und ein Computerprogramm.

Die Drehzahl einer Brennkraftmaschine wird im Stand der Technik mit einem Drehzahlgeberrad und einem zugehörigen Geber bestimmt. Zusätzlich zur reinen Drehzahlfunktion, die durch das zeitlich erfasste Abtasten von Zähnen auf dem Geberrad erfolgt, wird eine Lücke in der Zahnfolge zur Synchronisation der Motorsteuerung mit der Stellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine benutzt. Wird z.B. ein induktiver Geber verwendet, so erzeugen die Zahnlücken ein Signal mit einem hohen Spannungswert und die Zähne ein Signal mit einem geringen Spannungswert, in Drehrichtung des Geberrades an dem Geber vorbei geführte steigende Zahnfianken erzeugen also elektrisch eine fallende Zahnflanke. Diese fallende ZahnfJanke wird nun zur Detektion der Zahnflanke des Zahnes sowie zur Detektion der Zahnlücke benutzt.

Das Signal eines Drehzahlgebers in Verbindung mit einem Geberrad mit einer Zahnlücke erlaubt es in der Regel nicht, sicher zwischen den beiden möglichen Laufrichtungen, einer Vor- wärtsdrehrichtung und einer Rückwärtsdrehrichtung, der Kurbelwelle zu unterscheiden. Dies ist nur möglich mit aufwändigeren Sensorkonzepten, wie z.B. einem differenziellen Hall-Geber oder einem anisotropen Magnet-Widerstandssensor (AMR), der mit einem vormagnetisierten

Geberrad gepaart wird.

Offenbarung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Geberrad anzugeben, das auch mit einfachen Sensoren eine Erkennung der Drehrichtung der Kurbelwelle erlaubt.

Dieses Problem wird gelöst durch ein Geberrad für eine Welle, insbesondere eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit einer Vielzahl von Markierungen bestehend aus Standardmarkierungen, die jeweils einen Zahn und eine Zahnlücke umfassen, sowie mindestens eine von den Standardmarkierungen abweichende Sondermarkierung, wobei die Sondermarkierung einen gegenüber den Standardmarkierungen verbreiterten Zahn sowie eine gegenüber den Standardmarkierungen verbreiterte Zahnlücke aufweist. Unter Standardmarkierung werden hier die mehreren gleichartigen Markierungen umfassend jeweils gleiche Zähne und Zahnlücken verstanden, in der Regel sind dies 58 Paare von gleichartigen Zähnen und gleichartigen Zahnlücken. Die Sondermarkierung entspricht der Geberradlücke im Stand der Technik, ist also eine von den Standardmarkierungen abweichende Markierung. Die Standardmarkierung ist anders als im Stand der Technik also nicht einfach durch das Weglassen zweier Zähne gebildet, son- dem durch die Anordnung eines Zahnes und einer Zahnlücke mit veränderter Teilung. Durch die veränderte Teilung werden in Vorwärtsdrehrichtung und Rückwärtsdrehrichtung unterschiedliche steigende Flanken von einem Geber detektiert. Die im Vorwärts- und Rückwärtslauf unterschiedlichen Signale des Gebers werden zur Drehrichtungsbestimmung benutzt. Das erfindungsgemäße Geberrad erlaubt die Erkennung der Drehrichtung mit einem einfachen pas- siven induktiven Sensor. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Sondermarkiemng über ein Vielfaches der Teilung der Standardmarkierungen erstreckt. Es handelt sich vorzugsweise um ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Standardmarkierungen, also erstreckt sich die Sondermarkierung über einen Umfang des Geberrades, der mehreren Standardmarkierungen entspricht. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass sich die Sondermarkierung über eine drei- fache Teilung der Standardmarkierung erstreckt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der verbreiterte Zahn der Sondermarkierung die 1,5-fache Breite der Standard markierung hat. Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass die verbreiterte Zahnlücke der Sondermarkierung die 1,5 fache Breite der Standard markierungen hat.

Das eingangs genannt Problem wird auch gelöst durch die Anordnung eines erfind ungsgemä- ßen Geberrades an einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle, sowie eines dem Geberrad zugeordneten Geber.

Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung einer Welle, insbesondere einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung und eines erfindungsgemäßen Geberrades, wobei bei Auftreten eines Abstandes zweier detektierter steigender Zahnflanken, der ein erstes Vielfaches des Abstandes zweier steigender Zahnflanken zweier nebeneinander liegender Standardmarkierungen ist, auf eine Vorwärtsdrehrichtung erkannt wird und dass bei Auftreten eines Abstandes zweier detektierter steigender Zahnfianken, der ein zweites Vielfaches des Abstandes zweier steigender Zahnflanken zweier nebeneinander liegender Standardmarkierungen ist, auf eine Rückwärtsdrehrichrung erkannt wird

Bei Verwendung eines Geberrades mit einer Sondermarkierung, deren Zahn sowie Zahnlücke jeweils die 1,5-fache Breite der Teilung der Standardmarkierung aufweist ist vorzugsweise vorgesehen, dass bei Auftreten eines Abstandes zweier detektierter steigender Zahnflanken, der ein dreifaches Vielfaches des Abstandes zweier steigender Zahnflanken zweier nebeneinander liegender Standardmarkierungen ist, auf eine Vorwärtsdrehrichtung erkannt wird. Vorzugsweise ist weiter vorgesehen, dass bei zweimaligem Auftreten eines Abstandes zweier detektierter steigender Zahnflanken, der ein zweifaches Vielfaches des Abstandes zweier steigender Zahnfianken zweier nebeneinander liegender Standardmarkierungen ist, auf eine Rückwärtsdreh- richtung erkannt wird.

Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.

Bei einem Geberrad nach Stand der Technik ist die erfindungsgemäße Modifikation mit sehr geringem Aufwand zu realisieren, da hier nur eine geometrische Veränderung im Bereich der bisherigen Geberradlücke vorzunehmen ist. Bei Verwendung eines erfϊndungsgemä'ßen Geberrades statt eines Geberrades nach Stand der Technik ist keine wesentliche Modifikation der Steuerung einer Brennkraftmaschine notwendig, da sich nur die Erkennung der Geberradlücke dergestalt ändert, dass die erkannte Geberradlücke gegenüber einem Geberrad nach Stand der

Technik verschoben ist, dass also beispielsweise durch eine Steuerung ein anderer ausgewiesener Winkel für die Geberradlücke eingestellt werden muss. Insofern bietet das erfindungsgemäße Geberrad sowie das erfindungsgemäße Verfahren die zusätzliche Funktionalität der Rückdreherkennung, ohne dass weitergehende änderungen vorgenommen werden müssen. Ei-

ne zusätzliche Rückdreherkennung z.B. anhand eines Nockenwellengebers kann parallel dazu vorhanden sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird ein Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Skizze eines Geberrades mit zugeordnetem Geber;

Fig. 2 eine Abwicklung eines Geberrades nach Stand der Technik;

Fig. 3 eine Abwicklung eines erfindungsgemäßen Geberrades;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausfύhrungsform der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Skizze eines an sich bekannten Geberrades 1, das mit einer hier nicht darge- stellten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist und bei einer Rotation der Kurbelwelle um eine Achse 2 rotiert. Das Geberrad 1 weist Markierungen (Geberradmarken) auf, die durch eine abwechselnde Anordnung von Zähnen 3 und Zahnlücken 4 gebildet werden. Der Abstand zwischen aufeinander folgenden Markierungen als Paare von Zähnen 3 und Zahnlücken 4 beträgt 6°. Dieser Abstand wird als Teilung a bezeichnet. Die Teilung ist jeweils ausge- hend von den Zahnflanken dargestellt. Die Zähne 3 und die Zahnlücken 4 können sich über einen gleichen Winkelbereich von 3° erstrecken, können aber auch asymmetrisch aufgeteilt sein, beispielsweise indem ein Zahn 3 einen Winkelbereich von 2° und eine Zahnlücke 4 einen Winkelbereich von 4° überdeckt. Eine Geberradlücke 5 wird gebildet, indem durch Weglassen zweier Zähne 3 eine Geberradlücke 5 mit einem Winkel von 15° entsteht.

Dem Geberrad 1 ist ein Geber 6 zugeordnet. Der Geber 6 umfasst mindestens ein Geberelement 7, das beispielsweise ein Hall-Element, induktiver Geber oder dergleichen sein kann. Das Geberelement 7 liefert elektrische Signale, die über eine Signalleitung 8 an ein Steuergerät 9 der Brennkraftmaschine übertragen wird. Das Vorbeiführen von Zähnen 3 und Zahnlücken 4 an

den Geberelementen 7 erzeugt Spannungsänderungen an Ausgängen des Geberelementes 7, die über die Signalleitungen 8 zum Steuergerät 9 weitergegeben werden.

üblicherweise werden von den steigenden und fallenden Flanken des mechanischen Signals nur die fallenden Flanken ausgewertet, somit die Flanken beim übergang von einem Zahn 3 zu einer Zahnlücke 4. Die steigende Flanke wird nicht benutzt. Die steigende Flanke wird nachfolgend als Synonym für einen übergang von einer Zahnlücke 4 zu einem Zahn 3 verstanden, der von dem Geber 6 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird. Entsprechend wird unter einer fallenden Flanke der übergang von einem Zahn 3 zu einer Zahnlücke 4 verstanden, wobei dieser übergang von dem Geber 6 wiederum in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Ob das elektrische Signal nun bei einer steigenden Flanke von high zu low oder von low zu high übergeht, liegt an der elektrischen Ausgestaltung, wesentlich ist hier nicht die elektrische Definition der steigenden und fallenden Flanke, sondern die Zuordnung des elektrischen Signals zu dem geometrischen übergang Zahn zu Zahnlücke.

Fig. 2 zeigt eine Abwicklung 10 eines Geberrades nach Stand der Technik, Fig. 3eine Abwicklung 1 1 eines erfindungsgemäßen Geberrades, jeweils in Aufsicht auf die Abwicklung, beispielsweise in Blickrichtung eines Pfeiles P in Fig. 1. Zähne 3 sind dabei jeweils als Rechteck dargestellt, Zahnlücken 4 sind die Abstände zwischen zwei benachbarten Zähnen 3. Die Zähne 3 und die Zahnlücken 4 bilden paarweise Standardmarkierungen. Bei dem Geberrad 1 nach

Stand der Technik wird eine Zahnlücke 5 durch das Weglassen zweier Zähne 3 gebildet, dies ist durch ein gestricheltes Kästchen in Fig. 2 dargestellt. Das erfindungsgemäße Geberrad weist eine Sondermarkierung 12 in Form eines von den übrigen Zähnen 3 abweichenden Sonderzahnes 3' und einer von den übrigen Zahnlücken 4 abweichenden Sonderzahnlücke 4'auf. Der Sonderzahn 3' und die Sonderzahnlücke 4' erstrecken sich zusammen über einen Umfangswin- kel φ, der dem Umfangswiπkel von drei Paaren Zahn 3 und Zahnlücken 4 entspricht. Bei einer üblichen Teilung eines Geberrades von 6° erstreckt sich die Sondermarkierung 12 also über 18°.

Der Abstand zweier benachbarter gleichartiger Flanken wird als Teilung a bezeichnet. Je nach

Ausführung der Geberradlücke 5 kann sich diese über zwei Teilungen a erstrecken, wenn nämlich nur ein Zahn zur Bildung der Geberradlücke weggelassen wird oder kann sich über drei Teilungen a erstrecken, wenn nämlich zwei Zähne 3 weggelassen werden. Die Geberradlücke 5 in Fig. 2 hat eine Teilung von 3a, also dem dreifachen der Teilung der Markierungen. Dieses

Verhältnis besteht unabhängig davon, von welcher der Zahnflanken die Teilung aus gemessen wird, also unabhängig davon, ob die jeweils steigenden Zahnflanken im Vorwärts- oder Rückwärtslauf des Geberrades betrachtet werden. In Fig. 2 ist die anhand der Zahnflanken gemessene Teilung für den Vorwärtslauf V unterhalb der Abwicklung dargestellt, die anhand der Zahn- flanken gemessene Teilung für den Rückwärtslauf R ist unterhalb der Abwicklung dargestellt.

In Fig. 3 ist der Abstand zweier benachbarter gleichartiger Zahnflanken der Standardmarkierungen 18 ebenfalls mit a bezeichnet. Der Sonderzahn 3' sowie die Sonderzahnlücke 4' erstrecken sich jeweils über die 1,5-fache Teilung a, die Breite des Sonderzahnes 3' beträgt also 1,5a, die Breite der Sond erzahn lücke 4* beträgt ebenfalls 1,5a. Im Vorwärtslauf V bedeutet dies, dass der Abstand der Zahnflanke 13 zur benachbarten Zahnflanke 14 die dreifache Teilung, also 3a beträgt. Im Rückwärtslauf R beträgt der Abstand der Flanke 13 und der gegenüberliegenden Zahnflanke 15, die im Rückwärtslauf die steigende Flanke darstellt, zu den jeweiligen benachbarten steigenden Flanken 16 und 17 jeweils 2a. Im Vorwärtslauf wird also einmalig ein um die dreifache Teilung 3a vergrößerter Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden steigenden

Zahnflanken gemessen. Im Rückwärtslauf wird bei der Sondermarkierung 12 zwei Mal hintereinander der doppelte Abstand 2a zweier aufeinander folgender Zahnflanken gemessen. Im Vorwärts lauf werden demzufolge Teilungen 1:3:1 gemessen, im Rückwärtslauf werden Teilungen 1:2:2:1 gemessen.

Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beginnt in Schritt 101 mit der Detektion einer ersten fallenden Zahnflanke. Dadurch wird im Schritt 102 ein Timer Ti gestartet. Mit Detektion der nächsten fallenden Zahnflanke wir der Timer Ti in Schritt 103 gestoppt. Mit Hilfe des Timers Ti wurde so die Zeit zwischen zwei fallenden Zahnflanken bestimmt. In Schritt 104 wird die durch den Timer Ti gemessene Zeit einem Kur- belwellenwinkelφ, der in dieser Zeit überstrichen wurde, zugeordnet. Dies kann durch die Umrechnung der zwischen den zwei fallenden Flanken verstrichenen Zeit mittels der aktuellen ge- mittelten Drehzahl geschehen. Dabei ist davon auszugehen, dass zwischen zwei Zahnflanken, bei den Standardmarkierungen also einem überstrichen Kurbelwellenwinkel von 6°, nur Dreh- Zahlschwankungen auftreten, die zumindest eine Feststellung erlauben, ob die beiden Zahnflanken 6°, 12° oder 18° von einander entfernt liegen. Es wird also davon ausgegangen, dass die Drehzahlschwankungen deutlich kleiner als 100% sind. Im Schritt 104 wird der aktuell gemessene Winkel φ einem Speicher zugeordnet, der nach Art eines Schieberegisters (FIFO, first

in first out) jeweils die letzten z.B. 4 gespeicherten Zahnzeiten speichert. In Schritt 105 wird daraufhin das Verhältnis der gespeicherten Werte gebildet. Darauf hin wird in Schritt 106 geprüft, ob das Verhältnis Ver jeweils 1 :1 :1 :1 ist, ob also die überstrichenen Winkel φ zwischen benachbarten Zahnflanken jeweils gleich sind. Ist dies der Fall, so befindet sich die Stellung des Geberrades 1 außerhalb der Geberradlücke bzw. Sondermarkierung. In diesem Fall, in

Schritt 106 mit der Option J bezeichnet, wird wieder zum Ausgangsschritt 101 verzweigt. Weicht das Verhältnis Ver von dem Wert 1:1:1:1 ab, in Schritt 106 mit der Option N gekennzeichnet, so wird in Schritt 107 geprüft, ob das Verhältnis der letzten drei gespeicherten Abstände φ zwischen steigenden Flanken ein Verhältnis Ver=l :3:l besitzt oder ob das Verhältnis Ver der Winkelabstände der letzen vier aufeinander folgenden Flanken einen Wert von

Ver=l :2:2:l besitzt. Liegt ein Verhältnis Ver=l:3:l vor, wird in Schritt 108 der Vorwärtslauf V delektiert. Liegt das Verhältnis in Schritt 107 bei Ver=l:2:2:l, so wird in Schritt 109 der Rückwärtslauf R detektiert.