用于確定旋轉部件的轉速和旋轉方向的布置結構的制作方法
【專利摘要】本發明涉及用于確定旋轉部件的轉速和旋轉方向的布置結構。本發明涉及用于非接觸確定在其操作期間旋轉的部件、特別是可磁化軸的轉速和旋轉方向的布置結構。布置結構包括部件，所述部件在其操作期間旋轉，所述部件在至少一個外圍區域上包括連接板形或齒形的徑向凸起和居間的槽或齒隙的周向結構。布置結構還包括用于確定部件的轉速和旋轉方向的旋入式傳感器裝置，傳感器裝置包括：螺紋段，其用于位置固定地布置傳感器裝置，使得周向結構能夠移過傳感器裝置；磁場產生裝置；及磁場檢測裝置。磁場檢測裝置包括未沿線對齊設置的至少三個磁場傳感器，其中彼此相距最遠的磁場傳感器之間的距離小于或等于槽或齒隙的寬度。
【專利說明】
用于確定旋轉部件的轉速和旋轉方向的布置結構
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于非接觸地確定在其操作期間旋轉的部件、特別是機動車輛的可磁化軸的轉速和旋轉方向的布置結構。
【背景技術】
[0002]用于確定在其操作期間旋轉的部件的轉速的不同的轉速傳感器從現有技術是已知的。例如，這樣的轉速傳感器被用于檢測機動車輛的變速箱中的齒輪或傳動軸的轉速和旋轉方向。
[0003]對非接觸地檢測轉速而言，通常使用配備有磁場傳感器(例如，霍爾傳感器(Hallsensor))的轉速傳感器。這里，當齒輪的齒通過時改變的磁場通過處于霍爾傳感器附近的磁體產生。在此期間，霍爾傳感器首先檢測所謂的磁體的背景場(background f ield)。由齒輪或類似部件的質量(mass)引起的場強被添加到背景場的所述場強。如果齒而非齒隙(tooth gap)與傳感器相關聯，則這導致在齒與傳感器的關聯的持續時間內的磁場的反復增強。因此，如果齒輪在轉動，則取決于齒和齒隙通過傳感器而發生場強的波動。因此，霍爾傳感器檢測磁場的所述改變并且產生電信號，從所述電信號能夠確定齒輪的轉速或位置角。因此，每個齒產生脈沖，并且轉速能夠通過對脈沖進行計數來確定。更確切地說，轉速傳感器不會這樣檢測齒，而是檢測從齒到齒隙的過渡或反之。
[0004]特別地，包括兩個霍爾元件(Hall element)的轉速傳感器從公布的專利申請DE41 41 958 Al和EP O 800 087 A2是已知的。為了測量轉速，轉速傳感器例如被設置成與齒輪相對，使得齒輪的齒在旋轉運動期間首先通過第一霍爾傳感器，并且隨后通過第二霍爾傳感器。為此，當沿齒輪或部件的周向方向或旋轉方向觀察時，所述兩個霍爾元件必須被偏置地設置。在當沿齒輪的旋轉方向觀察時霍爾元件以這種方式偏置的情況下，所述齒首先來到一個霍爾元件，并且在一定角度的旋轉后到第二霍爾元件。由此引起的兩個傳感器的磁場的振蕩當隨著時間的推移來觀察時相對于彼此偏移，由此，除了不僅能夠確定角速度和角加速度，而且還能夠確定旋轉方向，這是因為根據旋轉方向，一個霍爾元件或另一個霍爾元件首先測量到波動。
[0005]然而，如果旋轉傳感器被安裝成使得靜止的齒同時與兩個霍爾元件相對，S卩，兩個霍爾元件與下一齒的邊緣相距相同的距離，則兩個霍爾元件上的總磁場強度在任何測量時間點處都是相同的，并且不再能夠確定旋轉方向。該問題特別是能夠在具有螺接安裝的轉速傳感器的情況下發生。如果處于旋入位置的傳感器的旋轉位置使得兩個霍爾元件與下一齒的邊緣基本上相距相同的距離，則無法確定旋轉方向，或者如果距離的差異過小或未知，則能夠發生測量不準確。在這樣的傳感器的情況下，在安裝期間必須確保兩個霍爾元件正確地在最終位置對齊，因此耗時的重新調整可能是必要的。
[0006]為了避免所述問題，在DE 41 41 958 Al中提出了一種轉速傳感器，利用其，轉速傳感器中的兩個霍爾元件和磁體被設置成相對于彼此可移位。例如，所提出的是，磁體被插入到相對于轉速傳感器的內部中的主體能夠移位的保持器中。這確實使得能夠糾正不正確的對齊，但這是耗時的，易于出錯并且在安裝期間需要合適地訓練的熟練員工。
【發明內容】
[0007]因此，本發明的一個目的在于提供一種用于非接觸地確定在其操作期間旋轉的部件的轉速和旋轉方向的改進的布置結構、特別是改進的旋轉傳感器，利用所述改進的布置結構能夠避免常規技術的缺點。本發明的目的特別是在于提供一種轉速傳感器，利用其能夠確定旋轉部件的轉速和旋轉方向，并且其能夠被快速地安裝且不需要復雜的校準或調整。
[0008]所述目的通過具有獨立權利要求的特征的用于非接觸地確定在其操作期間旋轉的部件的轉速和旋轉方向的布置結構來實現。本發明的有利的實施例和應用通過從屬權利要求來揭示。
[0009]根據本發明的布置結構依據現有技術包括在其操作期間旋轉的部件，其中，所述部件在至少一個外圍區域上包括連接板形(web-shaped)或齒形的徑向凸起和居間的槽或齒隙的周向結構。所述周向結構能夠是旋轉部件的表面結構的一部分，或能夠以能夠安裝在所述部件上的單獨的轉速傳感器的形式來提供。例如，所述部件能夠是可磁化軸，即，由鐵磁材料制成的軸。
[0010]所述布置結構還包括旋入式傳感器裝置，借助于所述傳感器裝置能夠確定部件的轉速和旋轉方向。所述傳感器裝置包括螺紋段，借助于所述螺紋段，所述傳感器裝置能夠被旋入，用于位置固定地布置所述傳感器裝置。所述傳感器裝置被設置成使得所述周向結構能夠移過所述傳感器裝置。所述傳感器裝置還包括磁場產生裝置和磁場檢測裝置。所述傳感器裝置在下文中也將被稱為轉速傳感器。
[0011 ]根據本發明的一般方面，磁場檢測裝置包括至少三個磁場傳感器，所述至少三個磁場傳感器不設置成沿線對齊，并且因此，被偏置地設置。換言之，所述磁場傳感器被設置成偏置的，使得無論傳感器裝置在部件旋轉期間的旋入位置，每個凸起在時間偏移的情況下到達所述至少三個磁場傳感器中的至少兩個。因此，沿所述凸起的周向方向或沿部件的旋轉方向查看，總是存在偏置設置的所述至少三個磁場傳感器中的至少兩個。在這種情況下，彼此相距最遠的磁場傳感器的距離小于或等于所述周向結構的槽或齒隙的寬度。所述磁場傳感器被設置成使得它們與磁場產生裝置相互作用，并且面向旋轉部件的周向結構。
[0012]至少三個磁場傳感器的根據本發明的設置給出了特別的優點，S卩:無論傳感器的安裝位置，即，處于旋入狀態的旋轉位置，總是存在與最近的凸起的邊緣相距不同距離的至少兩個磁場傳感器，使得除了確定旋轉角速率之外，確定旋轉方向總是可能的，而無論安裝傳感器裝置的角位置如何。為此，當旋入傳感器裝置時，沒必要關注磁場傳感器在最終位置如何定向，使得本發明能夠實現快速組裝，并且避免安裝相關的測量誤差。此外，作為相距最遠的磁場傳感器的距離小于或等于槽或齒隙的寬度的結果，確保了通過不同的傳感器記錄的磁場強度的改變通過旋轉部件由相同的邊緣產生。這使得能夠實現對軸的旋轉角速率和旋轉方向的可靠的測量。
[0013]—個特別優選的示例性實施例提供的是，所述磁場檢測裝置通過按照三角形的形式設置的三個磁場傳感器形成。在這種情況下，所述三角形的邊的長度小于或等于槽或齒隙的寬度。此處，形式為等邊三角形的布置結構是特別有利的。形式為等邊三角形的布置結構使得能夠實現所檢測到的磁場信號的簡化分析和計算機處理。此外，作為結果，確保了在任何旋轉位置，當沿旋轉方向觀察時相距最遠的兩個磁場傳感器彼此具有一定的最小間隔，這對非常高頻率的檢測而言是有利的。
[0014]根據另一實施例，還提供了用于分析所述至少三個磁場傳感器的輸出信號的分析單元，所述分析單元配置成確定當沿部件的旋轉方向、即沿部件或凸起的周向方向觀察時彼此相距最遠的兩個磁場傳感器，并且使用所述兩個磁場傳感器的測得的通量改變來確定旋轉方向。
[0015]這確保了在任何安裝位置，其間凸起的邊緣所產生的磁場的改變的時間差最大的那兩個磁場傳感器被用于測量，這改善了測量精度。所述分析單元優選地形式為傳感器裝置的內部分析電子裝置的一部分，但也能夠被實施為外部分析單元。
[0016]所述傳感器裝置有利地包括學習功能，借助于所述學習功能，在傳感器裝置中能夠存儲用于確定旋轉方向的兩個磁場傳感器中的哪一個必須首先檢測到從低的通量到較高的通量的通量改變，使得存在第一旋轉方向并且不存在相反的旋轉方向。因此，在學習階段中，使所述部件沿預定的第一旋轉方向旋轉，并且對哪個磁場傳感器首先檢測到從低的通量到較高的通量的通量改變進行評估。如果在正常的操作中，所述傳感器再次在其他傳感器之前首先檢測到從低的通量到較高的通量的通量改變，則所述第一旋轉方向存在，否則相反的旋轉方向存在。
[0017]根據另一實施例，所述至少三個磁場傳感器被設置在垂直于所述部件或周向結構的徑向方向的平面中，使得所述傳感器與旋轉部件相距基本上相同的徑向距離。
[0018]根據本發明的實施方式的另一可能性提供的是，所述傳感器裝置被配置成在磁場傳感器的信號指示非零的旋轉角速率但沒有確定的旋轉方向的情況下，檢測所述部件的振動。根據所述版本，能夠檢測振動，如果機器未旋轉但存在振動，則所述振動是在軸、特別是傳動軸未旋轉時發生的常見問題。這樣的振動能夠引起通量改變，并且因此，引起角旋轉速率的計算。然而，傳感器裝置不測量限定的旋轉方向，這是因為順時針和逆時針的旋轉以相等的比例交替地檢測。
[0019]所述傳感器裝置的磁場傳感器能夠是有源磁場通量傳感器，其優選地根據霍爾原理(霍爾探頭(Hall probe))來操作。
[0020]根據本發明的另一方面，傳感器裝置能夠包括殼體，所述殼體包括端部區域，磁場傳感器被安裝在所述端部區域中以形成測量末端。所述殼體還能夠包括設置在相對端處的殼主體，在所述殼主體中設置了用于傳感器裝置的插塞式連接器和用于分析磁場傳感器的測量信號的微處理器單元，磁場傳感器的輸出信號被傳輸到所述微處理器單元用于分析。所述殼體還能包括用于旋入傳感器裝置的螺紋段，所述螺紋段被優選地設置在端部區域和殼主體之間。
[0021]所述磁場產生裝置能夠以永磁體的形式或以產生磁場的能夠通電的線圈的形式來實施。所述磁場產生裝置優選地包括整合在傳感器殼體內的用于產生磁場的線圈。例如，所述線圈能夠被整合在螺紋段內。
[0022]本發明還涉及具有如本文所公開的布置結構或傳感器裝置的機動車輛、特別是商用車輛。
【附圖說明】
[0023]上述本發明的優選實施例和特征能夠以任何方式彼此結合。本發明的另外的細節和優點在下文中參考附圖來描述。附圖中:
圖1A示出了軸的前視圖；
圖1B示出了圖1A的軸的頂視圖；
圖2A示出了從現有技術已知的轉速傳感器(revolut1n rate sensor)的透視圖；
圖2B示出了根據本發明的一個實施例的傳感器裝置的示意圖；以及圖3示出了根據本發明的一個實施例的傳感器裝置和旋轉部件的布置結構的示意圖。
[0024]附圖標記列表I傳感器裝置
2殼主體 3螺紋段 4測量末端
5用于產生磁場的線圈 6_1、6_2、6_3有源(active)磁場傳感器 7可磁化軸 8插塞式連接器
9、11邊緣
10現有技術的轉速傳感器 S連接板(web)
N槽
D1、D2旋轉方向 d_S連接板的寬度 d_N槽的寬度。
【具體實施方式】
[0025]圖1A和圖1B示出了由鐵磁材料制成的已知的軸7作為在其操作期間旋轉的部件的示例，所述軸7的旋轉角速率、加速度和旋轉方向意在借助于傳感器裝置來測量。所述軸包括槽N和連接板S的規則的周向結構。所有連接板S具有相同的寬度，并且所有槽N也具有相同的寬度，其中，所述槽和所述連接板的寬度能夠彼此不同。利用Dl和D2所標示的雙箭頭來指示軸7的兩個可能的旋轉方向Dl和D2。
[0026]圖2A以透視圖示意性地示出了從現有技術已知的轉速傳感器10的設計。已知的轉速傳感器被實施為旋入式轉速傳感器，并且為此包括具有外螺紋的頸段3。所述傳感器借助于螺紋段3旋入到相對應的螺紋開口中，使得傳感器末端4被設置成與軸7的周向結構徑向相對。在實施為逐漸變細的端部區域的傳感器末端4中，一個或兩個霍爾探頭被設置在從現有技術已知的轉速傳感器10中。在相對端上，轉速傳感器10包括主體2，插塞式連接器8和微處理器單元被設置在其中。霍爾探頭的輸出信號被傳輸到所述微處理器單元。
[0027]圖2B以高度示意性的表示示出了傳感器裝置I的一個實施例。傳感器裝置I包括與從現有技術已知的傳感器裝置10類似的殼體，所述殼體具有端部區域4、螺紋段3和殼主體2，插塞式連接器和微處理器單元被設置在所述殼主體2中。與從現有技術已知的傳感器10對比，三個有源磁場傳感器被設置在根據本發明的傳感器I的端部區域4中，這被圖示在圖3中。用于產生磁場的線圈(圖2B中未示出)被整合(或集成，integrated)在所述殼體的外殼(casing)內。
[0028]圖3示出了軸7和傳感器裝置I的布置結構的頂視圖。在軸7中，僅槽N和兩個相鄰的連接板S中的每一個的一個部段被示出在圖3中。所述連接板的寬度通過雙箭頭d_S來表征，所述槽的寬度通過雙箭頭d_N來表征。軸7的兩個旋轉方向又通過箭頭Dl和D2來表征。
[0029]僅傳感器I的用于產生磁場的線圈5和三個有源磁場傳感器6_1、6_2和6_3被示意性地描繪在圖3中，以說明該設計的原理。線圈5被整合在螺紋段3的殼體的外殼內，并且產生磁場，三個磁場傳感器6_1、6_2和6_3與所述磁場相互作用。三個磁場傳感器原則上利用相同的設計實施，并且按照等邊三角形的形式來設置，即，設置所述三個磁場傳感器6_1、6_2和6_3處的點構成等邊三角形的角點。為了說明，示出了穿過傳感器和三角形的中心點的虛線，其中，兩個相鄰的磁場傳感器的虛線中的每一個與彼此形成60°的角度。特征是整個傳感器頭的直徑小于或等于槽N的寬度d_N。三個磁場傳感器6_1至6_3各自被連接到設置在殼主體2中的微處理器單元。
[0030]如在圖3中能夠看到的，三個磁場傳感器6_1、6_2和6_3的三角形布置結構確保了它們不被設置成沿線對齊，而是被偏置地設置，使得無論傳感器裝置的旋入位置如何，連接板S的每個邊緣在部件的旋轉期間及時到達具有一定偏移的所述至少三個磁場傳感器中的至少兩個。因此，沿連接板S或槽N的周向方向或沿部件的旋轉方向D1、D2觀察，三個磁場傳感器6_1至6_3中的至少兩個總是被偏置地設置。因此，在傳感器裝置I的每個可能的旋入位置，總是存在與最近的連接板的邊緣相距不同距離的至少兩個磁場傳感器。在圖3中所示的安裝位置，在部件7沿方向D2旋轉期間，邊緣9首先到達傳感器6_1，然后到達傳感器6_3并且最后到達傳感器6_2。在沿相反的方向Dl的旋轉期間，順序是顛倒的。
[0031]即使在例如傳感器6_2和6_3將與例如邊緣11的邊緣相距相同的距離的安裝位置(圖3中未示出)，傳感器6 j與邊緣11的距離也將與傳感器6_2和6_3的距離不同。磁場傳感器6_1至6_3測量槽N和連接板S之間的磁通量的改變。為此，傳感器裝置I被實施成分別為每個傳感器記錄通量改變的時間。此外，也能檢測傳感器之間的通量改變的時間。
[0032]在當前的傳感器I的實施方式的情況下，例如，對測量軸的旋轉角速率而言，存在多種選擇。根據第一版本，三個傳感器6_1至6_3中的一個能夠對槽和連接板之間的邊緣改變進行計數。如果槽和連接板的數量是已知的，則能夠計算旋轉角速率。根據另一版本，分析三個傳感器之間的時間測量結果。作為結果，能夠利用所述傳感器的幾何布置結構的知識來確定旋轉角速率。
[0033]通過分析當沿周向方向觀察時相距最遠的兩個傳感器之間的通量改變，來確定部件7的旋轉方向。所述傳感器為處于圖3中所示的安裝位置的傳感器6_1和6_2。
[0034]為此，現在在學習階段(learningphase)中教導旋轉方向，其中，使軸7沿預定的旋轉方向旋轉，以便教導傳感器裝置I哪個是前向方向以及哪個是后向方向。例如，傳感器6_1在沿方向D2的旋轉期間于傳感器6_3之前檢測到從低的通量到較高的通量的通量改變，則所述通量改變按照定義即為教導的旋轉方向D2，并且被存儲在分析電子裝置中。如果傳感器6_1隨后在測量模式期間于傳感器6_3之前檢測到從低的通量到較高的通量的通量改變，則識別出旋轉方向D2 ο否則，它即為相反的旋轉方向Dl。
[0035]盡管已參考特定的示例性實施例描述了本發明，但對于本領域技術人員而言清楚的是，能夠實施各種改變，并且能夠將各種改變用作等同替換，而不脫離本發明的范圍。此夕卜，能夠實施許多修改，而不脫離相關聯的范圍。因此，本發明不應被限于所公開的示例性實施例，但將包括落入所附權利要求的范圍內的所有示例性實施例。特別地，不管所引用的權利要求，本發明還要求對從屬權利要求的主題和特征的保護。
【主權項】
1.一種用于非接觸地確定部件、特別是可磁化軸的轉速和旋轉方向的布置結構(7、1)，所述部件在其操作期間旋轉，所述布置結構(7、I)包括: (a)部件(7)，所述部件(7)在其操作期間旋轉，所述部件(7)在至少一個外圍區域上包括連接板形或齒形的徑向凸起(S)和居間的槽(N)或齒隙的周向結構；以及 (b)用于確定所述部件(7)的轉速和旋轉方向的旋入式傳感器裝置(I)，所述傳感器裝置(I)包括: (bl)螺紋段(3)，其用于位置固定地布置所述傳感器裝置(I)，使得所述周向結構能夠移過所述傳感器裝置， (b2)磁場產生裝置，以及 (b3)磁場檢測裝置； 其特征在于，所述磁場檢測裝置包括未沿線對齊設置的至少三個磁場傳感器(6 j、6_2、6_3)，其中，彼此相距最遠的所述磁場傳感器之間的距離小于或等于所述槽(N)或所述齒隙的寬度(d_N)。2.如權利要求1所述的布置結構，其特征在于，所述磁場檢測裝置由按照等邊三角形的形式設置的三個磁場傳感器(6_1、6_2、6_3)形成。3.根據權利要求1或2所述的布置結構，其特征在于，用于分析所述至少三個磁場傳感器(6 j、6_2、6_3)的輸出信號的分析單元，所述分析單元被配置成確定當沿所述部件的旋轉方向觀察時彼此相距最遠的兩個磁場傳感器(6 j、6_2)，并且使用所述兩個磁場傳感器(6_1、6_2)的測得的通量改變來確定旋轉方向。4.根據權利要求3所述的布置結構，其特征在于，所述傳感器裝置包括學習功能，借助于所述學習功能，在所述傳感器裝置中能夠存儲用于確定所述旋轉方向的所述兩個磁場傳感器(6 j、6_2)中的哪一個必須首先檢測到從低的通量到較高的通量的通量改變，使得存在第一旋轉方向(Dl)，并且不存在相反的旋轉方向(D2)。5.如前述權利要求中任一項所述的布置結構，其特征在于，所述至少三個磁場傳感器(6_1、6_2、6_3)被設置在垂直于所述部件或所述周向結構的徑向方向的平面中。6.如前述權利要求中任一項所述的布置結構，其特征在于，所述傳感器裝置(I)被配置成在所述磁場傳感器的信號指示了旋轉角速率但沒有確定的旋轉方向的情況下檢測所述部件的振動。7.如前述權利要求中任一項所述的布置結構，其特征在于，所述磁場傳感器(6_1、6_2、6_3)為優選地根據霍爾原理操作的有源磁場通量傳感器。8.如前述權利要求中任一項所述的布置結構，其特征在于，所述傳感器裝置的殼體，所述殼體包括: (a)端部區域(4)，所述磁場傳感器(6j、6_2、6_3)被安裝在所述端部區域(4)中，以形成測量末端， (b)設置在相對端處的殼主體(2)，在所述殼主體(2)中設置了插塞式連接器(8)和微處理器單元，所述磁場傳感器的輸出信號被傳輸到所述微處理器單元用于分析，以及 (c)用于旋入所述傳感器裝置的螺紋段(3)，所述螺紋段(3)被設置在所述端部區域(4)和所述殼主體(2)之間。9.如前述權利要求中任一項所述的布置結構，其特征在于， (a)所述磁場產生裝置包括整合在傳感器殼體內的用于產生磁場的線圈；和/或 (b)所述磁場產生裝置包括整合在所述螺紋段(3)內的用于產生磁場的線圈。10.具有如前述權利要求中任一項所述的布置結構(7、1)的機動車輛、特別是商用車輛。
【文檔編號】G01P3/487GK106053873SQ201610238387
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】P.科克, G.比克勒斯, C.施泰因貝格
【申請人】曼卡車和巴士股份公司