DE102008010703A1

DE102008010703A1 - Messsystem zur Erfassung der Position des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit, Kolben-Zylindereinheit mit einem solchen Messsystem und Verfahren zur Erfassung der Position eines Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit

Info

Publication number: DE102008010703A1
Application number: DE102008010703A
Authority: DE
Inventors: Peter Thierbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Ein Messsystem (1) zur Erfassung der Position des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit umfasst gemäß der Erfindung zumindest eine Koppelstange (3) mit einem ersten Ende, wobei das erste Ende mit dem Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit verbindbar ist und wobei die Koppelstange (3) in Richtung ihrer Längsachse translatorisch beweglich ist. Das Messsystem (1) umfasst ferner zumindest eine Welle (16, 21) mit einem Rad (4, 20), in das die Koppelstange (3) eingreift, wobei das Rad (4, 20) mittels der Welle (16, 21) drehbar gelagert ist und seine Drehachse (6, 22) senkrecht zur Längsachse der Koppelstange (3) steht. Das Messsystem (1) umfasst weiterhin zumindest einen Magneten (5, 25), der mit dem Rad (4, 20) verbunden und mit ihm drehbar ist, und zumindest einen Sensor (8, 26), der derart angeordnet ist, dass er eine Änderung des durch den Magneten erzeugten Magnetfelds bei Drehung des Rades (4, 20) um seine Drehachse (6, 22) misst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Erfassung der Position des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit, beispielsweise eines Ventilschiebers, sowie eine Kolben-Zylindereinheit mit einem solchen Messsystem. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Erfassung der Position eines Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit.
Es sind induktive Messsysteme bekannt, bei denen ein Stabkern, der mit einem Ventilschieber verschraubt ist, in ein Spulensystem taucht und ein wegproportionales Signal erzeugt. Ein solcher induktiver Wegaufnehmer ist beispielsweise aus der DE 44 07 648 C2 bekannt.
Die DE 44 07 648 C2 offenbart darüber hinaus einen Sensorzylinder, in dem die translatorische Bewegung einer Zahnstange in die Drehbewegung eines Zahnrads umgewandelt und der Drehwinkel des Zahnrads mit Hilfe eines Drehpotentiometers gemessen wird.
Die Umwandlung einer translatorischen in eine Drehbewegung zur Messung einer Auslenkung ist auch aus der DE 31 19 829 A1 bekannt. Der Drehwinkel wird dabei mit einem Winkelcodierer oder einem Drehpotentiometer bestimmt.
Nachteilig ist an bekannten Lösungen, dass sie verhältnismäßig kompliziert aufgebaut und somit teuer sind. Zudem ist die Messgenauigkeit eingeschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messsystem zur Erfassung der Position des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit anzugeben, mit dem eine preisgünstige, aber genaue Messung der Kolbenposition möglich ist.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur genauen Erfassung der Position des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Messsystem zur Erfassung der Position des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit umfasst zumindest eine Koppelstange mit einem ersten Ende, wobei das erste Ende mit dem Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit verbindbar ist und wobei die Koppelstange in Richtung ihrer Längsachse translatorisch beweglich ist. Es umfasst weiter zumindest eine Welle mit einem Rad, in das die Koppelstange eingreift, wobei das Rad mittels der Welle drehbar gelagert ist und seine Drehachse senkrecht zur Längsachse der Koppelstange steht. Das Messsystem umfasst weiter zumindest einen Magneten, der mit dem Rad verbunden und mit ihm drehbar ist, und zumindest einen Sensor, der derart angeordnet ist, dass er eine Ände rung des durch den Magneten erzeugten Magnetfelds bei Drehung des Rades um seine Drehachse misst.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sollte insbesondere für eine Anwendung des Messsystems im Bereich der Ventiltechnik eine besonders preisgünstige, aber gleichzeitig genaue Möglichkeit zur Erfassung der Kolbenposition bzw. zur Erfassung der Ventilschieberposition angegeben werden. Die Umwandlung der translatorischen Bewegung in eine Drehbewegung ist dabei vorteilhaft, da sie ein geringes Bauvolumen des Messsystems ermöglicht. Zur Übertragung der Kräfte vom Ventilschieber auf das Messsystem ist lediglich eine Koppelstange vorgesehen, die mit einem Ende gegen die Stirnseite des Ventilschiebers drückt. Auf diese Weise wird eine besonders einfache und somit preisgünstige Ankopplung des Messsystems an den Ventilschieber erreicht. Die Messung des Drehwinkels erfolgt durch den Sensor über die Messung einer Magnetfeldänderung, hervorgerufen durch den mit dem Rad mitgedrehten Magneten. Der Sensor ist dazu beispielsweise als Hallsensor ausgebildet und ortsfest im Gehäuse des Messsystems angeordnet.
Der Magnet wird in einer Ausführungsform derart ausgebildet und angeordnet, dass sein Magnetfeld eine Hauptkomponente in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Rades aufweist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine Drehung des Magneten um die Drehachse am Ort des Sensors eine messbare Magnetfeldänderung bewirkt.
Die Koppelstange ist in einer Ausführungsform der Erfindung als Zahnstange und das Rad als Zahnrad mit zumindest einem Zahnkranz ausgebildet. Dabei greift die Zahnstange in den Zahnkranz ein.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit weist das Messsystem in einer Ausführungsform nicht nur ein Rad, sondern zumindest ein erstes Rad und ein zweites Rad auf, wobei das erste Rad eine Anzahl n₁ Zähne und das zweite Rad eine Anzahl n₂ Zähne aufweist und n₁ ≠ n₂ gilt. Das Messsystem weist in dieser Ausführungsform weiterhin zumindest einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten auf, wobei das erste Rad den mit ihm verbundenen ersten Magneten und das zweite Rad den mit ihm verbundenen zweiten Magneten aufweist. Weiterhin sind zumindest ein erster Sensor und ein zweiter Sensor vorgesehen, wobei der erste Sensor eine Änderung des Magnetfelds des ersten Magneten bei Drehung des ersten Rades um seine Drehachse und der zweite Sensor eine Änderung des Magnetfelds des zweiten Magneten bei Drehung des zweiten Rades um seine Drehachse misst.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie die genaue Messung des Drehwinkels des Rades mit Hilfe des Nonius-Prinzips erlaubt. Dazu wird die Zahl der Zähne des ersten Rades beispielsweise n₁ = N und die Zahl der Zähne des zweiten Rades n₂ = N – 1 gewählt. In diesem Fall stimmen die Stellungen der beiden Räder erst nach dem Durchlauf von N mal N – 1 Zähnen oder N Umdrehungen des zweiten Rades oder N – 1 Umdrehungen des ersten Rades wieder überein.
Es wird nun mit Hilfe der beiden Sensoren die durch die räumliche Drehung bewirkte Magnetfeldänderung beider Magnete gemessen. Es ergeben sich zwei Messwerte, deren Differenz bestimmt wird. Diese Signaldifferenz liefert eine Aussage darüber, wie viele volle Umdrehungen die Räder bereits vollzogen haben und dient zur Bestimmung der Grobposition des Kolbens, während einer der Messwerte selbst den konkreten Drehwinkel eines Rades liefert und damit die Bestimmung der Feinposition des Kolbens der Kolben-Zylindereinheit ermöglicht.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Koppelstange als Reibstange und das Rad als Reibrad mit zumindest einer Reibfläche ausgebildet, wobei das Reibrad auf der Reibstange abrollt.
Auch bei dieser Ausführungsform kann zur Erhöhung der Messgenauigkeit das Noniusprinzip eingesetzt werden. Dazu sind zumindest ein erstes Rad und ein zweites Rad vorgesehen, wobei das erste Rad einen Radius r₁ und das zweite Rad einen Radius r₂ aufweist und r₁ ≠ r₂ gilt. Ferner ist zumindest ein erster Magnet und ein zweiter Magnet vorgesehen, wobei das erste Rad den mit ihm verbundenen ersten Magneten und das zweite Rad den mit ihm verbundenen zweiten Magneten aufweist. Ferner weist das Messsystem zumindest einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor auf, wobei der erste Sensor eine Änderung des Magnetfelds des ersten Magneten bei Drehung des ersten Rades um seine Drehachse und der zweite Sensor eine Änderung des Magnetfelds des zweiten Magneten bei Drehung des zweiten Rades um seine Drehachse misst.
Auch bei dieser Ausführungsform ist eine identische Stellung beider Räder erst nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen wieder erreicht, die abhängig von den gewählten Radien r₁ und r₂ ist. Die Messung erfolgt in der oben beschriebenen Weise.
Um die Zuverlässigkeit des Messsystems zu erhöhen, ist vorteilhafterweise eine Feder vorgesehen, die die Koppelstange gegen das Rad drückt. Außerdem kann vorteilhaft eine federbelastete Gegenkoppelstange vorgesehen sein, die ebenfalls in das Rad eingreift und die in Richtung ihrer Längsachse translatorisch beweglich ist. Diese Gegenkoppelstange ist beispielsweise innerhalb des Gehäuses des Messsystems angeordnet und ebenfalls als Zahnstange oder Reibstange ausgebildet. Sie ist in einer Weise federbelastet, dass sie eine Rückstellung der Koppelstange bewirkt. Dadurch kann auf eine aufwendige Befestigung, beispielsweise eine Verschraubung, der Koppelstange an dem Kolben verzichtet werden. Die Koppelstange drückt vielmehr lediglich gegen die Stirnseite des Kolbens, und zwar durch die von der Feder auf die Gegenkoppelstange, von der Gegenkoppelstange auf das Rad und von dem Rad auf die Koppelstange ausgeübte Rückstellkraft. Die federbelastete Gegenkoppelstange beseitigt zudem eventuell vorhandenes Spiel zwischen der Koppelstange und dem Rad und wirkt so dem Auftreten von Hysterese entgegen.
Das Rad oder die Räder und die Koppelstange können beispielsweise Kunststoff aufweisen oder kostengünstig vollständig aus Kunststoff ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können sie auch Metall aufweisen.
In einer Ausführungsform weist die Koppelstange in ihrer Längsrichtung eine Zunge auf und das Rad weist in Umfangsrichtung eine Nut auf, wobei die Zunge in die Nut eingreift. Dadurch werden eine erhöhte Stabilität und Robustheit des Messsystems und eine Axialsicherung des Rades und der Welle bewirkt.
Das erfindungsgemäße Messsystem kann vorteilhaft zur Erfassung der Ventilschieberstellung eines Ventils eingesetzt werden. Dazu ist die Kolben-Zylindereinheit als Ventil und der Kolben als Ventilschieber ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung der Position eines Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit umfasst folgende Schritte: Eine Koppelstange wird proportional zur Auslenkung des Kolbens durch translatorisches Bewegen der Koppelstange in ihrer Längsrichtung ausgelenkt, insbesondere ist die Auslenkung der Koppelstange gleich der Auslenkung des Kolbens. Die translatorische Bewegung der Koppelstange wird in eine Drehbewegung zumindest einer Welle mit einem Rad umgewandelt, wobei die Koppelstange in das Rad eingreift und das Rad einen Magneten trägt. Der Drehwinkel des Rades wird durch zumindest einen Sensor gemessen, der derart angeordnet ist, dass er eine Änderung des durch den Magneten erzeugten Magnetfelds bei Drehung des Rades um seine Drehachse misst.
Als Koppelstange wird in einer Ausführungsform des Verfahrens eine Zahnstange und als Rad wird ein Zahnrad mit zumindest einem Zahnkranz verwendet, in den die Zahnstange eingreift.
Zur Erzielung einer besonders hohen Messgenauigkeit erfolgt die Messung unter Nutzung des Nonius-Prinzips: Das Messsystem weist dazu zumindest ein erstes Rad und ein zweites Rad auf, wobei das erste Rad eine Anzahl n₁ Zähne und das zweite Rad eine Anzahl n₂ Zähne aufweist und n₁ ≠ n₂ gilt. Die translatorische Bewegung der Koppelstange wird dann in eine Drehbewegung des ersten Rads, das einen ersten Magneten trägt, und des zweiten Rads, das einen zweiten Magneten trägt, umgewandelt. Es wird die Änderung des Magnetfelds des ersten Magneten bei Drehung des ersten Rades um seine Drehachse durch einen ersten Sensor und der Änderung des Magnetfelds des zweiten Magneten bei Drehung des zweiten Rades um seine Drehachse durch einen zweiten Sensor gemessen.
Somit stehen zwei Messwerte zur Verfügung, deren Differenz gebildet werden kann. Daraus wird sowohl eine Grob- als auch eine Feinposition für die Position des Kolbens bestimmt.
Alternativ kann als Koppelstange auch eine Reibstange und als Rad ein Reibrad mit zumindest einer Reibfläche verwendet werden, wobei das Reibrad auf der Reibstange abrollt.
Auch in diesem Fall kann das Nonius-Prinzip für eine genaue Messung genutzt werden, wenn zwei Reibräder mit unterschiedlichen Durchmessern gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Messsystem hat insbesondere gegenüber induktiven Wegaufnehmern den Vorteil, dass durch die Umwandlung der Translations- in eine Drehbewegung auch große Auslenkungen des Kolbens gemessen werden können, ohne dass das Bauvolumen des Messsystems zu groß und die gesamte Apparatur zu aufwendig werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Messsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Messsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Koppelstange und ein Rad des Messsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Koppelstange und ein Rad sowie ein zweites Rad des Messsystems gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Messsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Messsystem 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das beispielsweise aus Metall hergestellt und zum Verschrauben mit weiteren, nicht dargestellten Bauteilen der Kolben-Zylindereinheit vorgesehen kann. Das Messsystem 1 umfasst eine Koppelstange 3, deren eines Ende mit dem Kolben einer nicht dargestellten Kolben-Zylindereinheit, beispielsweise einem Ventilschieber, verbindbar ist. Die Koppelstange ist translatorisch in der Richtung ihrer Längsachse, die durch den Pfeil 18 gekennzeichnet ist, bewegbar.
Die Koppelstange 3 ist in der gezeigten Ausführungsform als Zahnstange ausgebildet und greift in ein Rad 4 des Messsystems 1 ein, das einen in dieser Ansicht nicht gezeigten Zahnkranz aufweist. Das Rad 4 ist um eine Drehachse 6 drehbar auf einer in der 1 nicht gezeigten Welle gelagert.
Auf dem Rad 4 ist ein Magnet 5 angeordnet, dessen Magnetfeld in einer Ausführungsform eine Hauptkomponente in der Ebene aufweist, auf der die Drehachse 6 des Rads 4 senkrecht steht. Der Magnet 5 ist starr mit dem Rad 4 verbunden und mit diesem um die Drehachse 6 drehbar.
Eine Halteplatte 7 ist oberhalb des Magneten 5 angeordnet und derart an Teilen des Gehäuses 2 gelagert, dass sie relativ zum Gehäuse 2 ortsfest ist und eine Drehbewegung des Rads 4 und des Magneten 5 nicht mit vollzieht, jedoch auch nicht verhindert. Auf der Halteplatte 7 ist ein Sensor 8 angeordnet, der als Hallsensor ausgebildet ist. Der Sensor ist derart angeordnet, dass sich das auf ihn wirkende Magnetfeld des Magneten 5 durch eine Drehung des Magneten 5 mit dem Rad 4 um die Drehachse 6 messbar ändert.
Das Messsystem 1 weist ferner eine Gegenkoppelstange 11 auf, die in dem Gehäuse 2 angeordnet ist. Sie ist in der Richtung ihrer Längsachse, die durch den Pfeil 19 gekennzeichnet ist, translatorisch beweglich. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Koppelstange 3 und die Gegenkoppelstange 11 parallel zueinander, es sind jedoch auch andere Anordnungen denkbar.
Die Gegenkoppelstange 11 ist in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls als Zahnstange ausgebildet und greift in einen Zahnkranz des Rads 4 ein. Über das Rad 4 wirkt sie auch auf die Koppelstange 3. Die Gegenkoppelstange 11 ist federbelastet und dient zum Spielausgleich und zum Rückstellen der Koppelstange 3. Eine Feder 10 drückt dazu gegen eine Stirnseite der Gegenkoppelstange 11.
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Messsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dieses Messsystem 1 entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten, allerdings weist das Messsystem 1 gemäß 2 eine Koppelstange 3 mit einer Zunge 9 auf, die in eine in der Draufsicht nicht sichtbare umlaufende Nut des Rads 4 eingreift. Auch die Gegenkoppelstange 11 weist eine Zunge 27 auf. Die Zungen 9, 27 stabilisieren die Anordnung aus Rad 4, Koppelstange 3 und Gegenkoppelstange 11 und bewirken eine Axialsicherung des Rads 4 bzw. der Welle, auf der das Rad 4 und der Magnet 5 angeordnet sind.
2 zeigt ferner, dass die Feder 10 gegen die Stirnseite 28 der Gegenkoppelstange 11 drückt. Eine weitere Feder 12 ist vorgesehen, die die Koppelstange 3 von der Seite gegen das Rad 4 drückt und stets ein sicheres Eingreifen der Zähne der Koppelstange 3 in den Zahnkranz des Rads 4 sicherstellt.
Das Messsystem 1 ermöglicht auf technisch einfache, aber genaue Weise die Bestimmung der Position eines Kolbens einer Kolben-Zylindereinheit. Im den beschriebenen Ausführungsformen ist der Kolben ein Ventilschieber eines Ventils. Das Gehäuse 2 mit dem Messsystem 1 ist dazu derart mit dem Ventil verbunden, dass das aus dem Gehäuse 2 ragende Ende der Koppelstange 3 gegen die Stirnseite des Ventilschiebers zu liegen kommt. Bei einer Auslenkung des Ventilschiebers wird auch die Koppelstange 3 ausgelenkt und translatorisch in Richtung des Pfeils 18 bewegt. Eine Rückstellung der Koppelstange 3 wird dabei mit Hilfe der federbelasteten Gegenkoppelstange 11 bewirkt. Gegen die Federkraft der Feder 10 muss die Koppelstange 3 das Rad 4 drehen, indem die in den 1 und 2 nicht dargestellten Zähne der Koppelstange in den Zahnkranz des Rads 4 eingreifen.
Auf diese Weise wird die translatorische Bewegung des Ventilschiebers über die translatorische Bewegung der Koppelstange 3 in eine Drehbewegung des Rads 4 umgewandelt. Mit Hilfe einer Drehwinkelmessung am Rad 4 kann dann die Auslenkung des Ventilschiebers bestimmt werden.
Die Drehwinkelmessung erfolgt dabei folgendermaßen: Durch die starre Verbindung des Magneten 5 mit dem Rad 4 vollzieht der Magnet 5 die Drehbewegung des Rads 4 mit. Das Magnetfeld des Magneten 5 ist derart ausgerichtet, dass es sich bei der Drehung des Magneten 5 am Ort des Hallsensors 8 messbar ändert. Aus der gemessenen Magnetfeldänderung wird der Drehwinkel errechnet.
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Koppelstange 3 und ein Rad 4 des Messsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Rad 4 ist um die Drehachse 6 drehbar auf der Welle 16 angeordnet, auf der auch der Magnet 5 sitzt. Oberhalb des Magneten 5 ist eine Halteplatte 7 mit dem Sensor 8 ortsfest im Gehäuse des Messsystems angeordnet.
Das Rad 4 weist in der gezeigten Ausführungsform eine umlaufende Nut 15 auf. Ober- und unterhalb der Nut 15 ist jeweils ein Zahnkranz 13 vorgesehen.
In die Zahnkränze 13 des Rads 4 greifen Zähne 14 der als Zahnstange ausgebildeten Koppelstange 3 ein. Die Koppelstange 3 weist ferner eine Zunge 9 auf, die in die Nut 15 des Rads 4 eingreift und eine Axialsicherung darstellt.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Koppelstange 3 und das Rad 4 kostengünstig und gewichtsparend aus Kunststoff ausgebildet.
4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Koppelstange 3 und ein Rad 4 sowie ein zweites Rad 20 des Messsystems gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform erlaubt durch die Nutzung des Nonius-Prinzips eine besonders genaue Messung des Drehwinkels und somit auch eine besonders genaue Bestimmung der Position des Ventilschiebers.
Dazu weist das Messsystem neben dem ersten Rad 4 ein zweites Rad 20 auf, das wie das erste Rad 4 auf einer Welle 21 um eine Drehachse 22 drehbar gelagert und starr mit einem zweiten Magneten 26 verbunden ist. Das zweite Rad weist ebenfalls eine umlaufende Nut 23 und oberhalb und unterhalb der Nut 23 jeweils einen Zahnkranz 24 auf. In die Nut 23 ragt eine weitere Zunge 17 der Koppelstange 3. Bei dieser Ausführungsform weist die Koppelstange 3 auch auf ihrer dem zweiten Rad 20 zugewandten Seite Zähne 14 auf, die in den Zahnkranz 24 des zweiten Rads 20 eingreifen. Die Koppelstange 3 greift also gleichzeitig in das erste Rad 4 und in das zweite Rad 20 ein.
Auf einer gemeinsamen Halteplatte 7 sind die Hallsensoren 8, 26 angeordnet, wobei der erste Sensor 8 den Drehwinkel des ersten Rads 4 und der zweite Sensor 26 den Drehwinkel des zweiten Rads 20 misst.
Der Zahnkranz 24 des zweiten Rads 20 weist eine andere Anzahl von Zähnen auf als der Zahnkranz 13 des ersten Rads 4. Beispielsweise kann das erste Rad 4 einen Zahnkranz 13 mit N Zähnen aufweisen und das zweite Rad 20 einen Zahnkranz 24 mit N – 1 Zähnen.
Dies hat zur Folge, dass erst nach N – 1 Umdrehungen des ersten Rads 4 bzw. nach N Umdrehungen des zweiten Rads 20 beide Räder 4, 20 und damit auch die beiden Magneten 5, 25 und ihre Magnetfelder wieder die gleiche Stellung einnehmen. Aus den Messwerten des ersten Sensors 8 und des zweiten Sensors 26 wird zum einen die Differenz des Drehwinkels der beiden Räder 4, 20, und zum anderen die konkrete Stellung eines der beiden Räder 4, 20 bestimmt. Daraus lässt sich dann die Grob- und die Feinposition der Räder nach dem Nonius-Prinzip zusammensetzen. Dieses Vorgehen ermöglicht eine sehr genaue Messung des Drehwinkels und somit eine sehr genaue Bestimmung der Ventilschieberstellung.

1: Messsystem
2: Gehäuse
3: Koppelstange
4: Rad
5: Magnet
6: Drehachse
7: Halteplatte
8: Sensor
9: Zunge
10: Feder
11: Gegenkoppelstange
12: weitere Feder
13: Zahnkranz
14: Zähne
15: umlaufende Nut
16: Welle
17: weitere Zunge
18: Pfeil
19: Pfeil
20: zweites Rad
21: zweite Welle
22: zweite Drehachse
23: umlaufende Nut
24: Zahnkranz
25: zweiter Magnet
26: zweiter Sensor
27: Zunge
28: Stirnfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4407648 C2 [0002, 0003]
- DE 3119829 A1 [0004]

Claims

Messsystem (1) zur Erfassung der Position des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit, wobei das Messsystem (1) folgendes umfasst: – zumindest eine Koppelstange (3) mit einem ersten Ende, wobei das erste Ende mit dem Kolben einer Kolben-Zylinder-Einheit verbindbar ist und wobei die Koppelstange (3) in Richtung ihrer Längsachse translatorisch beweglich ist; – zumindest eine Welle (16, 21) mit einem Rad (4, 20), in das die Koppelstange (3) eingreift, wobei das Rad (4, 20) mittels der Welle (16, 21) drehbar gelagert ist und seine Drehachse (6, 22) senkrecht zur Längsachse der Koppelstange (3) steht; – zumindest einen Magneten (5, 25), der mit dem Rad (4, 20) verbunden und mit ihm drehbar ist; – zumindest einen Sensor (8, 26), der derart angeordnet ist, dass er eine Änderung des durch den Magneten erzeugten Magnetfelds bei Drehung des Rades (4, 20) um seine Drehachse (6, 22) misst.
Messsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Koppelstange (3) als Zahnstange und das Rad (4, 20) als Zahnrad mit zumindest einem Zahnkranz (13, 24) ausgebildet ist, in den die Zahnstange eingreift.
Messsystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Messsystem (1) folgende Merkmale aufweist: – zumindest ein erstes Rad (4) und ein zweites Rad (20), wobei das erste Rad (4) eine Anzahl n₁ Zähne und das zweite Rad (20) eine Anzahl n₂ Zähne aufweist und n₁ ≠ n₂ gilt; – zumindest einen ersten Magneten (5) und einen zweiten (25) Magneten, wobei das erste Rad (4) den mit ihm verbundenen ersten Magneten (5) und das zweite Rad (20) den mit ihm verbundenen zweiten Magneten (25) aufweist; – zumindest einen ersten Sensor (8) und einen zweiten Sensor (26), wobei der erste Sensor (8) eine Änderung des Magnetfelds des ersten Magneten (5) bei Drehung des ersten Rades (4) um seine Drehachse (6) und der zweite Sensor (26) eine Änderung des Magnetfelds des zweiten Magneten (25) bei Drehung des zweiten Rades (20) um seine Drehachse (22) misst.
Messsystem nach Anspruch 1, wobei die Koppelstange als Reibstange und das Rad als Reibrad mit zumindest einer Reibfläche ausgebildet ist, wobei das Reibrad auf der Reibstange abrollt.
Messsystem nach Anspruch 4, wobei das Messsystem folgende Merkmale aufweist: – zumindest ein erstes Rad und ein zweites Rad, wobei das erste Rad einen Radius r₁ und das zweite Rad einen Radius r₂ aufweist und r₁ ≠ r₂ gilt; – zumindest einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten, wobei das erste Rad den mit ihm verbundenen ersten Magneten und das zweite Rad den mit ihm verbundenen zweiten Magneten aufweist; – zumindest einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor, wobei der erste Sensor eine Änderung des Magnetfelds des ersten Magneten bei Drehung des ersten Rades um seine Drehachse und der zweite Sensor eine Änderung des Magnetfelds des zweiten Mag neten bei Drehung des zweiten Rades um seine Drehachse misst.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Feder (12) die Koppelstange (3) gegen das Rad (4) drückt.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das eine federbelastete Gegenkoppelstange (11) aufweist, die in das Rad (4, 20) eingreift und die in Richtung ihrer Längsachse translatorisch beweglich ist.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als Sensor (8, 26) jeweils ein Hallsensor vorgesehen ist.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Magnetfeld des Magneten (5, 25) eine Hauptkomponente in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (6, 22) des Rades (4, 20) aufweist.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Rad (4, 20) Kunststoff aufweist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Rad Metall aufweist.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei. die Koppelstange (3) in Längsrichtung zumindest eine Zunge (9, 17) aufweist und das Rad (4, 20) in Umfangsrichtung eine Nut (15, 23) aufweist, wobei die Zunge (9, 17) in die Nut (15, 23) eingreift.
Kolben-Zylindereinheit mit einem Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das erste Ende der Koppelstange (3) federbelastet gegen eine Stirnseite eines Kolbens drückt.
Kolben-Zylindereinheit nach Anspruch 13, wobei die Kolben-Zylindereinheit als Ventil und der Kolben als Ventilschieber ausgebildet ist.
Verfahren zur Erfassung der Position eines Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Auslenken einer Koppelstange (3) proportional zur Auslenkung des Kolbens durch translatorisches Bewegen der Koppelstange (3) in ihrer Längsrichtung; – Umwandlung der translatorischen Bewegung der Koppelstange (3) in eine Drehbewegung zumindest einer Welle (16, 21) mit einem Rad (4, 20), wobei die Koppelstange (3) in das Rad (4, 20) eingreift und das Rad (4, 20) einen Magneten (5, 25) trägt; – Messung des Drehwinkels des Rades (4, 20) durch zumindest einen Sensor (8, 26), der derart angeordnet ist, dass er eine Änderung des durch den Magneten (5, 25) erzeugten Magnetfelds bei Drehung des Rades (4, 20) um seine Drehachse (6, 22) misst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei als Koppelstange (3) eine Zahnstange und als Rad (4, 20) ein Zahnrad mit zumindest einem Zahnkranz (13, 24) verwendet wird, in den die Zahnstange eingreift.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Messsystem (1) zumindest ein erstes Rad (4) und ein zweites Rad (20) aufweist, wobei das erste Rad (4) eine Anzahl n₁ Zähne und das zweite Rad (20) eine Anzahl n₂ Zähne aufweist und n₁ ≠ n₂ gilt und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Umwandlung der translatorischen Bewegung der Koppelstange (3) in eine Drehbewegung des ersten Rads (4), das einen ersten Magneten (5) trägt, und des zweiten Rads (20), das einen zweiten Magneten (25) trägt; – Messung der Änderung des Magnetfelds des ersten Magneten (5) bei Drehung des ersten Rades (4) um seine Drehachse (6) durch einen ersten Sensor (8) und der Änderung des Magnetfelds des zweiten Magneten (25) bei Drehung des zweiten Rades (20) um seine Drehachse (22) durch einen zweiten Sensor (26).
Verfahren nach Anspruch 15, wobei als Koppelstange eine Reibstange und als Rad ein Reibrad mit zumindest einer Reibfläche verwendet wird, wobei das Reibrad auf der Reibstange abrollt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Messsystem zumindest ein erstes Rad und ein zweites Rad aufweist, wobei das erste Rad einen Radius r₁ und das zweite Rad einen Radius r₂ aufweist und r₁ ≠ r₂ und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Umwandlung der translatorischen Bewegung der Koppelstange in eine Drehbewegung des ersten Rads, das einen ersten Magneten trägt, und des zweiten Rads, das einen zweiten Magneten trägt; – Messung der Änderung des Magnetfelds des ersten Magneten bei Drehung des ersten Rades um seine Drehachse durch einen ersten Sensor und der Änderung des Magnetfelds des zweiten Magneten bei Drehung des zweiten Rades um seine Drehachse durch einen zweiten Sensor.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei aus dem Messwert des ersten Sensors (8) und aus der aus der Messung des ersten Sensors (8) und der Messung des zweiten Sensors (26) bestimmte Drehwinkeldifferenz zwischen dem ersten Rad (4) und dem zweiten Rad (20) die Auslenkung der Koppelstange (3) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei eine Feder (12) die Koppelstange (3) gegen das Rad (4) drückt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei eine federbelastete Gegenkoppelstange (11) in das Rad (4) eingreift, die in Richtung ihrer Längsachse translatorisch beweglich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei als Sensor (8; 26) jeweils ein Hallsensor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei der Magnet (5, 25) ein Magnetfeld mit einer Hauptkomponente in einer Ebene senkrecht zur Drehachse (6, 22) des Rades (4, 20) erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei die Koppelstange (3) in Längsrichtung eine Zunge (9, 17) aufweist und das Rad (4, 20) in Umfangsrichtung eine Nut (15, 23) aufweist, wobei die Zunge (9, 17) in die Nut (15, 23) eingreift.