DE3718047A1 - Rotationsmessfuehler fuer fahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationsmeßfühler für Fahr­ zeuge und mehr im einzelnen einen Drehungsmeßfühler, der für Geschwindigkeitsmesser, Drehzahlmesser, Fahrtmesser od.dgl. verwendbar ist.

Bekannte Rotationsmeßfühler haben ein Gehäuse mit einer zylindrischen Bohrung, in der eine drehbare Welle gelagert ist, die über eine biegsame Welle mit einem Motor- oder Getriebeteil verbunden ist und in ihrem mittleren Teil eine mit ihr einstückig verbundene Verdickung von größerem Durchmesser aufweist. Diese Verdickung hat zwei diametral einander gegenüberliegende Abflachungen und eine Umfangs­ nute, in der ein Magnetring angeordnet ist, welcher durch "Einsatzgießen" (insert molding) auf einer Umfangsnute be­ festigt ist, so daß er sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung drehfest mit dem Fortsatz der Welle ver­ bunden ist. Unter "Einsatzgießen" wird ein Verfahren ver­ standen, bei dem ein Kunstharz an ein Metallteil durch Spritzpressen, Spritzgießen oder Extrudieren angeformt wird.

Bei dem bekannten Rotationssensor besteht der Magnetring aus einem Tragring aus Kunstharz, der an seinem Außen­ umfang eine Ausnehmung aufweist, in der ein ringförmiger, vielpoliger Ferritmagnet angeordnet ist. Dieser auf der mittleren Verdickung der Welle angeordnete Magnetring dreht sich zusammen mit der Welle mit der gleichen Winkelgeschwin­ digkeit wie diese.

Auf der inneren Umfangsfläche der Gehäuseausnehmung, in der sich die Gerätewelle mit dem Magnetring dreht, ist dem ring­ förmigen Ferritmagneten gegenüber ein Detektor angeordnet, beispielsweise eine Induktionsspule oder ein magnetempfind­ liches Element (beispielsweise ein Hall-Element, ein Magnet­ widerstandselement od.dgl.), welches die Änderungen des Kraftlinienflusses erfaßt, die durch die Drehung des ring­ förmigen Ferritmagneten hervorgerufen werden und wodurch die Umlauffrequenz und die Drehgeschwindigkeit gemessen werden können.

Da die meist biegsame Übertragungswelle so kurz wie möglich sein soll, um Torsionsschwingungen auszuschalten, muß das Meßinstrument möglichst nahe am Motor oder am Getriebe sitzen, dessen Drehbewegung es erfassen soll. Außerdem soll das Gerät moglichst leicht und klein sein. Die bekannten Geräte können jedoch nicht in der Nähe einer Brennkraftmaschine installiert werden, wo Temperaturen über 130°C auftreten, da der Tragring des Magnetelementes, der gewöhnlich aus einem Kunstharz wie Polyacetalharz oder Polybutylen-Terephthalat (P.B.T.) besteht, nicht genügend hitzebeständig ist.

Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, den Magnet­ ring aus einem wärmebeständigen Kunstharz wie Polyphenylen­ sulfid mit eingelagerten Ferritteilchen herzustellen und diesen Magnetring auf der Verdickung der Antriebswelle zu befestigen. Obgleich ein solcher Magnetring gute wärmebestän­ dige Eigenschaften hat, traten gleichwohl in diesem Magnet­ ring Risse auf, da dieser Ring sich infolge der Temperatur­ unterschiede, die in der Nachbarschaft der Maschine über 130°C betragen, wiederholt ausdehnt und zusammenzieht.

Um das Auftreten von Rissen zu verhindern, wurde dann vor­ geschlagen, das Größenverhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser des Magnetringes so zu ändern, daß dieses Verhältnis größer oder gleich 10 ist, oder den Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten des Kunstharzes, aus dem der Magnet­ ring aufgebaut ist, so einzustellen, daß dieser Wärmeaus­ dehnungskoeffizient demjenigen des Materials gleich ist, aus dem die Antriebswelle besteht. Hierdurch wurde jedoch durch die Verringerung des Innendurchmessers des Magnet­ ringes dessen Befestigung auf der Welle erschwert und das Gerät als Ganzes infolge der Vergrößerung des Außendurch­ messers des Magnetringes wesentlich voluminöser. Außerdem werden die Herstellkosten bedeutend höher, da für den größe­ ren Ring eine wesentlich größere Menge des hierfür verwende­ ten, sehr teuren Kunststoffes erforderlich ist. Wenn der Magnetring durch Einsatzspritzen auf der Welle befestigt wird, ist es außerdem notwendig, die Form für den Magnet­ ring so auszubilden, daß das Auftreten einer Schweißlinie unbedingt verhindert wird, die eine der Ursachen für das Entstehen von Rissen ist. Derartige schweißlinienfreie Spritzgußformen sind sehr aufwendig und erhöhen die Her­ stellungskosten bedeutend. Außerdem konnte nicht immer ver­ hindert werden, daß sich der Magnetring von seiner Welle löst.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Rotationssensor oder Drehungsmeßfühler für Fahr­ zeuge zu schaffen, der bei geringem Gewicht eine hohe Wärme­ widerstandsfähigkeit hat, in hohen, stark wechselnden Um­ gebungstemperaturen, z.B. neben einer Brennkraftmaschine, eingebaut werden kann und bei dem Risse im Magnetteil nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung bei einem Rotations­ meßfühler, der einen auf einer Welle angeordneten Magnet­ ring und einen Detektor zum Erfassen der durch die Drehung des Magnetringes erzeugten Änderungen des Magnetflusses auf­ weist und wobei die Rotationsfrequenz oder Rotationsgeschwin­ digkeit durch Messen der Magnetflußänderungen ermittelt wird, dadurch gelöst, daß der Magnetring aus einem hitzebeständigen Kunstharz und Magnetstoffen besteht und daß der Magnetring an der Welle mit einem hitzebeständigen elastischen Teil be­ festigt ist.

Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß im Magnet­ ring auch dann, wenn der Rotationsmeßfühler an einem Hoch­ temperaturort, beispielsweise in der Nähe einer Brennkraft­ maschine, angeordnet ist, kein Riß auftreten kann, da die Ausdehnung und Zusammenziehung im Magnetring durch das hitze­ beständige elastische Teil absorbiert wird. Hierdurch ist es möglich, ein Abfallen des Magnetringes von der Welle zu ver­ hüten und einen Rotationsmeßfühler von guten Eigenschaften mit geringen Kosten herzustellen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an einem Bei­ spiel näher erläutert ist. Es zeigt:

Fig. 1 einen Rotationssensor für Fahrzeuge nach der Erfindung in einer Seiten­ ansicht und teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm, welches das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Ergebnisse der Wärmewechselprüfung des Drehungsmeßfühlers nach der Erfin­ dung im Vergleich zu bekannten Rotations­ sensoren zeigt,

Fig. 4 die Welle mit dem Magnetring eines Rotationssensors nach der Erfindung in einer anderen Ausführungsform in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt und

Fig. 5 den Gegenstand der Fig. 4 in einer Stirnansicht von rechts gesehen.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des Drehungsmeßfühlers oder Rotationssensors nach der Erfin­ dung, wie er bei Fahrzeugen verwendet wird.

In den Zeichnungen ist mit 11 ein Sensorgehäuse bezeichnet, welches eine zylindrische Ausnehmung 12 aufweist, die eine ebenfalls zylindrische Erweiterung 13 hat und in der eine Welle 15 angeordnet ist. Die beiden Enden 15 a und 15 b der Welle 15 sind mit Lagern 14 an den Ecken drehbar gelagert, wo die zylindrische Ausnehmung 12 in die zylindrische Erwei­ terung 13 übergeht.

Die Welle 15 ist durch ein Übertragungsglied 16, beispiels­ weise eine biegsame Welle, an die Abtriebswelle eines Motors oder eines nicht näher dargestellten Fahrzeuggetriebes an­ geschlossen, wobei das Übertragungsglied 16 mit einem in der Welle 15 angeordneten Verbindungsteil 15 c am Ende 15 b der Welle 15 drehfest verbunden ist. Der Verbindungsteil 15 c hat einen quadratischen Querschnitt und umgreift dicht ein Ende des Übertragungsgliedes 16, welches ebenfalls einen quadratischen Querschnitt hat und in den Verbindungsteil paßt, so daß die Drehbewegung des Motors od.dgl. sicher auf die Welle 15 übertragen wird.

Im mittleren Bereich der Welle 15 sind auf deren Außenumfang eine Umfangsnute 15 d und auf einander gegenüberliegenden Stel­ len nicht näher dargestellte Kerben angeordnet. Am Grund der Nute 15 d ist ein hitzebeständiger, elastischer Körper 17 an­ geordnet, mit dem ein ringförmiges Magnetelement 18 auf der Welle 15 befestigt ist. Durch die Anordnung der Nute 15 d ist das Magnetelement 18 an der Welle 15 axial unverschieblich und mit Hilfe der Kerben 15 e undrehbar verbunden, so daß sich das Magnetelement 18 zusammen mit der Welle 15 sicher dreht.

Das ringförmige Magnetelement 18 besteht aus einer Zusammen­ setzung eines hitzebeständigen Kunstharzes, wie beispielsweise Polyphenylensulfid, und magnetischen Stoffen, wie beispiels­ weise Ferrit-Teilchen, und es ist an der Welle 15 durch Ein­ satzgießen (insert molding) befestigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Magnetelement 18 aus 85-95 Gew.% Ferrit-Teilchen, 5-15 Gew.% Polyphenylin­ sulfidharz mit hitzebeständigen Eigenschaften und aus 1-10 Gew.% Bewehrungsmaterial, das in erster Linie aus Glasfasern, einer Mischung aus Glasfasern und Phenolpartikeln oder aus einem anorganischen Material, wie beispielsweise Kohlefasern, besteht. Dieses Magnetelement 18 ist durch Ein­ satzgießen an der Welle 15 im Magnetfeld befestigt. Bei die­ sem Verfahren wird dem Magnetelement 18 eine magnetische Anisotropie erteilt, wobei im wesentlichen die gleiche Magnet­ kraft erzielt wird wie bei bekannten Magnetteilen, die nur aus Ferritmaterial bestehen. Nachdem das Magnetelement durch Spritzgießen an die Welle angeformt worden ist, wird das Magnetelement in Umfangsrichtung magnetisiert, so daß es die gewünschte Anzahl von Polen aufweist.

Das auf diese Weise hergestellte Magnetelement hat nicht nur eine gute Hitzebeständigkeit, sondern auch eine ausreichende magnetische Feldstärke und außerdem eine gute Rißfestigkeit beim Auftreten von Wärme- oder mechanischen Schocks.

Auf der inneren Umfangsfläche der zylindrischen Erweiterung 13 ist ein Detektor 19, beispielsweise eine Induktionsspule oder ein Magnetsensor, z.B. ein Hall-Element oder ein magne­ tisches Widerstandselement od.dgl. angeordnet, welches die Änderungen im magnetischen Kraftfluß erfaßt, die bei der Drehung des Magnetelementes 18 hervorgerufen werden. Hier­ durch kann die Rotationsfrequenz und die Rotationsgeschwin­ digkeit gemessen werden.

Der hitzebeständige, elastische Körper besteht vorzugsweise aus einem Rohr oder einem Band aus Fluorharz oder Silikon­ harz. Wenn der Außendurchmesser der Welle 15 6 mm und der Außendurchmesser des Magnetelementes 18 20 mm beträgt, hat die Ausnehmung 15 d vorzugsweise eine Tiefe von 0,5 mm und die Dicke des elastischen Körpers 17 beträgt vor dem Anbrin­ gen des Magnetelementes 18 mehr als 0,05 mm.

Der elastische Körper 17 kann in der Nute 15 d der Welle 15 nach den folgenden Verfahren angebracht werden: Ein Verfahren besteht darin, daß ein rohrförmiger, hitzebeständiger, elasti­ scher Körper 17 auf den Grund der in der Welle 15 angeordne­ ten Ausnehmung 15 d aufgelegt und an diesem durch Wärme­ schrumpfung befestigt wird. Nach den anderen Verfahren wird ein bandförmiger, hitzebeständiger, elastischer Körper 17 in die Nute 15 d gewickelt und am Boden der Nute 15 d durch Wärme­ schrumpfung befestigt, oder ein geschmolzenes Material des hitzebeständigen, elastischen Körpers 17 wird auf den Boden der Ausnehmung 15 d aufgebracht.

Nachdem der hitzebeständige, elastische Körper 17 auf den Grund der Nute 15 d aufgebracht wurde, wird das Magnetelement 18 an der Welle 15 durch Angießen an die Welle in einer Spritz­ form befestigt (insert molding). Bei derart hergestellten Teilen unterliegt das geschrumpfte Fluor- oder Silikonharz nicht mehr einer Verformung oder Aushärtung durch Wärmeeinwirkung, so daß das Auftreten von Rissen in dem Magnetelement verhindert wird.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die das Prinzip der Erfindung wiedergibt und die Beziehung zwischen dem Verfor­ mungsgrad δ und der Spannung W zeigt. In dem Diagramm ist Smg eine zulässige Verformung des Magnetelementes 18 und S′, eine zulässige Verformung des elastischen Körpers 17.

In einem Fall, wo zwischen dem Magnetelement 18 und der Welle 15 kein elastischer Körper vorgesehen ist, stellt sich die zulässige Verformung Smg durch die folgende Formel dar:

Smg ≦ ( α mg - α s) · T · D

Hierbei bedeuten:

α mg = Wärmeausdehnungskoeffizient des Magnetelementes [/°C] α s = Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle [/°C] T = Temperatur [°C] d = Außendurchmesser der Welle (welche dem Innendurchmesser des Magnetelementes entspricht) [mm]

Demzufolge vergrößert sich in einem Fall, wo ein elastischer Körper 17 zwischen dem Magnetelement 18 und der Welle 15 angeordnet ist, die zulässige Verformung S″ nach folgender Formel:

S″ = Smg + S′,

weil der Elastizitätsbereich vergrößert wird. Es ist deshalb nicht möglich, daß ein Riß auftritt, da eine übermäßige Spannung auch dann nicht auftritt, wenn das Magnetelement 18 sich innerhalb eines bestimmten Temperaturschwankungsbereiches ausdehnt oder zusammenzieht.

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Ergebnisse einer Wärmewechselprüfung bei einem bekannten Sensor und bei dem Sensor nach der Erfindung. Diese Wärmewechselprüfungen werden während 60 Minuten bei -40 [°C] und 60 Minuten bei +150 [°C] durchgeführt, und es wird nach jedem Zyklus gemessen, ob ein Riß aufgetreten ist oder nicht.

Anhand der Ergebnisse dieser Tests kann gefunden werden, daß bei dem bekannten Magnetelement immer noch vor 100 Wärme­ wechseln ein Riß auftrat, obgleich Unterschiede je nach Art der Materialzusammensetzung zu sehen sind, daß aber bei dem Magnetelement nach der Erfindung auch nach mehr als 200 Wärmewechseln kein Riß aufgetreten ist. In diesem Falle wurde ein Polytetrafluoräthylen-Band, das unter dem Waren­ zeichen "Teflon" bekannt ist, als hitzebeständiger elasti­ scher Körper 17 verwendet.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform hat eine Antriebswelle 25 in ihrem Mittelteil einen umlaufenden Vorsprung 25 a. In der äußeren Umfangsfläche des Vorsprunges 25 a sind jeweils um 90° gegen­ einander versetzt vier axial verlaufende Kerben 25 b vor­ gesehen, wie dies in Fig. 5 zu erkennen ist. Bei dieser Aus­ führungsform kann die Welle nach dem folgenden Verfahren her­ gestellt werden:

Zunächst wird in Richtung der Achse der Antriebswelle 25 eine Sackbohrung hergestellt. Danach werden auf der äußeren Umfangs­ fläche der Antriebswelle 25 in Abständen von 90° vier Axial­ kerben 25 b durch Pressen eingeformt, wobei die Innenwand der Öffnung von den vier Seiten her so verformt wird, daß ein Verbindungsabschnitt 25 c von im wesentlichen quadratischem Hohlquerschnitt entsteht. Nach diesem Umformprozeß wird der nutzlose Teil der Außenfläche der Antriebswelle 25 abgedreht, um den Vorsprung 25 a zu bilden und hierdurch die in Fig. 4 dargestellte Antriebswelle zu erhalten.

Danach wird ein Magnetelement unter Zwischenschaltung eines hitzebeständigen elastischen Körpers 27, der auf den Vorsprung 25 a und die Kerben 25 b aufgebracht wird, durch Einsatzgießen (insert molding) an der Antriebswelle 25 befestigt.

Da eine Ausdehnung und Zusammenziehung des Magnetelementes von dem elastischen Körper 27 absorbiert wird, kann in dem Magnetelement 28 kein Riß auftreten. Außerdem ist das Magnet­ element 28 mit der Antriebswelle 25 sowohl in Drehrichtung als auch in Axialrichtung infolge der Anordnung der axial verlaufenden Kerben und der in Umfangsrichtung verlaufenden Ausnehmung fest verbunden, so daß sich das Magnetelement zu­ sammen mit der Antriebswelle sicher dreht.

Bei einem Sensor dieser Konstruktion besteht keine Möglich­ keit, daß ein Riß im Magnetelement auftritt, auch wenn der Rotationssensor in einem Hochtemperaturraum, beispielsweise im Umfeld einer Brennkraftmaschine, angeordnet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschrie­ benen Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind mehrere Änderungen und Ergänzungen möglich, ohne den Rahmen der Er­ findung zu verlassen.

Claims (7)

1. Rotationsmeßfühler für Fahrzeuge mit einer an die Ab­ triebswelle eines Motors oder eines Fahrzeuggetriebes anschließbaren Welle, einem an der Welle angeordneten, ringförmigen Magnetelement und einem Detektor zum Er­ fassen der durch die Drehung des Magnetelementes ver­ ursachten Magnetflußänderungen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Magnetelement (18 bzw. 28) aus einem hitzebeständigen Harz und aus Magnet­ teilchen besteht und unter Zwischenschaltung eines hitzebeständigen elastischen Körpers (17 bzw. 27) an der Welle (15 bzw. 25) befestigt ist.

2. Rotationsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (15) eine Umfangsnute (15 d) aufweist, in der der hitze­ beständige, elastische Körper (17) angeordnet ist, und daß das Magnetelement (18) an der Welle (15) durch Einsatzgießen befestigt ist und die Ausnehmung (15 d) abdeckt oder ausfüllt.

3. Rotationsmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige, elastische Körper (17 bzw. 27) aus Fluoro- oder Silikonharz besteht.

4. Rotationsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige, elastische Körper (17 bzw. 27) rohrförmig ausgebildet ist.

5. Rotationsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige, elastische Körper (17 bzw. 27) die Form eines Bandes hat.

6. Rotationsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige, elastische Körper (17 bzw. 27) auf die Welle (15 bzw. 25) aufgeschrumpft ist.

7. Rotationsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige, elastische Körper (17 bzw. 27) auf die Welle (15 bzw. 25) aufgeschmolzen bzw. in deren Nute (15 d) eingeschmolzen ist.