AT527076A1 - Vorrichtung zum Erfassen der Rotationsbewegung eines Kolbenbolzens - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Erfassen der Rotationsbewegung eines Kolbenbolzens (2) mit einem stationär angeordneten Messkopf (1) beschrieben. Um eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass eine möglichst störungsresistente Messung der Rotationsbewegung eines Kolbenbolzens ermöglicht wird, ohne dabei fertigungstechnische Maßnahmen ergreifen zu müssen, die die Kolbenbolzengeometrie und folglich seine Bewegung maßgeblich beeinflussen, wird vorgeschlagen, dass in einer zur Kolbenbolzendrehachse (5) orthogonal verlaufenden Montageebene mehrere Magnetpole (4) mit gruppenweise unterschiedlicher Polarität angeordnet sind und der Messkopf (1) ein Magnetfeldsensor für diese Magnetpole (4) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtung zum Erfassen der Rotationsbewegung

eines Kolbenbolzens mit einem stationär angeordneten Messkopf.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Rotationsbewegung eines Kolbenbolzens zu messen, da dieser im Betrieb stark beansprucht wird und Informationen über dessen Rotationsbewegung Aufschlüsse über den Verschleiß und den Schmiermittelbedarf geben. Beispielsweise zeigt die US7942044B2 eine Messvorrichtung, bei der eine Unterbrecherscheibe mit Schlitzen auf dem Kolbenbolzen angeordnet ist. Ein optischer Signalgenerator und -empfänger ist so innerhalb des Kolbens angeordnet, dass das vom Signalgenerator emittierte Licht vom Empfänger detektiert wird, wobei die Unterbrecherscheibe im optischen Pfad angeordnet ist. Licht kann demzufolge nur dann zum Empfänger gelangen, wenn einer der Schlitze der Unterbrecherscheibe im optischen Pfad liegt und wird sonst blockiert. Aus diesem binären Muster kann über eine Recheneinheit die

Drehrichtung und -geschwindigkeit bestimmt werden.

Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass der optische Pfad nicht nur durch die Unterbrecherscheibe, sondern auch durch Partikel, Rauch, etc. beeinträchtigt werden kann, wodurch die Aussagekraft der gemessenen Werte beeinträchtigt wird. Weiters muss die Unterbrecherscheibe, sowie der Signalgenerator und -empfänger innerhalb des Kolbens angebracht werden, was nicht nur fertigungstechnisch kompliziert ist, sondern auch das Bewegungsverhalten

sowohl des Kolbens als auch des Kolbenbolzens negativ beeinflusst.

Kolbenbolzengeometrie und folglich seine Bewegung maßgeblich beeinflussen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass in einer zur Kolbenbolzendrehachse orthogonal verlaufenden Montageebene mehrere Magnetpole mit gruppenweise unterschiedlicher Polarität angeordnet sind und der Messkopf ein Magnetfeldsensor für diese Magnetpole ist. Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass die Bewegung des Kolbenbolzens die Magnetpole auf dem Kolbenbolzen mitbewegt. Dies bewirkt eine Änderung des messbaren Magnetfelds, wobei diese Messung des Magnetfelds bzw. dessen Änderung störungsresistenter gegenüber der üblicherweise in einem Verbrennungsmotor auftretenden Störfaktoren wie Rauch, Rußpartikel, etc. ist. Darüber hinaus muss keine ununterbrochene Sichtlinie bzw. optischer Pfad zwischen dem Messkopf und den Magnetpolen hergestellt werden, was mit vergrößerter konstruktiver Freiheit bei der Anordnung der Vorrichtung einhergeht. So können die Magnetpole beispielsweise innerhalb des Kolbenbolzens angeordnet werden, sodass die äußere Geometrie des Kolbenbolzens unbeeinflusst bleibt und sich das Drehmoment nur minimal oder gar nicht ändert. Dadurch, dass die Magnetpole gruppenweise eine unterschiedliche Polarität aufweisen, ändert sich durch die Drehbewegung des Kolbenbolzens das vom stationär angeordneten Messkopf gemessene Magnetfeld. Aus dieser gemessenen Magnetfeldänderung, die Ja mit der Positionsänderung der Magnetpole und in weiterer Folge des Kolbenbolzens zusammenhängt, kann die Rotationsbewegung des Kolbenbolzens bestimmt werden. Beispielsweise ist die Frequenz, mit der sich das Magnetfeld ändert mit der Rotationsgeschwindigkeit des Kolbenbolzens proportional. Je zwei Magnetpole werden von einem Magneten ausgebildet, wobei diese Magnete so angeordnet und ausgerichtet sein können, dass die Messung bei gegebener Messgenauigkeit des Messkopfs verbessert wird. Beispielsweise kann ein Magnetpol eines Magneten dem Messkopf zugewandt und der zweite Magnetpol desselben Magneten dem Messkopf abgewandt sein, sodass

sich durch die unterschiedlichen Polaritäten der Gruppen größtmögliche

von wenigstens 500Hz ab.

Die Magnetpole können mit wenig fertigungstechnischem Aufwand angeordnet werden, wenn die Magnetpole durch die Stirnseiten von Stabmagneten gebildet werden. Durch den im Vergleich zu Elektromagneten, die noch dazu zusätzliche externe Energieversorgung benötigen, oder Magneten mit komplexeren Geometrien können Stabmagneten verhältnismäßig einfach ausgerichtet und aufgrund ihrer

ebenen Flächen auch einfach eingesetzt bzw. befestigt werden.

Um aus dem gemessenen Magnetfeld bzw. dessen Änderung mit möglichst geringem Bearbeitungsaufwand die Rotationsbewegung des Kolbenbolzens zu bestimmen, wird vorgeschlagen, dass die Magnetpole in wenigstens einer Reihe und innerhalb dieser äquidistant zur Kolbenbolzendrehachse angeordnet sind. Abgesehen von der einfacheren Fertigung, die mit äquidistanter Anordnung der Pole einhergeht, muss die Distanz zwischen Magnetpol und Messkopf nicht berücksichtigt werden, da diese für alle Magnetpole gleich ist. Bevorzugterweise ist das Magnetfeld aller Magnete gleich stark, sodass eine Variation der Magnetfeldstärke ebenso nicht berücksichtigt werden muss. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand jedes Magneten zu seinen Nachbarn ebenso gleich, um ein möglichst periodisches Signal zu erhalten, wodurch sich die

Rotationsbewegung leichter bestimmen lässt.

Bauform erreicht werden kann.

Um die Rotationsgeschwindigkeit, bzw. Beschleunigung, sowie die Richtungsänderung des Kolbenbolzens mit geringem Signalbearbeitungsaufwand und geringen konstruktiven Maßnahmen umzusetzen, kann das Polaritätsmuster der ersten Reihe alternierend und das der zweiten Reihe paarweise alternierend sein. Somit weist eine Reihe das Polaritätsmuster N-S-N-S-N-S-N-S-usw. und die zweite Reihe das Polaritätsmuster N-N-S-S-N-N-S-S-usw. auf, sodass sich eine charakteristische Abfolge von Messwertpaaren, beispielsweise NN, SN, NS, SS, etc. ausbildet. Die Sequenz der gemessenen Messwertpaare unterscheidet sich je nachdem, ob sich der Kolbenbolzen, und die Magnetpole mit ihm, im oder gegen

den Uhrzeigersinn drehen, wodurch der Drehsinn einfach bestimmt werden kann.

Um ohne aufwendige Fertigungsschritte, die eventuell sogar die Stabilität des Kolbenbolzens beeinträchtigen, die Signalqualität zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die Magnetpole an einer Kolbenbolzenstirnseite angeordnet

sind. Zufolge dieser Maßnahmen muss der Kolbenbolzen nämlich nicht aufgebohrt,

und/oder das emittierte Magnetfeld negativ beeinflusst.

Um den Messkopf so am Kolbenbolzen anzuordnen, dass eine gute Messqualität erreicht wird, ohne dabei den Kolben in seiner Funktion zu beeinträchtigen, kann der Messkopf am Sicherungsring des Kolbenbolzens befestigt sein. Dadurch kann der Messkopf räumlich nahe an den Magnetpolen angeordnet und so ein relativ starkes Magnetfeld gemessen werden. Weiters müssen keine Modifikationen am Kolben, beispielswiese ein Bohrloch zur Befestigung des Messkopfs, vorgesehen werden, sodass sich dessen mechanische Eigenschaften als Teil des Verbrennungsmotors nicht ändern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Messkopf einfach mit dem Sicherungsring entfernt werden kann, was die Wartung bzw. den Austausch des Messkopfs bzw. der Vorrichtung, des Kolbenbolzens und

des Kolbens vereinfacht.

Die Messergebnisse beim Einsatz üblicher Permanentmagneten hängen von der Temperatur ab, da sich das Energieprodukt von Magneten bei höherer Temperatur verringert. Im Betriebsumfeld eines Verbrennungsmotors, nimmt also zwangsläufig die messbare Signalqualität mit steigender Temperatur ab. Zwar könnten prinzipiell Elektromagneten bei höherer Betriebstemperatur so geregelt werden, dass das Energieprodukt bei steigender Temperatur gleichbleibt, allerdings erfordert dies eine externe Energiezufuhr und Regelung, die wenigstens teilweise ebenso im Verbrennungsmotor angeordnet werden muss. Um ohne diese zusätzliche Regelung und Energiezufuhr dennoch gute Messergebnisse bei der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass

die Magnetpole von Samarium-Kobalt-Magneten gebildet werden. Samarium-

Kolbenbolzens.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es

zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Kolben mit montierter erfindungsgemäßer Vorrichtung,

Fig. 2 einen Ausschnitt der Fig. 1 mit dem Kolbenbolzen und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in größerem Maßstab und

Fig. 3 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der von den Magnetpolen erzeugten

und vom Messkopf gemessenen Magnetfelder.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Magnetfeldsensor als Messkopf 1, welcher im Gegensatz zum beweglichen Kolbenbolzen 2 ortsfest angeordnet ist, sodass weitere Bewegungen des Kolbens 3 oder anderer Teile des Motors einen möglichst geringen Einfluss auf die Messung der Rotationsbewegungen des Kolbenbolzens 2 ausüben. Mehrere Magnetpole 4 sind innerhalb einer Montageebene, die quer zur Drehachse 5 des Kolbenbolzens 2 verläuft, angeordnet, wobei diese Magnetpole 4 gruppenweise unterschiedliche Polarität aufweisen. Die unterschiedliche Polarität ist in Fig. 1 und noch besser in Fig. 2 an der teils vorhandenen und teils nicht vorhandenen Schraffierung der Magnetpole 4 beispielsweise dargestellt. Die Magnetpole 4 könne bevorzugt durch Stabmagnete ausgebildet werden, da diese keine externe Stromversorgung benötigen und räumlich kompakt ausgeführt sein können. Da die Magnete bei den Betriebstemperaturen eines Verbrennungsmotors zum Einsatz kommen, sich hohe Temperaturen aber nachteilig auf Magnete auswirken, können die Magnete, die die Magnetpole 4 ausbilden, Samarium — Kobalt — Magnete sein, da diese auch bei relativ hohen Temperaturen betrieben werden können. Um die Magnetpole 4 am Kolbenbolzen 2 so anzuordnen, dass dieser einstückig ausgeführt sein kann

und/oder möglichst wenig bearbeitet werden muss, sind die Magnetpole 4 an der

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werden kann.

Der Messkopf 1 misst das Magnetfeld der Magnetpole 4. Bewegt sich der Kolbenbolzen 2, bewegen sich die Magnetpole 4 mit ihm und der gegenüber den Magnetpolen 4 ortsfeste Messkopf 1 registriert eine Änderung des Magnetfelds aus der die Bewegung des Kolbenbolzens 2 bestimmt werden kann. Alterniert beispielsweise die Polarität benachbarter Magnetpole 4, sodass sich Nord- und Südpol immer abwechseln, ändert sich das gemessene Magnetfeld periodisch abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Kolbenbolzens 2. Um die Messung zu vereinfachen, empfiehlt es sich, wie gezeigt, die Magnetpole 4 in einer Reihe und äquidistant zur Drehachse 5 des Kolbenbolzens 2 anzuordnen. Dadurch ergibt sich eine ringförmige Anordnung der Magnetpole 4, sodass bei der Messung des Magnetfelds Distanzunterschiede der Magnetpole 4 zur Drehachse 5 nicht berücksichtigt werden müssen. Bevorzugterweise sind die Magnetpole 4 entlang des von den Magnetpolen 4 gebildeten diskreten Rings umfangseitig gleich zueinander beabstandet. Weiters sind die Feldstärken der Magnetfelder der Magnetpole 4 bevorzugterweise gleich stark, sodass das vom Messkopf 1 gemessene Magnetfeld lediglich von der Position der Magnetpole 4 entlang des

Umfangs des von den Magnetpolen 4 gebildeten Rings beeinflusst wird.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei zur Drehachse 5 des Kolbenbolzens 2 konzentrisch angeordnete Reihen an Magnetpolen 4 vorgesehen, wobei sich die Polaritätsmuster der beiden Reihen voneinander unterscheiden. So weist die äußere Reihe ein Polaritätsmuster alternierender Pole, N-S -N —S -— usw., auf, während die innere Reihe ein Polaritätsmuster paarweise alternierender Pole, N-N —S-S- usw., aufweist. Durch diese unterschiedlichen Polaritätsmuster kann nicht

nur die Rotationsgeschwindigkeit und etwaige Änderungen der

Magnetfeld abhängig von der Drehrichtung des Kolbenbolzens 2 ändert.

Der Messkopf 1 kann bevorzugt am Sicherungsring 6 des Kolbenbolzens 2 angebracht sein, da er dort einerseits einfach stationär gelagert und andererseits

nahe an den Magnetpolen 4 angeordnet werden kann.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem das gemessene Magnetfeld (in willkürlichen Einheiten) auf der Y-Achse 7 abhängig vom zeitlichen Verlauf (in willkürlichen Einheiten) auf der X-Achse 8 dargestellt ist. Das gemessene Magnetfeld stammt von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie in den Figs.1 und 2 gezeigt, nämlich mit zwei zur Kolbenbolzendrehachse 5 konzentrischen Reihen an Magnetpolen 4, wobei die vom Messkopf 1 gemessenen Messwerte 9 der ersten Reihe durchgängig und die Messwerte 10 der zweiten Reihe strichliert dargestellt sind. Wie der Fig. 3 entnommen werden kann, kann zu jedem Zeitpunkt aus den dem Zeitpunkt entsprechenden Messwerten 9, 10 der beiden Reihen die momentane Polarität der den Messkopf 1 passierenden Magnetpole 4 bestimmt werden. Beispielsweise haben die den Messkopf 1 zum Zeitpunkt „20“ passierenden Magnetpole 4 die gleiche Polarität, beispielsweise „S — S“, wie sich an den negativen Messwerten feststellen lässt. Zwischen den Zeitpunkten „25“ und „30“ existiert ein Zeitfenster, in dem die Magnetpole 4 gegensätzliche Polarität, beispielsweise „N — S“ aufweisen, da ein Messwert negativ, der zweite positiv ist. Wie oben beschrieben lässt sich aus der zeitlichen Abfolge der Polarität ermitteln, ob der Kolbenbolzen 2 seine Rotationsrichtung ändert, wenn die Abfolge der Polarität abhängig von der

Drehrichtung ist.

Claims (1)

1. (345096.7) IV

   Patentansprüche

   1. Vorrichtung zum Erfassen der Rotationsbewegung eines Kolbenbolzens (2) mit einem stationär angeordneten Messkopf (1), dadurch gekennzeichnet, dass in einer zur Kolbenbolzendrehachse (5) orthogonal verlaufenden Montageebene

   mehrere Magnetpole (4) mit gruppenweise unterschiedlicher Polarität angeordnet

   sind und der Messkopf (1) ein Magnetfeldsensor für diese Magnetpole (4) ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole

   (4) durch die Stirnseiten von Stabmagneten gebildet werden.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (4) in wenigstens einer Reihe und innerhalb dieser äquidistant zur

   Kolbenbolzendrehachse (5) angeordnet sind.

   4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (4) in wenigstens zwei zur Kolbenbolzendrehachse (5) konzentrischen Reihen angeordnet sind, wobei Magnetpole (4) unterschiedlicher

   Reihen ein voneinander abweichendes Polaritätsmuster aufweisen.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polaritätsmuster der ersten Reihe alternierend und das der zweiten Reihe

   paarweise alternierend ist.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

   dass die Magnetpole (4) an einer Kolbenbolzenstirnseite angeordnet sind.

   dass der Messkopf (1) am Sicherungsring (6) des Kolbenbolzens (2) befestigt ist.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

   dass die Magnetpole (4) von Samarium-Kobalt-Magneten gebildet werden.