Устройство для определения углового положения вращающихся деталей транспортного средства

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может найти применение в антиблокировочных тормозных системах транспортных средств, в микропроцессорных системах управления двигателем автомобиля. Сущность: устройство содержит магнитопровод, постоянный магнит смещения и магниточувствительный элемент Холла. Магнитопровод выполнен в виде стержня с резьбой, на котором установлен с возможностью перемещения рассеиватель магнитного поля. Один конец стержня с резьбой имеет расширение с радиальным выступом, на котором расположен магниточувствительный элемент Холла. На другом конце стрежня расположен постоянный магнит смещения. Технический результат: увеличение дальности срабатывания устройства, уменьшение габаритов постоянного магнита, расширение возможностей регулирования чувствительности устройства, получения определенного угла его включения, упрощение и удешевление конструкции. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может найти применение как в антиблокировочных тормозных системах транспортных средств для определения скорости вращения колес, так и в микропроцессорных системах управления двигателем автомобиля для определения положения коленчатого и распределительного валов и формирования угловых импульсов.

В настоящее время большинство современных транспортных средств оснащаются микропроцессорным управлением электронной системой зажигания, топливной системой впрыска, а также обязательной, в соответствии с требованиями безопасности, антиблокировочной тормозной системой. Для быстрой и надежной работы электронной системы зажигания и системы впрыска топлива необходимо всегда точно знать угловое положение коленчатого вала двигателя и частоту его вращения, а также угловое положение и частоту вращения распределительного вала. Для быстрой и надежной работы антиблокировочной тормозной системы необходимо всегда точно знать частоту вращения и угловое положение колес при торможении транспортного средства. Совершенно очевидно, что в обоих случаях необходимы устройства, позволяющие быстро и точно определять угловое положение и частоту различных вращающихся деталей.

Из уровня техники (см. RU 2115932 С1 от 20.07.1998) известно устройство для определения частоты вращения, содержащее источник магнитного поля, магниторезисторы, расположенные на диэлектрической подложке и соединенные по мостовой схеме, а также блок усиления и формирования выходного сигнала.

Недостатками этого устройства являются сложность изготовления, необходимость использования магнита достаточно больших размеров и узкий диапазон регулирования точки срабатывания.

Известно техническое решение (см. RU 2246020 С2 от 10.02.2005), выбранное в качестве прототипа, раскрывающее устройство определения углового положения коленчатого и распределительного валов двигателя внутреннего сгорания, работа которого основана на использовании эффекта Холла в сочетании с магниторезистивным эффектом. Устройство выполнено в виде индуктивного датчика, который при прохождении мимо него каждой из боковых сторон зубьев соединенного с коленчатым валом зубчатого диска выдает соответствующий сигнал.

К недостаткам данного устройства можно отнести небольшую дальность срабатывания, узкий диапазон регулирования точки срабатывания и сложность обеспечения определенного угла включения устройства.

Целью настоящего изобретения является создание надежного, простого в изготовлении и использовании устройства для определения углового положения вращающихся деталей транспортного средства с высокими и стабильными рабочими характеристиками.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного изобретения, заключается в увеличении дальности срабатывания устройства, уменьшении габаритов постоянного магнита, расширении возможностей регулирования чувствительности устройства, расширении возможностей получения определенного угла его включения, а также упрощении и удешевлении конструкции.

Указанный технический результат достигается за счет того, что предлагаемое устройство для определения углового положения вращающихся деталей транспортного средства содержит магнитопровод, постоянный магнит смещения и магниточувствительный элемент Холла. Новым, согласно изобретению, является то, что магнитопровод выполнен в виде стержня с резьбой, на котором установлен с возможностью перемещения рассеиватель магнитного поля. Один конец стержня с резьбой имеет расширение с радиальным выступом, на котором расположен магниточувствительный элемент Холла, а на другом его конце расположен постоянный магнит смещения.

Выполнение магнитопровода в виде стержня с резьбой, на котором установлен с возможностью перемещения рассеиватель магнитного поля, позволяет, за счет наличия рассеивателя магнитного поля, а также за счет его простого и легкого возвратно-поступательного перемещения, увеличить дальность срабатывания устройства, расширить возможности регулирования чувствительности устройства, расширить возможности получения определенного угла его включения, уменьшить габариты постоянного магнита, а также, за счет простого и легкого исполнения указанных элементов, упростить и удешевить конструкцию.

В предпочтительном исполнении устройства целесообразно, чтобы ни один из габаритных размеров постоянного магнита смещения не превышал диаметра стержня с резьбой.

Для упрощения конструкции и облегчения наладки будет удобно, если рассеиватель магнитного поля будет выполнен в виде гайки с резьбой, имеющей форму квадрата или шестигранника, или круга.

Для оптимизации работы устройства предпочтительно, чтобы магниточувствительный элемент Холла был смещен относительно продольной оси стержня с резьбой навстречу вращающейся детали транспортного средства.

Для исключения влияния коэрцитивной силы материала магнитопровода на работу устройства целесообразно расположение на расширенной части стержня с резьбой вблизи магниточувствительного элемента Холла дополнительного магнита.

Для максимального расширения возможностей регулирования чувствительности устройства постоянный магнит смещения может быть установлен в держатель, выполненный из немагнитного материала и имеющий внутреннюю резьбу, позволяющую ему перемещаться по магнитопроводу. Причем для осуществления более тонкой регулировки чувствительности устройства снаружи в держатель может быть ввернут регулировочный винт из магнитопроводящего материала, который за счет приближения или удаления при вращении от постоянного магнита смещения позволяет осуществлять указанную операцию.

Для удобства монтажа устройства целесообразно, чтобы расширенная часть стержня с резьбой имела форму шестигранника или квадрата.

Далее следует подробное описание предлагаемого устройства со ссылкой на графические материалы, где на фигурах изображено следующее:

- фиг.1а и 1б - общий вид предлагаемого устройства;

- фиг.2 - диаграммы распределения нормальной составляющей магнитного поля смещения (Н) и напряжения на выходе магниточувствительного элемента Холла (U).

Устройство для определения углового положения вращающихся деталей транспортного средства содержит магниточувствительный элемент Холла 1, выполненный в виде микросхемы с плоскими выводами, содержащей схему блоков усиления и формирования выходного сигнала, магнитопровод 2 в виде стержня с резьбой, один конец которого расширен и имеет радиальный выступ, на котором размещен магниточувствительный элемент Холла 1. Магниточувствительный элемент Холла 1 смещен относительно продольной оси стержня с резьбой навстречу вращающейся детали транспортного средства. В зависимости от условий эксплуатации и места монтажа расширенный конец стержня может иметь круглую, квадратную, шестигранную и т.п. формы. На втором - противоположном конце магнитопровода 2 установлен постоянный магнит смещения 3, габаритные размеры которого не превышают диаметр стержня с резьбой. На резьбовой части стержня установлен рассеиватель магнитного поля 4, выполненный в виде гайки, имеющей возможность перемещения по резьбе магнитопровода 2. На расширенной части магнитопровода 2, вблизи магниточувствительного элемента Холла 1, расположен дополнительный магнит 5 для уменьшения влияния коэрцитивной силы материала магнитопровода 2 на работу устройства.

В случае необходимости максимального расширения возможностей регулирования чувствительности устройства постоянный магнит смещения 3 может быть размещен в держателе из немагнитного материала, который имеет внутреннюю резьбу и может быть навернут на магнитопровод 2. Для более тонкой регулировки снаружи в держатель может быть ввернут регулировочный винт из магнитопроводящего материала. Вращением держателя обеспечивается приближение или удаление постоянного магнита смещения 3 относительно торца магнитопровода 2, что обеспечивает грубую регулировку чувствительности, при этом приближение увеличивает чувствительность устройства, а удаление - уменьшает. Вращение регулировочного винта дает возможность производить более точную регулировку чувствительности.

Устройство работает следующим образом.

Постоянный магнит смещения 3 создает на расширенном конце магнитопровода 2 магнитное поле смещения, нормальная составляющая которого в отсутствии внешнего магнитопроводящего инициатора составляет величину Н₀, при этом уровень напряжения на выходе магниточувствительного элемента Холла 1 равен U₀, как показано на фиг.2. При появлении вблизи расширенного конца магнитопровода 2 инициатора из магнитопроводящего материала происходит увеличение магнитного поля до величины H₁, в результате чего уровень выходного напряжения магниточувствительного элемента Холла 1 резко уменьшается до значения U₀, оставаясь таким в течение времени прохождения инициатора перед торцом устройства. После того, как инициатор завершит прохождение перед торцом устройства, магнитное поле возвращается к значению Н₀, а уровень выходного напряжения магниточувствительного элемента Холла 1 - к значению U₀.

Таким образом, длительность сигнала с магниточувствительного элемента Холла 1 пропорциональна времени нахождения инициатора вблизи торца устройства.

Следует отметить, что для специалиста в данной области техники должно быть совершенно очевидно, что инициатором может выступать любая вращающаяся или возвратно-поступательно двигающаяся деталь или ее часть, имеющая, например, выступы и впадины, как то зубчатый или перфорированный диск или нечто подобное, как это обычно принято в устройствах подобного типа.

Регулировка чувствительности происходит путем перемещения рассеивателя 4 по резьбовому стержню магнитопровода 2. Когда рассеиватель 4 приближается к концу магнитопровода 2, где расположен постоянный магнит смещения 3, чувствительность уменьшается, соответственно уменьшается и длительность импульса от инициатора. В этом случае рассеивается значительная часть поля смещения, тогда как при приближении рассеивателя к концу магнитопровода 2, где расположен магниточувствительный элемент Холла 1, рассеивание поля смещения существенно уменьшается, в результате чего на магниточувствительный элемент Холла 1 действует большее поле, что приводит к увеличению чувствительности и, как следствие, к увеличению длительности импульса от инициатора.

При большой чувствительности устройства возрастает вероятность того, что после прохождения инициатора мимо торца устройства величина нормальной составляющей магнитного поля смещения Н не вернется к своему начальному значению Н₀, что обусловлено влиянием коэрцитивной силы материала магнитопровода 2. Для исключения этого эффекта на расширенной части стержня с резьбой вблизи магниточувствительного элемента Холла 1 расположен дополнительный постоянный магнит 5, который своим полем рассеяния устраняет влияние коэрцитивной силы материала магнитопровода 2.

Магниточувствительный элемент Холла 1 устанавливается на расширенном конце магнитопровода 2 со смещением относительно продольной оси магнитопровода. Это расширяет возможность обеспечения необходимого угла включения устройства, что чрезвычайно важно при использовании устройства, например, в качестве датчика углового положения распределительного вала или датчика фазы в микропроцессорных системах управления двигателем транспортного средства. При этом место расположения магниточувствительного элемента Холла 1 должно быть смещено навстречу движению инициатора.

Как было указано выше, в случае необходимости максимального расширения возможностей регулирования чувствительности устройства постоянный магнит смещения 3 размещается в держателе 6 из немагнитного материала, который имеет внутреннюю резьбу и может быть навернут на магнитопровод 2. Для более тонкой регулировки снаружи в держатель может быть ввернут регулировочный винт 7 из магнитопроводящего материала. Вращением держателя обеспечивается приближение или удаление постоянного магнита смещения 3 относительно торца магнитопровода 2, что обеспечивает грубую регулировку чувствительности, при этом приближение увеличивает чувствительность устройства, а удаление - уменьшает. Вращение регулировочного винта дает возможность производить более точную регулировку чувствительности.

Практически устройство было выполнено с использованием микросхемы TLE 4905 в качестве магниточувствительного элемента Холла. Магнитопровод был выполнен на базе стального болта М8, в качестве постоянного магнита смещения использовался магнит из материала неодим-железо-бор диаметром 6 мм и высотой 3 мм. В качестве рассеивателя была использована стальная гайка М8. Дополнительный магнит имел размеры 4×4×6 мм и был изготовлен из феррита 25БА170. Устройство было использовано в качестве датчика положения распределительного вала в микропроцессорной системе управления двигателем внутреннего сгорания и продемонстрировало хорошую работоспособность с обеспечением всех требований к подобным датчикам как в части длительности импульса, величины рабочего зазора, угла включения, так и работы в заданном температурном и вибрационном диапазонах.

Было также практически выполнено модифицированное устройство с держателем, изготовленным из дюралюминия Д16Т, наружным диаметром 12 мм и внутренней резьбой М8. Снаружи для точного регулирования был ввернут винт М4. Устройство было также использовано в качестве датчика положения распределительного вала в микропроцессорной системе управления двигателем внутреннего сгорания и продемонстрировало хорошую работоспособность с высокими рабочими характеристиками.

Таким образом, заявленное изобретение является надежным и простым в изготовлении и использовании устройством, позволяющим определять угловое положение и при необходимости частоту вращения вращающихся деталей транспортного средства с высокими и стабильными рабочими характеристиками.

1. Устройство для определения углового положения вращающихся деталей транспортного средства, содержащее магнитопровод, постоянный магнит смещения и магниточувствительный элемент Холла, отличающееся тем, что магнитопровод выполнен в виде стержня с резьбой, на котором установлен с возможностью перемещения рассеиватель магнитного поля, при этом один конец стержня с резьбой имеет расширение с радиальным выступом, на котором расположен магниточувствительный элемент Холла, а на другом, противоположном, конце стержня с резьбой расположен постоянный магнит смещения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ни один из габаритных размеров постоянного магнита смещения не превышает диаметр стержня с резьбой.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что рассеиватель магнитного поля выполнен в виде гайки с резьбой и имеет форму квадрата, или шестигранника, или круга.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что магниточувствительный элемент Холла смещен относительно продольной оси стержня с резьбой навстречу вращающейся детали транспортного средства.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на расширенной части стержня с резьбой вблизи магниточувствительного элемента Холла расположен дополнительный магнит, имеющий возможность уменьшения влияния коэрцитивной силы материала магнитопровода на работу устройства.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что постоянный магнит смещения установлен в держатель, выполненный из немагнитного материала.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что держатель, выполненный из немагнитного материала, имеет внутреннюю резьбу, позволяющую ему перемещаться по магнитопроводу.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в держатель, выполненный из немагнитного материала, снаружи ввернут регулировочный винт из магнитопроводящего материала с обеспечением расширения возможности регулирования чувствительности устройства за счет приближения или удаления при вращении от постоянного магнита смещения.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что расширенная часть стержня с резьбой имеет форму шестигранника.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что расширенная часть стержня с резьбой имеет форму круга или квадрата.