Berührungslose Positionsgeber

So werden elektronische Drosselklappen sicher und leistungsfähig

| Autor / Redakteur: Roberto Scotti * / Thomas Kuther

Ein magnetischer Positionsgeber: mit ihm lassen sich Sicherheit und Leistungsfähigkeit von elektronischen Drosselklappen sicherstellen
Ein magnetischer Positionsgeber: mit ihm lassen sich Sicherheit und Leistungsfähigkeit von elektronischen Drosselklappen sicherstellen (Bild: ams)

Elektronische Drosselklappen sind anspruchsvolle Anwendungen für berührungslose Positionsgeber. Wir verraten Ihnen, wie sich die hohen Anforderungen mit magnetischen Positionsgebern erfüllen lassen.

Die elektronische Drosselklappe ist eine besonders anspruchsvolle Anwendung für einen berührungslosen Positionsgeber, weil man dabei sowohl eine hohe Leistung als auch einen robusten Aufbau und zusätzliche Sicherheitsfunktionen braucht. Mit einem magnetischen Positionsgeber wie etwa dem AS5262, der für diese Anwendung maßgeschneidert ist, kann der Entwicklungsingenieur die Spezifikationen bezüglich Genauigkeit und Zuverlässigkeit leichter erreichen.

Magnetische Positionsgeber sind robust und genau

Magnetische Positionsgeber sind in der Kraftfahrzeugtechnik zu einem beliebten Bauteil geworden. Sie arbeiten in vielen Typen von Fahrzeugen fehlerfrei über Jahre und haben sich als mechanisch stabil und als unanfällig für Schwingungen und Verschmutzung erwiesen. Sie liefern zuverlässige und genaue Winkelmessungen. Der erfolgreiche Einsatz solcher Positionsgeber hat eine Vielzahl an Typen hervorgebracht, um die Erfordernisse spezieller Anwendungen möglichst gut abdecken zu können. Dieser Beitrag beleuchtet diesen Trend und beschreibt, wie man Details eines magnetischen Positionsgebers so ändert, dass er die Anforderungen einer speziellen Anwendung besonders gut erfüllt, nämlich der elektronischen Drosselklappe.

Wie eine elektronische Drosselklappe funktioniert

In einem Verbrennungsmotor wird die Luftzufuhr über eine Drosselklappe geregelt. Damit der Motor möglichst viel Leistung bei möglichst geringen Emissionen erzeugt, braucht er stets die richtige Menge einer ausgewogenen Mischung aus Kraftstoff und Luft. Die Drosselklappe sitzt direkt vor dem Einlasskrümmer; bei moderneren Motoren in einem elektronischen Drosselklappengehäuse.

Bei älteren Dieselmotoren ist die Zuluft nicht geregelt, bei ihnen wird der Kraftstoff einfach in die Zylinder gespritzt. Moderne Dieselmotoren hingegen haben vor dem Einlasskrümmer eine Drosselklappe, schon um eine Abgasrückführung (EGR = Exhaust Gas Recirculation) zu realisieren. Sie verringert die Verbrennungstemperatur, und das wiederum verringert die Stickoxidemissionen, wie es von aktuellen Abgasvorschriften verlangt wird.

Der Fahrer hat keinen direkten Einfluss auf die Drosselklappe

Bild 1: Das Gaspedal steuert die Drosselklappe nicht mehr direkt.
Bild 1: Das Gaspedal steuert die Drosselklappe nicht mehr direkt. (Bild: ams)

Der Fahrer des Kraftfahrzeugs hat keinen direkten Einfluss auf die Drosselklappe mehr (Bild 1). Drückt er aufs Gaspedal, sendet er damit über eine elektrische oder mechanische Verbindung ein Signal an die Motorelektronik (ECU, Electronic Control Unit). Bei einem Motorrad misst ein Positionsgeber die Winkelstellung des Gasgriffs. Die Motorelektronik steuert dann über einen Stellmotor die Stellung der Drosselklappe so, dass Leistung oder Emissionen optimiert werden. Ist die Zündung ausgeschaltet, hält normalerweise eine starke Feder die Drosselklappe geschlossen. Diese geschlossene Position nennt man den „unteren Anschlag“ (LMS, Lower Mechanical Stop). Die größte Öffnung der Klappe nennt man den „oberen Anschlag“ (UMS, Upper Mechanical Stop). Der Winkelunterschied zwischen beiden beträgt in der Regel etwa 90°. Ein Positionsgeber an der Drosselklappe hat die Aufgabe, zuverlässig und genau ihren Öffnungswinkel zu bestimmen und an die Motorelektronik zu übermitteln.

Berührungslos und zuverlässig

Herkömmliche Winkelgeber arbeiteten mit einem Potenziometer. Ein solches hatte drei Anschlüsse, nämlich Versorgungsspannung, Masse und Ausgang, und maß die Winkelposition der Drosselklappe. Der Hauptnachteil des Potenziometers liegt in seinem Wirkprinzip: Es erzeugt mit einem Schleifer auf einer runden Widerstandsbahn ein analoges Messsignal proportional zur Drehung seiner Achse. Dieses Funktionsprinzip ist anfällig gegen Abnutzung und Schmutz. In sicherheitskritischen Anwendungen in der Fahrzeugtechnik sprechen die verhältnismäßig geringe Zuverlässigkeit und Lebensdauer gegen das Potenziometer. Daher sind die Autohersteller nun zu berührungslosen Sensoren übergegangen, die auf dem (magnetischen) Halleffekt beruhen. Bei einem solchen Magnetsensor ist eine zweipolige Magnetscheibe auf der Achse der Drosselklappe befestigt. Ihre Winkelposition wird von einem IC gemessen, das in einem kleinen Abstand zur Magnetscheibe angebracht ist. Aus diesem Grund gibt es – anders als bei Potenziometern – keine Abnutzung; Staub und Fett stören den magnetischen Sensor nicht.

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