DE10034316A1 - Betätigungsvorrichtung für die Schaltwelle eines Automatikgetriebes in einem Kraftfahrzeug - Google Patents
Betätigungsvorrichtung für die Schaltwelle eines Automatikgetriebes in einem KraftfahrzeugInfo
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Abstract
Die Betätigungsvorrichtung für die Schaltwelle eines Automatikgetriebes in einem Kraftfahrzeug enthält insbesondere: DOLLAR A - ein Gehäuse (10); DOLLAR A - eine im Gehäuse drehbar gelagerte Betätigungswelle (14); DOLLAR A - einen Elektromotor (22, 26); DOLLAR A - ein reversibles, verlustarmes Untersetzungsgetriebe, durch das der Läufer (26) des Elektromotors direkt an die Betätigungswelle (14) angekoppelt ist; DOLLAR A - eine vorgespannte Spiralfeder (54), die einen Kraftspeicher bildet, durch den die Betätigungswelle (14) unabhängig von dem Elektromotor in die Park-Stellung gedreht werden kann; DOLLAR A - eine elektronische Steuereinheit, die den Elektromotor in Abhängigkeit von Steuersignalen ansteuert; DOLLAR A - ein Hebelgestänge (16) zur Ankopplung der Betätigungswelle (14) an die Schaltwelle (12) des Automatikgetriebes. Die Drehung der Betätigungswelle (14) wird durch das Hebelgestänge in den Steuersignalen entsprechende Drehwinkel der Schaltwelle umgesetzt. DOLLAR A Die Vorrichtung ersetzt einen herkömmlichen Schalthebel am Automatikgetriebe.
Description
Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung für die
Schaltwelle eines Automatikgetriebes in einem Kraftfahrzeug.
In Kraftfahrzeugen mit Automatikgetriebe wird zwischen den ver
schiedenen Fahrstellungen, einschließlich der Park-Stellung, mittels
eines Schalthebels umgeschaltet, der üblicherweise über dem Getriebe
tunnel des Fahrzeugs angeordnet ist. Dieser Schalthebel ist mit einer
Schaltwelle des Getriebes über einen Seilzug oder ein Gestänge gekop
pelt.
Durch die Erfindung wird eine Betätigungsvorrichtung für die
Schaltwelle eines Automatikgetriebes in einem Fahrzeug bereitgestellt,
die keinen manuell zu betätigenden Schalthebel umfaßt, so daß der in
herkömmlichen Fahrzeugen für den Schalthebel vorgesehene Platz für
andere Zwecke genutzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung umfaßt:
ein Gehäuse, eine im Gehäuse drehbar gelagerte Betätigungswelle,
einen Elektromotor, eine reversibles, verlustarmes Untersetzungs-Ge
triebe, durch das der Läufer des Elektromotors direkt an die Betäti
gungswelle angekoppelt ist, einen Kraftspeicher, durch den die Betäti
gungswelle unabhängig von dem Elektromotor antreibbar ist, eine
elektronische Steuereinheit, die den Elektromotor in Abhängigkeit von
Steuersignalen ansteuert, eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung der
Betätigungswelle an die Schaltwelle, wobei die Drehung der Betäti
gungswelle durch die Kopplungseinrichtung in den Steuersignalen ent
sprechende Drehwinkel der Schaltwelle umgesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung ist ein elektrome
chanischer Stellantrieb, der durch elektrische Steuersignale angesteu
ert werden kann. Die elektrischen Steuersignale können durch manuell
betätigbare Schalter erzeugt werden, die an beliebiger Stelle im Fahr
zeug angeordnet werden können, beispielsweise an der Armaturentafel
oder am Lenkrad.
Zahlreiche Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentan
sprüchen 2 bis 25 angegeben. Mit diesen Weiterbildungen der Erfindung
werden verschiedene Zielvorgaben erfüllt.
Eine der Zielvorgaben besteht darin, daß beim Abziehen des Zünd
schlüssels und stillstehendem Fahrzeug das Automatikgetriebe mit abso
luter Zuverlässigkeit in die Park-Stellung umgeschaltet wird. Der
Fahrer ist dann nicht gezwungen, vor dem Abziehen des Zündschlüssels
in die Park-Stellung umzuschalten. Um die Forderung nach absoluter
Zuverlässigkeit zu erfüllen, muß die Umschaltung in die Park-Stellung
auch dann erfolgen, wenn die Stromzufuhr zum Elektromotor ausfällt.
Für diesen Fall ist ein Kraftspeicher vorgesehen, durch den die Be
tätigungswelle unabhängig von dem Elektromotor angetrieben werden
kann. Die Betätigungswelle wird also im Normalbetrieb durch den
Elektromotor über das Untersetzungs-Getriebe und im Notbetrieb über
den Kraftspeicher angetrieben. Um aber auf eine mechanische Umschalt
vorrichtung verzichten zu können, die mit der geforderten Zuverlässig
keit kaum zu verwirklichen wäre, sieht die Erfindung vor, daß sowohl
der Kraftspeicher für den Notfall als auch der elektromotorische Antrieb
für den Normalbetrieb permanent an die Betätigungswelle gekop
pelt sind. Der Elektromotor arbeitet also gegen den Kraftspeicher,
beispielsweise eine gespannte Spiralfeder, und der Kraftspeicher
schleppt im Notfall den Elektromotor über das nun ins Schnelle über
setzende Untersetzungs-Getriebe mit. Dieses Konzept setzt einerseits
einen besonders kräftigen Elektromotor und andererseits eine verlust
arme Ausführung des Untersetzungs-Getriebes voraus.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist als
Elektromotor ein bürstenloser Außenläufer-Motor vorgesehen. Besonders
geeignet ist ein Vier-Phasen-Außenläufer-Motor mit 28 Polen. Um eine
Lageregelung zu ermöglichen, wird ein Drehmelder verwendet, der durch
zwei dem Rotor zugeordnete Hall-Sensoren verwirklicht werden kann. Mit
einem solchen Drehmelder kann der absolute Drehwinkel des Rotors be
stimmt werden. Die Ansteuerung der Statorwicklungen erfolgt mit extrem
niederohmigen Leistungs-Halbleiterschaltern vom Typ FET.
Ein besonders verlustarmes Untersetzungs-Getriebe, das zur Über
tragung eines hohen Drehmoments geeignet ist, wird durch eine zwei
stufige Ausführung erreicht. Die erste Stufe ist ein Riementrieb mit
einer Seilscheibe kleinen Durchmessers am Läufer des Elektromotors,
die über den Treibriemen, insbesondere Keilriemen, mit einer Seil
scheibe größeren Durchmessers gekoppelt ist. Die zweite Stufe ist ein
Planetengetriebe, dessen Sonnenrad drehfest an die Seilscheibe
größeren Durchmessers angeschlossen ist und dessen Planetenträger
drehfest mit der Betätigungswelle gekoppelt ist. Das Untersetzungsver
hältnis eines solchen zweistufigen Untersetzungs-Getriebes beträgt
beispielsweise etwa 40 : 1.
Eine zweite Zielvorgabe besteht darin, daß ohne einen expliziten
Stellbefehl an die Steuereinheit ein Verstellvorgang mit absoluter
Sicherheit ausgeschlossen wird.
Diese Zielvorgabe wird mit einer Weiterbildung der Erfindung da
durch gelöst, daß die Betätigungswelle in ihren verschiedenen diskre
ten Schaltstellungen durch einen im Ruhezustand aktiven Riegel arre
tierbar ist. Zur Entriegelung bedarf es eines Stromimpulses an einen
Elektromagnet, der den Riegel kurzzeitig in einer Freigabestellung
hält. Der Elektromagnet hat zwei von einander unabhängige Erreger
wicklungen. Der erste Erregerwicklung wird im Normalbetrieb durch die
Steuereinheit angesteuert, wenn ein Stellbefehl umgesetzt wird. Die
andere Erregerwicklung wird durch ein vom Zündschloß des Fahrzeugs
abgeleitetes Signal angesteuert, wenn der Zündschlüssel abgezogen wird
und das Fahrzeug stillsteht. Für dieses Signal muß ein von der Bord
spannung unabhängiger Energievorrat bereitgestellt werden, der aber
klein sein kann und beispielsweise mit einem Speicherkondensator ver
wirklicht ist, der mit dem Bordnetz über eine Entkoppelungsdiode ver
bunden ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus den
beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf die obere Breitseite des Gehäuses der
Vorrichtung in einer ersten Schaltstellung;
Fig. 2 eine analoge Ansicht in einer zweiten Schaltstellung;
Fig. 3 eine Explosionsansicht der Vorrichtung;
Fig. 4 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht der Vor
richtung; und
Fig. 5 eine weitere Detailansicht der Vorrichtung in Explosions
darstellung.
Die Betätigungsvorrichtung für die Schaltwelle eines Automatikge
triebes in einem Kraftfahrzeug ist in einem flachen, quaderförmigen
Gehäuse 10 aufgebaut, das an der Oberseite des Getriebeblocks neben
einer aus diesem herausragenden Schaltwelle 12 angebaut werden kann.
Die drehbare Schaltwelle 12 kann verschiedene diskrete Schalt
stellungen einnehmen, die den Fahrstufen des Getriebes entsprechen.
Aus dem Gehäuse 10 ragt eine Betätigungswelle 14 heraus, deren Achse
parallel zur Achse der Schaltwelle 12 ist. Die Betätigungswelle 14 ist
mit der Schaltwelle 12 durch ein Hebelgestänge 16 gekoppelt, das aus
drei Gliedern 16a, 16b, 16c besteht. Das Hebelgestänge 16 ist so aus
gestaltet, daß ein Kniehebel-Effekt genutzt werden kann, durch den in
bestimmten Schaltstellungen ein erhöhtes Antriebsmoment bereitgestellt
wird. Eine solche Stellung ist in Fig. 1 gezeigt. Sie entspricht der
Park-Stellung des Automatikgetriebes, in der eine erhöhte Stellkraft
benötigt wird. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, wird der
Drehwinkelbereich α der Betätigungswelle 14 durch das Hebelgestänge in
einen wesentlich kleineren Drehwinkelbereich β der Schaltwelle 12
umgesetzt.
In dem Gehäuse 10 ist ein elektromechanischer Stellantrieb mit
einer elektronischen Steuereinheit aufgebaut. Das Gehäuse 10 wird
durch einen Deckel 18 mit Dichtring 20 hermetisch verschlossen.
Der Stellantrieb enthält einen Elektromotor, der als bürstenloser
Außenläufer-Motor ausgebildet ist. Er umfaßt einen Stator 22, der auf
einer Leiterplatte 24 aufgebaut ist, und einen Außenläufer 26, der
über einen Treibriemen 28 mit einer Seilscheibe 30 gekoppelt ist. Die
Seilscheibe 30 ist auf einem Lagerzapfen eines Ritzels 32 gelagert und
drehfest mit diesem verbunden. Das Ritzel 32 bildet das Sonnenrad
eines Planetengetriebes. Das Ritzel 32 steht als Sonnenrad mit drei
Planetenrädern 34 in Eingriff, die auf einer Steuerscheibe 36 gelagert
sind, die den Planetenträger des Planetengetriebes bilden. Die Plane
tenräder 34 laufen in einem innenverzahnten, gehäusefesten Hohlrad 38
um. Zwischen den Planetenrädern 34 und der Seilscheibe 30 befindet
sich eine zusätzliche Stützscheibe 40 für die Planetenräder 34.
Die Steuerscheibe 36 ist einteilig mit der Betätigungswelle 14
ausgebildet. Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, hat die
Steuerscheibe 36 an ihrem Umfang Rastausnehmungen 42, 44, 46, 48, die
den verschiedenen Schaltstellungen des Automatikgetriebes entsprechend
angeordnet sind. Ein federbelasteter Riegel 50 wirkt mit den Rastaus
nehmungen 42 bis 48 zusammen. Im Ruhezustand ist die Steuerscheibe 36
mit der Betätigungswelle 14 durch den Riegel 50 in einer der durch die
Rastausnehmungen vorgegebenen Schaltstellungen blockiert. Der Riegel
50 wird durch einen Elektromagneten 52 mit zwei von einander unab
hängigen Erregerwicklungen betätigt. Auf einer Seitenfläche der
Steuerscheibe 36 ist eine Spiralfeder 54 angeordnet, die einen Kraft
speicher bildet. Das innere Ende der vorgespannten Spiralfeder 54 ist
an der Betätigungswelle 14 angeschlossen, und das äußere Ende ist an
einem gehäusefesten Teil eingehängt.
Auf der Leiterplatte 24 ist neben dem Stator 22 sowohl die An
steuerschaltung des Elektromotors als auch die elektronische Steuer
einheit der Betätigungsvorrichtung aufgebaut. Von der Leiterplatte 24
sind zwei Anschlußstecker 56, 58 aus dem Gehäuse 10 herausgeführt.
Die Arbeitsweise der Betätigungsvorrichtung ist wie folgt.
Im normalen Ruhezustand ist die Betätigungswelle 14 mit der
Steuerscheibe 36 in der jeweils wirksamen Schaltstellung durch den
Riegel 50 blockiert. Wenn ein Schaltbefehl zu der elektronischen
Steuereinheit gelangt, beispielsweise über einen CAN-Bus, wird die
eine Erregerwicklung des Elektromagneten 52 angesteuert und der Riegel
50 in die Freigabestellung bewegt. Gleichzeitig wird der Elektromotor
durch die elektronische Steuereinheit aktiviert, um die gewünschte
Drehstellung der Betätigungswelle 14 lagegeregelt anzufahren. Die
Drehung des Außenläufers 26 wird durch den Riementrieb um einen Faktor
von beispielsweise 6 untersetzt und durch das Planetengetriebe noch
mals um den Faktor 7 untersetzt. Das hohe Drehmoment des sehr lei
stungsfähigen Elektromotors wird durch das Untersetzungs-Getriebe auf
ein hohes Betätigungsmoment übersetzt, das an der Betätigungswelle 14
verfügbar ist. Durch das Hebelgestänge 16 wird das verfügbare Betäti
gungsmoment nochmals verstärkt, beispielsweise zur Herausbewegung der
Schaltwelle 12 aus der Park-Stellung unter Last.
Der durch die Spiralfeder 54 gebildete Kraftspeicher ist perma
nent an die Betätigungswelle 14 angekoppelt, ebenso wie der Elektro
motor. Wenn bei stehendem Fahrzeug der Zündschlüssel abgezogen wird,
gelangt ein Ansteuersignal vom Zündschloß an die zweite Erreger
wicklung des Elektromagneten 52, so daß der Riegel 50 kurzzeitig in
die Freigabestellung bewegt wird. Die Betätigungswelle 14 wird nun
durch die Spiralfeder 54 in die der Park-Stellung entsprechende Dreh
stellung bewegt, unabhängig von dem elektromotorischen Antrieb, der so
verlustarm und reversibel ausgebildet ist, daß der Läufer 26 über das
nun ins Schnelle übersetzende Untersetzungs-Getriebe mitgedreht werden
kann.
Zwar stellt die Betätigungsvorrichtung ein hohes Stellmoment zur
Verfügung, jedoch wird durch die verlustarme Ausführung seiner Be
standteile eine Erwärmung weitgehend vermieden, zumal die Schaltvor
gänge von sehr kurzer Dauer sind.
Claims (25)
1. Betätigungsvorrichtung für die Schaltwelle eines Automatikgetriebes
in einem Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch:
ein Gehäuse;
eine im Gehäuse drehbar gelagerte Betätigungswelle;
einen Elektromotor;
ein reversibles, verlustarmes Untersetzungs-Getriebe, durch das der Läufer des Elektromotors direkt an die Betätigungswelle angekoppelt ist;
einen Kraftspeicher, durch den die Betätigungswelle unabhängig von dem Elekromotor antreibbar ist;
eine elektronische Steuereinheit, die den Elektromotor in Abhängig keit von Steuersignalen ansteuert;
eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung der Betätigungswelle an die Schaltwelle;
wobei die Drehung der Betätigungswelle durch die Kopplungseinrichtung in den Steuersignalen entsprechende Drehwinkel der Schaltwelle umge setzt werden.
ein Gehäuse;
eine im Gehäuse drehbar gelagerte Betätigungswelle;
einen Elektromotor;
ein reversibles, verlustarmes Untersetzungs-Getriebe, durch das der Läufer des Elektromotors direkt an die Betätigungswelle angekoppelt ist;
einen Kraftspeicher, durch den die Betätigungswelle unabhängig von dem Elekromotor antreibbar ist;
eine elektronische Steuereinheit, die den Elektromotor in Abhängig keit von Steuersignalen ansteuert;
eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung der Betätigungswelle an die Schaltwelle;
wobei die Drehung der Betätigungswelle durch die Kopplungseinrichtung in den Steuersignalen entsprechende Drehwinkel der Schaltwelle umge setzt werden.
2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Untersetzungs-Getriebe zweistufig ausgebildet ist.
3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Stufe des Untersetzungs-Getriebes durch einen Treibriemen und
zwei Riemenscheiben gebildet ist.
4. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Stufe des Untersetzungs-Getriebes durch ein Planetengetriebe
gebildet ist.
5. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungswelle in diskreten Dreh
stellungen arretierbar ist, die den Schaltstellungen der Schaltwelle
entsprechen.
6. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Drehstellungen der Betätigungswelle durch einen im Ruhezustand
selbsttätig eingreifenden Riegel gesichert sind, der durch einen
Elektromagnet in eine Freigabestellung bewegbar ist.
7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kraftspeicher die Betätigungswelle permanent in eine Schaltstelung
beaufschlagt, die der Park-Stellung des Automatikgetriebes des
Kraftfahrzeugs entspricht.
8. Betätigungsvorrichtung nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kraftspeicher die Betätigungswelle in die der Park-
Stellung entsprechende Schaltstellung bewegt, wenn der Riegel sich in
der Freigabestellung befindet, wobei der Elektromotor über das nun ins
Schnelle übersetzende Untersetzungs-Getriebe mitgeschleppt wird.
9. Betätigungsvorrichtung nach Ansprüchen 6, 7 und 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Elekrtomagnet zwei unabhängige Erregerwicklungen
aufweist, von denen die erste durch die elektronische Steuereinheit
und die zweite durch ein Signal vom Zündschloß des Fahrzeugs
angesteuert wird.
10. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Betätigungswelle drehfest mit einer Steuer
scheibe verbunden ist, die an ihrem Umfang Rastelemente aufweist, die
den Schaltstellungen entsprechend angeordnet sind und mit denen der
Riegel zusammenwirkt.
11. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dder Kraftspeicher durch eine gespannte
Feder gebildet ist, die zwischen dem Gehäuse und der Betätigungswelle
wirksam ist.
12. Betätigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die gespannte Feder eine auf der Steuerscheibe
angeordnete Spiralfeder ist.
13. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung ein Hebelgestänge
aufweist, das einen vorgegebenen Drehwinkel der Betätigungswelle in
einen kleineren Drehwinkel der Schaltwelle umsetzt.
14. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hebelgestänge aus drei Gliedern besteht, die einen Kniehebel-
Effekt verwirklichen, der in wenigstens einer Schaltstellung, die
insbesondere der Park-Stellung des Getriebes entspricht, eine erhöhte
Stellkraft bereitstellt.
15. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Glieder des Hebelgestänges in solcher Weise
elastisch gekoppelt sind, daß die Schaltwelle in getriebeseitig vorbe
stimmten Schaltstellungen einrasten kann, wenn die Betätigungswelle
eine entsprechende Drehstellung einnimmt, die innerhalb eines zugelas
senen Toleranzbereiches liegt.
16. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein bürstenloser viel
poliger Außenläufer-Motor ist.
17. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stator des Elektromotors auf einer Leiterplatte angeordnet
ist, auf der die elektronische Steuereinheit aufgebaut ist.
18. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse die Form eines flachen Quaders
aufweist.
19. Betätigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Läufer des Elektromotors über den Treibriemen
mit einer Seilscheibe gekoppelt ist, die ihrerseits mit dem Sonnenrad
des Planetengetriebes gekoppelt ist.
20. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Betätigungswelle mit dem Planetenträger des Planetengetriebes
gekoppelt ist.
21. Betätigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 19 und 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Planetenräder des Planetengetriebes in einem
gehäusefesten Hohlrad umlaufen.
22. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 19
bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe zugleich den
Planetenträger des Planetengetriebes bildet.
23. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellungen der Betätigungswelle
lagegeregelt angefahren werden.
24. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Ansteuerschaltung
aufweist, die den Elektromotor im Ruhezustand stromlos hält.
25. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit Schaltsignale über ein
Bussystem empfängt.
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