DE10034316C2 - Betätigungsvorrichtung für die Schaltwelle eines Automatikgetriebes in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

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.

Aus der DE 197 34 023 A1 ist eine Betätigungsvorrichtung für die Schaltwelle eines Automatikgetriebes in einem Kraftfahrzeug bekannt, das ein Gehäuse, eine im Gehäuse drehbar gelagerte Betätigungswelle, einen Stellantrieb mit Elektromotor und ein Untersetzungs-Getriebe, durch das der Läufer des Elektromotors an die Betätigungswelle ange­ koppelt ist, aufweist. Die Betätigungsvorrichtung weist ferner eine elektronische Steuereinheit, die den Elektromotor in Abhängigkeit von Steuersignalen ansteuert, und eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung der Betätigungswelle an die Schaltwelle auf, wobei die Drehung der Betätigungswelle durch die Kopplungseinrichtung in den Steuersignalen entsprechend der Drehwinkel der Schaltwelle umgesetzt wird.

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 Stellantrieb mit Elektromotor und ein Untersetzungs-Getriebe, das verlustarm reversibel ausgebildet ist und durch das der Läufer des Elektromotors direkt an die Betätigungswelle angekoppelt ist, einen Kraftspeicher, durch den die Betätigungswelle unabhängig von dem Elek­ tromotor antreibbar ist und der parallel zu dem Stellantrieb an der Betätigungswelle angreift, eine elektronische Steuereinheit, die den Elektromotor in Abhängigkeit von Steuersignalen ansteuert und eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung der Betätigungswelle an die Schaltwelle, wobei die Drehung der Betätigungswelle durch die Kopp­ lungseinrichtung in den Steuersignalen entsprechende 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 An­ trieb 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 voneinander unabhängige Erregerwick­ lungen. 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 Bordspannung unabhängiger Energievorrat bereitgestellt werden, der aber klein sein kann und beispielsweise mit einem Speicherkondensator verwirklicht ist, der mit dem Bordnetz über eine Entkoppelungsdiode verbunden 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 bildet. 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 voneinander 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 Steilmoment 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 (12) eines Automatikgetriebes in einem Kraftfahrzeug mit:
einem Gehäuse (10);
einer im Gehäuse (10) drehbar gelagerten Betätigungswelle (14);
einem Stellantrieb mit Elektromotor und einem Untersetzungs-Getriebe, das verlustarm reversibel ausgebildet ist und durch das der Läufer (26) des Elektromotors an die Betätigungswelle (14) angekoppelt ist;
einem Kraftspeicher (54), durch den die Betätigungswelle (14) unabhängig von dem Elektromotor antreibbar ist und der parallel zu dem Stellantrieb an der Betätigungswelle angreift;
einer elektronischen Steuereinheit, die den Elektromotor in Abhängigkeit von Steuersignalen ansteuert; und
einer Kopplungseinrichtung (16) zur Ankopplung der Betätigungswelle (14) an die Schaltwelle (12), wobei die Drehung der Betätigungswelle (14) durch die Kopplungseinrichtung (16) in den Steuersignalen entsprechende Drehwinkel der Schaltwelle (12) umgesetzt wird.

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 (28) und zwei Riemenscheiben (26, 30) 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 (14) in diskreten Drehstellungen arre­ tierbar ist, die den Schaltstellungen der Schaltwelle (12) entsprechen.

6. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellungen der Betätigungswelle (14) durch einen im Ruhezustand selbsttätig eingreifenden Riegel (50) gesichert sind, der durch einen Elektromagnet (52) in eine Freigabestellung bewegbar ist.

7. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher (54) die Betätigungswelle (14) permanent in eine Schaltstellung beaufschlagt, die der Park-Stellung des Automatikgetriebes des Kraftfahrzeugs entspricht.

8. Betätigungsvorrichtung nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftspeicher (54) die Betätigungswelle (14) in die der Park- Stellung entsprechende Schaltstellung bewegt, wenn der Riegel (50) 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 Elektromagnet (52) 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 (14) drehfest mit einer Steuerscheibe (36) verbunden ist, die an ihrem Umfang Rastelemente (42, 44, 46, 48) aufweist, die den Schaltstellungen entsprechend angeordnet sind und mit denen der Riegel (50) zusammenwirkt.

11. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher durch eine gespannte Feder (54) gebildet ist, die zwischen dem Gehäuse (10) und der Betätigungswelle (14) wirksam ist.

12. Betätigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gespannte Feder eine auf der Steuerscheibe (36) angeordnete Spiralfeder (54) ist.

13. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung ein Hebelgestänge (16) aufweist, das einen vorgegebenen Drehwinkel der Betätigungswelle (14) in einen kleineren Drehwinkel der Schaltwelle (12) umsetzt.

14. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelgestänge (16) aus drei Gliedern (16a, 16b, 16c) besteht, die einen Kniehebel-Effekt verwirklichen, der in wenigstens einer Schaltstellung, die insbe­ sondere der Park-Stellung des Getriebes entspricht, eine erhöhte Stellkraft bereit­ stellt.

15. Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder (16a, 16b, 16c) des Hebelgestänges (16) in solcher Weise elastisch gekoppelt sind, daß die Schaltwelle (12) in getriebeseitig vorbestimmten Schaltstellungen einrasten kann, wenn die Betätigungswelle (14) eine entsprechende Drehstellung einnimmt, die innerhalb eines zugelassenen Toleranzbereiches liegt.

16. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein bürstenloser, vielpoliger Außenläufer- Motor ist.

17. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (22) des Elektromotors auf einer Leiterplatte (24) angeordnet ist, auf der die elektronische Steuereinheit aufgebaut ist.

18. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) die Form eines flachen Quaders aufweist.

19. Betätigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Läufer (26) des Elektromotors über den Treibriemen (28) mit einer Seilscheibe (30) gekoppelt ist, die ihrerseits mit dem Sonnenrad (32) des Planetengetriebes gekoppelt ist.

20. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungswelle (14) mit dem Planetenträger (36) des Planetengetriebes gekoppelt ist.

21. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Planetenräder (34) des Planetengetriebes in einem gehäusefesten Hohlrad (38) umlaufen.

22. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (36) zugleich den Plane­ tenträger des Planetengetriebes bildet.

23. Betätigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstellungen der Betätigungswelle (14) 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.