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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung für
ein Kraftfahrzeug, mit einem um zumindest eine Achse schwenkbar
gelagerten Schalthebel und mit zumindest einer Sperreinrichtung,
die einen Schaltanschlag für den Schalthebel in bzw. außer
Kraft setzen kann.
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Derartige
Schalteinrichtungen werden bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, die mit
einem automatisierten Schaltgetriebe ausgerüstet sind.
Dabei wird der eigentliche Schaltvorgang elektrohydraulisch oder
elektromotorisch vorgenommen, während der jeweilige Schaltwunsch
des Fahrers elektrisch oder elektronisch erfasst wird. Dem Fahrer
stehen bei einem solchen automatisierten Schaltgetriebe die elektrische
Schalteinrichtung mit einem Schalthebel und gegebenenfalls zusätzlichen,
etwa am Lenkrad angeordneten Wippschaltern zum Herauf- und Herunterschalten
zur Verfügung.
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Der
Schalthebel einer solchen Schalteinrichtung kann multistabil oder
auch monostabil ausgeführt sein, dass heißt er
kann entweder in mehrere feste Positionen einstellbar sein oder
er besitzt, ähnlich einem Joystick nur eine stabile Ruheposition,
in die der Schalthebel aus mehreren instabilen Stellpositionen immer
wieder zurückfällt.
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In
beiden Fällen ist es wünschenswert oder sogar
erforderlich, in Abhängigkeit vom aktuell gewählten
Schaltzustand, jeweils bestimmte Schaltzustände von der
nächsten Auswahl auszuschließen. Vorteilhaft ist
es beispielsweise, bei einer linearen Kette möglicher Schaltzustände
anzuzeigen, wenn die Auswahlmöglichkeiten in einer Schaltrichtung
erschöpft sind.
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Da
im allgemeinen nicht nur die Erfassung sondern auch die Verarbeitung
der jeweiligen Schaltzustände auf elektrischem oder elektronischem
Weg abläuft, kann und wird im allgemeinen der Ausschluss
bestimmter Umschaltmöglichkeiten durch die zugrundeliegende
Schaltlogik erfolgen. Allerdings ist es aus ergonomischen Gründen
vorteilhaft, wenn der Bediener der Schalteinrichtung auch eine unmittelbare
haptische Rückmeldung über derzeit nicht auswählbare
Schaltfunktionen erhält. Eine solche Rückmeldung
erhält der Fahrer eines Kraftfahrzeuges insbesondere über
Sperren oder Anschläge, die mit dem Schalthebel zusammenwirken.
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Aus
der
EP 1 464 875 A2 ist
eine Schaltvorrichtung bekannt, die eine Einrichtung aufweist, welche
einen Schaltanschlag außer Kraft setzen kann, so dass der
Schalthebel über die durch diesen Schaltanschlag definierte
Schaltposition hinaus schwenkbar ist. Die
EP 1 464 875 A2 offenbart
hierzu eine relativ komplex aufgebaute Kipphebelanordnung, die durch
einen elektromagnetischen Antrieb betätigt wird. Ein solcher
Antrieb kann jedoch bei seiner Betätigung störende
Geräusche sowie eine nicht unerhebliche Wärmeentwicklung
verursachen.
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Die
elektrische Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung hat gegenüber dieser vorbekannten Einrichtung
den Vorteil, besonders geräuscharm und ohne nennenswerte
Eigenerwärmung den Betätigungsweg eines Schalthebels
wahlweise zu begrenzen oder freizugeben.
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Dies
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die
Einrichtung hydraulisch wirkende Mittel umfasst.
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Insbesondere
umfasst die Einrichtung dabei einen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit
gefüllten Zylinder, in dem ein Kolben axial verschiebbar
aufgenommen ist, wobei der Schaltanschlag durch Fixierung des Kolbens
in einer Position in Kraft gesetzt wird.
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Zur
Rückstellung des Kolbens in seine Ausgangslage ist zwischen
der dem Schalthebel abgewandten Bodenwand des Zylinders und dem
Kolben eine Schraubendruckfeder angeordnet, welche den Kolben mit
ihrer Federkraft gegen die dem Schalthebel zugewandte Deckelwand
des Zylinders drückt.
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Eine
sehr robuste Konstruktion der Sperreinrichtung mit einfachen mechanischen
Elementen gelingt dadurch, dass die in dem Zylinder vorhandene inkompressible
Flüssigkeit eine magnetorheologische Flüssigkeit
ist.
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In
einer ersten Ausführungsform der Sperreinrichtung mit magnetorheologischer
Flüssigkeit ist die Bodenwand des Zylinders mit einer Öffnung
versehen, und diese mit einer Rohrleitung verbunden, die in einen
Vorratsbehälter mündet. An einer Stelle der Rohrleitung
ist dabei ein Elektromagnet so angeordnet, dass die Rohrleitung
durch einen Luftspalt in dessen Joch verläuft
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Bei
einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform der
Sperreinrichtung mit magnetorheologischer Flüssigkeit ist
zwischen der radialen Außenkontur des Kolbens und der Innenwand
des Zylinders ein Spalt gebildet, durch den die Flüssigkeit in
axialer Richtung des Zylinders von einer Seite des Kolbens auf die
andere und wieder zurück fließen kann. Der Zylinder
ist hier von einer elektrischen Leiterspule umgeben, die zur Erzeugung
eines magnetischen Feldes im Inneren des Zylinders elektrisch bestrombar
ist.
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Eine
bevorzugte Anwendung einer elektrischen Schalteinrichtung besteht
darin, Schaltwege eines monostabilen oder multistabilen Gangwahlschalters
abhängig von der bereits eingelegten Fahrstufe zu sperren.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Schalteinrichtung werden anhand der Zeichnung erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Schalteinrichtung mit Hydraulikelementen
für eine magnetorheologische Flüssigkeit gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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2 eines
der Hydraulikelemente aus 1 als Detail
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3 ein
Hydraulikelement gemäß einer alternativen Ausführungsform
zum Einsatz bei der Schalteinrichtung aus 1 als teilgeschnittene
dreidimensionale Ansicht und im Querschnitt
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Der
Schalthebel 1 der elektrischen Schalteinrichtung ist in
einem Kardangelenk 2 um zwei zueinander senkrechte Achsen 3a und 3b verschwenkbar
gelagert. Um die Betätigungskräfte und Rastpositionen
des Schalthebels 1 zu realisieren ist er an seinem unteren
Ende mit einem federbelasteten Rastbolzen 8 versehen, welcher
in einer dreidimensionalen Rastkurve 9 geführt
ist.
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Um
die Auslenkung des Schalthebels bei einer Verschwenkung desselben
um die Achsen 3a und 3b in jeweils einer Richtung
gezielt begrenzen zu können, sind in diesen Richtungen
jeweils als parallel zur Auslenkungsrichtung des Schalthebels 1 bewegbare
Stößel 6 ausgebildete Begrenzungselemente vorhanden.
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Die
Stößel 6 sind jeweils mit einem Kolben 5 verbunden,
welcher in einem mit einer inkompressiblen Flüssigkeit 10 gefüllten
Zylinder 4 axial verschiebbar aufgenommen ist. Eine Schraubendruckfeder 7 ist
in dem Zylinder 4 zwischen dessen dem Schalthebel 1 abgewandter
Bodenwand 4a und dem Kolben 5 angeordnet und drückt
den Kolben 5 mit ihrer Federkraft gegen die dem Schalthebel 1 zugewandte
Deckelwand 4b des Zylinders 4. Der mit dem Kolben 5 verbundene
Stößel 6 befindet sich mit seiner Stirnseite
in unmittelbarer Nähe des Schalthebels 1, so dass dieser
bei einer in Richtung auf den Stößel 6 zu
führenden Schwenkbewegung bereits nach einem sehr kurzen
Weg an diesem zur Anlage kommt.
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Die
Bodenwände 4a der Zylinder 4 sind jeweils
mit einer Öffnung versehen und mit Rohrleitungen 11 verbunden,
die mit ihren anderen Enden in einen gemeinsamen hier nicht dargestellten
Vorratsbehälter münden.
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Bei
der in den Zylindern 4 sowie in den Rohrleitungen 11 und
dem Vorratsbehälter vorhandenen inkompressiblen Flüssigkeit
handelt es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
um eine sogenannte magnetorheologische Flüssigkeit.
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Magnetorheologische
oder elektrorheologische Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten,
bei denen die rheologischen Eigenschaften, d. h. also deren Fließfähigkeit
bzw. Viskosität stufenlos durch ein angelegtes äußeres
magnetisches oder elektrisches Feld steuerbar sind. In der Regel
handelt es sich bei diesen Flüssigkeiten um Suspensionen,
d. h. in einem Trägermedium suspendierte Festpartikel,
die über das angelegte magnetische oder elektrische Feld
polarisierbar sind. Durch ein hinreichend starkes magnetisches oder
elektrisches Feld ist innerhalb weniger Millisekunden eine so starke
lokale Verfestigung der magnetorheologischen oder elektrorheologischen
Flüssigkeit erzielbar, dass diese praktisch Feststoffcharakter
besitzt und nicht mehr fließfähig ist. Durch die
Verwendung magnetorheologischer oder elektrorheologischer Flüssigkeiten
ist es möglich geworden, hydraulische Systeme ohne bewegte Teile
auszuführen bzw. die Anzahl der bewegten Teile erheblich
zu reduzieren. Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendete
magnetorheologische Flüssigkeit lässt sich selbstverständlich
bei entsprechend angepasster Ausführung der Hydraulikelemente auch
durch eine elektrorheologische Flüssigkeit ersetzen.
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An
jeder Rohrleitung 11 ist an einer Stelle ein Elektromagnet 12 so
angeordnet, dass die Rohrleitung 11 durch den Luftspalt
in dessen Joch 13 verläuft. Dies ist im Detail
in 2 dargestellt. Wird der Elektromagnet 12 durch
Bestromung seiner Spule 14 eingeschaltet, so durchdringt
das Magnetfeld an dieser Stelle die Rohrleitung 11 und
verfestigt die magnetorheologische Flüssigkeit 10 dort
lokal so stark, dass ein Fließen durch den Querschnitt
der Rohrleitung 11 nicht mehr möglich ist. Der
Elektromagnet 12 bildet so in Kooperation mit der magnetorheologischen
Flüssigkeit 10 ein Hydraulik-Ventil.
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Wenn
alle Elektromagneten 12 ausgeschaltet sind, kann die Flüssigkeit 10 zwischen
den Zylindern 4 und dem gemeinsamen Vorratsbehälter
ungehindert fließen. Wird der Schalthebel 1 in
einer Richtung verschwenkt, so drückt er dabei den in dieser Richtung
gegenüberliegenden Stößel 6 gegen
die Kraft der Schraubenfeder 7 zurück. Der Kolben 5 verdrängt
dabei die Flüssigkeit 10 aus dem Zylinder 4 und
diese fließt durch die Rohrleitung 11 in den Vorratsbehälter.
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Die
der Bewegung des Schalthebels 1 entgegenwirkende Kraft
setzt sich dabei aus der durch das Zusammenwirken des federbelasteten
Rastbolzens 8 und der diesem zugeordneten dreidimensionalen Rastkurve 9 sowie
der Kraft der Schraubenfeder 7 zusammen, wobei die Kraft
der Schraubenfeder 7 lediglich so stark dimensioniert wird,
dass diese eine sichere Rückstellung des Kolbens 5 in
seine Endlage an der Deckelwand 4b des Zylinders 4 gewährleistet.
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Die
zur Rückstellung der Kolben 5 in ihre Endlage
vorgesehenen Schraubendruckfedern 7 können ggf.
sogar eingespart werden, indem auf die Flüssigkeit 10 im
Vorratsbehälter ein gewisser Druck ausgeübt wird,
der über die Flüssigkeit 10 dann eine Rückstellung
der Kolben 5 bewirkt.
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Die
Rückstellung des Schalthebels 1 in seine Mittenlage
erfolgt entweder nach Fortfall der auslenkenden Betätigungskraft
durch die Rastkurve 9 und den Rastbolzen 8, falls
es sich um eine tastende Betätigung handelt, oder durch
das Aufbringen einer in Gegenrichtung der ursprünglichen
Betätigung aufgebrachten Gegenbetätigungskraft,
falls es sich um eine rastende Betätigung handelt.
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Soll
das Verschwenken des Schalthebels 1 in einer bestimmten
Richtung blockiert werden, so erfolgt dies dadurch, dass der in
dieser Richtung dem Schalthebel 1 gegenüberliegende
Stößel 6 daran gehindert wird zurückzuweichen.
Dazu wird der diesem Stößel 6 über
Kolben 5, Zylinder 4 und Rohrleitung 11 zugeordnete
Elektromagnet 12 so bestromt, dass sich die magnetorheologische
Flüssigkeit 10 im Bereich des Luftspaltes des
Jochs 13 des Elektromagneten 12 so stark verfestigt,
dass ein Fließen durch den Querschnitt der Rohrleitung 11 nicht
mehr möglich ist. Da die Flüssigkeit 10 inkompressibel
ist, kann der Kolben 5 diese nicht mehr aus dem Zylinder 4 verdrängen,
so dass der mit dem Kolben 5 verbundene Stößel 6 die
Bewegung des Schalthebels 1 in dieser Richtung blockiert
und somit einen Schaltanschlag für die Schalteinrichtung
bildet.
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Wird
das Magnetfeld des Elektromagneten 12 durch Unterbrechung
der Bestromung der Spule 14 abgeschaltet, so ist die magnetorheologische Flüssigkeit 10 sofort
wieder fließfähig, und die Sperre für
den Schalthebel 1 ist aufgehoben.
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Die
hier mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit 10 dargestellte
hydraulisch wirkende Sperreinrichtung ist selbstverständlich
auch mit anderen Hydaulikflüssigkeiten realisierbar, wobei
dann anstelle der Elektromagneten 12 elektromechanisch wirkende
Ventile einzusetzen wären.
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Eine
alternative Ausführung der Zylinder 4 bei der
Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit 10 ist
in 3 dargestellt. Der hier gezeigte Zylinder 4 kann
den in den 1 und 2 dargestellten
Zylinder direkt ersetzen.
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Der
besondere Vorteil des in 3 gezeigten Zylinders 4 besteht
darin, dass auf Rohrleitungen und einen Vorratsbehälter
verzichtet werden kann, da es sich bei diesem Zylinder 4 um
ein geschlossenes System handelt, bei dem die Flüssigkeit 10 innerhalb
des Zylinders 4 durch Überströmkanäle
von einer Seite des Kolbens 5 auf die andere verlagert
wird.
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Die
einzige Öffnung des Zylinders 4 befindet sich
in dessen Deckelwand 4b, durch die der mit dem Kolben 5 verbundene
Stößel 6 nach außen ragt. Im Gegensatz
zu dem Zylinder 4 in 2 bei dem
der Kolben 5 mit seinem radialen Umfang dichtend an der
Innenwand des Zylinders 4 anliegt, ist hier zwischen der
radialen Außenkontur des Kolbens 5 und der Innenwand
des Zylinders 4 ein Spalt 15 gebildet. Wird eine
Kraft in der in 3 durch den Pfeil angedeuteten
Richtung auf den Stößel 6 ausgeübt,
so wird dieser gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 7 bewegt.
Die zwischen dem Kolben 5 und der Bodenwand 4a des
Zylinders 4 befindliche Flüssigkeit 10 wird
dabei durch den zwischen der radialen Außenkontur des Kolbens 5 und
der Innenwand des Zylinders 4 gebildeten Spalt 15 in
den Raum zwischen dem Kolben 5 und der Deckelwand 4b des
Zylinders 4 hinein verdrängt. Beim Herausbewegen
des Stößels 6 aus dem Zylinder 4 fließt
die Flüssigkeit 10 auf dem gleichen Wege wieder
zurück.
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Der
Zylinder 4 ist von einer elektrischen Leiterspule 16 umgeben.
Wird diese Leiterspule 16 von einem elektrischen Strom
durchflossen, so entsteht im Inneren des Zylinders 4 ein
in axialer Richtung ausgerichtetes magnetisches Feld.
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Um
die Bewegung des Kolbens 5 und damit des Stößel 6 zu
blockieren, wird die Leiterspule 16 bestromt. Durch das
dabei erzeugte magnetische Feld wird die magnetorhelogische Flüssigkeit 10 im Inneren
des Zylinders 4 so stark verfestigt, dass ein Überfließen
von der einen Seite des Kolbens 5 auf die andere durch
den relativ engen Spalt 15 nicht mehr möglich
ist.
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Hierbei
ist es wichtig, einen geeigneten Kompromiss zwischen einem hinreichend
widerstandsarmen Überfließverhalten im unbestromten
Zustand und einem ausreichend wirksamen Blockierverhalten bei einer
vertretbaren Bestromung zu erreichen. Dies wird unter anderem durch
eine geeignete Gestaltung der Querschnittskontur des Kolbens 5 sowie
der Innenwand des Zylinders 4 erreicht. Durch die hier
dargestellte, im weitesten Sinne als sternförmig zu bezeichnende
Querschnittsform wird eine relativ große Fläche des
Spalts 15 zur Verbesserung des Überfließverhaltens
bei einer gleichzeitig geringen Spaltbreite zur Erleichterung des
Blockierverhaltens erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1464875
A2 [0006, 0006]