-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schalteinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem um zumindest eine Achse schwenkbar gelagerten Schalthebel und mit zumindest einer Sperreinrichtung, die hydraulisch wirkende Mittel umfasst und einen Schaltanschlag für den Schalthebel in bzw. außer Kraft setzen kann, wobei die Sperreinrichtung einen mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllten Zylinder umfasst, in dem ein Kolben axial verschiebbar aufgenommen ist, wobei der Schaltanschlag durch Fixierung des Kolbens in einer Position in Kraft gesetzt wird, wobei mit dem Kolben ein Stößel verbunden ist, der mit seiner Stirnseite dem Schalthebel in seiner Bewegungsrichtung gegenüberliegt.
-
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.
-
Der Schalthebel einer solchen Schalteinrichtung kann multistabil oder auch monostabil ausgeführt sein. Das 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Die
DE 698 17 571 T2 offenbart eine Schalteinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei dieser Schalteinrichtung ist ein Steuerhebel um mehrere Schwenkachsen verschwenkbar angeordnet. Die Bewegung des Steuerhebels kann hierbei durch ein System mit hydraulischen Kolbenzylindern begrenzt werden, indem Kolbenstangen stirnseitig der Bewegungsrichtung des Steuerhebels gegenüberliegend fixiert werden können.
-
Die elektrische Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dieser vorbekannten Einrichtung den Vorteil, eine besonders robuste Konstruktion mit einfachen mechanischen Elementen zum wahlweisen Begrenzen oder Freigeben des Betätigungswegs eines Schalthebels zur Verfügung zu stellen.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die in dem Zylinder vorhandene inkompressible Flüssigkeit eine magnetorheologische Flüssigkeit ist.
-
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.
-
In einer ersten Ausführungsform der Sperreinrichtung 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
-
Bei einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform der Sperreinrichtung 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.
-
Eine bevorzugte Anwendung einer elektrischen Schalteinrichtung besteht darin, Schaltwege eines monostabilen oder multistabilen Gangwahlschalters abhängig von der bereits eingelegten Fahrstufe zu sperren.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung werden anhand der Zeichnung erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung mit Hydraulikelementen für eine magnetorheologische Flüssigkeit gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eines der Hydraulikelemente aus 1 als Detail
- 3 ein Hydraulikelement gemäß einer alternativen Ausführungsform zum Einsatz bei der Schalteinrichtung aus 1 als teilgeschnittene dreidimensionale Ansicht und im Querschnitt
-
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. 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
