DE102008013987A1

DE102008013987A1 - Elektromechanische Gebereinrichtung

Info

Publication number: DE102008013987A1
Application number: DE102008013987A
Authority: DE
Inventors: Bernd Abendroth; Klaus Altenheiner; Günter Reinhardt
Original assignee: Meflex Telecontrol GmbH and Co KG
Current assignee: Meflex Telecontrol GmbH and Co KG
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gebereinrichtung zur Steuerung mindestens einer Funktion eines räumlich entfernt angeordneten Getriebes oder Antriebs, mit einem um eine Welle (13) schwenkbar gelagerten Hebel (1), welcher mit dieser formschlüssig gekoppelt und um eine senkrecht zur Welle (13) verlaufende Kipp- oder Schwenkachse kipp- oder schwenkbar und vom Getriebe oder Antrieb mechanisch entkoppelt ist, wobei der Hebel (1) zumindest mit einem ersten ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement (7, 11) in mechanischer Wirkverbindung steht, dessen Position und/oder Ausrichtung mittels eines einzigen, ersten magnetischen Sensors (12) in ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs umwandelbar ist (Figur 3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gebereinrichtung zur Steuerung mindestens einer Funktion eines räumlich entfernt von der Einrichtung angeordneten Getriebes oder eines, vorzugsweise motorischen, Antriebs, wobei die Gebereinrichtung einen um eine Welle schwenkbar gelagerten Hebel aufweist, der zudem um eine senkrecht zur Welle verlaufende Kippachse kippbar gelagert ist.
Stand der Technik
Gebergeräte zur Bewegung von Getrieben oder Antrieben sind hinlänglich im Stand der Technik, so beispielsweise aus der EP 0 458 313 B1 bekannt. Dort ist beschrieben, dass ein Hebel mit einer Steuerscheibe versehen ist, welche formschlüssig mit einer drehbaren Achse verbunden ist. An dieser Achse ist wiederum eine Scheibe angeordnet, an welcher ein Steuerzug, eine Steuerstange oder dergleichen angelenkt ist. Durch Betätigung des Hebels wird über die Steuerscheibe, die Achse und die damit verbundene Scheibe ein Getriebe oder eine sonstige Vorrichtung betätigt, wobei der am Gebergerät angelenkte Steuerzug oder die Steuerstange eine mechanische, kraftübertragende Kopplung zwischen dem Gebergerät und der damit zu betätigenden Vorrichtung zur Verfügung stellt.
Ferner ist mit der drehbaren Achse eine Schaltscheibe zur gemeinsamen Drehung verbunden, die mindestens einen Schaltfortsatz aufweist. Dieser wirkt mit einem induktiven Näherungsschalter zwecks elektrischer Schaltung mindestens einer Getriebefunktion zusammen.
Bei einem solchen Gebergerät ist es nachteilig, dass die eigentliche Steuerung des entfernt angeordneten Getriebes nach wie vor über eine vom Steuerzug zur Verfügung gestellte mechanische Kopplung erfolgt. Diese Kopplung unterliegt mechanischen Verschleißerscheinungen. Auch muss ein Bediener des Gebergeräts bei der Betätigung des Hebels eine gewisse Kraft aufbringen, die über den Geber und den Steuerzug an das räumlich entfernt angeordnete Getriebe zu übertragen ist. Sollen große räumliche Distanzen überbrückt werden, steigt der aufzubringende Kraftaufwand.
Der in der EP 0 458 313 B1 beschriebene induktive Näherungsschalter fungiert ferner als Schaltelement, welches lediglich dazu geeignet ist, zugeordnete Getriebefunktionen entweder an- oder auszuschalten. Der Näherungsschalter ist lediglich in der Lage, einen einzigen Schaltzustand zu erkennen.
Des Weiteren ist aus der EP 0 075 693 A1 ein Gangwähler für ein Getriebe bekannt, bei welchem die Stellung eines Schalthebels mittels magnetempfindlicher Sensoren und mittels am Schalthebel befestigter Magnete kontakt- und berührungslos abtastbar ist. Die einzelnen magnetempfindlichen Sensoren sind dabei so angeordnet, dass für jede zu unterscheidende Stellung des Schalthebels ein eigener Sensor vorgesehen ist, oder dass weniger Sensoren als Gänge vorgesehen sind, wobei dann die Stellung des Schalthebels aus der Kombination der jeweils angesteuerten Sensoren nach einem Code ermittelt wird.
Diese Ausgestaltung eines Gangwählers kommt zwar ohne mechanische Kraftübertragungsmittel aus. Sie erfordert jedoch im Gegenzug das Vorsehen einer großen Anzahl räumlich voneinander getrennt angeordneter Magnetsensoren und korrespondierend angeordneter Dauermagnete. Dies geht mit einem erheblichen Montage- insbesondere Verkabelungsaufwand für die einzelnen Sensoren einher, sodass eine derartige Ausgestaltungen von Gangwählern verhältnismäßig kostenintensiv in der Herstellung ist.
Aufgabe
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gebereinrichtung zur Verfügung zu stellen, die verhältnismäßig einfach und kostengünstig herstellbar sowie wartungsarm ist und ein hohes Maß an Ausfallsicherheit bietet. Zudem soll die Gebereinrichtung einfach und sicher in der Handhabung sein.
Erfindung und vorteilhafte Wirkungen
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit einer Gebereinrichtung gemäß der Patentansprüche 1, 9 und 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Gebereinrichtung ist zur Steuerung mindestens einer Funktion eines räumlich von der Gebereinrichtung entfernt angeordneten Getriebes, eines Antriebs oder dergleichen Vorrichtung ausgebildet. Die Gebereinrichtung weist einen um eine Welle schwenkbar gelagerten Hebel auf, wobei der Hebel in der Ebene transversal zur Welle formschlüssig mit dieser gekoppelt ist. Eine Schwenkbewegung des Hebels um die Welle führt demgemäß zu einer Wellendrehung. Zudem ist der Hebel um eine im Wesentlichen senkrecht zur Welle verlaufende Kippachse kippbar gelagert. Der Hebel ist dabei nach Art einer kardanischen Aufhängung an der Welle gelagert bzw. mit dieser gekoppelt.
Ferner ist vorgesehen, dass der Hebel der Gebereinrichtung vom zu steuernden Getriebe oder dem Antrieb mechanisch entkoppelt ist. Die Betätigung oder die Steuerung der Funktion des entfernt angeordneten Getriebes über den Hebel der Gebereinrichtung erfolgt somit berührungslos und damit besonders verschleiß- und wartungsarm. Hierzu steht der Hebel zumindest mit einem ersten, ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement in mechanischer Wirkverbindung. Die Position und/oder die Ausrichtung dieses Magnetfeld erzeugenden Elements ist mittels eines ersten magnetischen Sensors in ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs umwandelbar.
Die Erfindung sieht eine vollständig berührungslose Erfassung der Stellung des Hebels der Gebereinrichtung vor, wobei mittels eines einzigen magnetischen Sensors sowohl die Position als auch die Ausrichtung eines mit dem Hebel gekoppelten Magnetelements ermittelt werden kann. Da die Position und Ausrichtung des Magnetelementes unmittelbar Aufschluss über die Stellung und Ausrichtung des Hebels gibt, können über den einzigen magnetischen Sensor sämtliche zur Steuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs vorgesehenen Rastpositionen oder Stellung des Hebels zuverlässig erfasst werden, ohne dass hierfür eine Vielzahl räumlich getrennt voneinander anzuordnender magnetischer Sensoren erforderlich wäre.
Der erste magnetische Sensor ist dabei zur Erfassung einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen und ggf. Ausrichtungen des zugeordneten Magnetelements ausgebildet. Er ist ferner dazu geeignet, graduelle Änderungen der Position und/oder der Ausrichtungen des Magnetelementes zu erfassen und diese in auswertbare elektrische Signale zur Steuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs umzuwandeln.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor sowohl zur Erfassung eines Kipp- als auch eines Schwenkwinkels des Hebels ausgebildet. Der Sensor ist somit zur Erfassung der Bewegungen des Hebels in den beiden Freiheitsgraden ausgebildet, die von der Hebelaufhängung vorgegeben sind. Insoweit ermöglicht der Sensor eine zumindest zweidimensionale Positionserfassung des mit dem Hebel in Wirkverbindung stehenden Magnetelementes.
Von Vorteil ist dabei, dass der Sensor zur orts- und/oder winkelaufgelösten Erfassung der Position und/oder der Ausrichtung des Magnetelements ausgebildet ist. Der Sensor ist folglich in der Lage, ein ort- oder winkelcodiertes elektrisches Signal zu erzeugen, welches Aufschluss über die exakte Positionierung und/oder Ausrichtung des magnetfelderzeugenden Magnetelementes gibt.
Das Magnetelement kann als Dauermagnet, aber auch als Elektromagnet ausgebildet sein. Auch ist denkbar, dass das Magnetelement ein räumlich inhomogenes bzw. räumlich codiertes Magnetfeld erzeugt, sodass auch in Betriebszuständen, in welchen das Magnetelement und der zugeordnete Sensor keine Relativbewegung zueinander ausführen sondern statisch zueinander angeordnet sind, die relative Position bzw. der Abstand zwischen dem Magnetelement und dem zugehörigen Sensor jederzeit ermittelt werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetsensor zumindest zwei Hall-Elemente aufweist. Diese Hall-Elemente sind auf einer ersten im Wesentlichen eben ausgebildeten Platine angeordnet. Die beiden Hall-Elemente sind bezüglich ihrer Längserstreckung schräg, vorzugsweise senkrecht zueinander auf der Platine ausgerichtet. Die einzelnen Hall-Elemente sind zur Erzeugung einer Hall-Spannung ausgebildet und nutzen den magnetoresistiven Effekt aus. Sie können dabei als AMR-, GMR- oder als TMR-Elemente ausgebildet sein, die den Anisotropen-, Riesen- oder den Tunnel-Magnetwiderstandseffekt ausnutzen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Magnetsensor neben den Hall-Elementen eine Auswerteeinheit, insbesondere einen Mikrocontroller aufweist, die zur Erzeugung von positions- oder winkelspezifischen elektrischen Steuersignalen ausgebildet ist. Insoweit weist der Sensor eine integrierte Auswertelogik auf, sodass bereits im Sensor selbst eine Aufbereitung der Messsignale erfolgt. Diese können beispielsweise bereits im Sensor, mittels eines Analog-Digitalwandlers in digitale und digital weiterzuverarbeitende Daten übertragen werden.
Die lokale Verarbeitung bzw. Übertragung von Messwerten in elektrische Messdaten hat den Vorteil einer einfacheren Signalübertragung vom Sensor zu einer zentralen Auswerteeinheit. Da die von den Hall-Elementen generierbaren elektrischen Signale teils recht schwach und störanfällig sind, wird durch die Implementierung einer integrierten Auswerteeinheit im Sensor selbst eine einfachere und weniger störanfällige elektrische Erfassung und Umsetzung von durch den Hebel vorgegebener Schalt- oder Wählzustände zur Verfügung gestellt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Ebene der Platine des zumindest einzigen Sensors im Wesentlichen parallel zu einer von Kipp- und Wellenachse aufgespannten Ebene erstreckt. Das mit dem Hebel in Wirkverbindung stehende Magnetelement ist zwischen der Platinenebene und der von Kipp- und Wellenachse aufgespannten Ebene beweglich. Es vollzieht vorzugsweise eine Bewegung, die einem Kugelkreissegment folgt, wobei die Kugelmitte vorzugsweise mit dem Aufhängungspunkt des Hebels an der Welle zusammenfällt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Hebel ein Kopplungselement verbunden ist, an dessen dem Hebel abgewandten Endabschnitt stirnseitig das Magnetelement angeordnet ist. Vorzugsweise weist dieser dem Hebel abgewandte Endabschnitt eine für das Magnetelement vorgesehene Aufnahme auf.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zusätzlich zum ersten magnetischen Sensor noch ein zweiter Magnetsensor und ein entsprechendes zweites Magnetelement vorgesehen. Das zweite Magnetelement ist vorzugsweise an einem axialen Endabschnitt der drehbaren Welle befestigt, während der dem Magnetelement zugeordnete zweite Sensor axial beabstandet von der Welle, dem zweiten Magnetelement gegenüberliegend angeordnet ist. Das zweite Magnetelement ist dabei insbesondere zur Erfassung der Schwenkbewegung des Hebels ausgebildet und kann ergänzend oder auch alternativ zum ersten Magnetsensor eine Schwenkbewegung des Hebels erfassen und entsprechende Sensorsignale generieren, die zur Steuerung des entfernt angeordneten Getriebes oder Antriebs vorzusehen sind.
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die beiden räumlich voneinander beabstandet angeordneten Magnetsensoren ihre Signale an eine gemeinsame Auswerteeinheit übermitteln. Auf diese Art und Weise kann eine Redundanz und eine erhöhte Ausfallsicherheit zur Verfügung gestellt werden, insbesondere, wenn einer der Sensoren ein mit dem Signal des jeweils anderen Sensors unvereinbares Signal erzeugen sollte. Dies wäre ein Indiz dafür, dass zumindest einer der beiden Sensoren bzw. die Gebereinrichtung eine Fehlfunktion aufweist. Somit können sicherheitsrelevante Fehlzustände sicher detektiert und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Insoweit betrifft die Erfindung die Ausgestaltung einer Gebereinrichtung, wobei die Kipp- als auch die Schwenkbewegung oder -Stellung des Hebels mit höchstens zwei magnetischen Sensoreinheiten, welche jeweils einen Magnetsensor und ein zugeordnetes magnetisches Element aufweisen, ermittelbar ist und die Positions- oder Ausrichtungserfassung des Hebels vollständig berührungslos erfolgt.
Nach einer weiteren unabhängigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Gebereinrichtung auch ohne den ersten, sondern nur mittels des zweiten, nach Art eines Drehwinkelsensors ausgebildeten Magnetsensors versehen werden. Anstelle des ersten Magnetelements ist dann ein mit der Welle gekoppeltes zweites Magnetelement vorgesehen, dem axial beabstandet der zweite Sensor zugeordnet ist. Der zweite Sensor dient dabei zur Erfassung der Schwenkbewegung des Hebels und zur Erzeugung eines der jeweiligen Schwenkstellung entsprechenden elektrischen Signals, welches zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs vorgesehen ist.
Die Kippbewegung des Hebels kann dabei nach einer Weiterbildung der Erfindung ebenfalls von dem zweiten Magnetelement erfasst werden. Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass bei einer Kippbewegung des Hebels die Welle, bzw. das mit der Welle verbundene Magnetelement eine Bewegung in Axialrichtung vollzieht. Insoweit verändert sich der Betrag bzw. die Amplitude des vom gegenüber der Welle ortsfest angeordneten zweiten Magnetelements messbaren Signals.
Zusätzlich zum zweiten, als Drehwinkelsensor ausgebildeten Magnetsensor kann jedoch auch der erste zuvor beschriebene Sensor zur Erfassung der Kippbewegung ausgebildet werden. Alternativ ist auch eine mechanische Kopplung der Kippbewegung des Hebels mit mechanischen Kraftübertragungsmitteln, wie etwa einem Betätigungszug oder einer entsprechenden Stange denkbar.
Von Vorteil ist es, wenn der Hebel mit dem ersten, ein entsprechendes erstes magnetfelderzeugenden Magnetelement in mechanischer Wirkverbindung steht, dessen Position, bezogen auf die Axialrichtung der Welle, mittels eines ersten, gegenüber der Welle bzw. gegenüber dem Hebel ortsfest angeordneten magnetischen Sensors in ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs umwandelbar ist. Der erste magnetische Sensor ist dabei zumindest so ausgebildet, dass er verschiedene Positionen des Magnetelementes in Axialrichtung der Welle erfasst und dementsprechende Signale generiert.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der erste Sensor zur Erfassung der Kippbewegung des Hebels und der zweite Sensor zur Erfassung der Schwenkbewegung des Hebels um die Wellenachse ausgebildet sind. Es können beide Sensoren als Drehwinkelsensoren ausgebildet sein. Es ist jedoch für beide Sensoren eine gegenüber der Welle bzw. gegenüber dem Hebel ortsfeste Anordnung an oder in einem Gehäuseabschnitt vorgesehen. Für den ersten Sensor ist insbesondere vorgesehen, diesen als positionserfassenden Sensor auszugestalten und diesen in einer Ebene parallel versetzt zur Ebene der Schwenk- und Kipprichtung anzuordnen.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mit dem Hebel in mechanischer Wirkverbindung stehenden Funktionsteile, insbesondere die zur Erzeugung eines entsprechenden Magnetfelds vorgesehenen Magnetelemente, in einem sogenannten Mechanikgehäuse angeordnet sind, während sämtliche zur Erzeugung elektrischer Signale ausgebildeten Funktionsteile, insbesondere die magnetischen Sensoren und die zugehörigen Hall-Elemente in einem sogenannten Elektronikgehäuse angeordnet sind.
Dabei ist das Elektronikgehäuse gegenüber dem Mechanikgehäuse staub- und/oder feuchtigkeitsdicht verschlossen. Anstelle zweier getrennter Gehäuse kann auch vorgesehen sein, lediglich ein zur Aufnahme der Elektronikkomponenten bestimmtes Gehäuse vorzusehen, welches nach außen staub- und/oder feuchtigkeitsdicht verschlossen. Insoweit ist eine hermetische Trennung mechanischer und elektrische Komponenten der Gebereinrichtung vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Gebereinrichtung, insbesondere ihre elektrischen Komponenten, sind daher gegenüber Umwelteinflüssen besser geschützt. Dies kann sich für die gesamte Vorrichtung als lebensdauerverlängernd auswirken und trägt zudem dazu bei, dass etwaige Wartungs- oder Inspektionsintervalle verlängert werden können.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass nicht nur der erste Sensor, sondern auch der zweite Sensor auf einer ihm zugeordneten, zweiten Platine angeordnet ist. Während die erste Platine im Wesentlichen parallel zu der von Kipp- und Schwenkachsenrichtung aufgespannten Ebene angeordnet ist, erstreckt sich die Flächenormale der den zweiten, drehwinkelsensoraufnehmenden zweiten Platine im Wesentlichen parallel zur Achse der Welle. Die beiden Platinenebenen stehen somit vorzugsweise senkrecht aufeinander. Es kann dabei auch vorgesehen werden, beide Platinen winklig, insbesondere rechtwinklig und einstückig miteinander zu verbinden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass zumindest eine, vorzugsweise aber beide Platinen jeweils eine integrierte Auswerteeinheit aufweisen, die jeweils mit dem auf der Platine angeordneten Hall-Element zur Auswertung und/oder Berechnung von Positions- oder Winkeldaten elektrisch gekoppelt ist. Die Auswertung und Aufbereitung der von den einzelnen Hall-Elementen ermittelbaren Messwerte erfolgt somit unmittelbar, lokal und direkt in einem integrierten Schaltkreis, innerhalb eines Sensors oder Sensorgehäuses. Diese separat und lokal stattfindende Auswertung und Aufbereitung von Messsignalen, welche insbesondere auch eine Analog-Digitalwandlung beinhaltet erlaubt, die Signalübertragungswege von den Sensoren zu übergeordneten Auswerteeinheiten oder Bussystemen verhältnismäßig preisgünstig auszugestalten.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die den Sensoren oder dem Sensor zugeordnete Auswerteeinheit als Mikrocontroller ausgebildet ist und zur Weitergabe von Signalen an einen Datenbus, insbesondere einen SPI-Bus (Serial Peripheral Interface-Bus) gekoppelt ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen werden, dass noch innerhalb der Gebereinrichtung eine weitere, ebenfalls als Mikrocontroller auszubildende Auswerteeinheit angeordnet ist, welche als Protokollumsetzer bzw. als CAN-Gateway fungiert und sämtliche von der elektromechanischen Gebereinrichtung erzeugbaren Signale in einen CAN-Bus oder dergleichen datenübertragende Leitung eingespeist werden.
Nach einer weiteren unabhängigen Ausgestaltung betrifft die Erfindung eine Gebereinrichtung zur Steuerung mindestens einer Funktion eines räumlich entfernt angeordneten Getriebes oder Antriebes mit einem vom Getriebe oder Antrieb mechanisch entkoppelten Hebel. Dieser Hebel ist beliebig schwenkbar gelagert. Insbesondere ist er um eine erste und um eine schräg zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse schwenkbar gelagert. Dabei steht der Hebel zumindest mit einem ersten und/oder einem zweiten Magnetelement, welches vorzugsweise permanent ein magnetisches Feld erzeugt, in mechanischer Wirkverbindung. Das oder die beiden Magnetelemente, etwa in Ausbildung von Dauermagneten sind sozusagen am Hebel oder am Fortsatz des Hebels räumlich voneinander beabstandet angeordnet. Vorzugsweise sind diese beiden Magnetelemente auch unterschiedlich zueinander ausgerichtet.
Die Position und/oder die Ausrichtung dieser beiden Magnetelemente des Hebels können mittels zumindest einem ersten magnetischen Sensor in ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebes umgewandelt werden. Der magnetische Sensor ist insbesondere an der Nehmerseite der Gebereinrichtung angeordnet.
Bei dieser Ausführung ist insbesondere vorgesehen, dass die Lagerung des Hebels als Kugelgelenk ausgebildet ist und der Hebel an einem dem Gelenkabschnitt zugewandten Ende mit einem Rahmen verbunden ist. Dieser Rahmen erfüllt die Funktion einer Kugelpfanne und sitzt auf einer ortsfest angeordneten Kugel auf. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der zumindest eine, vorzugsweise aber zwei räumlich getrennt voneinander angeordnete magnetische Sensoren an der Kugel oder in der Kugel befestigt oder eingebettet sind, während die zur Erzeugung eines räumlich inhomogenen Magnetfeldes vorgesehenen ersten und zweiten Magnetelemente an dem Rahmen angeordnet sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, die Magnetelemente einer gedachten axialen Verlängerung der beiden vorzugsweise einen Winkel von 90° zueinander einschließenden Schwenkachsen am Rahmen anzuordnen.
Die Ausbildung der Gebereinrichtung nach Art eines Kugelgelenkes hat den Vorteil, dass beliebige Schwenk- bzw. Kippwinkel des Hebels eingenommen werden können. Mittels der beiden Magnetelemente und den zugeordneten Magnetsensoren kann somit jede Stellung des Hebels in einer Halbkugeloberfläche elektronisch erfasst und in einer zugeordneten elektronischen Auswerteeinheit abgebildet werden. Auf aufwendig zu implementierende mechanischer Zwangsführungen für den Hebel kann in vorteilhafter Weise verzichtet werden. Dies verringert in vorteilhafter Weise die Störanfälligkeit und erhöht die Wartungsfreundlichkeit der Gebereinrichtung.
Ausführungsbeispiel
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale in ihrer sinnvollen Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von den Schutzansprüchen und deren Rückbezügen.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht der Gebereinrichtung,
2 eine perspektivische Ansicht des Gebers von oben,
3 eine Querschnittsdarstellung des Gebers in einer Raststellung,
4 den Geber gemäß 3 in einer gekippten Stellung,
5 den Geber in einer weiteren perspektivischen Ansicht,
6 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Schalt- und Kippzustände des Hebels und
7 ein Blockdiagramm der einzelnen Elektronikkomponenten der Gebereinrichtung.
8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung einer kugelgelenkartigen Lagerung.
In den 1 bis 5 ist eine Gebereinrichtung mit einem Hebel 1 gezeigt, an dessen freien oberen Endabschnitt ein Handgriff 19 angeordnet ist, an welchem, wie in 2 besonders deutlich ersichtlich, insgesamt sechs Taster 18 angeordnet sind. Diese Tasten 18 können vom Bediener der Gebereinrichtung zur Ansteuerung beliebig programmierbarer Funktionen betätigt werden.
Der Hebel 1 ist starr mit einem Kopplungselement, bzw. einen sogenannten Mitnehmer 15 verbunden. Dieser ist, wie aus den Querschnittsdarstellungen der 3 und 4 hervorgeht, formschlüssig mit einer Hohlwelle 14 verbunden und kann zusammen mit dem Hebel 1 über die in der Hohlwelle 14 aufgenommenen Kugeln 16 in eine in 4 gekippte Stellung überführt werden. Dabei klinkt sich der Hebel 1 aus einem dafür vorgesehenen Rastbügel 2 in Axialrichtung aus. Der Rastbügel 2 ist seinerseits über ein Halteteil 20 und einem damit verbundenen scheibenartigen Segment 22 ebenfalls drehfest mit der Hohlwelle 14 verbunden. Der Rastbügel 2 schwenkt und kippt parallel und zusammen mit dem Hebel 1.
Der scheibenartig ausgebildete Mitnehmer 15 ist in Axialrichtung beidseitig von einem Druckfederelement 9 abgestützt, welches dazu ausgebildet ist, den Hebel 1 und den damit verbundenen Mitnehmer 15 in die in 3 angedeutete Raststellung zu überführen. Der Rastbügel 2 begrenzt die Kippbewegung des Hebels in einer Richtung. Wird der Hebel aus einer Stellung gemäß 3 nach links bewegt, so gelangt der in den 3 und 4 untere Abschnitt 15.1 des Mitnehmers 15 außer Eingriff mit einer Rastschiene 10, welche in Raststellung eine Schwenkbewegung des Hebels um die Welle 13, 14 verhindert. Erst in der gekippten Stellung gemäß 4 ist die Schwenkbewegung des Hebels 1 freigegeben, sodass der Hebel 1 und der damit verbundene Mitnehmer 15 nach vorn bzw. nach hinten bewegt werden können.
Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Mitnehmer 15 und der Hohlwelle 14 erfolgt über korrespondierend an diesen beiden Elementen ausgebildete Schlüsselflächen. Die Hohlwelle 14 ist ferner über einen Spannstift 5 drehfest mit der Welle 13 verbunden.
Am in 3 und 4 rechten stirnseitigen Endabschnitt der Welle 13 ist ein Magnetelement 7 angeordnet, dem axial beabstandet ein Drehwinkelsensor 6 zugeordnet ist. Dieser Drehwinkelsensor 6 ermöglicht eine präzise und zugleich berührungsfreie Erfassung der Schwenkbewegung bzw. gegenüber einer Nulllage verschwenkten Stellung des Hebels 1. Der Sensor 6 ist hierzu auf einer sich in den 3 und 4 vertikal erstreckenden Platine 8.1 angeordnet, die an ihrem unteren Endabschnitt winklig mit einer weiteren Platine 8 verbunden ist.
Auf dieser weiteren Platine 8 ist ein weiterer Magnetsensor 12 angeordnet, der in der Konfiguration gemäß 3 einem an dem nach unten ragenden Fortsatz 15.1 des Mitnehmers 15 befestigten Stabmagneten 11 gegenüberliegt. Beide Sensoren 6, 12 und die zugeordneten Platinen 8.1 und 8 sind innerhalb eines hermetisch abgeriegelten Elektronikgehäuses 3 angeordnet. Das Gehäuse 3 weist an seiner in 3 und 4 rechten Seite einen stabartig nach oben ragenden Fortsatz 3.1 auf, der sich bis zur Höhe der Welle 13 erstreckt. Im oberen Abschnitt dieses domartigen Fortsatzes ist der Drehwinkelsensor 6 angeordnet.
Wie aus einem Vergleich der 3 und 4 hervorgeht, ändert sich der geometrische Abstand zwischen dem Magnet 11 und dem Magnetsensor 12 bei einer Kippbewegung des Hebels 1. Folglich ist der Sensor 12 zumindest zur Erfassung einer Kippbewegung ausgebildet, während eine Schwenk- oder Drehbewegung um die Welle 13 mittels des Drehwinkelsensors 6 erfasst werden kann.
Ergänzend oder Alternativ hierzu kann mittels des Sensors 12 auch eine vollständige Positionserfassung des Magneten 11 in der Ebene der Platine 8 erfasst werden. Insoweit kann mithilfe eines einzigen Magnetsensors 12 sowohl eine Schwenk- als auch Kippstellung bzw. -Bewegung zuverlässig ermittelt werden. Bei einer solchen Ausgestaltung bietet der zweite Hallsensor 6 eine Redundanz bzw. Kontrollmöglichkeit. Umgekehrt ist ebenfalls denkbar die Redundanz über den Sensor 12 zu implementieren.
Der Magnet 11 kann als Dauermagnet, aber auch als Elektromagnet ausgebildet sein. Er ist zudem an einem Steuerfortsatz 15.1 des Mitnehmers 15 mittels eines dafür vorgesehenen Halters 17 befestigt. Der Magnet 11 ist damit stirnseitig an einem freien Ende des zapfenartigen Fortsatzes 15.1 angeordnet, welches dem Hebel 1 gegenüber abgewandt ist.
6 zeigt die beispielsweise zur Steuerung eines Bodenbearbeitungsgeräts, etwa einer Raupe oder eines Baggers vorgesehenen Schwenk- und Kippstellungen des Hebels 1 wie er auch etwa für Verdichtungsmaschinen z. B. Walzenzüge Einsatz finden kann. Die Stellung 102 entspricht im Wesentlichen der in 4 angedeuteten Nullstellung, während die Position 108 in 6 einer in 3 wiedergegebenen Raststellung entspricht, in welcher etwa eine Bremse aktiviert oder ein Getriebe blockiert ist.
Die Stellung 106 entspricht einer Neutralstellung, in welcher sich der Hebel 1 in einer nicht geschwenkten, aber teils gekippten Ausrichtung befindet.
Ist der Hebel 1 in eine in 4 angedeutete Nullstellung 102 überführt, kann er anschließend in eine Vorwärtsposition 100 oder nach Durchfahren der Nullstellung 102 in eine Rückwärtsposition 104 verschenkt werden. Die Ausgestaltung der Rastschiene 10 und des Rastbügels 2 ist derart, dass ein Überführen von einer Vorwärts- oder Rückwärtsstellung 100, 104 in eine Raststellung 108 zwingend über die Nullstellung 102 erfolgen muss. Dies gewährleistet, dass eine Bremsraststellung 108 erst bei einem in der Nullstellung 102 eingenommenen Fahrzeug oder Getriebestillstand eingenommen werden kann. Etwaigen Beschädigungen oder besonders kritischen Betriebszuständen kann dadurch vorgebeugt werden.
In 7 ist ferner ein Blockschaltbild der wesentlichen elektrischen Komponenten der Gebereinrichtung dargestellt. Hier ist die Platine 8 oder 8.1 gezeigt, welche zumindest zwei, vorzugsweise im rechten Winkel zueinander angeordnete Hall-Elemente 202, 204 aufweist. Deren Messsignale werden einer platinenspezifischen Auswerteeinheit 206 zugeführt. Diese Auswerteeinheit kann als Mikrocontroller ausgebildet sein. In dem Mikrocontroller selbst oder mit Hilfe eines separat an der Platine anzuordnenden Bauteils kann insbesondere eine Analog-Digitalwandlung der Messsignale erfolgen.
Die digitalisierten Daten, welche bereits auf dem eigentlichen Sensor 12, 6 erzeugt werden, können anschließend in eine Datenübertragungseinrichtung 208 eingespeist werden. Diese Datenübertragungseinrichtung 208 kann als Datenbus, insbesondere als Serial Peripheral Interface-Bus (SPI) ausgebildet sein. In diesem Bus 208 können des Weiteren auch die Signale des jeweils anderen Sensors 6, 12 eingespeist werden.
Die in den Bus eingespeisten Daten 208 können einer weiteren Auswerteeinheit 210 zugeführt werden, die als Protokollumsetzer, insbesondere als CAN-Gateway fungieren kann. Diese kann die von den Sensoren 12, 6 übermittelten Signale beispielsweise in ein CAN-Open-Bussystem einspeisen bzw. umsetzen und in eine entsprechende Bus-Infrastruktur 212 einleiten.
Die Darstellung gemäß 8 zeigt die kugelgelenkartige Ausgestaltung der Gebereinrichtung. Der Hebel 300 ist mit einem Rahmenteil 316 verbunden. Der Rahmen weist untenliegend einen rechteckig ausgebildeten Grundrahmen 320 auf, an welchem dem Hebel 300 zugewandt ein dem Grundrahmen 320 überspannender Bügel 322 angeordnet ist. An den Grundrahmen 320 sind zwei Magnetelemente 310, 312 angeordnet. Diese liegen in einer gedachten Verlängerung der beiden Schwenkachsen 304 und 302. Die Schwenkbewegung des Hebels 300 um die Schwenkachse 304 ist durch den Pfeil 306 angedeutet. Jene Schwenkbewegung um die Achse 302 verdeutlicht der Pfeil 308.
Der Rahmen 316 wirkt als Kugelpfanne, die auf eine ortsfest angeordnete Kugel 318 aufsetzbar und beliebig um diese schwenkbar gelagert ist. Im Inneren oder an der Außenfläche der Kugel 318 ist ein in der Figur nicht explizit dargestellter Magnetsensor vorgesehen. Vorzugsweise sind zwei räumlich voneinander beabstandete an der Kugeloberfläche oder in die Kugel eingebettete Magnetsensoren vorgesehen, die das sich in ihrer unmittelbaren Umgebung verändernde Magnetfeld in Folge einer Hebelverschwenkung sowohl quantitativ als auch qualitativ erfassen. Aus dieser sensorischen Erfassung lassen sich elektrische Signale generieren, die letztlich zur Ansteuerung des entfernt angeordneten Getriebes oder des Antriebes vorgesehen sind.

1: Hebel
2: Rastbügel
3: Elektronikgehäuse
3.1: Gehäuseabschnitt
4: Mechanisches Gehäuse
5: Spannstift
6: Sensor
7: Magnet
8: Platine
8.1: Platine
9: Feder
10: Rastschiene
11: Magnet
12: Sensor
13: Welle
14: Hohlwelle
15: Mitnehmer
15.1: Fortsatz
16: Kugel
17: Halter
18: Taster
19: Handgriff
20: Halter
22: Segment
100: Vorwärts-Stellung
102: Null-Stellung
104: Rückwärts-Stellung
106: Neutral-Stellung
108: Brems-Stellung
202: Hall-Element
204: Hall-Element
206: Mikrocontroller
208: Datenbus
210: Mikrocontroller
212: Datenbus
300: Hebel
302: Schwenkachse
304: Schwenkachse
306: Schwenkrichtung
308: Schwenkrichtung
310: Sensor
312: Sensor
314: Kugelgelenk
316: Rahmen
318: Kugel
320: Grundrahmen
322: Bügel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0458313 B1 [0002, 0005]
- EP 0075693 A1 [0006]

Claims

Gebereinrichtung zur Steuerung mindestens einer Funktion eines räumlich entfernt angeordneten Getriebes oder Antriebs, mit einem um eine Welle (13) schwenkbar gelagerten Hebel (1), welcher mit dieser formschlüssig gekoppelt und um eine senkrecht zur Welle (13) verlaufende Kipp- oder Schwenkachse kipp- oder schwenkbar und vom Getriebe oder Antrieb mechanisch entkoppelt ist, wobei der Hebel (1) zumindest mit einem ersten ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement (7, 11) in mechanischer Wirkverbindung steht, dessen Position und/oder Ausrichtung mittels eines einzigen, ersten magnetischen Sensors (12) in ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs umwandelbar ist.
Gebereinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor sowohl zur Erfassung eines Kipp- als auch eines Schwenkwinkels des Hebels (1) ausgebildet ist.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (12) zur orts- oder winkelaufgelösten Erfassung der Position und/oder der Ausrichtung des Magnetelementes (11) ausgebildet ist.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (12, 6) zwei schräg, vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtete und auf einer ersten Platine (8) angeordnete Hall-Elemente (202, 204) aufweist.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (12, 6) eine Auswerteeinheit (206) zur Erzeugung von positions- oder winkelspezifischen elektrischen Steuersignalen aufweist.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, wobei sich die Ebene der Platine (8) im Wesentlichen parallel zu einer von Kipp- und Wellenachse (13) aufgespannten Ebene erstreckt.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit dem Hebel (1) ein Kopplungselement (15) verbunden ist, an dessen dem Hebel (1) abgewandten Endabschnitt (15.1) stirnseitig das Magnetelement (11) angeordnet ist.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einem axialen Endabschnitt der Welle (13) ein zweites drehfest mit der Welle verbundenes Magnetelement (7) angeordnet ist, dem axial beabstandet ein zweiter Sensor (6) zugeordnet ist, welcher zur Erfassung einer Schwenkbewegung des Hebels (1) ausgebildet ist.
Gebereinrichtung zur Steuerung mindestens einer Funktion eines räumlich entfernt angeordneten Getriebes oder Antriebs, mit einem um eine Welle (13) schwenkbar gelagerten Hebel (1), welcher mit dieser formschlüssig gekoppelt und um eine senkrecht zur Welle (13) verlaufende Kipp- oder Schwenkachse kipp- oder schwenkbar und vom Getriebe oder Antrieb mechanisch entkoppelt ist, wobei ein drehfest mit der Welle (13) gekoppeltes, ein Magnetfeld erzeugendes zweites Magnetelement (7) vorgesehen ist, dem axial beabstandet ein zweiter Sensor (6) zugeordnet ist, welcher zur Erfassung einer Schwenkbewegung des Hebels (1) und zur Erzeugung eines elektrischen Signals zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs ausgebildet ist.
Gebereinrichtung nach Anspruch 9, wobei der Hebel (1) zumindest mit einem ersten, ein Magnetfeld erzeugenden Magnetelement (11) in mechanischer Wirkverbindung steht, dessen Position bezogen auf die Axialrichtung der Welle (13) mittels eines ersten magnetischen Sensors (12) in ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder des Antriebs umwandelbar ist.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sensor (12) zur Erfassung der Kippbewegung und der zweite Sensor (6) zur Erfassung der Schwenkbewegung des Hebels um die Wellenachse vorgesehen sind.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mit dem Hebel (1) in mechanischer Wirkverbindung stehenden Funktionsteile in einem Mechanikgehäuse (4) und sämtliche zur elektrischen Signalerzeugung ausgebildeten Funktionsteile in einem Elektronikgehäuse (3) angeordnet sind, welches gegenüber dem Mechanikgehäuse (4) staub- und/oder feuchtigkeitsdicht verschlossen ist.
Gebereinrichtung nach Anspruch 12, wobei das erste und/oder zweite Magnetelement (7,11) innerhalb des Mechanikgehäuses (4) und der jeweils zugeordnete erste und/oder zweite Sensor (12, 11) innerhalb des Elektronikgehäuses (3) angeordnet ist.
Gebereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sensor (6) auf einer zweiten Platine (8.1) angeordnet ist, deren Flächennormale sich im Wesentlichen parallel zur Achse der Welle (13) erstreckt.
Gebereinrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste und/oder zweite Platine (8, 8.1) eine Auswerteeinheit aufweisen, die jeweils mit dem ersten und/oder zweiten Hall-Element (202, 204) zur Auswertung und/oder Berechnung von Positions- oder Winkeldaten elektrisch gekoppelt ist.
Gebereinrichtung nach Anspruch 15, wobei die Auswerteeinheit als Mikrocontroller (206) ausgebildet ist und zur Weitergabe von Signalen an einen Datenbus (208) gekoppelt ist.
Gebereinrichtung zur Steuerung mindestens eines Funktion eines räumlich entfernt angeordneten Getriebes oder Antriebs, mit einem vom Getriebe mechanisch entkoppelten Hebel (300), welcher um eine erste Achse (302) und um eine zweite Achse (304) schwenkbar gelagert ist und wobei der Hebel zumindest mit einem ersten und/oder zweiten Magnetelement (310, 312) in mechanischer Wirkverbindung steht, dessen oder deren Position und/oder Ausrichtung mittels zumindest einem ersten magnetischen Sensor in ein elektrisches Signal zur Ansteuerung der Funktion des Getriebes oder Antriebs umwandelbar ist.
Gebereinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Lagerung des Hebels (300) als Kugelgelenk (314) ausgebildet ist und der Hebel mit einem Rahmen (316) verbunden ist, welcher nach Art einer Kugelpfanne ausgebildet und auf einer ortsfest angeordneten Kugel (318) sitzt.
Geberweinrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei die beiden Schwenkachsen (302, 304) einen Winkel von 90° zueinander einschließen.
Gebereinrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Magnetelemente (310, 312) an dem Rahmen (316) angeordnet sind und zumindest zwei räumlich voneinander beabstandete und den Magnetelementen zugeordnete magnetische Sensoren an der Kugel (318) vorgesehen sind.