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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Lagemessvorrichtung zur Positionsbestimmung
eines Kupplungspedals und zur Generierung von Signalen in Abhängigkeit
von der Position eines geradlinig verschiebbaren Körpers und
auf ein entsprechendes Verfahren.
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Bei
einem Kraftfahrzeug mit manuellem Schaltgetriebe ist die Positionsbestimmung
des Kupplungspedals wichtig für
die Steuerung des Antriebstranges. Lediglich wenn das Kupplungspedal vollständig durchgetreten
ist, soll der Motor des Kraftfahrzeugs bei einem eingelegten Gang
gestartet oder bei bereits laufendem Motor ein anderer Gang eingelegt
werden können.
Hierfür
wird üblicherweise
die Position eines Kolbens in einem Geberzylinder bestimmt. Wenn
der Kolben die Position des vollständig durchgetretenen Kupplungspedals
einnimmt, wird dies mittels eines Sensors, wie z. B. ein Hallsensor, erfasst
und durch eine Auswerteschaltung signalisiert, woraufhin die Motorsteuerung
ein Starten des Motors oder bei bereits laufendem Motor die Getriebesteuerung
einen Wechsel des Ganges zulässt.
Der Sensor ist meist in unmittelbarer Nähe zu der Position des Kolbens
bei vollständig
durchgetretenem Kupplungspedal angeordnet. Dies erhöht die Genauigkeit
und Zuverlässigkeit
der Positionsbestimmung des Kolbens.
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Oft
ist es erforderlich, für
mehr als eine Position zu bestimmen, ob ein Körper die Position einnimmt
und dies dann zu signalisieren. So ist im Beispiel des Kupplungspedals
auch dessen Position im nicht oder teilweise betätigten Zustand von Interesse, um
beispielsweise eine automatische Geschwindigkeitsregelung (Tempomat)
auszuschalten, wenn das Kupplungspedal zwar betätigt aber nicht notwendigerweise
vollständig
durchgetreten wird. In solchen Fällen
wird im Stand der Technik ein weiterer Sensor verwendet, was zusätzliche
Kosten und eine Erhöhung
der Komplexität
der Vorrichtung zur Folge hat.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lagemessvorrichtung
für ein
Kupplungspedal bereit zu stellen, die die Position des Kupplungspedals
bestimmt und Signale generiert.
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Diese
Aufgabe wird von einer erfindungsgemäßen Lagemessvorrichtung zur
Positionsbestimmung und einem entsprechenden Verfahren gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Lagemessvorrichtung
zur Positionsbestimmung eines Kupplungspedals durch die Messung
der Lage eines mit einem Permanentmagneten versehenen Körpers weist
einen Hallsensor mit Sensorelementen zur räumlichen Erfassung der Vektorkomponenten
des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds auf. Dabei ist der
Permanentmagnet entlang einer Geraden zwischen zwei Endpositionen
verschiebbar. Ferner sind Mittel zur Bestimmung der Position des
Körpers
anhand der vom Sensorelement erfassten Vektorkomponenten des Magnetfelds
vorgesehen, sowie zur Generierung von Signalen, wenn sich der Körper in einer
zur Signalgenerierung vorgesehenen Position befindet. Hierbei ist
insbesondere der Körper
ein Kolben in einem Zylinder und insbesondere der Kolben mechanisch
mit dem Kupplungspedal gekoppelt. Diese Kopplung wird häufig durch
ein Gestänge, Koppelgestänge oder
Kopplegetriebe ausgeführt, welches
das Kupplungspedal mit dem Geberkolben verbindet. Der Geberkolben
ist Teil der hydraulischen Untersetzung, welche zum Erhalt des benötigten Kupplungskraft
die am Kupplungspedal ausgeübte Betätigungskraft
erhöht.
Es wird lediglich ein Hallsensor eingesetzt, welcher das Magnetfeld
räumlich, also
dreidimensional messen kann. Wie im Ausführungsbeispiel beschrieben,
wird die Position des Kolbens über
die Winkellage des gemessenen Magnetfeldvektors bestimmt. Dies hat
den Vorteil, dass die Messung von der Stärke des Magnetfeldes unabhängig ist,
und so das System gegen Fremdeinflüsse (wie Temperaturschwankungen)
weitgehend unabhängig
wird.
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Der
Körper
befindet sich stets zwischen den zwei Endpositionen und seine Position
entspricht der jeweiligen Entfernung von der ersten oder alternativ von
der zweiten Endposition. Die generierten Signale können ein
einfaches elektronisches, insbesondere digitales Signal sein. Wenn
mehrere Signale benötigt werden,
können
sie elektronisch kodiert werden.
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Vorteilhafter
Weise umfasst der Hallsensor einen einstückigen Trägerkörper, der zumindest drei Sensorelemente
zur Erfassung der räumlichen
Vektorkomponenten aufweist. Durch diese Integration wird der Aufbau
deutlich einfacher realisiert und kostengünster, als wenn mehrere getrennte
bzw. einzelne Sensoren verwendet würden. Außerdem liegen durch die Integration
die Sensorelemente räumlich unmittelbar
nebeneinander, was die Genauigkeit der Berechnung der Position des
verschiebbaren Körpers
erhöht.
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Ferner
umfasst der Hallsensor vorzugsweise eine integrierte Schaltung zur
Bestimmung der Position des Körpers
sowie zur Generierung eines Positionssignals. Die integrierte Schaltung
umfasst insbesondere einen programmierbaren Microcontroller. Auf
diese Weise wird die Anzahl und somit die Kosten der einzelnen Komponenten
reduziert und durch die räumliche
Nähe der
Sensorelemente zur Elektronik können
die gemessenen Signale durch die Schaltung unmittelbar und ohne
störende
Einflüsse
einer Weiterleitung, wie bspw. durch EMV-Einflüsse, durchgeführt werden.
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Die
elektronische Schaltung bestimmt aus den von den Sensorelementen
erfassten Vektorkomponenten des Magnetfelds den Winkel zwischen
der Richtung des Magnetfeldvektors am Ort des Sensors und der Geraden,
entlang der sich der Körper
bewegt. Jedem Wert des Winkels ist eine Position des Körpers auf
der Geraden zugeordnet, so dass mittels der Winkelbestimmung die
Position des Körpers
bestimmbar ist.
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Wenn
sich der Körper
in einer Position befindet, für
die die Generierung eines Signals vorgesehen ist, gibt die elektronische
Schaltung vorzugsweise an einem dafür vorgesehenen Ausgang ein
Signal aus. Die Positionen für
die ein Signal generiert werden soll, sind vorzugsweise programmierbar
und in einem Speicher der elektronischen Schaltung speicherbar.
Alternativ können
die Positionen bei der Auslegung und Herstellung der elektronischen
Schaltung fest vorgegeben werden.
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Der
mit einem Microcontroller versehene Hallsensor weist insbesondere
einen ersten Datenausgang auf, über
welchen die Position, also die Lage zwischen den Endpositionen,
des Körpers
ausgegeben wird. Ferner weist der Hallsensor einen zweiten Datenausgang
auf, durch den die generierten Positionssignale ausgegeben werden.
Die integrierte Bauform des Hallsensors mit integriertem Microcontroller
vermeidet gesonderte Elektronik, da die Datenausgänge durch
Ports des Microcontrollers realisiert werden.
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Vorzugsweise
ist der Hallsensor ein handelsüblicher
3D-Joystick-Positionssensor. Derartige standardisierte Sensoren
werden in großen
Stückzahlen hergestellt
und somit kostengünstig.
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Insbesondere
wird das Hallelement mittig zwischen den zwei Endpositionen des
Permanentmagneten angeordnet. Da der Permanentmagnet ein weitgehend
symmetrisches Magnetfeld aufbaut, wird durch die mittige Hallelementposition
das gesamte Magnetfeld bestmöglich
abgedeckt.
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Das
vom Hallelement ausgegebene Lagesignal weist eine Sollwertabweichung
von weniger als 2% und vorzugsweise weniger als 1,5% auf. Die Solllage
ist die Entfernung des Hallelements bzw. des Körpers von der ersten Endposition
und die Sollwertabweichung ergibt sich aus der Differenz der Solllage
zu der vom Sensor bestimmten Position des Hallelements bzw. des
Körpers.
Die geringe Sollwertabweichung wird durch die Bauweise des Sensors
mit integrierter Elektronik erreicht.
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Vorzugsweise
befindet sich der Hallsensor in der Mitte des Messbereichs, wobei
der Messbereich durch die beiden Endpositionen des am Kolben angeordneten
Ringmagneten definiert ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass
die Erstreckung des Sensorbereichs geringer als der Messbereich
sein kann.
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In
einer weiterbildenden Ausführungsform erfasst
der Hallsensor die Lagepositionen des Körpers im Bereich von mindestens
60%, vorzugsweise mindestens 85% des Abstands der zwei Endpositionen.
In der zu Beginn genannten Ausführungsform
ist der Hallsensor so ausgelegt, dass er im gesamten Verfahrbereich
des Körpers,
also dem Bereich zwischen den zwei Endpositionen, Messwerte bereitstellen
kann. Jedoch hat sich gezeigt, dass in der Auswerteelektronik kein
Bedarf an Messwerten besteht, die zeigen, ob das Pedal zu 0% oder
10% durchgetreten ist, da die mechanische Trennung der Kupplung
erst bei ca. 50% eintritt. So reicht es aus, das der Hallsensor
die Bewegung des Körpers
nur auf einem Teil seines Verfahrweges bzw. Messbereichs aufnimmt
bzw. misst.
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Kupplungspedals durch
das Messen der Lage eines mit einem Permanentmagneten versehenen
Körpers
bestimmt, der entlang einer Geraden zwischen zwei Endpositionen verschiebbar
ist. Dabei erzeugt der Permanentmagnet ein Magnetfeld und ein Hallsensor
nimmt Magnetfeldkomponenten des Magnetfelds auf und über trigonometrische
Berechnungen wird der Winkel eines Magnetfeldvektors bestimmt, aus
welchem sich die Position des Körpers
ergibt. Vorzugsweise werden zusätzlich
abhängig
von der Position des Körpers
ein oder mehrere Positionssignale generiert.
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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2 eine
Detailansicht der Ausführungsform
gemäß 1 bei
zwei verschiedenen Positionen des Körpers.
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Aus
der Abbildung gemäß 1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ersichtlich. In dieser Ausführungsform
ist der Körper
ein Kolben 2 mit einer Kolbenstange 5, der in
einem Zylinder 3 entlang einer Geraden 4 verschiebbar
ist. Der Zylinder 3 und die Kolbenstange 5 sind
in der Abbildung nur teilweise dargestellt, so dass die beiden Endpositionen des
Kolbens nicht zu sehen sind. Der Abstand beider Endpositionen beträgt hier
3 cm. Der Kolben 2 weist in seiner Umfangsseite eine umlaufende
Nut 7 auf. In der Nut 7 ist ein Ringmagnet 8 so
angeordnet, dass die Außenfläche des
Ringmagneten 8 bündig
(oder leicht nach innen versetzt) mit der Außenfläche des Kolbens 2 abschließt und dass
die sich zwischen dem Nordpol und dem Südpol des Ringmagneten 8 erstreckende
Magnetfeldachse 9 parallel zu der Geraden 4 verläuft. An
der Zylinderaußenwand 13 ist
ein Hallsensor 14 mit nicht dargestellten Mitteln befestigt.
Der Hallsensor 14 umfasst in einem Gehäuse zumindest drei Sensorelemente
zur Messung der drei räumlichen
Vektorkomponenten.
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Aus
der Abbildung gemäß 2 ist
eine Detailansicht der Ausführungsform
gemäß 1 bei zwei
verschiedenen Positionen des Kolbens ersichtlich. Von der Ausführungsform
gemäß 1 ist
lediglich die Zylinderaußenwand 13,
der Hallsensor 14 und eine Querschnittsfläche des
Ringmagneten 8 dargestellt. Der Verlauf des von dem Ringmagneten 8 erzeugten
Magnetfelds ist durch eine einzelne eingezeichnete Magnetfeldlinie 16 angedeutet.
In der Teilabbildung a) befindet sich der nicht dargestellte Kolben 2 und
damit der Ringmagnet 8 in einer Position unterhalb des
Hallsensors 14, während
in der Teilabbildung b) der in 1 dargestellte
Zustand, bei dem sich der Ringmagnet 8 in Höhe des Hallsensors 14 befindet,
gezeigt ist. Gemäß Teilabbildung
a) besitzt das durch den Magnetfeldvektor 17 dargestellte Magnetfeld
am Ort des Hallsensors 14 zwei von Null verschiedene Magnetfeldkomponenten 18, 19,
wobei die eine Magnetfeldkomponente 18 parallel zur Bewegungsrichtung
des Kolbens 2 und die andere Magnetfeldkomponente 19 senkrecht
dazu verläuft. Demgegenüber besteht
gemäß Teilabbildung
b) das durch den Magnetfeldvektor 20 dargestellte Magnetfeld
am Ort des Hallsensors 14 lediglich aus einer zur Bewegungsrichtung
des Kolbens 2 parallelen Magnetfeldkomponente 21,
wenn sich der Ringmagnet 8 auf gleicher Höhe mit dem
Hallsensor 14 befindet. Die Magnetfeldkomponente senkrecht
zur Bewegungsrichtung des Kolbens 2 ist in diesem Fall
gleich Null.
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Mittels
der beiden Magnetfeldkomponenten 18, 19, 21 lässt durch
einfache trigonometrische Berechnungen der Winkel des Magnetfeldvektors 17, 20 am
Ort des Hallsensors 14 zu der Geraden 4 bestimmen
und hieraus ergibt sich die Position des Kolbens 2.
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Der
Hallsensor 14 weist vorzugsweise eine integrierte Auswerteschaltung
auf, die programmierbar ist, wie beispielsweise beim Sensor MLX90333 der
Firma Melexis. Ein derartiger Sensor weist vorteilhafter Weise auf
einem einstückigen
Trägerkörper mehrere
Sensorelemente auf, wobei jeder nach dem Hallprinzip arbeitet. Durch
eingebaute Magnetfeldrichter (Integrated Magneto-Concentrator, IMC®) werden
Magnetfeldlinien umgelenkt, so dass innerhalb eines Sensors das
Magnetfeld in drei Richtungen gemessen werden kann. Nach entsprechender
Kalibrierung der Kennlinien sind mit diesen Sensoren Verfahrwege
des Kolbens 2 von mehreren Zentimetern bei einer Fehlerabweichung
von weniger als 1,5% erfassbar.
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Da
sich bei Temperaturänderungen
nur der Betrag aber nicht die Richtung des Magnetfeldvektors 17, 20 ändert, ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
von Temperaturschwankungen nicht betroffen. Dieser Aspekt sowie
die bauteilsparende und somit kompakte Bauweise zeichnen eine erfindungsgemäße Vorrichtung
positiv gegenüber
vergleichbaren Vorrichtungen aus dem Stand der Technik aus.
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- 2
- Körper-Kolben
- 3
- Zylinder
- 4
- Gerade
- 5
- Kolbenstange
- 7
- Nut
- 8
- Ringmagnet
- 9
- Magnetfeldachse
- 13
- Zylinderaußenwand
- 14
- Hallsensor
- 16
- Magnetfeldlinie
- 17
- Magnetfeldvektor
- 18
- Magnetfeldkomponente
- 19
- Magnetfeldkomponente
- 20
- Magnetfeldvektor
- 21
- Magnetfeldkomponente