DE102012219173A1

DE102012219173A1 - Sensorsystem und Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012219173A1
Application number: DE102012219173.9A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Kaufner; Jochen Kinzig; Tim Herrmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-04-24
Also published as: WO2014063695A3; DE112013005091A5; WO2014063695A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, umfassend einen Schaltpunktsensor, welcher einem Magneten gegenüberliegend gelagert ist, wobei der den Schaltpunktsensor passierende Magnet an einem linear beweglichen Element mechanisch befestigt ist. Bei einem Sensorsystem, welches eine hohe Signalsteilheit im Schaltpunkt aufweist, ist der Magnet senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes magnetisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, umfassend einen Schaltpunktsensor, welcher einem Magneten gegenüberliegend gelagert ist, wobei der, den Schaltpunktsensor passierende Magnet an einem linear beweglichen Element befestigt ist sowie eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug.
In Kupplungsbetätigungssystemen in Kraftfahrzeugen werden Linearwegmesssysteme eingesetzt, um die Position eines, von einem Kupplungsgeberzylinder umgebenen Kolbens des Kupplungsbetätigungssystems zu erfassen. Als Sensorsysteme werden in solchen Linearwegmesssystemen Wegsensoren eingesetzt, die nach einem induktiven Wirkprinzip arbeiten, wobei ein am Kolben befestigtes elektrisch leitfähiges Target in ein Magnetfeld einer Spulenanordnung eintaucht und dieses verändert. Die Spulenanordnung und/oder eine Ansteuerund/oder Auswerteschaltung sind außen an dem Zylinder auf einer starren, ebenen Leiterplatte angeordnet. Andere Sensoren nutzen den Hall-Effekt, bei welchem die Position eines am Kolben befestigten Magneten durch einen separaten Schaltpunktsensor, der am Zylinder montiert ist, abgetastet wird. Ein solches Linearwegmesssystem ist aus der DE 10 2011 014 574 A1 bekannt. Dabei wird ein Magnet verwendet, der in Bewegungsrichtung des Kolbens magnetisiert ist. Der Schaltpunktsensor greift bei der Messung das radiale Magnetfeld ab, das in der Mitte des Magneten einen Nulldurchgang aufweist (3). Die Kurve A zeigt einen steilen Nulldurchgang, während die Kurve B einen flachen Nulldurchgang verdeutlicht. Dieser Nulldurchgang wird als Schaltsignal des Schaltpunktsensors verwendet.
Bei Sensorsystemen, bei welchen der Magnet in axialer Richtung des Kolbens, d.h. in dessen Bewegungsrichtung, magnetisiert ist, besteht eine hohe Empfindlichkeit bezüglich Magnetisierungswinkelfehlern bzw. einer Magnetverkippung. Dies äußert sich dadurch, dass der Nulldurchgang und damit der Schaltpunkt des Hall-Sensors verschoben werden, wie es in 4 dargestellt ist. Die Kurve D zeigt einen Verlauf der magnetischen Flussdichte ohne Winkelfehler des Magneten, während die Kurve C einen, durch Winkelfehler beeinflussten Verlauf der magnetischen Flussdichte darstellt. Dadurch entsteht eine Schaltpunktungenauigkeit, welche eine aufwendige Kalibrierung des Sensorsystems erforderlich macht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem anzugeben, welches ohne zusätzliche Kalibrierung eine hohe Schaltpunktgenauigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Magnet senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes magnetisiert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Magnetisierungsrichtung des Magneten in Richtung des Schaltpunktsensors weist, wodurch die Steilheit der Flussdichte des Magneten im Bereich des Nulldurchgangs verbessert wird. Durch die Verbesserung der Steilheit wird die Signalstärke des Schaltpunktsensors im Bereich des Nulldurchganges verstärkt. Eine zusätzliche Kalibrierung zur Verbesserung der Schaltpunktgenauigkeit kann unterbleiben.
Vorteilhafterweise ist der Magnet als Doppelmagnetsystem ausgebildet, wobei die beiden Teilmagnete des Doppelmagnetsystems in gegenläufiger Richtung zueinander senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes magnetisiert sind. Die Magnetisierungsrichtung zeigt dabei direkt auf den Schaltpunktsensor bzw. von diesem weg. Durch diese Anordnung entsteht ein einziger, sehr steiler Nulldurchgang, der für eine gute Schaltpunktgenauigkeit erforderlich ist. Außerdem gleicht ein solches Doppelmagnetsystem Winkelfehler der beiden Teilmagneten aus, da die benachbarten Teilmagneten das Magnetfeld des jeweils anderen Teilmagneten zur Mitte hin ziehen. In der Summe sind dabei bei gleichem Magnetvolumen der beiden Teilmagnete deutlich bessere Schaltpunktgenauigkeiten erreichbar. Darüber hinaus ist die Signalamplitude des Schaltpunktsensors deutlich höher, was insbesondere für die Immunität gegen äußere Felder von Vorteil ist.
In einer Ausgestaltung ist zwischen den beiden Teilmagneten des Doppelmagnetsystems ein, aus einem nicht-magnetischen Material bestehendes Abstandselement angeordnet. Durch diese nicht-magnetische Abstandsschicht wird ein magnetischer Kurzschluss und somit eine Schwächung des Magnetfeldes unterbunden. Gleichzeitig dient das Abstandselement als Verbindungselement zwischen den Teilmagneten.
In einer Variante ist das Abstandselement aus einem Kunststoff gebildet. Mittels eines Kunststoffs lässt sich ein solches Doppelmagnetsystem sehr kostengünstig herstellen und trotzdem die gewünschten magnetischen Eigenschaften realisieren.
In einer anderen Ausbildung ist die Signalstärke des Schaltpunktsensors durch die Breite des zwischen den Teilmagneten angeordneten Abstandselementes einstellbar. Dadurch wird sichergestellt, dass die Steilheit und die Signalstärke im Bereich des Nulldurchgangs hoch gehalten werden.
Vorteilhafterweise sind die Teilmagnete des Doppelmagnetsystems als würfelförmige oder quaderförmige Blockmagnete oder zylinderförmige Magneten ausgebildet. Bei Blockmagneten lässt sich das Magnetvolumen, welches für eine vorgegebene Signalstärke des Schaltpunktsensors benötigt wird, einfach einstellen. Zylindermagnete sind vielfältig kommerziell erwerbbar. Die Lösung ist aber nicht bloß auf die Gestaltung von Blockmagneten und Zylindermagneten in der Doppelmagnetanordnung begrenzt, auch andere Magnetformen sind prinzipiell einsetzbar.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, welcher axial beweglich im Inneren des als Gehäuse ausgebildeten Zylinders angeordnet ist, und einem Sensorsystem, umfassend einen, radial an einem Trägerelement befestigten Magneten mit einer vorgegebenen Magnetisierungsrichtung, welcher die Bewegung des Kolbens ausführt, und einen Schaltpunktsensor, der an dem Zylinder befestigt ist. Bei einer Kolben-Zylinder-Anordnung, bei welcher das verwendete Sensorsystem ohne zusätzliche Kalibrierung eine zuverlässige Steilheit der Flussdichte des Magnetfeldes ermöglicht, ist der Magnet senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens magnetisiert. Dies hat den Vorteil, dass die Magnetisierungsrichtung des Magneten in Richtung des Schaltpunktsensors weist, wodurch die Steilheit der Flussdichte des Magneten im Bereich des Nulldurchgangs verbessert wird. Durch die Verbesserung der Steilheit wird die Signalstärke des Schaltpunktsensors im Bereich des Nulldurchganges verstärkt. Eine zusätzliche Kalibrierung zur Verbesserung der Schaltpunktgenauigkeit kann unterbleiben.
Vorteilhafterweise ist der Magnet als Doppelmagnetsystem ausgebildet ist, wobei die beiden Teilmagnete des Doppelmagnetsystems in gegenläufiger Richtung zueinander senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes magnetisiert sind. Die Magnetisierungsrichtung zeigt dabei direkt auf den Schaltpunktsensor oder von diesem weg. Durch diese Anordnung entsteht ein einziger, sehr steiler Nulldurchgang, der für eine gute Schaltpunktgenauigkeit erforderlich ist. Außerdem gleicht ein solches Doppelmagnetsystem Winkelfehler der beiden Teilmagneten aus, da die benachbarten Teilmagneten das Magnetfeld des jeweils anderen Teilmagneten zur Mitte hin ziehen. In der Summe sind dabei bei gleichem Magnetvolumen der beiden Teilmagnete deutlich bessere Schaltpunktgenauigkeiten erreichbar. Darüber hinaus ist die Signalamplitude des Schaltpunktsensors deutlich höher, was insbesondere für die Immunität gegen äußere Felder von Vorteil ist.
In einer Variante ist zwischen den beiden Teilmagneten des Doppelmagnetsystems ein, aus einem nicht-magnetischen Material bestehendes Abstandselement angeordnet. Durch diese nicht-magnetische Abstandsschicht wird ein magnetischer Kurzschluss und somit eine Schwächung des Magnetfeldes unterbunden.
Vorteilhafterweise ist der Kolben als Trägerelement des Doppelmagnetsystems ausgebildet. Eine solche direkte Anbindung des Doppelmagnetsystems auf dem Kolben verkleinert die Baugröße der Kolben-Zylinder-Anordnung, da auf zusätzliche Trägerelemente für das Doppelmagnetsystem verzichtet werden kann.
In einer Ausgestaltung ist der Schaltpunktsensor als Hall-Sensor ausgebildet. Da solche Hall-Sensoren in Massenproduktion gefertigt werden, bilden sie einen preisgünstigen Sensor, dessen Einsatz in der Kolben-Zylinder-Anordnung zu einem kostengünstigen Produkt führt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Prinzipdarstellung eines elektrohydraulischen Kupplungsbetätigungssystems,
2: Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Sensorsystems,
3: Beispiel für einen Verlauf der Flussdichte des Magnetfeldes in Abhängigkeit vom Weg nach dem Stand der Technik,
4: Beispiel für den Einfluss eines Magnetwinkelfehlers auf den Schaltpunkt nach dem Stand der Technik
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein elektrohydraulisches Kupplungsbetätigungssystem 1 dargestellt, wie es heute in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Ein solches Kupplungsbetätigungssystem 1 weist ein elektrohydraulisches Betätigungssystem in Form eines Kupplungsgeberzylinders auf, welcher einen als Gehäuse ausgebildeten Zylinder 2 aufweist, in dem ein Kolben 3 beweglich gelagert ist. Der Kolben 3 wird von einem elektrisch kommutierten Elektromotor 4 angetrieben, der von einem Steuergerät 5 über eine Endstufe 6 angesteuert wird. Die Endstufe 6 ist gemeinsam mit dem Elektromotor 4 an dem Zylinder 2 befestigt. Die radiale Bewegung des Elektromotors 4 wird über ein Getriebe 7 in die axiale Bewegung des Kolbens 3 umgesetzt. Es sei darauf verwiesen, dass nicht nur elektrohydraulische Kupplungssysteme bekannt sind, sondern der Kolben auch direkt, unter Verzicht auf den Elektromotor 4, mit dem Fahrpedal des Fahrers des Kraftfahrzeuges verbunden werden kann.
Über eine Hydraulikleitung 8 ist der Kupplungsgeberzylinder 2, 3 mit einem Nehmerzylinder 9 verbunden, welcher eine Kupplung 10 betätigt. Die Verstellung der Position der Kupplung 10 erfolgt aufgrund des Antriebes des Kolbens 3 durch den Elektromotor 4. Der Kupplungsgeberzylinder 2, 3 und die Kupplung 10 mit dem Nehmerzylinder 9 sind dabei räumlich getrennt im Kraftfahrzeug angeordnet. Außen an dem als Gehäuse dienenden Zylinder 2 ist eine Sensoranordnung 11 angeordnet, welche einen nicht weiter dargestellten Hall-Sensor und eine Auswerteschaltung umfasst. Diese Sensoranordnung 11 liegt einem Permanentmagneten 12 gegenüber, der innerhalb des Zylinders 2 radial außen am beweglich gelagerten Kolben 3 befestigt ist.
Wie in 2 dargestellt, ist der Magnet 12 als Doppelmagnetsystem ausgebildet, bei welchem zwei würfelförmige, permanentmagnetische Teilmagnete 12.1 und 12.2 an einem aus Kunststoff bestehenden Abstandselement 12.3 befestigt sind, wobei das Abstandselement 12.3 zwischen den Teilmagneten 12.1, 12.2 angeordnet ist. Dem Doppelmagnetsystem 12.1, 12.2, 12.3 liegt der Hall-Sensor 13, welcher außen am Zylinder 2 befestigt ist, gegenüber. Das Doppelmagnetsystem 12.1, 12.2, 12.3 wird in axialer Richtung des Kolbens 3 bewegt, was durch den Pfeil P1 angedeutet ist, wobei das Doppelmagnetsystem 12.1, 12.2, 12.3 sich an dem Hall-Sensor 13 vorbei bewegt. Die beiden Teilmagnete 12.1 und 12.2 sind in radialer Richtung des Kolbens 3 und somit senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens 3 magnetisiert, was durch die Pfeile P2 und P3 verdeutlicht ist. Entscheidend ist, dass die beiden Teilmagnete 12.1, 12.2 in entgegen gesetzten Richtungen magnetisiert sind. Die Magnetisierungsrichtungen zeigen direkt auf den Hall-Sensor 13 bzw. von diesem weg. Durch diese Anordnung entsteht ein steiler Nulldurchgang, was für eine gute Schaltpunkteinstellung des Hall-Sensors 13 erforderlich ist.
Die Breite der aus Kunststoff bestehenden Abstandsschicht 12.3 kann in Abhängigkeit von einer gewünschten Signalstärke des Hall-Sensors 13 eingestellt werden. Somit kann das Optimum für die jeweilige Magnetkonstellation betreffend die Signallänge und die Signalstärke gefunden werden.
Die erläuterte Lösung zeigt eine Doppelmagnetanordnung, die speziell für die Anwendung von Hall-Sensoren enorme Vorteile hinsichtlich der Schaltpunkttoleranz aufgrund des steilen Nulldurchgangs und des Ausgleichs von Magnetisierungsfehlern bietet.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
2: Zylinder
3: Kolben
4: Elektromotor
5: Steuergerät
6: Endstufe
7: Getriebe
8: Hydraulikleitung
9: Nehmerzylinder
10: Kupplung
11: Sensoranordnung
12: Magnet
12.1: Teilmagnet
12.2: Teilmagnet
12.3: Abstandselement
13: Hall-Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011014574 A1 [0002]

Claims

Sensorsystem, umfassend einen Schaltpunktsensor, welcher einem Magneten (12) gegenüberliegend gelagert ist, wobei der den Schaltpunktsensor passierende Magnet (12) an einem linear beweglichen Element (3) mechanisch befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (12) senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes (3) magnetisiert ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (12) als Doppelmagnetsystem (12.1, 12.2, 12.3) ausgebildet ist, wobei die beiden Teilmagnete (12.1, 12.2) des Doppelmagnetsystems (12.1, 12.2, 12.3) in gegenläufiger Richtung zueinander senkrecht zur Bewegungsrichtung des beweglichen Elementes (3) magnetisiert sind.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Teilmagneten (12.1, 12.2) des Doppelmagnetsystems (12.1, 12.2, 12.3) ein, aus einem nicht-magnetischen Material bestehendes Abstandselement (12.3) angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (12.2) aus einem Kunststoff gebildet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalstärke des Schaltpunktsensors (13) durch die Breite des zwischen den Teilmagneten (12.1, 12.2) angeordneten Abstandselementes (12.3) einstellbar ist.
Sensorsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmagnete (12.1, 12.2) des Doppelmagnetsystems (12.1, 12.2, 12.3) als würfelförmige oder quaderförmige Blockmagnete oder zylinderförmige Magnete ausgebildet sind.
Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben (3), welcher axial beweglich im Inneren des als Gehäuse ausgebildeten Zylinders (2) angeordnet ist, und einem Sensorsystem (11, 12), umfassend einen, radial an einem Trägerelement (3) befestigten Magneten (12) mit einer vorgegebenen Magnetisierungsrichtung, welcher die Bewegung des Kolbens (3) ausführt, und einen Schaltpunktsensor (13), der an dem Zylinder (2) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (12) senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens (3) magnetisiert ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (12) als Doppelmagnetsystem (12.1, 12.2, 12.3) ausgebildet ist, wobei die beiden Teilmagnete (12.1, 12.2) des Doppelmagnetsystems (12.1, 12.2, 12.3) in gegenläufiger Richtung zueinander senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens (3) magnetisiert sind.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Teilmagneten (12.1, 12.2) des Doppelmagnetsystems (12.1, 12.2, 12.3) ein, aus einem nicht-magnetischen Material bestehendes Abstandselement (12.3) angeordnet ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) als Trägerelement des Magneten (12) ausgebildet ist.