DE102012220966A1

DE102012220966A1 - Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012220966A1
Application number: DE201210220966
Authority: DE
Inventors: Tim Herrmann; Jochen Kinzig; Matthias Gramann; Roland Welter
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbestätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, welcher axial beweglich im Inneren eines Zylinders angeordnet ist, und einem induktiven Sensorsystem, umfassend ein am Kolben befestigtes leitfähiges Target und eine Spulenanordnung, die an dem Zylinder befestigt ist. Bei einer Kolben-Zylinder-Anordnung, bei welcher die Einkopplung in das Magnetfeld des Spulensystems durch das Target verbessert und gleichzeitig der für das induktive Sensorsystem benötigten Bauraum reduziert wird, ist die Spulenanordnung in ihrer Ausdehnung einem Radius des Zylinders angepasst und dehnt sich vorzugsweise kreissegmentförmig aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, welcher axial beweglich im Inneren eines Zylinders angeordnet ist, und einem induktiven Sensorsystem, umfassend ein am Kolben befestigtes leitfähiges Target und eine Spulenanordnung, die am Zylinder befestigt ist.
Um beispielsweise bei Fahrzeugen mit Stopp-Start-Systemen die gewohnte Fahrweise beizubehalten, ist ein frühzeitiges Erkennen des Fahrerwunsches hilfreich. Wegsensoren in beispielsweise Kupplungsgeberzylindern des Kupplungssystems erfüllen diese Anforderungen. Derartige Wegsensoren arbeiten beispielsweise nach einem induktiven Wirkprinzip, wobei eine Spulenanordnung und/oder eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung außen an dem Zylinder auf einer starren, ebenen Leiterplatte angeordnet sind. Im Inneren des Zylinders bewegt sich ein Kolben, auf welchem ein elektrisch leitfähiges Target befestigt ist, welches bei der Bewegung des Kolbens am Spulensystem vorbei gleitet und dabei in das Magnetfeld des Spulensystems eintaucht und dieses verändert. Dieses veränderte Magnetfeld ist ein Maß dafür, welchen Weg der Kolben überstrichen hat, was repräsentativ für den Fahrerwunsch ist.
Wie aus 6 ersichtlich, wirken sich die Luftspalte L1, L2 zwischen dem am Kolben 3 befestigten Target 12 und dem im Gehäuse 19 angeordneten Spulensystem 18 konstruktiv bedingt durch die Wandstärke des Zylinders 2 nachteilig auf den induktiven Wegsensor aus. Insbesondere bei einer größeren flächigen Ausdehnung des Spulensystems 18 auf dem starren, eben ausgebildeten Trägerelement werden die Luftspalte L1, L2, welche zwischen dem Target 12 und dem Spulensystem 18 auftreten, bei der Bewegung des Targets 12 mit dem Kolben 3 in z-Richtung verändert. Dies führt zu ungleichmäßigen Einkopplungen des Magnetfelds in das Target, weshalb das Ausgangssignal des Spulensystems Schwankungen unterworfen ist.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kolben-Zylinder-Anordnung anzugeben, bei welcher die Einkopplung des Magnetfeldes des Spulensystems in das Target verbessert und
und gleichzeitig der für das induktive Sensorsystem benötigte Bauraum reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spulenanordnung in ihrer Ausdehnung einem Radius des Zylinders angepasst ist und sich vorzugsweise kreissegmentförmig ausdehnt. Dies hat den Vorteil, dass die Bauräume für das induktive Sensorsystem verkleinert werden können, da unter Verzicht auf einen ebenen Verlauf der Spulenanordnung und durch die Anpassung der Spulenanordnung an die Geometrie des Zylinders unnötige Hohlräume vermieden werden.
Vorteilhafterweise ist das Target zylindrisch, vorzugsweise als Kreissegment oder Ring, ausgebildet und insbesondere außen an dem Kolben angeordnet. Durch diese Ausgestaltung wird ein annähernd konstanter Luftspalt zwischen der Spulenanordnung und dem Target realisiert. Außerdem überdeckt das Target bei seiner Bewegung dieses Spulensystem in seiner gesamten Ausdehnung. Dadurch wird eine gleichmäßige Einkopplung des Magnetfeldes in das Target erreicht, was ein zuverlässiges Ausgangssignal nach sich zieht. Da diese Anordnung auch eine erhöhte Rückkopplung des Targets auf die Spulenanordnung nach sich zieht, werden durch die gleiche Spulen- und Targetgeometrie größere Luftspalte möglich und trotzdem ein ausreichendes Ausgangssignal des induktiven Sensorsystems gewährleistet.
In einer Ausgestaltung ist die Spulenanordnung auf einem Trägerelement befestigt, welches dem Außenradius des Zylinders angepasst und insbesondere außen an den Zylinder montiert ist. Dabei gibt das Trägerelement der Spulenanordnung die Form vor. Die Anordnung des Spulensystems auf dem gebogenen Trägerelement erlaubt eine besonders robuste Befestigung des induktiven Wegsensors an dem Zylinder. Diese Spulenanordnung wird auch aufgrund von Erschütterungen im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges in ihrer Position nicht verändert, so dass immer ein korrektes Ausgangssignal des induktiven Sensorsystems erhalten wird.
In einer Variante ist das, die Spulenanordnung tragende Trägerelement gebogen oder flexibel ausgebildet und besteht insbesondere aus einer flexiblen Folie. Die Anpassung des Trägerelementes an die Geometrie des Zylinders verringert den benötigten Bauraum für den Einbau des induktiven Sensorsystems in den Kupplungsgeberzylinder. Insbesondere die Verwendung einer flexiblen Folie als Trägerelement erlaubt eine weitere Reduzierung dieses Bauraumes und eine leichte Anpassung der Form der Spulenanordnung an den Außenradius des Zylinders.
In einer Weiterbildung ist das, die Spulenanordnung tragende Trägerelement von einem, an den Außenradius des Zylinders angepassten Sensorgehäuse umschlossen. Durch die Anordnung der Spulenanordnung in dem Sensorgehäuse wird ein robustes Bauteil geschaffen, welches im Bedarfsfalle einfach ausgewechselt werden kann und durch ein neues Sensorsystem ersetzt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform besteht die Spulenanordnung aus einem gebogenen, metallischen Stanzgitter, welches vorzugsweise mehrlagig ausgebildet ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann das Stanzgitter selbst als Spulenanordnung ausgebildet werden, wobei aufgrund der mehrlagigen Gestaltung sowohl eine Primärspule als auch eine Sekundärspule in dem Stanzgitters einfach ausgestaltet werden können. Auf zusätzliche Trägerelemente kann verzichtet werden, was den Aufbau weiter vereinfacht und außerdem den Bauraum der Kolben-Zylinder-Anordnung weiter verkleinert. Die Verringerung des Bauraumes ist insbesondere bei Anwendungen im Kraftfahrzeug von besonderem Vorteil.
Vorteilhafterweise sind das gebogene metallische Stanzgitter oder das gebogene oder flexible, die Spulenanordnung tragende Trägerelement in den, aus einem Kunststoff bestehenden Zylinder eingelassen. Dadurch wird eine besonders robuste Anordnung des induktiven Sensorsystems realisiert, welches gegen Erschütterungen des Kraftfahrzeuges unempfindlich ist. Gleichzeitig wird durch die Umspritzung des Stanzgitters bzw. des Trägerelementes mit dem Kunststoff des Zylinders eine elektrische Isolierung erreicht.
In einer Weiterbildung ist eine Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik auf dem Stanzgitter oder dem Trägerelement angeordnet. Durch diese direkte Befestigung der, zur Ansteuerung und Auswertung des induktiven Sensorsystems erforderlichen elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Mikrokontrollerschaltungen oder ASICs, wird der Bauraum weiter verringert. Durch die Ausbildung des aus Spulenanordnung und Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik bestehenden induktiven Sensorsystems in dem Sensorgehäuse wird ein separates Komplettsystem geschaffen, welches einfach montiert werden kann.
Alternativ sind die Spulenanordnung und die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik modular aufgeteilt. Durch diese modulare Aufteilung kann die Spulenanordnung vorzugsweise an dem Zylinder angesetzt werden und bildet somit den sensitiven, wegabhängig gestalteten Teil des induktiven Sensorsystems. Die benötigte Auswerte- und/oder Ansteuerelektronik kann dabei applikationsunabhängig, immer mit denselben Bauelementen versehen werden, was die Herstellung der Ansteuer- und Auswerteelektronik vereinfacht. Diese Auswerte- und/oder Ansteuerelektronik kann als Standardkomponente unabhängig von der Geometrie des Spulenanordnung bzw. des induktiven Sensorsystems verwendet werden.
In einer Variante ist die Spulenanordnung in eine Wand des Zylinders eingelassen und die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik auf einem starren, ebenen Trägerelement montiert, welches am Außenradius des Zylinders positioniert ist, wobei die Spulenanordnung und die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik vorzugsweise über ein Steckelement kontaktiert sind, welches insbesondere als umspritztes Stanzgitter ausgeführt ist. Somit wird bei der Montage des starren Trägerelementes, welches die Ansteuer- und Auswerteelektronik trägt, nur eine Steckverbindung zu der Spulenanordnung notwendig, was die Montage des induktiven Sensorsystems an der Kolben-Zylinder-Anordnung wesentlich vereinfacht.
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 Kupplungssystems
2: Beispiel für eine Spulenanordnung auf einem Trägerelement
3: Anordnung einer Spulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
4: Anordnung der Spulenanordnung in einem externen Sensorgehäuse
5: Anordnung der Spulenanordnung in dem Zylinder
6: induktive Sensoranordnung nach dem Stand der Technik
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein elektrohydraulisches Kupplungssystem 1 dargestellt, wie es heute in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Ein solches Kupplungssystem 1 weist ein elektrohydraulisches Betätigungssystem in Form eines Kupplungsgeberzylinders auf, welcher einen als Gehäuse ausgebildeten Zylinder 2 aufweist, in dem ein Kolben 3 beweglich angeordnet 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 ein, eine nicht weiter dargestellte Spulenanordnung tragendes Trägerelement 11 angeordnet, wobei die nicht weiter dargestellte Spulenanordnung einem elektrisch leitfähigen Target 12 gegenüberliegt, das innerhalb des Zylinders 2 außen am beweglich gelagerten Kolben 3 befestigt ist.
Auf dem Trägerelement 11 ist eine Spulenanordnung befestigt, welche in 2 dargestellt ist. Die Spulenanordnung besteht dabei aus einer Primärspule 13, welche eine Sekundärspule 14 umschließt, wobei die Sekundärspule 14 aus zwei sich flächig erstreckenden Spulenschleifen 14a bzw. 14b gebildet ist, die einen gemeinsamen Kreuzungspunkt aufweisen. Die Primärspule 13 und die Sekundärspule 14 bestehen dabei aus Leiterbahnen, die in einer Dünnschicht- oder Dickschichttechnik auf das Trägerelement 11 aufgebracht wurden. Die Primärspule 13 ist mit einer nicht weiter dargestellten Spannungsquelle verbunden und erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Die Spannungsquelle ist dabei vorteilhaft in dem Steuergerät 5 angeordnet. In dem aus Aluminium bestehenden und elektrisch leitende Target 12, das außen am Kolben 3 befestigt ist und mit diesem in dem Wechselfeld bewegt wird, erfolgt eine Gegeninduktion, wodurch das Wechselfeld geschwächt wird, was am Ausgangssignal, welches von der Sekundärspule 14 abgenommen wird, feststellbar ist. Je nachdem, in welchem Bereich der Sekundärspule 14 sich das Target 12 gerade befindet, schwankt dieses Ausgangssignal, so dass der Weg des Kolbens 3 innerhalb des Zylinders 2 nachvollzogen werden kann.
3 zeigt die Anordnung eines gebogenen, die beschriebene Spulenanordnung 13, 14 tragenden Trägerelementes 11, welches an die Außengeometrie des Zylinders 2 angepasst ist. Das Trägerelement 11 weist dabei in seiner Biegung annähernd denselben Außenradius auf wie der Zylinder 2. Folglich ist auch die Spulenanordnung 13, 14 in ihrer räumlichen Ausdehnung diesem Außenradius angepasst. Das an dem Kolben 3 angeordnete Target 12 ist dabei ringförmig ausgebildet und umschließt den Kolben 3. Bei der Bewegung des Kolbens 3 in z-Richtung weist das Target 12 immer einen konstanten Luftspalt L3 zu der sich auf dem gebogenen Trägerelement 11 angeordneten und nicht weiter dargestellten Spulenanordnung 13, 14 auf. Dadurch wird eine große Überdeckung der Spulenanordnung 13, 14 mit dem Target 12 erreicht, was eine gleichmäßige Einkopplung des Magnetfeldes von der Primärspule 13 in das Target 12 und in die Sekundärspule 14 zur Folge hat. Anstelle eines gebogenen Trägerelementes 11 kann auch eine flexible Folie verwendet werden, welche die Spulenanordnung 13, 14 trägt. Durch die Form des Trägerelementes 11 erhält die Spulenanordnung 13, 14 ebenfalls die gewünschte Biegung.
Eine weitere Variante des, die Spulenanordnung 13, 14 tragenden Trägerelementes 11, bei welchem dieses als zusätzliches Bauteil montiert werden kann, ist aus 4 zu ersehen. Dabei ist das Trägerelement 11, welches beispielsweise auch als ein metallisches Stanzgitter ausgebildet sein kann und zur elektrischen Isolation mit einem Kunststoff umspritzt ist, in einem Sensorgehäuse 15 angeordnet. Es ist nicht bloß das Trägerelement 11 an den Außenradius des Zylinders 2 angepasst, sondern auch das Sensorgehäuse 15 weist genau dieselben Biegungen auf wie das Trägerelement 11. Somit wird eine hohe Passgenauigkeit des Sensorgehäuses 15 unter Beibehaltung des konstanten Luftspaltes L3 zwischen der auf dem Trägerelement 11 angeordneten Spulenanordnung 13, 14 und dem Target 12 sichergestellt.
Eine integrierte Variante ist in 5 dargestellt. Dabei ist vorzugsweise das Stanzgitter 16 in den Zylinder 2 eingelassen. Das metallische Stanzgitter 16 ist ebenfalls dem Biegeradius des Zylinders 2 angepasst, wobei der Zylinder 2 aus einem mit Glasfaser durchsetzten Kunststoff besteht, weshalb dieser eine besondere Stabilität aufweist. Auch bei dieser Ausgestaltung, welche insbesondere für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug als besonders robust angesehen wird, ist das Stanzgitter 16 dem Radius des Zylinders 2 angepasst. Eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 17 kann dabei bevorzugt nahe der Spulenanordnung 13, 14 auf einer weiteren, starren Leiterplatte angeordnet sein, welche ebenfalls an dem Zylinder 2 befestigt ist (1).
Aufgrund der beschriebenen Kolben-Zylinder-Anordnung ist eine gleichmäßige Einkopplung von der Primärspule 13 erzeugten Magnetfeldes in das Target 12 jederzeit möglich, da immer ein konstanter Luftspalt zwischen der Spulenanordnung 13, 14 und dem Target 12 vorhanden ist. Darüber hinaus ermöglicht diese Vorrichtung eine Verringerung des Bauraumes an dem Kupplungsgeberzylinder 2, 3.
Bezugszeichenliste

1: elektrohydraulisches Kupplungssystem
2: Zylinder des Kupplungsgeberzylinders
3: Kolben des Kupplungsgeberzylinders
4: Elektromotor
5: Steuergerät
6: Endstufe
7: Getriebe
8: Hydraulikleitung
9: Nehmerzylinder
10: Kupplung
11: Trägerelement
12: Target
13: Primärspule
14: Sekundärspule
14a: erste Schleife der Sekundärspule
14b: zweite Schleife der Sekundärspule
15: Sensorgehäuse
16: Stanzgitter
17: Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung
18: Spulensystem mit Trägerelement nach dem Stand der Technik
19: Zylinder nach dem Stand der Technik
L1: erster Luftspalt nach dem Stand der Technik
L2: zweiter Luftspalt nach dem Stand der Technik
L3: konstanter Luftspalt

Claims

Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Kupplungsbestätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben (3), welcher axial beweglich im Inneren eines Zylinders (2) angeordnet ist, und einem induktiven Sensorsystem, umfassend ein am Kolben (3) befestigtes leitfähiges Target (12) und eine Spulenanordnung (13, 14), die an dem Zylinder (2) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (13, 14) in ihrer Ausdehnung einem Radius des Zylinders (2) angepasst ist und sich vorzugsweise kreissegmentförmig ausdehnt.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (12) zylindrisch, vorzugsweise als Kreissegment oder Ring ausgebildet und insbesondere außen am Kolben (3) angeordnet ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (13, 14) auf einem Trägerelement (11) befestigt ist, welches dem Außenradius des Zylinders (2) angepasst und, insbesondere außen, an dem Zylinder (2) montiert ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das, die Spulenanordnung tragende Trägerelement (11) gebogen oder flexibel ausgebildet ist und insbesondere aus einer flexiblen Folie besteht.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das, die Spulenanordnung (13, 14) tragende Trägerelement (11) von einem, an den Außenradius des Zylinders (2) angepassten Sensorgehäuse (15) umschlossen ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (13, 14) aus einem gebogenen, metallischen Stanzgitter (16) besteht, welches vorzugsweise mehrlagig ausgebildet ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gebogene metallische Stanzgitter (16) oder das gebogene oder flexible Trägerelement (11) in den aus einem Kunststoff bestehenden Zylinder (2) eingelassen sind.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik (17) auf dem Stanzgitter (16) oder dem Trägerelement (11) angeordnet ist.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (13, 14) und die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik (17) modular aufgeteilt sind.
Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (13, 14) in einer Wand des Zylinders (2) eingelassen und die Ansteuerund/oder Auswerteelektronik (17) auf einem starren, ebenen Trägerelement montiert ist, welche am Außenradius des Zylinders (2) positioniert ist, wobei die Spulenanordnung (13, 14) und die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik (17) vorzugsweise über ein Steckelement kontaktiert sind, welches insbesondere als umspritztes Stanzgitter ausgeführt ist.