DE102013205901A1

DE102013205901A1 - Schaltelement eines Fahrzeuggangräderwechselgetriebes

Info

Publication number: DE102013205901A1
Application number: DE102013205901.9A
Authority: DE
Inventors: Lasse Ibert; Benjamin Kaufner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-04-05
Also published as: DE102013205901B4; DE202013004061U1

Abstract

Schaltelement (3) eines Fahrzeuggangräderwechselgetriebes, das zu einem Gehäuse (2) beweglich ist und einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements (3) aufweist, wobei der Signalgeber durch zwei axial voneinander beabstandete, auf dem Schaltelement (3) fest angeordnete Magnete (4, 5) gebildet ist und dass zwischen den Magneten (4, 5) ein ferromagnetisches Element (13) angeordnet ist, dessen radiale Erstreckung zumindest genauso groß ist wie die der Magnete (4, 5).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein bewegliches Schaltelement eines Fahrzeuggangräderwechselgetriebes, das zu einem Gehäuse beweglich ist und einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements aufweist und eine Schaltvorrichtung mit einem derartigen Schaltelement.
Hintergrund der Erfindung
Eine Schaltvorrichtung der gattungsgemäßen Art kommt insbesondere in Handschaltgetrieben aber auch in automatisierten Schaltgetrieben und in Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Zunehmend ist es im modernen Getriebebau erforderlich, die genaue Position von Schaltelementen, insbesondere von Schaltwellen, bestimmen zu können.
Gemäß einem vorbekannten Stand der Technik basiert die Lageerkennung eines Schaltelements auf dem Prinzip der Detektierung eines lokal veränderten Magnetfelds unter Ausnutzung des Hall-Effekts. So offenbart die EP 1 350 991 B1 eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Schaltwalzenstellung, wobei ein Taster eine konturierte Umfangsfläche einer mit einer Schaltwelle fest verbundenen Sensorscheibe abtastet. Durch berührungslose Messung der Position des Tasters wird dann die Schaltstellung mittels eines Hall-Elements bestimmt.
Mit den vorbekannten Lösungen wird meist nur ein im Wesentlichen schaltender Hallsensor verwendet, der dazu ausgelegt ist, diskrete Schaltstellungen zu detektieren. Im Falle des Einsatzes von Hall-Schaltern erhält man nur binäre Zustandsinformation, keine exakte Position eines Schaltelements; Zwischenpositionen können nicht erfasst werden.
Zur Lösung dieses Problems existieren Ansätze für kontinuierliche Wegmessungen, die darauf basieren, die Flussdichte von Magneten oder den Winkelverlauf des Magnetfeldes zu messen.
Die Signale von Magneten, die für die kontinuierliche Wegmessung verwendet werden, weisen jedoch nachteiligerweise hohe Temperaturabhängigkeiten im Falle der Flussdichtemessung auf oder sind durch eine hohe Nichtlinearität im Falle der Winkelverlaufmessung gekennzeichnet. Daher ist ein hoher Aufwand bezüglich der Kompensation, Linearisierung oder Einlernen jeder einzelnen Schaltvorrichtung erforderlich. Ferner sind hohe Anforderungen an die Komponenten zu stellen, deren Serienstreuung nur sehr klein ausfallen darf.
Nachteilig ist weiterhin, dass insbesondere in der Anwendung als integrierte Sensorik in einem Wälzlager die genannten auf Messungen von Magnetfeldern basierenden Sensorsysteme nicht gut geeignet sind, da die ferromagnetischen Eigenschaften der Wälzkörper hier eine zu große und nicht herausrechenbare Störung des Signalverlaufs bewirken.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltelement mit einem Magnetsystem zur axialen Positionserfassung des Schaltelements zur Verfügung zu stellen, dessen Lage sich unter den im Getriebe vorherrschenden Bedingungen kontinuierlich sicher erfassen lässt. Hiermit soll erreicht werden, dass die genaue axiale Positionserfassung abgesehen von einem Offsetabgleich ohne oder nur mit geringen Korrekturmaßnahmen möglich wird. Des weiteren soll eine Schaltvorrichtung mit einem derartigen Schaltelement und einem ferromagnetische Wälzkörper aufweisenden Wälzlager geschaffen werden, das eine sichere Detektierung des gelagerten Schaltelements ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Auf dem Schaltelement sind zwei Magnete angeordnet, die axial zueinander beabstandet sind. Erfindungsgemäß ist auf der gedachten Verbindungsgeraden durch beide Magnete ein ferromagnetischer Werkstoff angeordnet. Der an dieser Stelle angeordnete ferromagnetische Werkstoff bewirkt, dass die Magnetfeldlinien, die ohne den Werkstoff stärker gewinkelt zur Oberfläche des Schaltelements verlaufen würden, in die Senkrechte „gezogen“ werden. Durch diese Parallelisierung der Feldlinien im Polumfeld lassen sich in einem vorbestimmten, radialen Abstand zum Schaltelement Magnetfeldänderungen leichter detektieren. Ferner wird der Effekt, dass axial neben den Polen die Magnetfeldrichtung von der Absolutstärke der Magneten abhängig ist, abgemildert. Die Serienstreuung der Magnete beeinflusst daher den gemessenen Magnetfeldwinkel deutlich weniger, so dass die Winkelfehler der Pole reduziert werden. Dies hat mehrere Vorteile: Zum einen lassen sich günstigere Magnete verbauen, da diese eine größere Serienstreuung aufweisen dürfen; zum anderen kann eine individuelle Sensorkalibrierung entfallen, was die Montagekosten deutlich senkt. Schließlich braucht bei Ausfall eines Sensors lediglich der Sensor selbst getauscht werden, ohne dass ein neuer Kalibriervorgang erforderlich wird.
Die beiden Magnete sind bevorzugt als Permanentmagnete ausgebildet. Sie können beispielsweise als rechteckförmige oder zylindrisch ausgebildete Stabmagneten ausgebildet sein.
Die beiden Magnete sind vorzugsweise hinsichtlich des von ihnen erzeugten Magnetfeldes gegensinnig zueinander angeordnet.
Die beiden Magnetelemente sind so angeordnet, dass die aus der Mitte der Magnetelemente austretenden Magnetfeldlinien senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Schaltelements stehen. Sie sind dabei vorzugsweise in gleichem Abstand von der Schaltachse des Schaltelements entfernt angeordnet.
Vorzugsweise sind die Magnete allein aufgrund ihres Magnetismus’ an dem Schaltelement gehalten und nicht beispielsweise zusätzlich stoff- oder formschlüssig gesichert. Das Schaltelement besteht dazu beispielsweise aus einer Stahllegierung.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Magnete in Ausnehmungen des Schaltelements angeordnet. Die Ausnehmungen sind als Durchgangsausnehmungen oder Sacklöcher in der Mantelfläche des Schaltelements ausgebildet und weisen vorzugsweise Konturen auf, die komplementär zu denjenigen der Magnete sind. Ein Herausfallen oder ein unbeabsichtigtes Abstreifen der Magnete während der Montage kann dadurch verhindert werden, so dass auf zusätzliche, aufwändige Sicherungsmaßnahmen verzichtet werden kann. Gleichwohl können die Magnete in der Ausnehmung dennoch zusätzlich gesichert, beispielsweise verklebt oder mit Kunststoff verspritzt werden.
Ein Schaltelement mit Ausnehmungen, die mindestens der radialen Höhe der Magneten entsprechen, hat den Vorteil, dass das ferromagnetische Element durch das Schaltelement selbst gebildet werden kann. Der Herstellungsaufwand ist damit reduziert. Das Schaltelement ist beispielsweise als eine Schaltwelle mit einer zylindrischen Mantelfläche ausgebildet, die zwei voneinander beabstandete Bohrungen als Sacklöcher für die Magnete aufweist. Die Magnete sind kreiszylindrisch mit flachen, radial gerichteten Stirnseiten ausgebildet und in den Bohrungen magnetisch so angeordnet, dass die Polachse ebenfalls radial gerichtet ist. Die Außenkontur der so durch die Schaltwelle und die Magnete gebildeten Schaltanordnung ist daher im Bereich des Sacklochs abgeflacht, wobei sich beidseits der Magneten in Axialrichtung Wände ergeben, die die Magnete einfassen. Im Längsschnitt gesehen ist die Außenkontur somit durch den Hüllkreis der parallel zur Drehachse verlaufenden Mantelfläche der Schaltanordnung gebildet, die lediglich im Bereich der Sacklöcher nach radial innen versetzt ist.
In einer nächsten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaltelement eine Ausnehmung in Form eines Langlochs auf. Die Magneten sind voneinander beabstandet in dem gleichen Langloch angeordnet, und zwischen die Magnete wird zumindest in einem Teilbereich auf einer gedachten, durch die Magnete verlaufenden Verbindungsgeraden das ferromagnetische Element angeordnet. Eine derartige Lösung eignet sich auch für Schaltelemente, die nicht magnetisierbar sind wie beispielsweise Schaltstangen aus Karbon oder Kunststoff. Das ferromagnetische Element ist in diesem Falle bevorzugt separat von dem Schaltelement hergestellt.
Das Schaltelement ist insbesondere durch eine axial verschiebliche und verdrehbare Schaltwelle zum Wählen und Schalten von Gangstellungen gebildet. Die Schaltvorrichtung kann Bestandteil eines Handschaltgetriebes, eines automatisierten Getriebes oder eines Automatikgetriebes eines Kraftfahrzeugs sein.
Das Magnetfeld des Signalgebers wird durch einen bevorzugt getriebegehäusefesten Sensor detektiert. Der Sensor und die Magnete sind bevorzugt relativ zueinander in einem gleichbleibenden Abstand unter Bildung eines Luftspalts bewegt. Der Sensor steht vorzugsweise mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung, die zur Weiterverarbeitung des gemessenen Signals, beispielsweise der Magnetfeldrichtung, in eine axiale Position ausgebildet ist. Der Sensor kann generell nach Art einer Kompassnadel arbeiten, die die Richtung des Magnetfeldes anzeigt.
Durch das dem vorgeschlagene Konzept wird eine kontinuierliche Messung des Magnetfeldes mit hinreichender Genauigkeit für eine kontinuierliche Positionsbestimmung des Schaltelements ermöglicht. Das gemessene Signal ist bereits linear oder ein gut linearisierbares Signal, das eine genaue axiale Positionsbestimmung des Schaltelements relativ zum Gehäuse zulässt. Hierzu wird das von den zwei Magneten erzeugte Magnetfeld hinsichtlich der Richtung und/oder Stärke von dem Sensor erfasst und hieraus die axiale Lage bestimmt. Die beiden Magneten sind in Messrichtung hintereinander angeordnet, wodurch die Magnetfeldrichtung im Wesentlichen proportional zur axialen Position und unempfindlich gegen Störgrößen ist.
Ermöglicht wird dies durch die Verwendung zweier Magneten, die entgegengesetzt zueinander magnetisiert und in Messrichtung nebeneinander angeordnet sind und vorzugsweise die gleiche Stärke aufweisen. Bei geeignetem Abstand zwischen den Magneten ergibt sich für einen bestimmen Luftspalt über dem Messweg vorteilhaft ein minimaler Linearitätsfehler der Messgröße. Ferner ist der ideale Luftspalt in dieser Konfiguration kleiner als die typischen Luftspalte mit einfachen Magneten, was zusätzlich positiv auf die Integrierbarkeit der Lösung wirkt.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch das Herausdrängen der Magnetfeldlinien in die Senkrechte sich benachbarte Störungen, z. B. durch Relativbewegungen ferromagnetischer Wälzkörper, deutlich geringer auf das zum Sensorgerichtete Magnetfeld und damit die Signalqualität auswirken.
Für einen optimalen Kennlinienverlauf kann fachmännisch ein Anpassen der Abstände der Magneten voneinander und der Größe des Luftspalts erfolgen.
Besonders eignet sich die vorgeschlagene Lösung für die kontinuierliche Lageermittlung eines Schaltelements in einem Linearlager eines Getriebes wegen des nur kleinen notwendigen Luftspalts und der Robustheit gegenüber Störungen. Weiterhin wird nur ein geringer Bauraum benötigt, was gleichermaßen vorteilhaft ist.
Vorteilhaft ist auch, dass eine Integration der vorgeschlagenen Lösung in bestehende Getriebesysteme möglich ist, ohne deren Umgebungskonstruktion zu ändern; die äußeren Abmessungen der Schaltvorrichtung und somit die mechanischen Schnittstellen bleiben unverändert.
Ein erfindungsgemäßes Schaltelement kann unmittelbar in einem Getriebegehäuse gelagert sein. Vorzugsweise ist es in einem Gehäuse gelagert, in das der Sensor zur Erfassung der Feldlinien der Magnete integriert ist. Das Gehäuse und das Schaltelement mit den Magneten bilden eine Schaltvorrichtung. Die Schaltvorrichtung kann insbesondere mehrere Reihen hintereinander angeordneter, metallischer Wälzkörper aufweisen, welche auf dem Schaltelement unmittelbar benachbart zu den Magneten abwälzen, ohne dass die Messgenauigkeit signifikant beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise ist das Gehäuse ein Metall- oder Kunststoffgehäuse, das mit einer Ausnehmung für einen oder mehrere Sensoren versehen ist. In einer Variante weist das Gehäuse eine Lagerschale auf, in die der Sensor eingelassen ist. Die Lagerschale kann als MID-Bauteil, also als Spritzgussbauteil mit einr Leiterplatte, ausgeführt sein, was eine leichte Anpassung an unterschiedliche Umgebungskonstruktionen gestattet. Die Lagerschale oder das Gehäuse können gleichzeitig eine Adapterfunktion erfüllen und eine zur Außenkontur des beispielsweise rechteckigen Schaltelements unähnliche Außenfläche aufweisen, die eine Anordnung in einer externen Bohrung oder einem anders gestalteten Sackloch ermöglicht.
Sofern das Gehäuse nicht selbst metallisch ist, kann es eine metallische Hülse aufweisen, die die Außenlaufbahn für die Wälzkörper bildet. Im Bereich des Sensors kann ein Fenster in der Hülse vorgesehen sein. Eine ferromagnetische Außenlaufbahn kann ebenso günstigen Einfluss auf die Magnetfeldlinien haben und die Messgenauigkeit weiter verbessern.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Schalteinrichtung eines Kraftfahrzeug-Schaltgetriebes mit einer Schaltwelle, die sich in eine Achsrichtung bewegen kann und deren axiale Position erfasst werden soll,
2 schematisch das Sensorsystem zur Bestimmung der axialen Lage der Schaltwelle,
3 den Funktionsverlauf der gemessenen Magnetfeldrichtung (α) über der axialen Lage (x) und
4 eine Schaltvorrichtung mit einem Schaltelement in einer perspektivischen Ansicht.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist ein Teil einer Schaltvorrichtung 1 des Zahnräderwechselgetriebes eines Kraftfahrzeugs skizziert, deren grundsätzlicher Aufbau bekannt ist. Mittels nicht dargestellter Betätigungselemente kann ein Schaltelement 3 in Form einer Schaltwelle in einem Gehäuse 2 in Richtung einer Achse A axial verschoben werden. Mit der Schaltwelle 3 kann eine Schaltgabel 9 bewegt und hiermit ein Schaltvorgang durchgeführt werden.
Die Ermittlung der axialen Position x der Schaltwelle 3 erfolgt mit einer Sensorik, die aus Magneten 4, 5 als einem Signalgeberpaar und einem Sensor 6 gebildet ist.
Die Funktionsweise der Sensorik ist in 2 näher dargestellt. Sie umfasst einen ersten Magneten 4 und einen zweiten Magneten 5, die an jeweiligen axialen Positionen x₁ und x₂ ortsfest auf dem Schaltelement 3 angeordnet sind und somit einen definierten Abstand zueinander haben. Wie zu sehen ist, sind die als Permanentmagneten ausgebildeten Magnete 4, 5 gegensinnig angeordnet, d. h. die Nord- und Südpole N, S sind gegensinnig orientiert. Hierdurch wird von den beiden Magnetelementen 4, 5 ein Magnetfeld erzeugt, wie es durch die in 2 skizzierten Magnetflusslinien angedeutet ist. Dies ergibt sich in der skizzierten Weise, weil die Orientierung der Magnetelemente 4, 5 so erfolgt, dass die Magnetachse vom Nord- zum Südpol senkrecht auf der axialen Bewegungsrichtung x steht.
Zur Sensorik gehört des Weiteren ein Sensor 6, der in einem radialen Abstand s von dem hier nicht dargestellten Schaltelement 3 und durch einen Luftspalt 7 beabstandet ist. Der Sensor 6 ist am Gehäuse 2 ortsfest angeordnet.
Aufgrund des von den beiden Magneten 4, 5 erzeugten Magnetfelds ergibt sich über der axialen Verschieberichtung x an jedem Ort eine lokale Richtung T des Magnetfelds, die vom Sensor 6 erfasst werden kann; demgemäß kann der Sensor 6 einen Winkel α erfassen, unter dem das Magnetfeld an einer Position x steht. Dies gilt jedenfalls über einen Messbereich M, über den eine hoher Grad an Linearität zwischen dem Winkel α und der axialen Position x des Schaltelements 3 besteht.
Dies ist in 3 zu sehen, in der der vorliegende und vom Sensor 6 gemessene Winkel α über der axialen Position x aufgetragen ist. Für die in 2 vorliegende Position x₀ des Sensors 6 ist hier ein Winkel von α₀ gegeben. Jeder axialen Position x im Bereich des maximal zulässigen Verschiebewegs von einigen cm ist eineindeutig ein bestimmter Winkel α zugeordnet, so dass die Detektierung eines Absolutwerts ausreichend ist, ohne auf eine Referenzstellung Bezug nehmen zu müssen.
Die Ermittlung der axialen Position x aus dem gemessenen Winkel α erfolgt in einer Auswerteeinrichtung 8, die in 2 skizziert ist. Der gemessene Winkel α wird in die Auswerteeinrichtung 8 übertragen, in der die axiale Position x ermittelt und beispielsweise an die Fahrzeugelektronik ausgegeben wird.
4 zeigt eine Schaltvorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2 als MID-Bauteil und einem Schaltelement 3 in Form einer Schaltstange. Die Schaltstange weist eine kreisrunden Mantelfläche 15 auf, die endseitig durch das Gehäuse 2 mit einer Sacklochaufnahme gelagert ist. Zur Sicherung von Schaltpositionen weist das Schaltelement 3 Rastvertiefungen 12 auf, in die Schenkel einer im Gehäuse 2 axial gesicherten Formfeder 14 verrasten können. Die Mantelfläche 15 bildet die Innenlaufbahn für die Wälzkörper 16, von denen am jeweils mehrere axial hintereinander angeordnet Wälzkörperreihen bilden. Am Außenumfang des Schaltelements 3 sind mehrere derartiger Wälzkörperreihen angeordnet.
Zwischen zwei Wälzkörperreihen sind zwei Magnete 4, 5 axial hintereinander fest positioniert, deren Polung jeweils radial und entgegengesetzt gerichtet ist. Die flachen und runden Magnete 4, 5 sind so in den als Bohrungen gestalteten Ausnehmungen 11, 10 des Schaltelements 3 angeordnet, dass die Sekante der Bohrungen mit der Oberfläche der Magneten 4, 5 übereinstimmt, wodurch das Schaltelement 3 mittig über den Magneten 3, 4 übersteht. Der Überstand bildet das ferromagnetische Element 13, das die Magnetfeldlinien in die Senkrechte zum Schaltelement 3 zieht. Die Magnete 4, 5 sind dadurch in dem Schaltelement 3 versenkt und stehen nicht über den Hüllkreis der kreisrunden Mantelfläche 15 radial vor.
Bezugszeichenliste

1: Schaltvorrichtung
2: Gehäuse
3: Schaltelement
4: erster Magnet
5: zweiter Magnet
6: Sensor
7: Luftspalt
8: Auswerteeinrichtung
9: Schaltgabel
10: Ausnehmung
11: Ausnehmung
12: Rastvertiefung
13: ferromagnetisches Element
14: Formfeder
15: Mantelfläche
16: Wälzkörper
x: axiale Position
x₁: erste axiale Position
x₂: zweite axiale Position
s: Abstand
A: Achse des Schaltelements
T: lokale Richtung des Magnetfeldes
α: lokaler Winkel des Magnetfeldes
S: Südpol
N: Nordpol
M: Messbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1350991 B1 [0003]

Claims

Schaltelement (3) eines Fahrzeuggangräderwechselgetriebes, das zu einem Gehäuse (2) beweglich ist und einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgeber durch zwei axial voneinander beabstandete, auf dem Schaltelement (3) fest angeordnete Magnete (4, 5) gebildet ist und dass zwischen den Magneten (4, 5) ein ferromagnetisches Element (13) angeordnet ist, dessen radiale Erstreckung zumindest genauso groß ist wie die der Magnete (4, 5).
Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Element (13) als ein vom Schaltelement (3) separat hergestelltes Bauteil ausgebildet ist.
Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Element (13) einteilig mit dem Schaltelement (3) ausgebildet ist.
Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (4, 5) in einer oder mehreren Ausnehmungen (11, 10) des Schaltelements (3) angeordnet sind.
Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (4, 5) als Kreiszylinder und die Ausnehmungen (11, 10) als sacklochartige Bohrungen ausgebildet sind.
Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (4, 5) allein aufgrund ihres Magnetismus’ am Schaltelement (3) gehalten sind.
Schaltelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (3) als eine Schaltstange, als eine Schaltwelle oder als eine Schaltschiene ausgebildet ist.
Schaltvorrichtung (1) mit einem Schaltelement (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem getriebegehäusefesten Gehäuse (2), wobei das Gehäuse (2) eine Lageraufnahme für das Schaltelement (2) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Sensor (6) für zumindest einen der Signalgeber (4, 5) aufweist und dass das Schaltelement (3) mittels metallischer Kugeln als Wälzkörper (16) im Gehäuse (2) wälzgelagert ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das Gehäuse (2) eine Hülse im Bereich, der axial zwischen den Magneten (4, 5) liegt, aufweist, die aus einem ferromagnetischen Werkstoff ausgebildet oder mit einem ferromagnetischen Werkstoff beschichtet ist.
Schaltvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine Radialausnehmung aufweist, in der der Sensor (6) radial von außen zugänglich angeordnet ist.