DE102014213829A1

DE102014213829A1 - Sensorsystem und Kolben-Zylinder-Anordnung

Info

Publication number: DE102014213829A1
Application number: DE102014213829.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Jung; Philipp Springmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-01-21
Also published as: JP6629289B2; CN106662466B; CN106662466A; DE112015003289A5; WO2016008481A1; JP2017523409A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, umfassend mindestens einen Schaltpunktsensor (11), welcher einem Magneten (12) gegenüberliegend gelagert ist, wobei der den mindestens einen Schaltpunktsensor (11) passierende Magnet (12) an einem linear beweglichen Element (3) mechanisch befestigt ist. Bei einem Sensorsystem, welches wesentlich kostengünstiger ist, ist mindestens ein Ende des axial magnetisierten Magneten (12) parallel zu dessen Bewegungsrichtung an seinem Außenumfang von einem Flussleitelement (13, 14) ummantelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, umfassend mindestens einen Schaltpunktsensor, welcher einem Magneten gegenüberliegend gelagert ist, wobei der den mindestens einen Schaltpunktsensor passierende Magnet an einem linear beweglichen Element mechanisch befestigt ist.
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 gemäß der DE 10 2012 218 605 A1 nach einem induktiven Wirkprinzip arbeiten, wobei ein am Kolben befestigtes elektrisch leitfähiges Target in ein Magnetfeld einer Spulenanordnung eintaucht und dieses verändert. Andere Sensoren nutzen den Hall-Effekt, bei welchem die Position eines am Kolben befestigten Magneten durch mindestens einen separaten Schaltpunktsensor, der am Zylinder montiert ist, abgetastet wird. Ein solches Linearwegmesssystem ist aus der DE 10 2012 219 183 A1 bekannt.
Für den Einsatz von Schaltpunktsensoren auf Basis des Halleffektes werden Permanentmagneten benötigt, die als Signalgeber für den Schaltpunktsensor wirken. Hierbei werden in der Regel Seltene-Erd-Magneten genutzt. Seltene-Erd-Magneten sind allerdings sehr teuer und darüber hinaus häufig auch starken Preisschwankungen ausgesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem und eine Kolben-Zylinder-Anordnung anzugeben, bei welchem die Kosten für die Herstellung reduziert werden, aber trotzdem eine hochgenaue Positionserfassung möglich ist.
Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens ein Ende des axial magnetisierten Magneten parallel zu dessen Bewegungsrichtung an seinem Außenumfang von einem Flussleitelement ummantelt ist. Durch diese axiale Ummantelung bündelt das Flussleitelement das von dem Magneten aufgebaute Magnetfeld in axialer Richtung, wodurch eine hohe Flankensteilheit der Flussdichte über dem Weg des Magneten erreicht wird, was zu einer Verringerung der Schalttoleranzen führt. Aufgrund dieser Anordnung kann auf die Verwendung von Seltene-Erd-Magneten verzichtet werden und Magnete mit einer geringeren Energiedichte eingesetzt werden. Durch den Einsatz solcher Magnete werden die Kosten für das Sensorsystem entscheidend reduziert.
Vorteilhafterweise sind die aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Flussleitelemente hülsenähnlich ausgebildet. Durch diese Ausbildung ist eine einfache Montage der Flussleitelemente an dem Magnet möglich.
In einer Ausgestaltung deckt das Flussleitelement eine radial verlaufende Oberfläche des Endes des Magneten vollständig ab. Dadurch werden die Herstellung des Flussleitkörpers und die Montage des hülsenähnlichen Flussleitkörpers an dem Magneten vereinfacht.
In einer Variante ist der Magnet als Hartferrit ausgebildet. Der Hartferritmagneten ist ein besonders kostengünstiger Magnet. Auf Grund seiner geringen Energiedichte ist jedoch meist auch ein größeres Magnetvolumen notwendig. Die Flankensteilheit des Magnetfeldes, welche vorzugsweise in einer Mitte des Messweges ausgebildet ist, wird durch die hülsenähnlichen Flussleitelemente erhöht.
In einer Ausführungsform ist der Magnet zylinderförmig oder quaderförmig oder segmentförmig ausgebildet. Somit kann die Form des Magneten dem im jeweiligen Anwendungsfall vorhandenen Bauraum angepasst werden. Auf jede dieser Magnetformen lässt sich einfach ein hülsenähnliches Flussleitelement aufsetzen.
Eine besonders gute Flankensteilheit der Flussdichte wird erreicht, wenn jedes Ende des Magneten von einem Flussleitelement ummantelt ist, wobei die beiden Flussleitelemente zueinander beabstandet angeordnet sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben, welcher axial beweglich im Inneren eines Zylinders angeordnet ist, und einem Sensorsystem, welches einen am Kolben positionierten Magneten und mindestens einen an dem Zylinder befestigten Schaltpunktsensor umfasst. Bei einer Kolben-Zylinder-Anordnung, bei welcher die Herstellungskosten so gering wie möglich gehalten werden können, ist das Sensorsystem nach mindestens einem, in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmal ausgebildet. So ist jedes Ende des axial magnetisierten Magneten parallel zu dessen Bewegungsrichtung an seinem Außenumfang von einem Flussleitelement ummantelt, wobei die beiden Flussleitelemente zueinander beabstandet angeordnet sind. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann kostengünstigeres Magnetmaterial verwendet werden, welches zwar ein hohes Magnetvolumen aufweist, aber eine geringere Flankensteilheit bei der Bewegung des Magneten gegenüber dem Sensorelement bewirkt. Diese Flankensteilheit wird durch die Anordnung der Flussleitelemente erzeugt, so dass auf diese Art und Weise ein besonders kostengünstiges Sensorsystem entsteht.
Vorteilhafterweise sind die aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Flussleitelemente hülsenähnlich ausgebildet. Die hülsenähnliche Ausbildung ermöglicht eine einfache Montage der Flussleitelemente auf dem Magneten und gewährleistet einen festen Sitz des Flussleitelementes auf dem Magneten während des Einsatzfalles.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 Prinzipdarstellung eines Kupplungsbetätigungssystems,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magneten,
3 eine grafische Darstellung der Flussdichte eines Magneten über einem Weg des Kolbens,
4 eine weitere grafische Darstellung der Flussdichte unterschiedlicher Magneten über dem Weg des Kolbens,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Magneten,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Magneten,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Magneten,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Magneten.
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein Kupplungsbetätigungssystem 1 dargestellt, wie es heute in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Ein solches Kupplungsbetätigungssystem 1 weist ein einen Geberzylinders auf, welcher einen Zylinder 2 umfasst, in dem ein Kolben 3 beweglich gelagert ist. Der Kolben 3 wird von dem Kupplungspedal 4 betätigt. Über eine Hydraulikleitung 8 ist der Zylinder 2 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 das Kupplungspedal 4. Der Geberzylinder 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 Schaltpunktsensor 11 angeordnet, welcher eine Auswerteschaltung umfasst und mit einem Steuergerät 5 verbunden ist. Dieser Schaltpunktsensor 11 liegt einem Permanentmagneten 12 gegenüber, der innerhalb des Zylinders 2 am Kolben 3 befestigt ist.
Der Permanentmagnet 12 ist in 2 näher dargestellt. Er besteht aus einem Hartferrit und ist an seinen Enden von jeweils einer ferromagnetischen Hülse 13, 14 umgeben, die dem Permanentmagneten 12 parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens 3 ummanteln. Der Permanentmagnet 12 ist hierbei als Hohlzylinder ausgebildet. Die beiden ferromagnetischen Hülsen 13, 14 sind durch einen axialen Spalt 15 voneinander getrennt. Durch die Verwendung der ferromagnetischen Hülsen 13, 14 am Ende des Permanentmagneten 12 wird das, von dem Permanentmagneten 12 aufgespannte Magnetfeld auf einen gewissen Bereich „gebündelt“. Dadurch wird eine Flankensteilheit erzielt, die der Flankensteilheit eines deutlich kürzeren Permanentmagneten entspricht und gleichzeitig das Magnetvolumen eines längeren Permanentmagneten nutzt.
Die Flankensteilheit für unterschiedliche Magnetanordnungen und -materialien, bei welchen die Magneten aber die gleiche Länge aufweisen, ist in 3 dargestellt. Die Kurve A zeigt dabei die Flussdichte B eines, aus Hartferrit gebildeten Permanentmagneten 12 ohne die ferromagnetischen Hülsen 13, 14. Demgegenüber ist in Kurve B der Verlauf der Flussdichte über dem Weg des Permanentmagneten 12 dargestellt, wenn der Permanentmagnet 12 ebenfalls aus einem Hartferrit-Material besteht und beidseitig von den ferromagnetischen Hülsen 13, 14 abgedeckt ist. Daraus ergibt sich, dass die Flussdichte B des Permanentmagneten 12 mit den ferromagnetischen Hülsen 13, 14 eine wesentlich steilere Flanke aufweist, die von dem als Hall-Sensor ausgebildeten Schaltpunktsensor 11 gut erkannt werden kann. Der leichte Anstieg des Magnetmaximums des Permanentmagneten 12 mit den ferromagnetischen Hülsen 13, 14 ergibt sich daraus, dass ein Teil des Magnetfeldes, welches normalerweise durch eine axiale Bohrung des als Hohlzylinder ausgebildeten Permanentmagneten 12 verlaufen würde, durch die Verwendung der ferromagnetischen Hülsen 13 und 14 nach außen gelenkt wird. Dies geschieht, da das ferromagnetische Material, welches als Flussleitkörper dient, das Magnetfeld besser leitet und der Weg auf der Außenseite des Permanentmagneten 12 somit bevorzugt wird.
In 4 ist zusätzlich zu den Kurven A und B eine Kurve C aufgenommen, welche einen kurzen Permanentmagneten ohne ferromagnetischen Hülsen 13, 14 entspricht und eine Länge aufweist, die dem Spalt 15 zwischen den ferromagnetischen Hülsen 13, 14 eines längeren Permanentmagneten 12 entspricht. Der Vergleich der Kurven B und C macht deutlich, dass dessen Steigung im Zentrum des Messweges exakt der entspricht, die der Permanentmagnet 12 mit den ferromagnetischen Hülsen 13, 14 aufweist.
Der aus dem Hartferrit bestehende Permanentmagnet 12, welcher axial magnetisiert ist, kann als Vollzylinder oder als Hohlzylinder ausgebildet sein, wie es in 5 bzw. 6 dargestellt ist. In 5 sind zwei Beispiele des aus dem Hartferrit bestehenden Permanentmagneten 12 gezeigt, wobei der Permanentmagnet 12 als Hohlzylinder ausgebildet sind und beidseitig von der jeweiligen ferromagnetischen Hülse 13, 14 abgedeckt sind. Aufgrund der Verwendung des Hohlzylinders, welcher eine axiale Bohrung 16 zum besseren Befestigen am Kolben 3 besitzt, müssen auch die ferromagnetischen Hülsen 13, 14 eine solche Öffnung aufweisen. Dabei kann, wie in 5A dargestellt, der Durchmesser des Permanentmagneten 12 mit dem Durchmesser der Öffnung der ferromagnetischen Hülse 13, 14 übereinstimmen oder der Durchmesser der Öffnung der ferromagnetischen Hülse 13, 14 kann gemäß 5B größer sein als der Durchmesser der Bohrung 16 des Permanentmagneten 12.
In 6 ist der Permanentmagnet 12 als Vollzylinder ausgebildet. Die ferromagnetischen Hülsen 13, 14 können dabei gemäß 6A eine Öffnung aufweisen. Sie können aber auch, wie in 6B gezeigt, die Enden des Permanentmagneten 12 vollständig abdecken. Durch die partielle Überdeckung der sich in Bewegungsrichtung des Permanentmagneten 12 erstreckenden Außenseite des Permanentmagneten 12 durch die ferromagnetischen Hülsen 13, 14 wird ein Feldverlauf eines baulich kürzeren Magneten erzeugt.
In 7 ist der Permanentmagnet 12 als Quader ausgebildet und beidseitig von den Hülsen 13, 14 abgedeckt, die keinerlei Öffnung aufweisen. Der Permanentmagnet 12 kann auch die Form eines Hohlzylindersegmentes aufweisen (8), weshalb die Endseiten der ferromagnetischen Hülsen 13, 14 ebenfalls dieser Form anpasst sind, aber trotzdem mit ihren Schenkeln den Permanentmagneten 12 in axialer Richtung teilweise überdecken.
Durch die vorgeschlagene Lösung, insbesondere durch die Verwendung der ferromagnetischen Hülsen 13, 14, welche als eine Art Flussleitelemente für die magnetische Flussdichte agieren, wird die Feldstärke eines langen Magneten mit einer Flankensteilheit eines deutlich kürzeren Magneten kombiniert. Dadurch wird der Einsatz von Ferritmagneten für Schaltpunktsensoren möglich, weshalb auf Seltene-Erd-Magneten verzichtet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungsbetätigungssystem
2: Zylinder
3: Kolben
4: Kupplungspedal
5: Steuergerät
8: Hydraulikleitung
9: Nehmerzylinder
10: Kupplung
11: Schaltpunktsensor
12: Permanentmagnet
13: Ferromagnetische Hülse
14: Ferromagnetische Hülse
15: Spalt
16: Axiale Bohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012218605 A1 [0002]
DE 102012219183 A1 [0002]

Claims

Sensorsystem, umfassend mindestens einen Schaltpunktsensor (11), welcher einem Magneten (12) gegenüberliegend gelagert ist, wobei der den mindestens einen Schaltpunktsensor (11) passierende Magnet (12) an einem linear beweglichen Element (3) mechanisch befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ende des axial magnetisierten Magneten (12) parallel zu dessen Bewegungsrichtung an seinem Außenumfang von einem Flussleitelement (13, 14) ummantelt ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Flussleitelemente (13, 14) hülsenähnlich ausgebildet sind.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussleitelement (13, 14) eine radial verlaufende Oberfläche des Endes des Magneten (12) vollständig abdeckt.
Sensorsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (12) als Hartferrit ausgebildet ist.
Sensorsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (12) zylinderförmig oder quaderförmig oder segmentförmig ausgebildet ist.
Sensorsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ende des Magneten (12) von einem Flussleitelement (13, 14) ummantelt ist, wobei die beiden Flussleitelemente (13, 14) zueinander beabstandet angeordnet sind.
Kolben-Zylinder-Anordnung, insbesondere für ein Kupplungsbetätigungssystem in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kolben (3), welcher axial beweglich im Inneren des Zylinders (2) angeordnet ist, und einem Sensorsystem (11, 12), welches einen am Kolben positionierten Magneten (12) und mindestens einem, an dem Zylinder (2) befestigten Schaltpunktsensor (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (11, 12) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.