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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung eines Fahrzeuggetriebes gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Aus der Praxis bekannte Schaltvorrichtungen von Fahrzeuggetrieben sind üblicherweise mit zwei formschlüssig miteinander drehfest verbindbaren Schaltelementhälften ausgebildet. Der Formschluss zwischen den Schaltelementhälften wird dabei jeweils durch eine translatorische Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften zwischen einem ersten Betriebszustand der Schaltelementhälften, zu dem der Formschluss hergestellt ist, und einem zweiten Betriebszustand der Schaltelementhälften, zu dem der Formschluss getrennt ist, hergestellt oder gelöst. Die jeweils vorliegenden Betriebszustände der Schaltelementhälften werden bekannterweise über eine Sensoreinrichtung bestimmt, die einen Permanentmagneten, eine Messeinrichtung zum Sensieren des Magnetfeldes des Permanentmagneten und eine das Magnetfeld des Permanentmagneten in Abhängigkeit der Betriebszustände der Schaltelementhälften beeinflussende ferromagnetische Geberkontur aufweist.
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Dabei sind verschiedene Magnetfeld sensierende Elemente bekannt, wie auf einem Halleffekt basierende Elemente oder Magnetwiderstandselemente. Magnetfeldsensoren weisen generell magnetfeldsensierende Elemente oder andere elektronische Komponenten auf, wobei einige Magnetfeldsensoren Permanentmagneten in einer sogenannten back-biased Anordnung umfassen.
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Derartige Magnetfeldsensoren stellen elektrische Signale zur Verfügung, die den Zustand eines sensierten Magnetfeldes wiedergeben. Bei einigen Ausführungen wirken Magnetfeldsensoren ferromagnetischen Objekten zusammen, wobei über die Magnetfeldsensoren Magnetfeldschwankungen ermittelt werden, die durch das durch das Magnetfeld eines Magneten eines Magnetfeldsensors bewegtes Objekt verursacht werden. Dabei variiert das über den magnetischen Feldsensor überwachte magnetische Feld bekannterweise auch in Abhängigkeit einer Form oder eines Profils des bewegten ferromagnetischen Objektes.
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Bei weiteren Ausführungen sind Magnetfeldsensoren ohne Magnet ausgeführt, wobei der Magnetfeldsensor dann Informationen über ein überwachtes Objekt erstellt, das mit einem Magneten verbunden ist.
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Aufgrund der vorstehenden Eigenschaften werden Magnetfeldsensoren oftmals von Drehzahlen von ferromagnetischen Zahnrädern verwendet, die die Bewegung der Zahnräder im Bereich von Zähnen oder von Zähnen begrenzten Bereichen eines Zahnrades bestimmen. Üblicherweise sind Magnetfeldsensoren mit sogenannten Magnetfeldsensorelementen ausgeführt, die mit einem Differentialverstärker in einer Differentialanordnung verbunden sind.
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Konventionelle Magnetfeldsensoren, wie Zahnradzahnsensoren, stellen nachteilhafterweise ein Ausgangssignal zur Verfügung, das in Abhängigkeit einer relativen Stellung zwischen dem Magnetfeldsensor und einer Position eines Zahnrades oder einer Welle in einer axialen Richtung entlang einer Achse der Welle gebildet wird. Im Bereich von Fahrzeuggetriebeanwendungen ist es jedoch gewünscht, dass ein Magnetfeldsensor ein Ausgangssignal liefert, das eine relative Position zwischen einem Magnetfeldsensor und einem Zielobjekt in axialer Richtung generiert. Diese Anforderung soll unabhängig davon erfüllt werden, ob das Zielobjekt drehbar um die translatorische Verstellrichtung ausgeführt ist oder nicht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung eines Fahrzeuggetriebes mit zwei formschlüssig miteinander drehfest verbindbaren Schaltelementhälften zur Verfügung zu stellen, deren aktueller Betriebszustand über den gesamten Betriebsbereich der Schaltvorrichtung mit geringem Aufwand bekannt ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Schaltvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung eines Fahrzeuggetriebes ist mit zwei formschlüssig miteinander drehfest verbindbaren Schaltelementen ausgebildet. Der Formschluss zwischen den Schaltelementhälften ist jeweils durch eine translatorische Relativbewegung in axialer Richtung zwischen den Schaltelementhälften zwischen einem ersten Betriebszustand der Schaltelementhälften, zu dem der Formschluss hergestellt ist, und einem zweiten Betriebszustand der Schaltelementhälften, zu dem der Formschluss getrennt ist, herstell- oder lösbar. Zumindest eine der Schaltelementhälften ist drehbar.
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Dabei besteht die Möglichkeit, dass jeweils lediglich eine Schaltelementhälfte in Bezug auf die jeweils andere Schaltelementhälfte translatorisch bzw. in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt ist, während die jeweils andere Schaltelementhälfte der Schaltvorrichtung in axialer Richtung festgelegt ist. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass beide Schaltelementhälften in axialer Richtung aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar sind, um den Formschluss zwischen den Schaltelementhälften, vorzugsweise im Bereich einer Klauenverzahnung, herzustellen oder zu lösen.
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Unabhängig davon sind die jeweils vorliegenden Betriebszustände der Schaltelementhälften über eine Sensoreinrichtung bzw. einen Magnetfeldsensor bestimmbar, die einen Permanentmagneten und eine Messeinrichtung zum Sensieren des Magnetfeldes des Permanentmagneten und die mit einer das Magnetfeld des Permanentmagneten in Abhängigkeit der Betriebszustände der Schaltelementhälften beeinflussenden ferromagnetischen Geberkontur zusammenwirkt. Die Geberkontur umfasst zwei Oberflächenbereiche, welche in einem Stoßbereich aneinander angrenzen, während der Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften in einem damit korrespondierenden Umfang translatorisch durch das Magnetfeld des Permanentmagneten geführt werden und ausgehend vom Stoßbereich in Richtung von zu dem Stoßbereich in axialer Richtung der Schaltelementhälften abgewandten Endbereichen zumindest bereichsweise monoton steigend oder monoton fallend ausgeführt sind.
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Die Oberflächenbereiche der Geberkontur sind in Bezug auf die Messeinrichtung konvex oder konkav ausgebildet. Zusätzlich verkleinert oder vergrößert sich jeweils ein lotrechter Abstand zwischen den Oberflächenbereichen der Geberkontur und dem Permanentmagnet ausgehend vom Stoßbereich in Richtung eines Endbereiches der Oberflächenbereiche.
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Aufgrund der abgerundeten V-Form der Oberflächenbereiche der ferromagnetischen Geberkontur, die symmetrisch zu einer Symmetrieachse einer der Schaltelementhälften ausgebildet ist, ist eine aktuelle axiale Position eines der Schaltelementhälften oder beider Schaltelementhälften durch den vorzugsweise als linearen Differentialmagnetfeldsensor in einer sognannten back-biased Anordnung ausgeführten Magnetfeldsensor messbar. Dies ist auch dann möglich, wenn zumindest eine der Schaltelementhälften mit niedriger oder hoher Drehzahl um seine Symmetrieachse rotiert. Zusätzlich sind die Krümmungen der Oberflächenbereiche derart optimiert, dass eine spezifische magnetische Linearisierung des Systems in Bezug auf die Bewegung der Schaltelementhälften erreicht wird.
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Hierfür ist die Geberkontur mit der drehbaren Schaltelementhälfte verbunden, um die axiale Richtung drehbar sowie symmetrisch zur Symmetrieachse der drehbaren Schaltelementhälfte ausgeführt und erstreckt sich vollumfänglich über ihren gesamten Umfang.
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Die Sensoreinrichtung ist dazu eingerichtet, ein Signal auszugeben, das einen aktuellen Betriebszustand der drehbaren Schaltelementhälfte auf Grundlage des von der Sensoreinrichtung erfassten Magnetfelds anzeigt.
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Bilden die Oberflächenbereiche der Geberkontur eine Nut oder eine Erhebung, wobei die Nut oder die Erhebung begrenzenden und im Stoßbereich aneinander angrenzenden Seitenflanken jeweils einen gebogenen Querschnitt aufweisen, ist die Schaltvorrichtung mit geringem Bauraumbedarf auf kostengünstige Art und Weise herstellbar.
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Bei einer verschleißfreien Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung umfasst die Messeinrichtung wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente zum Sensieren des Magnetfeldes des Permanentmagneten, mittels welchen den aktuellen Betriebszustand des Magnetfeldes des Permanentmagneten charakterisierende elektrische Signale erzeugbar sind, deren Größe jeweils von einer relativen axialen Stellung zwischen der Messeinrichtung und der Geberkontur abhängig ist, die wiederum mit den Betriebszuständen der Schaltelementhälften korrespondiert.
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Eine Anordnung der Magnetfeldsensorelemente zueinander und in Bezug auf die Richtung der Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften ist bei einfach betreibbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung so gewählt, dass eine Verbindungslinie zwischen den Magnetfeldsensorelementen parallel zur Richtung der Relativbewegung ist.
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Die Anordnung der Magnetfeldsensorelemente zueinander und in Bezug auf die Richtung der Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften ist bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung an vorhandene Bauräume in einem Fahrzeuggetriebe in gewünschtem Umfang anpassbar, wenn eine Verbindungslinie zwischen den Magnetfeldsensorelementen in einer Ebene liegt, die parallel zur Richtung der Relativbewegung ist und mit einem Lot zwischen der Messeinrichtung und der Geberkontur einen rechten Winkel einschließt, wobei die in der Ebene liegende Verbindungslinie mit der Richtung der Relativbewegung jeweils einen innerhalb eines Winkelbereiches von etwa +/- 75°, vorzugsweise +/- 20°, liegenden Winkels einschließt.
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Für den Fall, dass die wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente unerwünschte Gleichstromoffsets erzeugen, die gleich oder unterschiedlich groß sein können, und die wenigstens zwei Magnetfeldsensorelemente unterschiedliche Sensitivitäten aufweisen, werden die im Bereich der Magnetfeldsensorelemente erzeugten Signale als Eingangssignale einem Differentialverstärker zugeführt, in dessen Bereichen in Abhängigkeit der Differenz aus den beiden Signalen ein Differenzsignal bildbar ist, dessen Größe jeweils von einer relativen axialen Stellung zwischen der Messeinrichtung und der Geberkontur abhängig ist. Damit besteht die Möglichkeit, im Bereich des Differentialverstärkers bestimmte Anpassungen während einer Kalibrierungsperiode durchzuführen. Im Bereich des Differentialverstärkers kann ein Eingabebereich und eine Verlaufsempfindlichkeitseinstellung vorgesehen sein, um die die Signale der beiden Magnetfeldsensorelemente in einem derartigen Umfang anpassen zu können, dass diese Signalen von Magnetfeldsensorelementen entsprechen, die im Wesentlichen die gleiche Sensitivität aufweisen.
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Hierfür besteht die Möglichkeit, den Differentialverstärker so auszuführen, dass dieser ein verstärktes Ausgangssignal generiert, das einem Schaltkreis zuführbar ist, in dessen Bereich eine Grobeinstellung einer Offsetspannung durchführbar ist. Dabei kann der Schaltkreis so ausgeführt sein, dass in dessen Bereich ein Offseteinstellsignal generiert wird und die beiden mit voneinander abweichenden Verhalten ausgeführten Magnetfeldsensorelemente so wirken, als ob sie mit derselben Offsetspannung oder einer Offsetspannung gleich null betreibbar sind.
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Bei einer weiteren mit geringem Aufwand betreibbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ist die Krümmung der Oberflächenbereiche der Geberkontur jeweils so ausgelegt, dass das jeweils von einer relativen axialen Stellung zwischen der Messeinrichtung und der Geberkontur abhängige Ausgangssignal der Sensoreinrichtung einen wenigstens annähernd linearen Verlauf aufweist.
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Zusätzlich ist bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung der Differentialverstärker mit einem Linearisierungsmodul verbunden, mittels dem ein jeweils von einer relativen axialen Stellung zwischen der Messeinrichtung und der Geberkontur abhängiges Linearsignal mit wenigstens annähernd linearen Verlauf erzeugbar ist, um den aktuellen Betriebszustand der Schaltvorrichtung mit geringem Aufwand bestimmen zu können.
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Des Weiteren kann ein mit dem Linearisierungsmodul verbundenes Klemmmodul vorgesehen sein, mittels dem ein geklemmtes Ausgangssignal erzeugbar ist, um Offsetspannungen im Bereich der Magnetfeldsensorelemente zu begrenzen.
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Die Offsetspannungen im Bereich der Magnetfeldsensorelemente sind auch dadurch begrenzbar, wenn ein mit dem Differentialverstärker verbundenes Klemmmodul vorgesehen ist, mittels dem ein geklemmtes Ausgangssignal erzeugbar ist.
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Ist die Geberkontur im Bereich einer mit einer der Schaltelementhälften verbundenen Schaltstange vorgesehen, ist die Sensoreinrichtung mit geringem Aufwand in einem Bereich innerhalb des Fahrzeuggetriebes anordenbar, der einen für die Anordnung der Sensoreinrichtung erforderlichen Bauraum aufweist bzw. zur Verfügung stellt.
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Die Schaltstange ist bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung über eine die Schaltstange im Bereich eines Kolbenelementes in radialer Richtung durchgreifendes Bolzenelement mit dem Schaltelement auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise verbunden.
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Um die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung mit geringem Aufwand montieren zu können und Verzwängungen aufgrund von Fluchtungsfehlern auf konstruktiv einfache Art und Weise vermeiden zu können, ist ein das Bolzenelement aufnehmender Bereich des Kolbenelementes bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einem ausgehend von einem mittleren Bereich in radialer Richtung nach außen sich erweiternden Durchmesser ausgeführt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ist die zum Betätigen des Formschlusses zumindest im Bereich einer Schaltelementhälfte oder eines damit wirkverbundenen Bauteils anzulegende Betätigungskraft hydraulisch erzeugbar, wobei der mit Hydraulikfluid zu beaufschlagende Bereich über eine im Bereich der Sensoreinrichtung vorgesehene Dichteinrichtung mit geringem Aufwand abgedichtet ist.
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Vorliegend wird unter dem Begriff Magnetfeldsensorelement eine Vielzahl elektronischer Elemente subsumiert, die zum Sensieren eines Magnetfeldes verwendbar sind. Dabei können die Magnetfeldsensorelemente als sogenannte Hallelemente, Magnetwiderstandselemente oder auch ein Magnetotransistor sein. Dabei können verschiedene Typen von Hallelementen, wie planare Hallelemente, vertikale Hallelemente und kreisförmige vertikale Hallelemente (CVH), eingesetzt sein. Zusätzlich sind auch verschiedene Arten von Magnetwiderstandselementen bekannt, wie Halbleitermagnetwiderstandselemente aus Indium-Antimon (InSb), Riesenmagnetowiderstandselemente (GMR-Effekt), z. B. sogenannte Spin-Ventile, anisotrope Magnetwiderstandselemente (AMR-Effekt), Tunnelmagnetwiderstandselemente (TMR-Effekt), und magnetische Tunnelkontakte (MTJ-Effekt).
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Die Magnetfeldsensorelemente können einzelne Elemente oder alternativ hierzu zwei oder mehr Magnetfeldsensorelemente aufweisen, die in verschiedenen Konfigurationen, wie in einer Halbbrücke oder in einer Vollbrücke, beispielsweise einer Wheatstone-Brücke, vorgesehen sind.
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In Abhängigkeit des Anordnungstyps und weiterer Anwendungserfordernisse kann das Magnetfeldsensorelement als IV-Verbindungshalbleiter wie Silikon (Si) oder Germanium (Ge) oder ein III-V-Verbindungshalbleiter aus Gallium-Arsenit (GaAs) oder einem Indium-Gemisch, wie Indium-Antimon (InSb) bestehen.
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Darüber hinaus ist auch bekannt, dass einige der vorbeschriebenen Magnetfeldsensorelemente dazu neigen, aufzuweisen, entlang einer Achse eine maximale Sensitivität haben, die parallel zu einem die Magnetfeldsensorelemente tragenden Substrat ist.
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Weitere Ausführungen von Magnetfeldsensorelementen weisen Achsen mit maximaler Sensitivität auf, die rechtwinklig zu einer Substratoberfläche stehen, auf dem das oder die Magnetfeldsensorelemente angeordnet sind. Insbesondere planare Hallelemente weisen Sensitivitätsachsen senkrecht zu einem Substrat auf, während metallhaltige oder metallische Magnetwiderstandselemente, wie GMR, TMR, AMR und vertikale Hallelemente Sensitivitätsachsen haben, die parallel zu einer Oberfläche eines Substrates verlaufen.
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Unter der Bezeichnung Magnetfeldsensor werden vorliegend Schaltungen verstanden, die Magnetfeldsensorelemente aufweisen und in Kombination mit weiteren Schaltkreisen eingesetzt werden. Magnetfeldsensoren werden insbesondere in Form von Winkelsensoren zur Ermittlung einer Richtung eines magnetischen Feldes, Stromsensoren zum Bestimmen eines magnetischen Feldes, das durch einen stromführenden Leiter erzeugt wird, Magnetschalter, die die Lage und Nähe eines ferromagnetischen Objektes sensieren, Drehanzeiger, die ferromagnetische drehende Bauteile erfassen, z. B. magnetische Domänen von Ringmagneten oder ferromagnetische Ziele, wie Zahnräder, bei welchen der magnetische Feldsensor in Verbindung mit sogenannten Back-biased Magneten oder anderen Magneten verwendet wird, und Magnetfeldsensoren, die die magnetische Felddichte eines Magnetfeldes sensieren, verwendet.
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Des Weiteren werden vorliegend unter dem Begriff Prozessor elektronische Schaltungen verstanden, die Funktionen, Operationen oder eine Abfolge von Operationen ausführen. Die Funktion, die Operation oder die Abfolge von Operationen kann entweder in einem elektrischen Schaltkreis fest hinterlegt (hardcoded) oder in Form von Instruktionen in einer Speichereinheit hinterlegt sein (softcoded). Dabei führt ein Prozessor die Funktion, die Operation oder die Sequenz von Operationen unter Verwendung digitaler Werte oder analoger Signale durch.
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Bei weiteren Ausgestaltungen kann der Prozessor in sogenannten ASIC-Schaltungen (Application Specific Integrated Circuit) integriert sein, wobei die ASIC-Schaltung analog oder digital ausgebildet sein kann. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass der Prozessor Teil eines Mikroprozessors mit zugeordnetem Programmspeicher oder Teil eines eigenständigen elektronischen Schaltkreises ist, der wiederum analog oder digital ausgebildet sein kann. Zusätzlich wird die Bezeichnung Modul auch zur Beschreibung eines Prozessors verwendet.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass ein Prozessor interne Prozessoren oder interne Module umfasst, die Teile von Funktionen, Operationen oder Abfolgen von Operationen des Prozessors ausführen. Ebenso kann ein Modul interne Prozessoren oder interne Module aufweisen, die Teile einer Funktion, einer Operation oder einer Abfolge von Operationen des Moduls ausführen.
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Durch die Verwendung des Begriffs Nut werden Rillen bzw. Furchen oder Kanäle beschrieben, die beispielsweise in einem Zielobjekt vorgesehen sind. Die Nut bildet eine Kerbe bzw. eine Vertiefung in einer äußeren oder einer inneren Oberfläche des Zielobjekts. Dabei kann die Nut das Zielobjekt in Umfangsrichtung voll umfänglich umgeben oder von diesem vollumfänglich umgeben sein. Bei weiteren Ausführungen besteht die Möglichkeit, dass die Nut sich nur über einen Bereich der Oberfläche des Zielobjektes erstreckt.
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Ein Querschnitt der Nut ist im Wesentlichen V-förmig mit gekrümmten Seitenflächen, wobei ein Stoßbereich vorzugsweise spitz zulaufend ausgebildet ist und einen spitzen Scheitel bzw. Eckpunkt bildet.
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In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles besteht auch die Möglichkeit, dass der Stoßbereich abgerundet oder abgeflacht ausgebildet ist.
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Unter dem Begriff Rippe wird vorliegend ein erhöhter Bereich verstanden, der beispielsweise im Bereich einer äußeren oder inneren Oberfläche eines Zielobjektes vorgesehen ist. Die Rippe kann das Zielobjekt wiederum wie die Nut vollumfänglich umgeben oder von diesen vollumfänglich umgeben sein sich nur über einen Teil am äußeren Umfang oder innerhalb des Zielobjektes erstrecken. Ein Querschnitt der Rippe kann V-förmig mit gekrümmten Seiten ausgebildet sein, wobei der Stoßbereich wiederum als Spitze oder abgerundet bzw. abgeflacht ausgeführt sein kann.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei zugunsten der Übersichtlichkeit jeweils für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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Es zeigt:
- 1 eine Teillängsschnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung;
- 2 eine schematisierte dreidimensionale Teilansicht der Schaltvorrichtung gemäß 1, die eine Sensoreinrichtung mit einer Messeinrichtung und einer damit zusammenwirkenden Geberkontur darstellt;
- 3 eine schematisierte dreidimensionale Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung; und
- 4 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemä-ßen Schaltvorrichtung.
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1 zeigt eine Teilschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Schaltvorrichtung 1 eines Fahrzeuggetriebes mit zwei formschlüssig miteinander drehfest verbindbaren Schaltelementhälften 2, wobei 1 lediglich eine der beiden Schaltelementhälften 2 darstellt. Der Formschluss zwischen den Schaltelementhälften 2 der vorliegend als Klauenschaltelement ausgeführten Schaltvorrichtung 1 wird durch eine translatorische Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften 2 zwischen einem ersten Betriebszustand der Schaltelementhälften 2, zu dem der Formschluss hergestellt ist, und einem zweiten Betriebszustand der Schaltelementhälften 2, zu dem der Formschluss getrennt ist, hergestellt oder gelöst.
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Die jeweils vorliegenden Betriebszustände der Schaltelementhälften 2 sind über eine Sensoreinrichtung 3 bestimmbar, die einen Permanentmagnet 4, eine Messeinrichtung 5 zum Sensieren des Magnetfeldes des Permanentmagneten 4 und eine das Magnetfeld des Permanentmagneten in Abhängigkeit der Betriebszustände der Schaltelementhälften 2 beeinflussende ferromagnetische Geberkontur 6 aufweist.
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Der die Sensoreinrichtung 3 umfassende Bereich der Schaltvorrichtung 1 bzw. des Fahrzeuggetriebes ist teilweise in 2 in einer schematisierten dreidimensionalen Teilansicht gezeigt. Sowohl aus der Darstellung gemäß 1 als auch aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor, dass die Geberkontur 6 zwei Oberflächenbereiche 7, 8 umfasst, welche in einem Stoßbereich aneinander angrenzen, während der Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften 2 in einem damit korrespondierenden Umfang translatorisch durch das Magnetfeld des Permanentmagneten 4 geführt werden und ausgehend vom Stoßbereich 9 in Richtung von zu dem Stoßbereich 9 in axialer Richtung der Schaltelementhälften 2 abgewandten Endbereichen 10, 11 monoton steigend ausgeführt sind.
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Die Oberflächenbereiche 7 und 8 der Geberkontur 6 sind in Bezug auf die Messeinrichtung 5 konvex ausgebildet, womit sich ein lotrechter Abstand zwischen den Oberflächenbereichen 7, 8 der Geberkontur 6 und dem Permanentmagnet 4 ausgehend vom Stoßbereich 9 in Richtung der Endbereiche 10, 11 der Oberflächenbereiche 7, 8 jeweils verkleinert. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Schaltvorrichtung 1 ist die Geberkontur 6 im Bereich einer mit der Schaltelementhälften 2 verbundenen Schaltstange 12 vorgesehen, wobei sich die Nut der Geberkontur 6 vorliegend vollumfänglich über den gesamten Umfang der drehbaren Schaltstange 12 erstreckt. Im Unterschied hierzu besteht bei axial zu sensierenden Bauteilen, die drehfest ausgeführt sind, die Möglichkeit, dass sich die Geberkontur nur über einen Teilbereich des Umfangs eines solchen Bauteils erstreckt.
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Die Schaltstange 12 ist über ein im Bereich eines Kolbenelementes 13 der Schaltstange 12 in radialer Richtung durchgreifendes Bolzenelement 14 mit der Schaltelementhälfte 2 verbunden und die Sensoreinrichtung 3 ist vorliegend benachbart zu der aus ferromagnetischem Material hergestellten Schaltstange 12 bzw. deren Geberkontur 6 angeordnet. Zwischen der Schaltstange 12 bzw. deren Geberkontur 6 und der Messeinrichtung 5 der Sensoreinrichtung 3 ist vorliegend ein Luftspalt vorgesehen. Die Größe des Luftspaltes steht in Abhängigkeit einer Feldstärke des magnetischen Feldes, das über die Sensoreinrichtung 3 sensiert wird.
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Das Kolbenelement 13 ist vorliegend im Bereich einer Stirnfläche 15 und im Bereich einer weiteren Stirnfläche 16 jeweils mit einem hydraulischen Betätigungsdruck beaufschlagbar und damit entlang ihrer Symmetrieachse, die vorliegend als X-Achse bezeichnet ist, sowohl in Schließrichtung als auch in Öffnungsrichtung der Schaltvorrichtung 1 axial verstellbar. Zum Ausgleich radialer Toleranzen und zur Erleichterung der Montage der Schaltvorrichtung 1 bzw. des damit ausgeführten Fahrzeuggetriebes ist die Kolbenstange 12 im Bereich des Kolbenelementes 13 gegenüber dem Bolzenelement 14 verkippbar. Hierfür ist ein das Bolzenelement 14 aufnehmender Bereich 17 mit einem ausgehend von einem mittleren Bereich 18 in radialer Richtung nach außen sich erweiternden Durchmesser ausgeführt. Um das dadurch entstehende Axialspiel zwischen der Kolbenstange 12 und der Schaltelementhälfte 2 zu kompensieren, ist das hydraulische Kräftegleichgewicht in einem von der Stirnfläche 15 begrenzten Ölraum 19 so gewählt, dass die Schaltstange 12 immer mit der dem Ölraum 19 zugewandten rechten Seite des mittleren Bereiches 18 am Bolzenelement 14 anliegt. Zur Abdichtung des Ölraumes 19 ist im Bereich der Sensoreinrichtung 3 eine Dichteinrichtung 29 vorgesehen.
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Die Schaltelementhälfte 2 ist vorliegend drehbar und über die Schaltstange 12 in axialer Richtung gegenüber einem Bauteil 20 verschiebbar ausgeführt, um den Formschluss mit der weiteren nicht näher dargestellten Schaltelementhälfte 2 des Klauenschaltelementes des Fahrzeuggetriebes 28 in gewünschtem Umfang herstellen zu können. Zwischen der Kolbenstange 12 und dem die Kolbenstange 12 umgebenden Bauteil 20 ist vorliegend eine Gleitlagereinheit 21 vorgesehen, über die die Schaltstange 12 neben weiteren Gleitlagern 22 und 23 in radialer Richtung gelagert ist. Dabei kann die Gleitschicht des Gleitlagers 21 sowohl in ein Gehäuse darstellenden Bauteil 20 als auch über eine auf der Kolbenstange 12 aufgebrachte Gleitschicht vorgesehen werden. Eine Abflachung 24 der Kolbenstange 12 dient der Drehausrichtung bei der Montage, während das Bolzenelement 14 gleichzeitig als Verdrehsicherung für die Kolbenstange 12 vorgesehen ist.
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Eine mit dem Bauteil 20 verbundene Ölzuführbuchse 25 ist auf das Bauteil 20 aufgepresst, wobei über die Verpressung die radiale Kraftaufnahme erfolgt. Zusätzlich ist die Ölzuführbuchse über eine Verschraubung 26 in Bezug auf einen Innenraum 27 des Fahrzeuggetriebes 28 von innen her verschraubt, wobei über die Verschraubung 26 von im Bereich der Ölzuführbuchse 25 angreifende Kippmomente aufgenommen werden.
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Alternativ hierzu wird die Ölzuführbuchse 25 lediglich über die Verschraubung 26 mit dem Bauteil 20 verbunden, wenn die Ölzuführbuchse 25 aus Gewichts- und Kostengründen aus einem anderen Material, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, während das Bauteil 20 nach wie vor aus Stahl hergestellt ist, wobei die Verschraubung 26 generell in Bezug auf den Innenraum 27 sowohl von außen als auch von innen erfolgen kann.
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Bei einer axialen Verstellung der Schaltstange 12 entlang der X-Achse wird die Geberkontur 6 an der Sensoreinrichtung 3 vorbeigeführt. Die beiden Oberflächenbereiche 7 und 8 der Geberkontur 6 sind in Bezug auf die Messeinrichtung 5 konvex ausgebildet und bilden eine Nut, deren an den Stoßbereich 9 angrenzenden Seitenflanken daher jeweils einen in 1 näher dargestellten gebogenen Querschnitt aufweisen.
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Die Messeinrichtung 5 umfasst vorliegend zwei als Hallelemente ausgebildete Magnetfeldsensorelemente 30, 31, mittels welchen das Magnetfeld des Permanentmagneten 4 sensierbar ist und die zwischen der Schaltstange 12 bzw. der Geberkontur 6 und den Permanentmagnet 5 angeordnet sind. Über die Magnetfeldsensorelemente 30, 31 sind den aktuellen Betriebszustand des Magnetfeldes des Permanentmagneten 5 charakterisierende elektrische Signale erzeugbar, deren Größe jeweils von einer relativen axialen Stellung zwischen der Messeinrichtung 5 bzw. deren Magnetfeldsensorelementen 30, 31 und der Geberkontur 6 abhängig ist, die wiederum mit den Betriebszuständen der Schaltelementhälften 2 der Schaltvorrichtung 1 korrespondieren.
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Eine Anordnung der Magnetfeldsensorelemente 30, 31 zueinander und in Bezug auf die X-Achse, die der Richtung der Relativbewegung zwischen den Schaltelementhälften 2 entspricht, ist so gewählt, dass eine Verbindungslinie 32 zwischen den Magnetfeldsensorelementen 30, 31 parallel zur X-Achse verläuft. Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Schaltvorrichtung ist eine Anordnung der Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 zueinander und in Bezug auf die X-Achse bzw. die Richtung der Relativbewegung zwischen Schaltelementhälften 2 gewählt, dass die Verbindungslinie 32 zwischen den Magnetfeldsensorelementen 30, 31 in einer von der X- und einer Y-Achse aufgespannten X-Y-Ebene liegt, die parallel zur X-Achse bzw. zur Richtung der Relativbewegung ist und mit einem Lot 33 zwischen der Messeinrichtung 5 und der Geberkontur 6 einen rechten Winkel einschließt. Die in der X-Y-Ebene liegende Verbindungslinie 32 schließt wiederum mit der Richtung der Relativbewegung bzw. der X-Achse bevorzugterweise jeweils einen innerhalb eines Winkelbereiches von etwa +/- 75°, vorzugsweise +/- 20°, liegenden Winkel ein.
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Neben der vorstehend näher beschriebenen winkligen Anordnung der Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 gegenüber der X-Achse besteht auch die Möglichkeit, die Verbindungslinie gegenüber der X-Y-Ebene in einer durch die X-Achse und einer Z-Achse aufgespannten X-Z-Achse geneigt anzuordnen, wobei ein Winkel zwischen der Verbindungslinie 32 zwischen den Magnetfeldsensorelementen 30 und 31 und der X-Y-Ebene in einem Winkelbereich von +/- 30° verschwenkt sein kann.
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Ein Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 3 repräsentiert vorliegend die jeweils aktuell vorliegende axiale Position der ferromagnetischen Schaltstange 12 in Bezug auf die Messeinrichtung 5 entlang der X-Achse. Bei weiteren Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung kann es auch vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung 3 verschiebbar gegenüber der dann in axialer Richtung ortsfest ausgebildeten Geberkontur 6 ausgebildet ist. In weiteren Anwendungen kann es auch vorgesehen sein, dass sowohl die Geberkontur 6 als auch die Sensoreinrichtung 3 axial entlang der X-Achse verschiebbar ausgeführt sind. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Schaltelementhälfte 2 bzw. die Schaltstange 12 drehfest ausgebildet sind und über die Sensoreinrichtung 3 die jeweils axiale Position der Schaltelementhälfte 2 sowie der damit verbundenen Schaltstange 12 ermittelbar ist.
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Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Sensoreinrichtung 3 anhand der Darstellungen gemäß 1 und 2 näher erläutert.
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Die beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 sensieren das Magnetfeld des Permanentmagneten 4, dessen Höhe und Ausrichtung bzw. Winkel in Abhängigkeit der axialen Stellung der Schaltstange 12 bzw. dessen Geberkontur 6 variiert. Das bedeutet, dass bei einer Änderung der relativen Position der Geberkontur 6 in Bezug auf die Messeinrichtung 5 bzw. deren Magnetfeldsensorelementen 30 und 31 das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 3 sich verändert.
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Das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 3 ist vorliegend ein Gleichstromsignal, das auf verschiedene Art und Weise kodiert sein kann. Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 3 ein sogenanntes pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal ist. Bei einer Änderung der relativen Position zwischen der Sensoreinrichtung 3 und der ferromagnetischen Schaltstange 12 entlang der X-Achse ändert sich auch gleichzeitig das Gleichstromsignal der Messeinrichtung 5. Das Signal ist kein vollständiges Gleichstromsignal, jedoch wird es verändert, wenn sich die relative Position zwischen der Sensoreinrichtung 3 bzw. dem Magnetfeldsensor und der Geberkontur 6 der Schaltstange 12 variiert.
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Die beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 werden vorliegend in einer sogenannten Differentialanordnung eingesetzt, bei welcher eine Differenz zwischen den elektrischen Signalen der beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 gebildet wird. Bei weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung besteht die Möglichkeit, dass die Sensoreinrichtung 3 lediglich mit einem Magnetfeldsensorelement oder mit mehr als zwei Magnetfeldsensorelementen ausgeführt ist, wobei die Sensoreinrichtung 3 bei einer Ausführung mit lediglich einem Magnetfeldsensorelement nicht in einer Differentialanordnung betrieben wird. Die Vorteile einer Differentialanordnung sind u. a. die Vermeidung herkömmlicher Betriebsgeräusche.
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Zusätzlich werden die beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 auf einem in 2 näher gezeigten Substrat 34 angeordnet, das zwischen der Schaltstange 12 bzw. deren Geberkontur 6 und dem Permanentmagnet 4 angeordnet ist. Die beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 sind Teil eines nicht näher dargestellten elektronischen Schaltkreises, in welchem die im Bereich der Magnetfeldsensorelementen 30 und 31 generierten elektrischen Signale in der nachfolgend näher beschriebenen Art und Weise weiter verarbeitet werden. Im Bereich der beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 treten unerwünschte Gleichstromoffsets auf, die einander entsprechen oder voneinander abweichen können. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 unerwünschterweise unterschiedliche Sensitivitäten aufweisen. Aus diesem Grund werden die Signale der beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 einem Differentialverstärker zugeführt. Mittels des Differentialverstärkers werden bestimmte Abstimmungen während einer Kalibrierperiode des elektrischen Schaltkreises durchgeführt. So sind beispielsweise im Bereich des Differentialverstärkers ein Eingabebereich vorsehbar und Verlaufsempfindlichkeitseinstellungen durchführbar, um die Signale der beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 so zu korrigieren, dass diese elektrischen Signalen entsprechen, die im Bereich von mit gleicher Sensitivität ausgeführten Magnetfeldsensorelementen generiert wurden.
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Der Differentialverstärker ist derart ausgeführt, dass er ein verstärktes Signal generiert, das zu einem zur Grobeinstellung einer Offsetspannung vorgesehenen Schaltkreis weitergeleitet wird. Dieser Schaltkreis generiert wiederum ein angepasstes Offsetsignal, um Ausgangssignale der beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 so anzupassen, als ob diese die gleiche Offsetspannung erzeugen oder im Betrieb keine Offsetspannung ausgeben. Zusätzlich ist ein Analog-Digital-Wandler (AD), beispielsweise ein 12 Bit A/D-Wandler vorgesehen, der das korrigierte Offsetsignal empfängt und in ein digitales Signal umwandelt.
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Das digitale Signal wird wiederum einem Signalprozessor zugeführt, der ein Bandbreiten- und Temperaturausgleichsmodul aufweist. Das Bandbreiten- und Temperaturausgleichsmodul filtert das korrigierte Offsetsignal und führt gleichzeitig einen Temperaturausgleich durch. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass der Signalprozessor ein Sensitivitäts- und ein Anpassungsmodul umfasst, um eine hohe Sensitivität und eine Anpassung des Offsets durchführen zu können. Zusätzlich ist der Signalprozessor bei weiteren Ausführungsbeispielen auch mit dem Linearisierungsmodul ausbildbar, das mit dem Anpassungsmodul koppelbar ist. Im Bereich des Linearisierungsmoduls wird ein linearisiertes Ausgangssignal erzeugt, das linear in Bezug auf die relative Position zwischen den beiden Magnetfeldsensorelementen 30 und 31 und der Geberkontur 6 der Schaltstange 12 ist. Zusätzlich kann der Signalprozessor auch ein Spannmodul aufweisen, der als Eingangssignal das linearisierte Ausgangssignal erhält und ein geklemmtes Ausgangssignal erzeugt. Das geklemmte Ausgangssignal stellt eine begrenzte Version des linearisierten Ausgangssignals dar, wobei die Begrenzung in Abhängigkeit einzelner Wertebereiche und in Abhängigkeit der nachfolgend näher aufgeführten Bedingungen erfolgt.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist der Magnetfeldsensor bzw. die Sensoreinrichtung 3 ohne das Linearisierungsmodul ausgebildet, wobei dann das Klemmmodul direkt mit den stromauf vorgesehenen Schaltkreisen verbunden ist.
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Das Klemmsignal wird einem Ausgangsformatierungsmodul zugeführt und konfiguriert, um ein zum Wert des Klemmsignals proportionales Ausgangssignal zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen ist das Ausgangssignal ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal mit einem Tastgrad, der proportional zum Wert des Klemmsignals ist. Zusätzlich werden bestimmte Bereiche des Tastgrades des pulsweitenmodulierten Ausgangssignals für weitere Zwecke verwendet. Es werden beispielsweise Tastgrade zwischen 0 und 10 % und Tastgrade zwischen 90 bis 100 % zur Anzeige von Störzuständen des elektrischen Schaltkreises des Substrates 34 verwendet. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, dass das Klemmmodul Werte des Klemmsignals auf Werte begrenzt, die Tastgrade in einem Bereich von 10 bis 90 % erzeugen. Unabhängig davon, sind auch andere Tastgradbereiche verwendbar.
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Bei Ausführungen der Schaltvorrichtung 1, bei welchem die beiden Magnetfeldsensorelemente 30 und 31 Hallelemente sind, ist der Schaltkreis mit weiteren Schaltkreisen ausführbar, über die die Hallelemente getaktet werden oder in deren Bereich ein Spin-Strom erzeugt wird.
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Neben der Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Ausgangssignals kann das Ausgangssignal auch andere Formate, beispielsweise ein SENT-Format oder ein I2C-Format aufweisen.
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Die Linearität des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung 3 ist mittels einer Vielzahl von Schaltkreisen und weiteren Faktoren beeinflussbar. So ist beispielsweise die Linearität des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung 3 über das Linearisierungsmodul des Signalprozessors veränderbar. Darüber hinaus ist die Linearität des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung 3 auch durch die Form der Oberflächenbereiche 7 und 8 der Geberkontur 6 und der Form des Stoßbereiches 9 anpassbar, wobei die Linearisierung des Ausgangssignals der Sensoreinrichtung 3 bei weiteren Ausführungsformen der Schaltvorrichtung allein durch die Form der Geberkontur 6 steuerbar ist und das Linearisierungsmodul nicht erforderlich ist.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung, bei der die Geberkontur 6 anstatt einer Nut in Bezug auf die Sensoreinrichtung 3 eine Erhebung bildet und die Oberflächenbereiche 7 und 8 der Geberkontur 6 in Bezug auf die Messeinrichtung 5 konkav ausgebildet sind. Dies führt dazu, dass sich ein lotrechter Abstand zwischen den Oberflächenbereichen 7 und 8 der Geberkontur 6 und dem Permanentmagnet 4 ausgehend vom Stoßbereich 9 in Richtung jeweils eines Endbereiches 10 bzw. 11 der Oberflächenbereiche 7, 8 jeweils vergrößert.
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Bezüglich der weiteren Funktionsweise der Schaltvorrichtung 1 gemäß 3 wird auf die vorstehende Beschreibung zu 1 und 2 verwiesen.
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Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung 1 zeigt 4, bei welcher die Geberkontur 6 direkt im Bereich der Schaltelementhälfte 2 vorgesehen ist. Die Schaltelementhälfte 2 ist vorliegend drehfest ausgeführt und in Abhängigkeit eines im Bereich einer Stirnfläche 38 der Schaltelementhälfte 2 anlegbaren Hydraulikdrucks in axialer Richtung verschiebbar. In Abhängigkeit der jeweils vorliegenden axialen Stellung der Schaltelementhälfte 2 greift eine Klauenverzahnung 39 der Schaltelementhälfte 2 in eine Gegenverzahnung der in 4 nicht näher dargestellten weiteren Schaltelementhälfte der Schaltvorrichtung 1 ein. Um die Verzahnung zwischen der Schaltelementhälfte 2 und der weiteren Schaltelementhälfte wieder lösen zu können, ist die Schaltelementhälfte 2 im Bereich einer weiteren Stirnfläche mit Hydraulikdruck beaufschlagbar und in die in 4 dargestellte Endstellung verstellbar, in der der Formschluss zwischen der Schaltelementhälfte 2 und der weiteren Schaltelementhälfte aufgehoben ist.
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Die Schaltvorrichtung 1 gemäß 4 entspricht bis auf die Anordnung der Geberkontur 6 direkt im Bereich der Schaltelementhälfte 2 im Wesentlichen der Schaltvorrichtung 1 gemäß 1 und 2, weshalb bezüglich der weiteren Funktionsweise der Schaltvorrichtung 1 gemäß 4 auf die Beschreibung zu 1 und 2 verwiesen wird.
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Bezugszeichen
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- 1
- Schaltvorrichtung
- 2
- Schaltelementhälfte
- 3
- Sensoreinrichtung
- 4
- Permanentmagnet
- 5
- Messeinrichtung
- 6
- Geberkontur
- 7, 8
- Oberflächenbereich der Geberkontur
- 9
- Stoßbereich der Geberkontur
- 10, 11
- Endbereich
- 12
- Schaltstange
- 13
- Kolbenelement
- 14
- Bolzenelement
- 15
- Stirnfläche
- 16
- weitere Stirnfläche
- 17
- aufnehmender Bereich
- 18
- mittlerer Bereich
- 19
- Ölraum
- 20
- Bauteil
- 21
- Gleitlagereinheit
- 22, 23
- Gleitlager
- 24
- Abflachung
- 25
- Ölzuführbuchse
- 26
- Verschraubung
- 27
- Innenraum
- 28
- Fahrzeuggetriebe
- 29
- Dichteinrichtung
- 30, 31
- Magnetfeldsensorelement
- 32
- Verbindungslinie
- 33
- Lot
- 34
- Substrat
- 38
- Stirnfläche
- 39
- Klauenverzahnung
