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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Schaltvorrichtung, auf ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung sowie auf eine Verwendung einer Dämpfungsfeder zum Abbremsen einer Bewegung eines Ankerbauteils einer Schaltvorrichtung.
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Elektromagnete in Schaltbetätigungen unterliegen hohen akustischen Forderungen. Sie müssen sowohl bestromt, wie auch unbestromt geräuscharm in die Endlagen fahren. Bestromt wird der Anker einer Schaltbetätigung über den Spulenstrom beschleunigt und in die Endlage verfahren. Unbestromt erfolgt die Betätigung in der Regel über eine Rückstellfeder. Die Dämpfung der Endlage des Ankerbauteils im bestromten Zustand kann durch einen provozierten Abriss der magnetischen Durchflutung und zum anderen durch eine stark progressive Elastomerfeder erfolgen. Im unbestromten Zustand kann die Dämpfung der Endlage ausschließlich durch eine Elastomerfeder erfolgen.
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Die
DE 10 2006 015 233 A1 beschreibt eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem bewegbar in einem Gehäuse geführten Anker und einer stationär im Gehäuse vorgesehenen und zum Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildeten Spuleneinrichtung.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte elektromagnetische Schaltvorrichtung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung sowie eine neue Verwendung einer Dämpfungsfeder gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine elektromagnetische Schaltvorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:
ein Ankerbauteil mit einem Steg, wobei das Ankerbauteil einen Kernbereich und einen Ankerbereich aufweist, wobei der Kernbereich zumindest in einem Teilabschnitt von dem Ankerbereich umschlossen ist, und wobei das Ankerbauteil in einem Ankerraum zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage beweglich angeordnet ist;
einen Spulenkörper für eine Spule, wobei der Spulenkörper den Ankerraum umschließt; und
einen ersten Anschlag für den Steg des Ankerbauteils zum Definieren der ersten Endlage des Ankerbauteils und einen zweiten Anschlag für den Steg des Ankerbauteils zum Definieren der zweiten Endlage des Ankerbauteils, wobei zumindest ein Anschlag als eine sich in den Ankerraum hinein erstreckende Rippe ausgeführt ist.
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Unter einer elektromagnetischen Schaltvorrichtung kann eine Schaltbetätigung oder Stellvorrichtung verstanden werden. Die Schaltvorrichtung kann beispielsweise für ein Fahrzeug vorgesehen sein. Zumindest der Ankerbereich des Ankerbauteils kann aus einem ferromagnetischen Material sein. Der Spulenkörper kann die Spule aufweisen. Die Spule kann ausgebildet sein, um im bestromten Zustand ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Ankerbauteil kann einen Magneten darstellen. Das Ankerbauteil kann so angeordnet sein, dass der Ankerbereich des Ankerbauteils im Einflussbereich des von der Spule erzeugten Magnetfelds liegt. Hervorgerufen durch das auf den Ankerbereich einwirkende Magnetfeld kann das Ankerbauteil in Bewegung versetzt werden. Die Bewegung des Ankerbauteils kann durch einen der Anschläge begrenzt werden. Die Bewegung des Ankerbauteils kann längs einer Bewegungsachse erfolgen. Der Steg und die Rippe können sich radial in Bezug auf die Bewegungsachse erstrecken. Der Steg und die Rippe können parallel zu der Bewegungsachse gesehen, eine Überlappung aufweisen. Das Ankerbauteil kann einen Magnetanker darstellen. Der Kernbereich kann ausgeformt sein, um eine Schaltfunktionalität der Schaltvorrichtung auszuführen, beispielsweise durch die Bewegung des Ankerbauteils ein von der Schaltvorrichtung zum Ausführen einer Schaltfunktion zu betätigendes Element zu betätigen. Beispielsweise kann der Kernbereich als Stössel dienen, der die relevanten Funktionen der Schaltvorrichtung durchführen kann. Der Kernbereich kann zylinderförmig ausgeführt sein. Beispielsweise kann das Ankerbauteil durch eine Bestromung der Spule zu dem ersten Anschlag und in die erste Endlage bewegt werden. Durch eine Rückstellfeder kann das Ankerbauteil nach Beendigung der Bestromung der Spule zu dem zweiten Anschlag und in die zweite Endlage bewegt werden. Beispielsweise kann der Kernbereich zwischen einem ersten Ende des Ankerbauteils und dem Ankerbereich durch eine solche Rückstellfeder zum Rückstellen des Ankerbauteils von der ersten Endlage zu der zweiten Endlage geführt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Schaltvorrichtung zumindest eine Dämpfungsfeder aufweisen, die zwischen dem zumindest einen Anschlag und dem Steg angeordnet ist. Die Dämpfungsfeder kann bis zu einem Kompressionspunkt zusammengepresst werden, wenn sich das Ankerbauteil in der durch den zumindest einen Anschlag definierten Endlage befindet. Dabei kann die zumindest eine Dämpfungsfeder eine progressive Federkennlinie mit einer Knickstelle zwischen einem ersten Abschnitt der Federkennlinie und einem zweiten Abschnitt der Federkennlinie aufweisen. Zumindest einer der Abschnitte der Federkennlinie kann einen zumindest annähernd linearen Verlauf aufweisen. Der Kompressionspunkt kann in dem zweiten Abschnitt der Federkennlinie angeordnet sein. Indem der Kompressionspunkt, bis zu dem die Dämpfungsfeder durch das Ankerbauteil komprimiert wird, in dem Abschnitt der Federkennlinie liegt, in dem die Dämpfungsfeder eine größere Federhärte aufweist, kann die Endlage sehr genau definiert sein. Dadurch kann die Endlage ohne große Toleranzen definiert werden.
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Beispielsweise kann die zumindest eine Dämpfungsfeder als ein Schaumelement ausgeführt sein. Ein solches Schaumelement kann aus Silikon-Schaum bestehen. Ein solches Schaumelement kann vorteilhaft mit einer progressiven Federkennlinie hergestellt werden. Ferner kann ein Temperaturgang der Federkennlinie konstant sein. Dadurch kann eine Verschiebung der Endlage bei unterschiedlichen Temperaturen der Dämpfungsfeder vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Spulenkörper zumindest einen der Anschläge ausformen. Der andere der Anschläge kann ebenfalls durch den Spulenkörper oder durch ein starr mit mit dem Spulenkörper verbundenes Element ausgeformt werden. Auf diese Weise kann eine Lage des Anschlags sehr genau definiert werden.
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Eine Länge der sich quer zu einer Bewegungsrichtung des Ankerbauteils zwischen der ersten und der zweiten Endlage in den Ankerraum hinein erstreckenden Rippe kann länger sein, als eine Dicke der Rippe längs der Bewegungsrichtung des Ankerbauteils. Somit kann die Rippe sehr schmal ausgeführt sein. Dadurch kann eine Beeinflussung des Magnetfelds durch den als Rippe ausgeformten Anschlag vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Anschlag als eine erste sich in den Ankerraum hinein erstreckende Rippe und der zweite Anschlag als eine zweite sich in den Ankerraum hinein erstreckende Rippe ausgeführt sein. Auf diese Weise kann eine Beeinflussung des Verlaufs des Magnetfelds durch die beiden Anschläge weitestgehend vermieden werden.
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Die Schaltvorrichtung kann eine erste Dämpfungsfeder und eine zweite Dämpfungsfeder aufweisen. Die erste Dämpfungsfeder kann zwischen dem ersten Anschlag und dem Steg angeordnet sein und bis zu einem ersten Kompressionspunkt zusammengepresst sein, wenn sich das Ankerbauteil in der ersten Endlage befindet. Die zweite Dämpfungsfeder kann zwischen dem zweiten Anschlag und dem Steg angeordnet sein und bis zu einem zweiten Kompressionspunkt zusammengepresst sein, wenn sich das Ankerbauteil in der zweiten Endlage befindet. Dabei können die Dämpfungsfedern je eine progressive Federkennlinie mit einer Knickstelle zwischen einem ersten Abschnitt der Federkennlinie und einem zweiten Abschnitt der Federkennlinie aufweisen, wobei die Kompressionspunkte je in dem zweiten Abschnitt der Federkennlinie angeordnet sein können. Auf diese Weise können beide Endlagen sehr genau definiert werden.
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Dabei kann die erste Dämpfungsfeder an einer dem ersten Anschlag zugewandten Seite des Stegs des Ankerbauteils und die zweite Dämpfungsfeder kann an einer dem zweiten Anschlag zugewandten Seite des Stegs des Ankerbauteils angeordnet sein. Auf diese Weise können die Dämpfungsfedern mit dem Ankerbauteil mitbewegt werden. Alternativ kann zumindest eine der Dämpfungsfedern an dem entsprechenden Anschlag befestigt sein.
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Die Schaltvorrichtung kann eine erste Polplatte und eine zweite Polplatte aufweisen. Der Spulenkörper kann zwischen der ersten Polplatte und der zweiten Polplatte angeordnet sein. Die Polplatten zum Führen des von der Spule erzeugten magnetischen Feldes dienen. Die Polplatten können magnetische Pole zum Bewegen des Ankerbauteils ansprechend auf das von der Spule erzeugte Magnetfeld darstellen.
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Die Schaltvorrichtung kann zumindest einen ersten Fixierpunkt und einen zweiten Fixierpunkt zum Fixieren der Schaltvorrichtung in einem Gerät aufweisen. Dabei kann der erste Fixierpunkt aufseiten der ersten Polplatte an dem Spulenkörper angeordnet sein und der zweite Fixierpunkt kann aufseiten der zweiten Polplatte an dem Spulenkörper angeordnet sein. Die Fixierpunkte können zum Aufnehmen von Referenzpins des Geräts ausgeführt sein. Bei dem Gerät kann es sich beispielsweise um ein Wählhebelgehäuse eines Fahrzeugs handeln. Durch geringe Toleranzen der Endlagen des Ankerbauteils können die Toleranzen der Fixierpunkte klein gehalten werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Ankerbauteil einstückig ausgeführt sein. In diesem Fall sind der Ankerbereich und der Kernbereich aus einem Teil ausgeformt. Dadurch können die Fertigungskosten im Vergleich zu einem zweistückig ausgeführten Ankerbauteil reduziert werden.
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Dabei kann der Kernbereich zwischen einem ersten Ende des Ankerbauteils und dem Ankerbereich eine umlaufende Nut zum Bilden einer magnetischen Flusssperre aufweisen. Durch die Flusssperre kann das das Ankerbauteil durchströmende Magnetfeld auf den Ankerbereich konzentriert werden.
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Das Ankerbauteil kann einen Magnet-Anker ausformen. Alternativ zu einer einteiligen Ausführungsform kann das Ankerbauteil auch zweiteilig ausgeführt sein. Der Ankerbereich kann in einem solchen Fall einen aus ferromagnetischen Material gefertigten Anker darstellen. Der Kernbereich kann einen nicht ferromagnetischen Kern darstellen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Ankerbereich an einem dem ersten Ende des Ankerbauteils zugewandten Ende einen Fortsatz aufweisen. Die Schaltvorrichtung kann einen mit dem Spulenkörper verbundenen Einlaufkegel zum Aufnehmen des Fortsatzes aufweisen, wenn sich das Ankerbauteil in der ersten Endlage befindet. Dabei kann der erste Anschlag als Rippe ausgeführt und an einem dem Steg des Ankerbauteils zugewandten Ende des Einlaufkegels angeordnet sein. Der Einlaufkegel kann Teil des Spulenkörpers sein oder als ein separates und mit dem Spulenkörper starr verbundenes Teil ausgeführt sein. Der Einlaufkegel kann sich aufseiten der bestromten Endlage befinden und zur Flussverstärkung und Lenkung der Bewegung des Ankerbauteils eingesetzt werden.
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Der Steg des Ankerbauteils kann als eine umlaufende äußere Ausbuchtung des Ankerbereichs ausgeführt sein. Der Steg kann somit einen den Ankerbereich umschließenden Ring darstellen. Eine Länge des sich quer zu der Bewegungsrichtung des Ankerbauteils in Richtung des Spulenkörpers erstreckenden Stegs kann länger sein, als eine Dicke des Stegs entlang der Bewegungsrichtung des Ankerbauteils. Der Steg kann sich somit radial in Bezug zu der Bewegungsachse des Ankerbauteils erstrecken. Der Steg kann sehr dünn ausgeführt sein. Dadurch kann eine Beeinflussung des Magnetfelds durch das Vorhandensein des Stegs minimiert werden.
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Um die Reibung des Ankerbauteils zu minimieren, können kann die Schaltvorrichtung als Lagerstellen für das Ankerbauteil PTFE (Polytetrafluorethylen) beschichtete Gleitbuchsen aufweisen.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetische Schaltvorrichtung mit einem Ankerbauteil mit einem Steg, wobei das Ankerbauteil einen Kernbereich und einen Ankerbereich aufweist, wobei der Kernbereich zumindest in einem Teilabschnitt von dem Ankerbereich umschlossen ist, und wobei das Ankerbauteil in einem Ankerraum zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage beweglich angeordnet ist, ferner mit einem Spulenkörper für eine Spule, wobei der Spulenkörper den Ankerraum umschließt und ferner mit einem ersten Anschlag für den Steg des Ankerbauteils zum Definieren der ersten Endlage des Ankerbauteils und mit einem zweiten Anschlag für den Steg des Ankerbauteils zum Definieren der zweiten Endlage des Ankerbauteils, wobei zumindest ein Anschlag als eine sich in den Ankerraum hinein erstreckende Rippe ausgeführt ist, umfasst die folgenden Schritte:
Bewirken einer Bewegung des Ankerbauteils in Richtung des zumindest einen Anschlags;
Abbremsen der Bewegung des Ankerbauteils durch Zusammenpressen einer zwischen dem Steg und dem zumindest einen Anschlag angeordneten Dämpfungsfeder, die eine progressive Federkennlinie mit einer Knickstelle zwischen einem ersten Abschnitt der Federkennlinie und einem zweiten Abschnitt der Federkennlinie aufweist; und
weiteres Abbremsen der Bewegung des Ankerbauteils durch weiteres Zusammenpressen der Dämpfungsfeder bist zu einem Kompressionspunkt, der in dem zweiten Abschnitt der Federkennlinie angeordnet ist.
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Durch das weitere Abbremsen kann die Bewegung des Ankerbauteils bis zum Stillstand des Ankerbauteils abgebremst werden. Der Kompressionspunkt kann einen bezüglich seiner örtlichen Position sehr genau definierten Punkt darstellen, an dem das Ankerbauteil in der Endlage zur Ruhe kommt.
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Eine Ausführungsform des beschriebenen Ansatzes kann somit auf dem Verwenden einer Dämpfungsfeder basieren, die eine progressive Federkennlinie mit einer Knickstelle zwischen einem ersten Abschnitt der Federkennlinie und einem zweiten Abschnitt der Federkennlinie aufweist, zum Abbremsen einer Bewegung eines Ankerbauteils einer Schaltvorrichtung mit dem Ankerbauteil mit einem Steg, wobei das Ankerbauteil einen Kernbereich und einen Ankerbereich aufweist, wobei der Kernbereich zumindest in einem Teilabschnitt von dem Ankerbereich umschlossen ist, und wobei das Ankerbauteil in einem Ankerraum zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage beweglich angeordnet ist, ferner mit einem Spulenkörper für eine Spule, wobei der Spulenkörper den Ankerraum umschließt und ferner mit einem ersten Anschlag für den Steg des Ankerbauteils zum Definieren der ersten Endlage des Ankerbauteils und mit einem zweiten Anschlag für den Steg des Ankerbauteils zum Definieren der zweiten Endlage des Ankerbauteils, wobei zumindest ein Anschlag als eine sich in den Ankerraum hinein erstreckende Rippe ausgeführt ist.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Geräts mit einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Seitenansicht einer Schaltvorrichtung mit Schnittlinien A-A und B-B gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schnittdarstellung einer Schaltvorrichtung entlang der Schnittlinie A-A gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Schnittdarstellung einer Schaltvorrichtung entlang der Schnittlinie B-B gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Schnittdarstellung einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Federkennlinie einer Dämpfungsfeder gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ein Diagramm zur Darstellung von Toleranzbereichen einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektromagnetische Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Geräts mit einer Schaltvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Gerät kann es sich um eine Baugruppe eines Fahrzeugs, beispielsweise eine Baugruppe der Antriebs- und Fahrwerktechnik, wie eine Wählvorrichtung für ein Getriebe eines Kraftfahrzeugs handeln. Die Schaltvorrichtung 100 ist in einem Gehäuse 102, beispielsweise einem Wählhebelgehäuse, angeordnet und ausgebildet, um ein Element 104, beispielsweise einen Wählhebel, des Geräts zu betätigen.
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Die Schaltvorrichtung 100 weist einen Spulenkörper 110 für eine Spule 111 auf. Der Spulenkörper 110 umschließt einen Ankerraum 112. Innerhalb des Ankerraums 112 ist ein Ankerbauteil 114 beweglich angeordnet. Das Ankerbauteil 114 ist beweglich gelagert und kann eine Bewegung 116 entlang einer Bewegungsachse 118 ausführen. Die Bewegung 116 des Ankerbauteils 114 wird durch einen ersten Anschlag 120 und einen zweiten Anschlag 122 zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage begrenzt. Dazu weist das Ankerbauteil einen Steg 124 auf, der in der ersten Endlage des Ankerbauteils 114 an dem ersten Anschlag 122 und in der zweiten Endlage des Ankerbauteils 114 an dem zweiten Anschlag 124 anstößt. Zumindest einer der Anschläge 120, 122 weist die Form einer Rippe auf. Die Anschläge 120, 122 erstrecken sich ausgehend von einer dem Ankerraum 112 zugewandten Seite des Spulenkörpers 110 in den Ankerraum 112 hinein.
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Das Ankerbauteil 114 weist einen Ankerbereich 126 und einen Kernbereich 128 auf. Wird die Spule 111 von elektrischem Strom durchflossen, so baut sich ein Magnetfeld auf, durch das der Ankerbereich 126 des Ankerbauteils 114 beispielsweise in Richtung des ersten Anschlags 120 gezogen wird. Dadurch wird der Kernbereich 128, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise als ein Stößel ausgeführt ist, zu dem Element 104 hin bewegt und stößt gegen das Element 104, um einen Schaltvorgang durchzuführen.
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Zwischen dem Steg 124 und den Anschlägen 120, 122 kann je eine Dämpfungsfeder zum Dämpfen eines Anschlags des Stegs an die Anschläge 120, 122 angeordnet sein. Die Dämpfungsfedern können beispielsweise aus einem Elastomer, beispielsweise einem Silikonelastomer, bestehen, also als ein Elastomerdämpfer ausgeführt sein. Zumindest einer der Anschläge 120, 122 kann eine definierte Anlagefläche für einen am Anker 114 mitgeführten Elastomerdämpfer bilden. 2 zeigt eine Seitenansicht einer Schaltvorrichtung 100 mit Schnittlinien A-A und B-B gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 2 ist ein erstes Ende des Kernbereichs 128 des Ankerbauteils zu sehen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Kernbereich 128 des Ankerbauteils einen kreisrunden Querschnitt auf. Ein zentraler Abschnitt des Spulenkörpers 110 ist durch eine Polplatte 230 verdeckt. Die Polplatte 230 weist eine kreisrunde Durchgangsöffnung für einen Einlaufkegel 232 auf. Der Kernbereich 128 wird von einer Gleitlager-hülse 240 geführt.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Schaltvorrichtung 100 entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie A-A gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Wie bereits anhand von 1 beschrieben, weist die Schaltvorrichtung 100 einen Spulenkörper 110 auf, innerhalb dessen ein Ankerbauteil 114 entlang einer Bewegungsachse 118 linear beweglich gelagert ist. Die Bewegungsachse 118 kann eine Symmetrieachse des Ankerbauteils 114 sein. Der Spulenkörper 110 kann einen als Scheibenspule ausgeführten Abschnitt zum Aufnehmen der Wicklungen der Spule 111 aufweisen. Anliegend an den Seitenscheiben des Spulenkörpers 110 weist die Schaltvorrichtung 100 eine erste Polplatte 230 und eine zweite Polplatte 330 auf. Die Polplatten 230, 330 sind parallel zu den Seitenscheiben und rechtwinklig zu einer die Seitenscheiben verbindenden Grundfläche des Spulenkörpers 110 ausgerichtet. An einem der ersten Polplatte 230 zugewandten Ende des Ankerraums 112 ist ein Einlaufkegel 232 angeordnet.
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Der Einlaufkegel 232 grenzt an die dem Ankerraum 112 zugewandte Oberfläche der Grundfläche des Spulenkörpers 110 an und erstreckt sich über die Dicke der ersten Polplatte 230 bis zu etwa einer halben Länge der Grundfläche des Spulenkörpers 110. An dem der Polplatte 230 zugewandten Ende ist an dem Einlaufkegel 232 eine Gleitlagerhülse 240 zum Lagern des Kernbereichs des Ankerbauteils 114 angeordnet. Im Bereich einer Aufnahmefläche für die Gleitlagerhülse 240 weist der Einlaufkegel eine Ausnehmung zum Aufnehmen eines Endbereichs eines Fortsatzes des Ankerbereichs des Ankerbauteils 114 auf. Im Bereich der Ausnehmung und angrenzend an die Ausnehmung weist der Einlaufkegel 232 eine konstante Wandstärke auf. Daran angrenzend erweitert sich ein Innenraum des Einlaufkegels 232 kegelförmig. An einem der ersten Polplatte 230 abgewandten Ende weist der Einlaufkegel 232 einen Knick auf, durch den eine in Richtung der Bewegungsachse 118 ausgerichtete Abschlussrippe ausgeformt wird, die den ersten Anschlag 120 bildet. Somit weist der Querschnitt des Einlaufkegels 232 auf beiden Seiten der Bewegungsachse 118, an einem der zweiten Polplatte 220 zugewandtes Ende, einen L-förmigen Endbereich auf, durch den der erste Anschlag 120 gebildet wird. Eine Fläche des ersten Anschlags 120 entspricht einer Dicke der Wand des Einlaufkegels 232 im Bereich der Abschlussrippe. Die Fläche des ersten Anschlags ist orthogonal zu der Bewegungsachse 118 ausgerichtet. Ausgehend von der den Anschlag 120 ausbildenden Abschlussrippe weist die Dicke der Wand des Einlaufkegels eine abrupte Verjüngung auf weniger als die halbe Dicke der Wand des Einlaufkegels im Bereich der Abschlussrippe, anschließend einen Abschnitt konstanter Dicke, anschließend einen Abschnitt linear zunehmender Dicke und anschließend einen bis in die Ausnehmung des Einlaufkegels 232 zum Aufnehmen des Endbereichs des Fortsatzes des Ankerbereichs des Ankerbauteils 114 reichenden Abschnitt konstanter Dicke auf. Der Einlaufkegel 232 kann als ein Rotationskörper ausgeformt sein.
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An einem dem Einlaufkegel 232 gegenüberliegenden Ende formt die Grundfläche des Spulenkörpers 110 einen zweiten Anschlag 122 in Form einer in Richtung der Bewegungsachse 118 zeigenden Rippe auf. Eine Erstreckungsrichtung der Rippe des Spulenkörpers 110 ist orthogonal zu der Bewegungsachse 118. Zum Ausformen des zweiten Anschlags 122 weist die Grundfläche des Spulenkörpers 110 eine abrupte, hier durch einen rechten Winkel gebildete, Verdickung der Dicke der Grundfläche auf. Im Bereich der den zweiten Anschlag 122 ausbilden Rippe, weist die Dicke der Grundfläche eine konstante Dicke auf, um nach der Rippe eine abrupte, hier durch einen rechten Winkel gebildete, Verjüngung auf etwa eine halbe Dicke der Grundfläche im Bereich der Rippe aufzuweisen. Die den zweiten Anschlag 122 bildende Rippe kann umlaufend um den Ankerraum 112 ausgeformt sein und eine Lochscheibe bilden. Eine den zweiten Anschlag 122 bildende Fläche der Rippe kann größenmäßig gleich einer den ersten Anschlag 120 bildenden Fläche sein. Die Anschläge 120, 122 können in gleicher Entfernung in Bezug zu der Bewegungsachse 118 einander gegenüberliegend angeordnet sein.
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Angrenzend an die den zweiten Anschlag 122 bildende Rippe ist eine weitere Gleitlagerhülse 242 angeordnet. Die weitere Gleitlagerhülse 242 erstreckt sich ausgehend von der den zweiten Anschlag 122 bildende Rippe durch die zweite Polplatte 330 hindurch.
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Das Ankerbauteil 114 ist einstückig ausgeführt. Das Ankerbauteil kann als ein Rotationskörper ausgeführt sein. Es weist einen zylinderförmigen Kernbereich auf, der sich von einem ersten Ende des Ankerbauteils 114, aufseiten der ersten Polplatte 230, bis zu einem zweiten Ende des Ankerbauteils 114, aufseiten der zweiten Polplatte 330, erstreckt. Eine Länge des Ankerbauteils 114 ist länger als ein Abstand zwischen äußeren Flächen der Polplatten 230, 330. Versetzt in Richtung des zweiten Endes angeordnet, weist das Ankerbauteil 114 einen den Kernbereich umschließenden Ankerbereich auf. Im Ankerbereich weist das Ankerbauteil 114 eine größere Dicke als im Kernbereich auf. Dabei reicht der Ankerbereich nicht an dem Ankerbauteil 114 zugewandten Enden der Anschläge 120, 122 heran. Der Ankerbereich ist als ein Zylinder ausgeformt, der einen ringförmigen und sich über eine Hauptoberfläche des Ankerbereichs heraus erstreckenden Steg 124 aufweist. Im Bereich des Stegs 124 weist das Ankerbauteil 114 eine größere Dicke als im übrigen Bereich des Ankerbereichs auf. Eine Länge des Stegs entspricht in etwa der dreifachen Dicke des Stegs 124. Der Steg 124 ragt in einen zwischen den Anschlägen 120, 122 gebildeten Raum hinein. Dabei bleibt ein Spalt zwischen einem dem Spulenkörper 110 zugewandten Ende des Stegs 124 und dem Spulenkörper. Beidseitig des Stegs 124 weist das Ankerbauteil 114 umlaufende Nuten auf.
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In einer auf einer dem ersten Anschlag 120 zugewandten Seite des Stegs 124 angeordneten Nut ist eine erste Dämpfungsfeder 350 angeordnet. Die erste Dämpfungsfeder 350 erstreckt sich über eine Länge des Stegs 124 und liegt an dem Steg 124 an. Eine Dicke der ersten Dämpfungsfeder 350 kann beispielsweise gleich oder kleiner als eine Dicke des Stegs 124 sein. In einer auf einer dem zweiten Anschlag 122 zugewandten Seite des Stegs 124 angeordneten Nut ist eine zweite Dämpfungsfeder 352 angeordnet. Die zweite Dämpfungsfeder 352 erstreckt sich über eine Länge des Stegs 124 und liegt an dem Steg 124 an. Eine Dicke der zweiten Dämpfungsfeder 352 kann beispielsweise gleich oder kleiner als eine Dicke des Stegs 124 sein. Die Dämpfungsfedern 350, 352 können je als Ringe ausgeführt sein.
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Die Dämpfungsfedern 350, 352 bewegen sich bei einer Bewegung des Ankerbauteils 114 mit dem Ankerbauteil 114 mit.
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Ein sich zwischen der ersten Dämpfungsfeder 350 und einem ersten Ende des Ankerbereichs liegender Abschnitt des Ankerbereichs ist als ein Fortsatz ausgeführt. Der Fortsatz wird durch eine keilförmige Nut ausgeformt, die sich von dem ersten Ende des Ankerbereichs angrenzend an den Kernbereich erstreckt. Die keilförmige Nut weist eine sich in die Tiefe der Nut hinein linear verjüngende lichte Weite auf. Somit läuft der Ankerbereich zum ersten Ende hin spitz zu, weist am ersten Ende selbst jedoch einen abgeflachten Endabschnitt auf.
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Eine Rückstellfeder 354 ist zwischen dem Ankerbereich und der Gleitlagerhülse 240 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Rückstellfeder 354 als eine Spiralfeder ausgeführt, die an einem Ende an der Gleitlagerhülse 240 und am anderen Ende an dem Boden der keilförmigen Nut des Ankerbereichs anliegt. Der Kernbereich des Ankerbauteils 114 ist durch die Rückstellfeder 354 hindurchgeführt.
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Zwischen dem Ankerbereich und dem ersten Ende des Kernbereichs weist der Kernbereich eine umlaufende Nut 356 als magnetische Flusssperre auf. Ein dem Ankerbereich zugewandtes Ende der Nut 356 ist auf Höhe des ersten Endes des Ankerbereichs, somit auf Höhe des freien Endes des Fortsatzes des Ankerbereichs angeordnet.
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In 3 ist das Ankerbauteil 114 in einer ersten Endlage gezeigt. In der ersten Endlage ist das Ankerbauteil 114 durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder 354 gegen den dünnwandigen zweiten Anschlag 122 gedrückt. Dabei wird die zweite Dämpfungsfeder 352 durch den Steg 124 gegen den zweiten Anschlag 122 gedrückt. Die zweite Dämpfungsfeder 352 ist dabei bis zu einem Kompressionspunkt der zweiten Dämpfungsfeder 352 zusammengepresst.
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Wird die Spule 111 bestromt, so wirkt ein Magnetfeld auf den Ankerbereich des Ankerbauteils 114 und das Ankerbauteil 114 wird entgegen der Rückstellkraft der Rückstellfeder 354 in Richtung des ersten Anschlags 120 bewegt, bis die erste Dämpfungsfeder 350 durch den Steg 124 gegen den dünnwandigen ersten Anschlag 120 gedrückt wird. Die Bewegung des Ankerbauteils 114 endet in einer ersten Endlage, wenn die erste Dämpfungsfeder 350 bis zu einem Kompressionspunkt der ersten Dämpfungsfeder 350 zusammengepresst ist. In der ersten Endlage überlappt der Fortsatz des Ankerbauteils 114 mit dem Einlaufkegel 232.
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Die Spule 111 ist zwischen der Grundfläche des Spulenkörpers 110 und einem Deckelelement 358 des Spulenkörpers 110 angeordnet. Das Deckelement 358 kann starr mit dem Spulenkörper 110 verbunden sein. Das Deckelement 358 kann ebenso wie die Grundfläche zylinderförmig sein. Das Deckelement 358 kann als ein Teil des Spulenkörpers 110 aufgefasst werden. Der Verbund aus Spulenkörper 110 und Deckelement 358 kann auch als Magnet-Gehäuse bezeichnet werden.
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In dem beschriebenen Aufbau werden die Flächen der Anschläge 120, 122, gegen die die Dämpfungsfedern 350, 352, beispielsweise Elastomerfedern oder Elastomerdämpfer laufen, nicht durch die Hülsen 240, 342 oder massive breitwandige Anschläge gebildet. Die Anschläge 120, 122 unterliegen aufgrund ihrer Anordnung an dem Spulenkörper keinen oder nur geringen Montage- und Fertigungstoleranzen. Daher ergeben sich auch die Endlagen des einen Magneten darstellenden Ankerbauteils 114 mit sehr geringen Toleranzen.
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Bei dem hier beschriebenen Konzept werden die Endlagen des Ankerbauteils 114 sehr genau beschrieben und die Dämpfungsfedern 350, 352 bekommen eine klar beschriebene Anlauffläche als Anlage 120, 122. Durch eine präzise Endlage können die Systemtoleranzen eingeengt werden und so auch die Leistungsaufnahme des Magneten reduziert werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird anstelle eines zweiteilig ausgeführten Ankers ein einteiliger Anker 114 mit einer Flusssperre 356 eingesetzt. Dies reduziert zum einen die Anzahl der Einzelteile und reduziert zum anderen die Lagetoleranzen des Ankers 114. Die Flusssperre 356 kann durch einen Einstich realisiert werden, der eine Abschnürung des magnetischen Flusses bewirkt.
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Im stromdurchflossenen Zustand der Spule 111 wird von der Spule 111 ein Magnetfeld erzeugt, wobei die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes durch die Spule 111, die Polplatten 230, 330, den Einlaufkegel 232 und den Ankerbereich des Ankerbauteils 114 verlaufen.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Schaltvorrichtung 100 entlang der in 2 gezeigten Schnittlinie B-B gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schaltvorrichtung 100 weist die bereits anhand von 3 beschriebenen Elemente auf. Zusätzlich sind in 4 drei Referenzpins 461, 462, 463 gezeigt. Die Referenzpins 461, 462, 463 können als Stifte, beispielsweise in Form von Kegelstümpfen ausgeführt sein. Die Referenzpins 461, 462, 463 können Teil eines Gehäuses oder einer Struktur sein, in die die Schaltvorrichtung 100 eingebaut ist. Die Polplatten 230, 330 weisen Durchgangsöffnungen für die Referenzpins 461, 462, 463 auf. Auf diese Weise sind die Referenzpins 461, 462, 463 im montierten Zustand der Schaltvorrichtung 100 durch die Polplatten 230, 330 hindurch geführt und liegen an Fixierpunkten 465, 466, 467 des Spulenkörpers 110 an. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Fixierpunkte an einem parallel zu Grundfläche des Spulenkörpers 110 verlaufenden Deckelement 358 des Spulenkörpers 110 angeordnet. Zwischen dem Deckelement 358 und der Grundfläche des Spulenkörpers 110 bildet der Spulenkörper 110 einen Hohlraum, in dem die Spule 111 angeordnet ist. Das Deckelelement 358 und die Grundfläche des Spulenkörpers 110 können starr miteinander verbunden sein.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Referenzpins 461, 463 durch die erste Polplatte 230 geführt. Dabei ist der Kernbereich des Ankerbauteils 114 mittig zwischen den Referenzpins 461, 463 angeordnet. Der Referenzpin 462 ist gegenüberliegend zu dem Referenzpin 461 durch die zweite Polplatte 330 geführt.
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Die Referenzierung des Magneten in einer Baugruppe eines beliebigen Fahrzeugs kann nun anstelle über die Außenflächen 230, 330 des Magneten, was dazu führen würde, dass die Polplattendicke und die Fügetoleranzen in die Gesamttoleranz der Positionierung und des Ankerhubes eingehen, über Referenzpins 461, 462, 463 des Magnet-Gehäuses erfolgen, wodurch das Magnet-Gehäuse zur Positionierung deutlich reduziert werden kann. Die Referenzpins 461, 462, 463 können auf diese Weise über das Magnet-Gehäuse direkt mit den Anschlägen 120, 122 gekoppelt sein. Das Magnetgehäuse kann sich dabei aus dem Spulenkörper 110 und dem Deckelelement 358 zusammensetzen.
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Bei den Referenzpins 461, 462, 463 kann es sich beispielsweise um Referenzpins aus einem Wählhebelgehäuse handeln.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung einer Schaltvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schaltvorrichtung 100 weist die bereits anhand von 3 beschriebenen Elemente auf. In 5 sind der Kernbereich 128 und der Ankerbereich 126 des Ankerbauteils ersichtlich. Das Ankerbauteil kann einstückig, also aus einem Stück gefertigt, sein, oder aus einem den Kernbereich bildenden Teil und einem den Ankerbereich bildenden Teil zusammengesetzt sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Dämpfungsfedern 350, 352 zur Reduzierung der Lagetoleranzen als Schaum ausgeführt. Für die Dämpfungsfedern 350, 352 kann ein dünner Schaum verwendet werden. Eine Breite der Dämpfungsfedern 350, 352 parallel zur Bewegungsachse 118 kann kleiner einer Höhe der Dämpfungsfedern 350, 352 quer zur Bewegungsachse 118 sein. Der Anschlag 120 kann einen definierten Anschlag für den Schaum der Dämpfungsfeder 350 als Rippe aus dem Einlaufkegel 232 bilden. Der Anschlag 122 kann einen definierten Anschlag für den Schaum der Dämpfungsfeder 352 als Rippe aus dem Spulenkörper 110 bilden. Der Ankerbereich 116 und der Kernbereich 118 können zu einem Bauteil zusammengeführt sein. Die Federtoleranzen der Rückstellfeder 354 können auf marktübliche 10% eingeengt werden. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele kann in Bezug auf die Rückstellfeder 354 auf andere Werkstoffe, wie Federbronze, und Setzen zurückgegriffen werden.
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6 zeigt eine Federkennlinie einer Dämpfungsfeder gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um eine anhand der vorangegangenen Figuren beschriebene Dämpfungsfeder handeln, die zwischen dem Steg und einem der Anschläge der Schaltvorrichtung angeordnet ist.
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Die Federkennlinie ist in einem Diagramm aufgetragen, bei dem auf der Abszisse die Kompressen [s] der Dämpfungsfeder und auf der Ordinate die Kraft [F] der Dämpfungsfeder aufgetragen ist.
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Die Federkennlinie weist einen ersten Abschnitt 671 und einen zweiten Abschnitt 672 auf. Die Abschnitte weisen je einen linear ansteigenden Verlauf auf, wobei eine Steigung des zweiten Abschnitts 672 größer, beispielsweise mehr als viermal oder mehr als sechsmal so groß wie die Steigung des ersten Abschnitts 671 ist. Der erste Abschnitt beginnt im entspannten Zustand der Dämpfungsfeder. Wird die Dämpfungsfeder innerhalb des ersten Abschnitts 671 um einen Kompressionsweg Δs1 zusammengepresst, so steigt die Federkraft der Dämpfungsfeder um einen Betrag ΔF. Wird die Dämpfungsfeder innerhalb des zweiten Abschnitts 672 um einen Kompressionsweg Δs2, der wesentlich kleiner als der Kompressionsweg Δs1 ist, so steigt die Federkraft der Dämpfungsfeder ebenfalls um den Betrag ΔF. Die Knickstelle zwischen den Abschnitten 671, 672 kann abgerundet sein. Somit weist die Dämpfungsfeder eine stark progressive Kennlinie auf.
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Der Kompressionspunkt 675 der Dämpfungsfeder, an dem das Ankerbauteil gedämpft durch die Dämpfungsfeder in einer Endlage zur Ruhe kommt, ist in dem zweiten Abschnitt 672 angeordnet. Somit ist die Magnetkraft der Spule bzw. die Rückstellkraft der Rückstellfeder der Schaltvorrichtung so gewählt, dass die diesen Kräften entgegenwirkende Federkraft der Dämpfungskraft erst erreicht wird, wenn der ersten Abschnitt 671 der Federkennlinie der Dämpfungsfeder überschritten ist.
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Die Dämpfungsfeder ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Elastomerdämpfer ausgeführt, der wiederum als ein Schaum ausgeführt sein kann. Ein solcher Schaum hat eine Kraft/Weg-Kennlinie mit einem deutlich ausgeprägten Knick. Die Endlage, bei der die Dämpfungsfeder maximal komprimiert ist, ist nicht, wie üblich auf den flachen Abschnitt 671 der Kennlinie gelegt worden (ΔF bei Δs1), sondern in den Beginn des steilen Abschnitts 672 (Δs2). Bei gleicher Krafttoleranz ergibt sich so eine sehr kleine Weg-Toleranz (Δs2).
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Die oben beschriebenen Maßnahmen führen zu einer deutlichen Reduzierung der Wegtoleranzen. Dadurch kann bei gleicher Überdeckung im verriegeltem Zustand (worst case), der Ankerhub reduziert werden. Bei einem reduzierten Ankerhub kann auch der Betätigungsstrom reduziert werden. Dies kann durch dünneren Spulendraht erreicht werden, was den Kupferanteil und den Stromverbrauch des Magneten reduziert.
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Der beschriebene Ansatz bietet ein Potenzial für Toleranzen. So ergibt sich als Fügetoleranz für den Edelstahl-Kern in dem Ankerbauteil ein Potenzial von ±0,1mm. Bei der Umstellung der Referenz auf Maß 24,9 ± 0,15 anstatt 30,4 ± 0,23 ergibt sich ein Potenzial von ±0,08mm. Bei der Umstellung auf Bisco BF1000 in 1,67mm ± 10% anstatt 2,53 ± 10% ergibt sich ein Potenzial von ±0,09mm. Aus der Federtoleranz von ±20% auf ±10% ergibt sich ein Potenzial über Schaum von ~±0,2mm. Aus der Verbesserung der Anlage des Schaums in der Endlage ergibt sich ein Potenzial über Schaum von ~±0,15mm. Als Summe warden ~±0.62mm erreicht. Die resultierende Hubreduzierung beträgt 1,22mm. Die Einsparungen in der Endlagentoleranz können zur Verringerung des Hubes eingesetzt werden. Dabei bleibt die Worst Case Überdeckung gleich.
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7 ein Diagramm zur Darstellung von Toleranzbereichen einer Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um eine anhand der vorangegangenen Figuren beschriebene Schaltvorrichtung handeln.
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In dem gezeigten Diagramm ist auf der Abszisse der Hub in Millimeter und auf der Ordinate die Kraft in Newton einer Dämpfungsfeder aufgetragen.
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Eine Toleranz 781 einer Hubanfangsstellung kann 1,45 mm und eine Toleranz 782 einer Hubendstellung 782 kann 0,95mm betragen.
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Gezeigt ist ein Toleranzband 783 der Dämpfungsfeder. Wie durch die gestrichelte Linie 784, die innerhalb des Toleranzbandes 783 liegt, gezeigt ist, ist eine Reduzierung der Federtoleranz von ±20% auf ±10% möglich. So kann die obere Kraft, bei Beibehaltung der Minimalkraft abgesenkt werden. Wie durch die waagerechte gestrichelte Linie 785 gezeigt ist, kann durch Einsatz einer asymmetrischen Dämpfungsfeder ein Knick in der Kennlinie toleriert werden. So kann die obere Kraft, bei Beibehaltung der Minimalkraft abgesenkt werden. Daraus ergibt sich ein Potenzial von 0,4N entsprechend 36%.
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Ferner ist eine Garantiekennlinie 786 (10,5V/ 90°C/ 100% ED) für eine waagerechte Messlage mit Druckfeder gezeigt.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektromagnetische Schaltvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um eine anhand der vorangegangenen Figuren beschriebene Schaltvorrichtung handeln.
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In einem Schritt 891 wird eine Bewegung des Ankerbauteils in Richtung eines Anschlags der Stellvorrichtung bewirkt. Die Bewegung kann beispielsweise durch ein Magnetfeld oder durch eine Rückstellfeder hervorgerufen werden. In einem Schritt 893 wird die Bewegung des Ankerbauteils abgebremst. Dies erfolgt, indem eine sich zwischen einem Steg des Ankerbauteils und dem Anschlag befindliche Dämpfungsfeder zusammengepresst wird. In einem Schritt 895 wird die Bewegung des Ankerbauteils weiter abgebremst, indem die Dämpfungsfeder jenseits eines Knicks in einer progressiven Federkennlinie der Dämpfungsfeder weiter bis zu einem Kompressionspunkt der Dämpfungsfeder zusammengepresst wird. Wenn die Dämpfungsfeder den Kompressionspunkt erreicht hat, wurde das Ankerbauteil bis zum Stillstand abgebremst und befindet sich in einer durch den Anschlag definierten Endlage.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schaltvorrichtung
- 102
- Gehäuse
- 104
- Element
- 110
- Spulenkörper
- 111
- Spule
- 112
- Ankerraum
- 114
- Ankerbauteil
- 116
- Bewegung
- 118
- Bewegungsachse
- 120
- erster Anschlag
- 122
- zweiter Anschlag
- 124
- Steg
- 126
- Ankerbereich
- 128
- Kernbereich
- 230
- Polplatte
- 232
- Einlaufkegel
- 240
- Gleitlagerhülse
- 330
- Polplatte
- 342
- Gleitlagerhülse
- 350
- erste Dämpfungsfeder
- 352
- zweite Dämpfungsfeder
- 354
- Rückstellfeder
- 356
- Nut
- 358
- Deckelelement des Spulenkörpers
- 461
- Referenzpin
- 462
- Referenzpin
- 463
- Referenzpin
- 465
- Fixierpunkt
- 466
- Fixierpunkt
- 467
- Fixierpunkt
- 671
- erster Abschnitt der Federkennlinie
- 672
- zweiter Abschnitt der Federkennlinie
- 675
- Kompressionspunkt
- 781
- Toleranz
- 782
- Toleranz
- 783
- Toleranzband
- 784
- gestrichelte Linie
- 785
- gestrichelte Linie
- 786
- Garantiekennlinie
- 891
- Schritt des Bewirkens
- 893
- Schritt des Abbremsens
- 895
- Schritt des weiteren Abbremsens
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006015233 A1 [0003]
