DE102016205766A1

DE102016205766A1 - Kupplungs- / Getriebebetätigungsvorrichtung und linearer Wegsensor mit gekippter Doppelmagnetanordnung

Info

Publication number: DE102016205766A1
Application number: DE102016205766.9A
Authority: DE
Inventors: Dominik Banasch; Jean-Francois Heyd; Tim Herrmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-10-12
Also published as: WO2017174076A1; DE112017001871A5

Abstract

Die Erfindung betrifft und eine Betätigungsvorrichtung mit einem Messsystem (1) zum Erfassen einer Verschiebeposition eines Schaltelementes (2), mit einer zum Detektieren zumindest zweier Richtungskomponenten eines Magnetfeldes ausgebildeten Magnetfeldsensoreinheit (3), sowie einer zwei Magnete (4a, 4b) aufweisenden und zum Verbinden mit dem Schaltelement (2) vorbereiteten Magneteinheit (5), wobei die Magneteinheit (5) so relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit (3) angeordnet ist, dass ein durch die Magnete (4a, 4b) erzeugtes mehrdimensional ausgerichtetes Magnetfeld durch die Magnetfeldsensoreinheit (3) in einem bestimmten Verschiebebereich (6) der Magneteinheit (5) erfassbar ist, und wobei die beiden Magnete (4a, 4b) so relativ zueinander angeordnet sind und/oder ausgestaltet sind, dass eine erste, einen Nordpol und einen Südpol des ersten Magneten (4a) miteinander verbindende Dipolachse (7a) schräg zu einer zweiten, einen Nordpol und einen Südpol des zweiten Magneten (4b) miteinander verbindende Dipolachse (7b) ausgerichtet ist; sowie eine Schaltvorrichtung zum Wählen und/oder Ein- / Auslegen einer Übersetzungsstufe eines Kraftfahrzeuggetriebes mit einem beweglichen Schaltelement (2) und einer Betätigungsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betätigungsvorrichtung mit einem Messsystem / Sensorsystem zum Erfassen einer Verschiebeposition eines Schaltelementes, wobei das Messsystem als ein lineares Wegmesssystem / linearer Wegsensor ausgestaltet ist. Auch betrifft die Erfindung eine Schaltvorrichtung zum Wählen und / oder Ein- bzw. Auslegen einer Übersetzungsstufe eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit einem beweglich gelagerten Schaltelement, wie einer Schaltgabel, und einem solchen Messsystem.
Die Betätigungsvorrichtung kann insbesondere als ein Teil einer Drehmoment übertragenden Einrichtung, wie eines Getriebes oder einer Kupplung, ausgebildet sein. Die Betätigungsvorrichtung kann insbesondere zum Schalten, Wählen, Betätigen oder ähnliche Vorgänge eingesetzt sein. Insbesondere Kolbenzylindereinheiten, Schaltgabeln und hydrostastische Kupplungsaktoren können mit ihr in Bewegung gezwungen werden / aktiviert werden, wobei mit ihr auch die erzwungene Bewegung gemessen werden kann. Das Messsystem kann ergo als ein Untersystem einer Schaltvorrichtung / eines Schaltaktors eines Getriebes ausgebildet und verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Schaltvorrichtungen zum Betätigen von Getrieben in Kraftfahrzeugen bekannt. Solche Schaltvorrichtungen sind etwa mit der DE 10 2011 088 662 A1 sowie der DE 10 2011 088 667 A1 offenbart.
Desweiteren ist es bereits prinzipiell bekannt, zum Detektieren von Aktoren, wie Schaltelementen / Schaltgabeln eines Kraftfahrzeuggetriebes ein lineares Sensorsystem / Messsystem zu verwenden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Messsysteme weisen jedoch zumeist den Nachteil auf, dass sie für relativ kurze Verschiebewege bedingt praxistauglich einsetzbar sind. Bei Verwendung zumindest eines Magneten als Aktor des Messsystems hat es sich bisher als geeignet herausgestellt, wenn ein Arkustangens-Verhältnis zwischen zwei gemessenen Bestandteilen der magnetischen Flussdichten des durch den Magneten erzeugten Magnetfeldes bestimmt wird. Durch Zuordnung des sich bei Verschiebung des Magneten ändernden Arkustangens-Verhältnisses (Winkel) zu den jeweiligen Verschiebepositionen des Magneten, kann im Betrieb die Position des Magneten bestimmt werden. Diese Positionsbestimmung funktioniert jedoch lediglich bei einem annähernd linearen Verlauf des Arkustangens-Verhältnisses (Winkel) in Bezug auf den Verschiebeweg. Gerät der Magnet in einen Verschiebebereich außerhalb dieses linearen Verlaufes, ist die korrekte Position aufgrund der sich ändernden Steigung des Arkustangens-Verhältnisses, insbesondere bei einer Verringerung der Steigung, immer schwieriger oder irgendwann gar nicht mehr verlässlich ermittelbar. Insbesondere ist es bisher gemäß dem Stand der Technik für relativ kurze Verschiebewege nur möglich, das Arkustangens-Verhältnis über einen geringen Winkelbereich auszuwerten (geringe Steigung). Die Position des Magneten und somit des mit ihm im Betrieb verbundenen Schaltelementes kann damit nur bedingt verlässlich bestimmt werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere eine Betätigungsvorrichtung für eine Getriebeschaltvorrichtung vorzusehen, die für relativ kurze Verschiebewege eines Schaltelementes eine verlässliche Positionsbestimmung des Schaltelementes gewährleistet.
Diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Betätigungsvorrichtung mit dem Wortlaut des Anspruchs 1 gelöst, wobei das Messsystem zum Erfassen einer Verschiebeposition eines Schaltelementes, mit einer zum Detektieren zumindest zweier Richtungskomponenten eines Magnetfeldes ausgebildeten Magnetfeldsensoreinheit sowie einer zwei Magnete aufweisenden und zum Verbinden mit dem Schaltelement vorbereiteten Magneteinheit versehen ist, wobei die Magneteinheit so relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit angeordnet ist, dass ein durch die Magnete erzeugtes mehrdimensional ausgerichtetes Magnetfeld durch die Magnetfeldsensoreinheit in einem bestimmten Verschiebebereich der Magneteinheit erfassbar ist, und die beiden Magnete so relativ zueinander angeordnet sind und/oder ausgestaltet sind, dass eine erste, einen Nordpol und einen Südpol des ersten Magneten miteinander verbindende Dipolachse schräg zu einer zweiten, einen Nordpol und einen Südpol des zweiten Magneten miteinander verbindende Dipolachse ausgerichtet ist.
Durch eine derartige Ausgestaltung einer Betätigungsvorrichtung hat es sich gezeigt, dass die detektierten Richtungskomponenten des durch die Magnetfeldsensoreinheit erfassten Magnetfeldes, vorzugsweise der Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte in einer Y-Richtung und einer X-Richtung, bei einem Rückbezug derer in der Arkustangensfunktion einen annähernd linearen Verlauf mit einer höheren Steigung über einen deutlich größeren Winkelbereich hinweg ermöglichen. Dadurch sind durch die Betätigungsvorrichtung – und damit auch das Messsystem – relativ kurze Verschiebewege besser als bisher überwachbar und die korrekte Position des Stellelementes verlässlich erfassbar.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der erste Magnet und/oder der zweite Magnet ein Permanentmagnet sind/ist. Dadurch ist die Betätigungsvorrichtung – und damit auch das Messsystem – besonders kostengünstig herstellbar.
Sind / Ist der erste Magnet und/oder der zweite Magnet weiterhin blockförmig, etwa quaderförmig, würfelförmig, oder prismenförmig, oder stabförmig, etwa mit einem ellipsenförmigen, vorzugsweise kreisrunden Querschnitt, ausgebildet, wird ein Magnetfeld durch den jeweiligen Magneten erzeugt, das besonders geeignet für das messtechnische Erfassen eines linearen Verschiebeweges ausgestaltet ist.
Zudem ist es von Vorteil, wenn der erste Magnet so relativ zu dem zweiten Magneten angeordnet ist, dass die erste Dipolachse sowie die zweite Dipolachse dieser beiden Magnete in einer gemeinsamen Ebene liegen. Dadurch sind die Magnete besonders geschickt für die Ausführung der Betätigungsvorrichtung – und damit auch der Messsystem – als lineares Wegmesssystem angeordnet.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die beiden Magnete so relativ zueinander angeordnet sind, dass die erste Dipolachse (in einer Verschiebeebene gesehen) in einem Winkel zwischen 25° und 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 90°, weiter bevorzugt zwischen 60° und 90°, besonders bevorzugt in einem Winkel von ca. 90°, relativ zu der zweiten Dipolachse ausgerichtet ist. Dadurch lässt sich ein annähernd lineares Verhältnis mit hoher Steigung zwischen dem Arkustangens und dem Verschiebeweg über einen relativ kurzen Verschiebebereich und gleichzeitig über einen großen Winkelbereich hinweg ausbilden.
In diesem Zusammenhang ist es insbesondere auch von Vorteil, wenn die beiden Magnete so angeordnet sind, dass die erste Dipolachse und / oder die zweite Dipolachse in einem Winkel zwischen 30° und 80°, vorzugsweise zwischen 40° und 60°, besonders bevorzugt in einem Winkel von ca. 45° schräg zu einer Verschiebeebene ausgerichtet sind / ist, innerhalb derer die Magnete relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit verschiebbar angeordnet sind, ausgerichtet sind / ist. Dadurch lässt sich der lineare Winkelbereich sowie die Steigung des Arkustangens Verhältnisses weiter vergrößern.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Magnetfeldsensoreinheit einen mehrdimensionalen, vorzugsweise einen zweidimensionalen, weiter bevorzugt einen dreidimensionalen Hallsensor aufweist. Dadurch ist die Betätigungsvorrichtung – und damit auch das Messsystem – besonders kompakt sowie kostengünstig mit bestehenden Bauelementen ausführbar.
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn der Hallsensor einen ersten Teilsensorbestandteil, durch den eine erste Richtungskomponente einer magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes / eines Magnetfeldes in einer X-Richtung erfassbar ist, und einen zweiten Teilsensorabschnitt, durch den eine zweite Richtungskomponente der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes in einer senkrecht zur X-Richtung angeordneten Y-Richtung erfassbar ist, aufweist. Dadurch ist die Magnetfeldsensoreinheit besonders geschickt zum Erfassen einer Verschiebeposition des Schaltelementes eines Getriebes vorbereitet.
Auch ist es zweckmäßig, wenn eine Auswerteeinheit datenübermittelnd mit der Magnetfeldsensoreinheit verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, einen Arkustangenswert zweier von der Magnetfeldsensoreinheit erfasster, richtungsunterschiedlicher Messdatenwerte (vorzugsweise unter Verwendung der der X- und Y-Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte) in Form von magnetischen Flussdichtewerten / zu der Flussdichte proportionalen Spannungswerten, zu berechnen. Dadurch ist die Verschiebeposition besonders rasch kalkulierbar.
Sind die beiden Magnete weiterhin so relativ zueinander angeordnet, dass der detektierte und/oder berechnete Arkustangensverlauf innerhalb des bestimmten Verschiebebereiches einen linearen Zusammenhang mit dem Verschiebeweg aufweist, ist in möglichst wenigen Berechnungsschritten die korrekte Position der Magneten bzw. des Schaltelementes ermittelbar.
Desweiteren betrifft die Erfindung eine Schaltvorrichtung zum Wählen und/oder Ein- / Auslegen einer Übersetzungsstufe / eines Ganges eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit einem beweglich angeordneten Schaltelement und einer Betätigungsvorrichtung mit einem Messsystem nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei eine Magneteinheit mit dem Schaltelement fest verbunden ist und eine Magnetfeldsensoreinheit mit einem gehäusefesten Abschnitt, zu dem das Schaltelement bewegbar gelagert ist, verbunden ist und die Magneteinheit sowie die Magnetfeldsensoreinheit derart relativ zueinander angeordnet sind, dass ein Verschiebebereich des Schaltelementes in einem Betrieb vollständig erfassbar ist. Dadurch lässt sich das Messsystem besonders effektiv einsetzen.
In anderen Worten ausgedrückt, ist somit eine Betätigungsvorrichtung und ein Wegsensor (Messsystem) mit zwei zueinander verkippten Blockmagneten (erster und zweite Magnet) ausgeführt. Es soll dabei eine Betätigungsvorrichtung / ein entsprechendes Sensorsystem (Messsystem), bzw. ein Aktor (Schaltvorrichtung / Getriebeaktor) mit einem entsprechenden Sensorsystem umgesetzt werden, welcher eine Verkippung aufweist, sodass in Abhängigkeit von vorzugebenden Parametern (Abstand „Y“ des Sensors (der Magnetfeldsensoreinheit) relativ zu den Magneten, Stärke der Magneten, Abstand „b“ der Magneten zueinander) ein linearer Verlauf des Arkustangens in Abhängigkeit der zurückgelegten Strecke / des zurückgelegten Verschiebeweges über einen ausreichend großen Bereich ΔX entsteht. Die Blockmagnete sind bevorzugt um den gleichen Betrag voneinander weg verkippt, wobei auch eine Verkippung aufeinander zu positiven Ergebnissen führt. Die Magnete sind vorzugsweise in radialer Richtung weit von der Drehachse angeordnet um eine möglichst große Übersetzung zu realisieren und werden entsprechend verschwenkt. Der Sensor befindet sich an einer Stelle axial in Richtung der Drehachse beabstandet zu den Magneten. Durch das Verschwenken der Magnete wird das gemessene Magnetfeld entsprechend variiert. Um einen möglichst linearen Messverlauf mit einem geringen Wegfehler zu erhalten, werden die Magnete wie beschrieben verkippt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert sind.
Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei die Position der Magnetfeldsensoreinheit, im Wesentlichen mittig in einem Verschiebebereich einer Magneteinheit, erkennbar ist, wobei die Magneteinheit zwei relativ zueinander verkippte Blockmagnete aufweist,
2 eine perspektivische Darstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung aufweisend die Betätigungsvorrichtung mit dem Messsystem nach 1, wobei insbesondere eine Schaltgabel der Schaltvorrichtung schematisch dargestellt ist, an der die Magneteinheit an einem Schwenkbereich fest aufgenommen ist, sodass diese von der gehäusefest angeordneten Magnetfeldsensoreinheit detektierbar ist,
3 eine schematische Draufsicht der Betätigungsvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlich zur 1, wobei zur Veranschaulichung des durch die Magnete ausgebildeten Magnetfeldes die Feldlinien eingezeichnet sind und wobei zu erkennen ist, dass die Dipolachsen der beiden Magnete relativ zueinander, zur Magnetsensoreinheit hin, aufeinander zu verlaufen,
4 ein Messsystem gemäß einem zweiten weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, das prinzipiell wie das erste Ausführungsbeispiel aufgebaut ist, wobei die Magnete nun so ausgerichtet sind, dass die Dipolachsen der beiden Magnete in Richtung der Magnetsensoreinheit voneinander weg verlaufen,
5 eine Diagrammdarstellung veranschaulichend einen schematischen Verlauf der X- und Y-Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte des durch die beiden Magnete erzeugten Magnetfeldes eines Ausführungsbeispieles,
6 eine Diagrammdarstellung veranschaulichend den schematischen Verlauf des Arkustangensverhältnisses der in 5 dargestellten Flussdichtenwerte über den Verschiebeweg der Magnete hinweg, und
7 eine Diagrammdarstellung veranschaulichend den Verlauf des Arkustangensverhältnisses der in 5 dargestellten Flussdichtenwerte über den Verschiebeweg der Magnete hinweg sowie in Abhängigkeit der Verkippung der Magnete relativ zueinander.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung mit einem Messsystems 1 dargestellt. Das Messsystem 1 ist zum Erfassen / Detektieren einer Verschiebeposition eines Stellelementes / Schaltelementes 2 (2) einer hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Schaltvorrichtung vorgesehen.
In 2 ist das Schaltelement 2, als Schaltgabel der Schaltvorrichtung ausgeführt, zu erkennen. Die Schaltvorrichtung ist ein vorzugsweise elektromotorisch angetriebener Aktor. Die Schaltvorrichtung ist hier als eine Getriebeschaltvorrichtung / Getriebeaktor ausgestaltet und im Betrieb auf übliche Weise zum Wählen und/oder Ein- / Auslegen einer Übersetzungsstufe / eines Ganges eines Kraftfahrzeuggetriebes, etwa eines Getriebes eines Pkws, Lkws, Busses oder landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges eingesetzt. Für den näheren Aufbau der Schaltvorrichtung sei hierbei insbesondere auf die DE 10 2011 088 667 A1 verwiesen, deren Inhalt in Bezug auf die Funktionsweise sowie den Aufbau der Schaltvorrichtung als hierin integriert gilt. Das Schaltelement 2 in Form der Schaltgabel ist relativ zu einem hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten gehäusefesten Abschnitt, der mit einem Gehäuse der Schaltvorrichtung oder des Getriebes fest verbunden ist, bewegbar / verschwenkbar. Das Schaltelement 2 ist um eine über zwei Lagerbuchsen 13 des Schaltelementes 2 festgelegte Schwenkachse verschwenkbar, um die entsprechenden Übersetzungsstufen / Gänge des Getriebes auszuwählen und/oder ein- bzw. auszulegen.
Wie hierbei besonders gut in 2 zu erkennen, ist das Messsystem 1 so angeordnet, dass es stets die korrekte Position / Verschwenkposition des Schaltelementes 2 im Betrieb der Schaltvorrichtung erfasst.
In 1 ist der Aufbau des Messsystems 1 prinzipiell besonders gut erkennbar. Das Messsystem 1 weist einerseits eine Magnetfeldsensoreinheit 3 auf, die zum Detektieren / Erfassen zweier Richtungskomponenten eines Magnetfeldes, nämlich zweier Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes ausgebildet ist. Zudem ist eine Magneteinheit 5 vorgesehen, die dieses Magnetfeld erzeugt. Insbesondere, wie nachfolgend näher beschrieben, weist die Magneteinheit 5 zwei Magnete 4a und 4b auf, die gemeinsam ein gesamtheitliches Magnetfeld / Gesamtmagnetfeld 12 ausbilden.
Die Magnetfeldsensoreinheit 3 weist zum erfassen dieses Magnetfeldes 12 einen hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten zweidimensionalen Hallsensor auf. In weiteren Ausführungen ist es auch möglich, dass die Magnetfeldsensoreinheit 3 stattdessen einen dreidimensionalen Hallsensor aufweist. Folglich ist die Magnetfeldsensoreinheit 3 fähig, zumindest zwei Richtungskomponenten einer magnetischen Flussdichte eines Magnetfeldes messtechnisch zu erfassen. Insbesondere dient die Magnetfeldsensoreinheit 3 dabei als ein Element, das als Ausgang zwei, proportional zu den richtungsunterschiedlichen Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte ausgebildete elektrische Spannungswerte als Messdatenwerte ausgibt. Die Magnetfeldsensoreinheit 3 ist dann im Betrieb auf übliche Weise weiter mit einer hier ebenfalls der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Auswerteeinheit elektronisch, d.h. datenübermittelnd, verbunden und überträgt die an ihr erfassten Messdaten an diese Auswerteeinheit.
Die Magnetfeldsensoreinheit 3, aufgrund ihrer Ausbildung als mehrdimensionaler Hallsensor, erfasst mit einem ersten Teilsensorbestandteil eine erste Richtungskomponente der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes 12 in einer X-Richtung. Der erste Teilsensorbestandteil bzw. die Messrichtung des ersten Teilsensorbestandteils ist in 1 schematisch mit Hilfe eines mit „X“ gekennzeichneten Pfeiles 14 eines Magnetfeldsensoreinheit-Koordinatensystems dargestellt. Die Magnetfeldsensoreinheit 3 weist außerdem einen zweiten Teilsensorbestandteil auf, durch den eine zweite Richtungskomponente der magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes 12 senkrecht in Y-Richtung, d.h. senkrecht relativ zur X-Richtung in dieser y-Richtung erfasst wird. Der zweite Teilsensorbestandteil bzw. die Messrichtung des zweiten Teilsensorbestandteils ist in 1 schematisch mit Hilfe eines mit „Y“ gekennzeichneten Pfeiles 15 des Magnetfeldsensoreinheit-Koordinatensystems dargestellt. Das Magnetfeldsensoreinheit-Koordinatensystem gibt mit seinem Nullpunkt die ungefähre Position der Magnetfeldsensoreinheit 3 relativ zu der Magneteinheit 5 an. Der erste Teilsensorbestandteil ist so angeordnet, dass dessen Messrichtung / die X-Richtung in einer Verschiebeebene 8 angeordnet, zu der die nachfolgend näher beschriebene Magneteinheit 5 im Betrieb parallel verschoben wird. Der zweite Teilsensorbestandteil ist so angeordnet, dass dessen Messrichtung / die Y-Richtung, senkrecht zu dieser X-Richtung, normal zu der Verschiebeebene 8 ausgerichtet ist. Die Magnetfeldsensoreinheit 3 ist somit mit ihrem Hallsensor vorzugsweise in der in 1 dargestellten Ausgangslage positioniert, die im Wesentlichen in der Mitte / zentrisch eines praktisch umgesetzten Verschiebebereiches 6 der Magneteinheit 5 / des Schaltelementes 2 entspricht.
Wie bereits erwähnt, weist das Messsystem 1 auch eine Magneteinheit 5 auf. Die Magneteinheit 5 ist im Betrieb, wie wiederum in 2 gut zu erkennen, fest an dem Schaltelement 2 befestigt. Die Magneteinheit 5 (auch als Magnetsystem / Magnetanordnung / Magnetaktor bezeichnet) ist an einem Arm des Schaltelementes, beabstandet zur Lagerbuchse 13 dieses Arms / zur Schwenkachse angeordnet. Die Magneteinheit 5 ist in einer Richtung normal zu der Verschiebeebene 8 relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit 3 beabstandet, unter Ausbildung eines Luftspaltes 9. Die Magnetfeldsensoreinheit 3 ist wiederum an dem gehäusefesten Abschnitt der Schaltvorrichtung oder des Getriebes befestigt. Somit ist die Magneteinheit 5 im Betrieb relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit 3 bewegbar / verschwenkbar an dem Schaltelement 2 angebracht.
In 1 ist eine Neutralstellung der Magneteinheit 5 / des Schaltelementes 2 relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit 3 dargestellt. Die Magneteinheit 5 weist zwei jeweils als Permanentmagnete ausgebildete Magnete 4a und 4b auf. Die beiden Magnete 4a und 4b sind hierbei jeweils als quaderförmige Blockmagnete ausgestaltet. Die beiden Magnete 4a und 4b sind jedoch nicht auf diese Form festgelegt. In weiteren Ausführungsbeispielen sind die beiden Magnete 4a und 4b auch anders ausgeformt, etwa würfelförmig, prismenförmig oder rundstabförmig. Beide Magnete 4a und 4b sind auch gleich ausgeformt sowie dimensioniert. In weiteren Ausführungsbeispielen sind die beiden Magnete 4a und 4b jeweils auch unterschiedlich ausgeformt und dimensioniert. Beide Magnete 4a und 4b sind im senkrechten Abstand zu der Verschiebeebene 8 relativ zu der Verschiebeebene 8 gleich weit über den Luftspalt 9 beabstandet. Die Magnete 4a und 4b sind in einem Magnethaltebereich 10 des Schaltelementes 2 befestigt.
Erfindungsgemäß sind die beiden Magnete 4a und 4b mit ihren Dipolachsen 7a und 7b zueinander geneigt, d.h. schräg zueinander angestellt. Wie in 3 gut zu erkennen, weist ein erster Magnet 4a, der hier in 1 dem Linken der beiden Magnet 4a und 4b entspricht, eine erste gedachte Dipolachse 7a auf, die durch den Nordpol sowie durch den Südpol des ersten Magneten 4a hindurch verläuft. Insbesondere ist der erste Magnet 4a so ausgerichtet, dass seine den Nordpol ausbildende Seite schräg der Verschiebeebene 8 zugewandt ist. Auch ist der erste Magnet 4a so ausgerichtet, dass sich die Dipolachse 7a in einer senkrecht auf der Verschiebeebene 8 stehenden Ebene erstreckt. Die erste Dipolachse 7a ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem Winkel um 45° relativ zu der Verschiebeebene 8 ausgerichtet. In weiteren Ausführungsformen, wie in Bezug auf 7 angedeutet, sind auch andere Anstellwinkel der ersten Dipolachse 7a, wie 75° oder 60°, relativ zu der Verschiebeebene 8, umgesetzt.
Ein zweiter Magnet 4b ist parallel zum Verschiebebereich 6 / zur Verschiebeebene 8 beabstandet zu dem ersten Magneten 4a angeordnet. Auch der zweite Magnet 4b bildet eine (zweite) Dipolachse 7b aus, die wiederum um 45° schräg zur Verschiebeebene 8, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie die erste Dipolachse 7a, angestellt ist. In weiteren Ausführungsformen, wie in Bezug auf 7 angedeutet, sind auch andere Anstellwinkel der zweiten Dipolachse 7a, wie 75° oder 60°, relativ zu der Verschiebeebene 8, umgesetzt. Dabei ist der zweite Magnet 4b jedoch stets gegensinnig zu dem ersten Magneten 4a verkippt / verdreht. Auch die zweite gedachte Dipolachse 7b des zweiten Magneten 4b verläuft durch den Nordpol sowie durch den Südpol des zweiten Magneten 4b hindurch. Hierbei ist der Nordpol des zweiten Magneten 4b an einer dem ersten Magneten 4a und/oder der Verschiebebene 8 schräg abgewandten Seite des zweiten Magneten 4b angeordnet. Auch die zweite Dipolachse 7b verläuft auf der, senkrecht auf der Verschiebeebene 8 stehenden Ebene.
Durch die Anordnung der beiden Magnete 4a und 4b weisen deren Dipolachsen 7a und 7b beide einen Winkel um 45° relativ zur Verschiebeebene 8 auf. Relativ zueinander sind die Magneten 4a und 4b / die Dipolachsen 7a und 7b somit um 90°, d.h. im Wesentlichen senkrecht zueinander angestellt, wobei sich die Dipolachsen 7a und 7b schneiden.
Prinzipiell ist es auch möglich, die Magneten 4a und 4b auch anders anzuordnen, etwa so, dass die beiden Dipolachsen 7a und 7b in unterschiedlichen Ebenen, etwa in zueinander parallel verlaufenden Ebenen (die vorzugsweise wiederum senkrecht auf der Verschiebeebene 8 stehen) verlaufen / ausgerichtet sind.
Durch die Anordnung der beiden Magnete 4a und 4b gemäß 1 ergibt sich der in 3 ersichtliche Verlauf der beiden Teilmagnetfelder 11a und 11b, wobei ein erstes Teilmagnetfeld 11a durch den ersten Magneten 4a erzeugt ist und ein zweites Teilmagnetfeld 11b durch den ersten Magneten 4b erzeugt ist. Beide Teilmagnetfelder 11a und 11b bilden zusammen das gemeinsame Magnetfeld 12 aus, das auf die Magnetfeldsensoreinheit 3 einwirkt.
Durch die schräge / verkippte Anordnung der Magnete 4a und 4b ergeben sich insbesondere die beiden in 5 erkennbaren Verläufe der Richtungskomponenten der magnetischen Flussdichte. Die erste Richtungskomponente in X-Richtung, d.h. der in X-Richtung durch die Magnetfeldsensoreinheit 3 gemessene Anteil der magnetischen Flussdichte (Ordinate) ist in diesem Fall annähernd durch einen Cosinus-Verlauf entlang des relevanten Verschiebebereiches 6 / Verschiebeweges (Abszisse) ausgestaltet. Die zweite Richtungskomponente in Y-Richtung, d.h. der in Y-Richtung durch die Magnetfeldsensoreinheit 3 gemessene Anteil der magnetischen Flussdichte (Ordinate) ist in diesem Fall annähernd durch einen Sinus-Verlauf entlang des relevanten Verschiebebereiches 6 / Verschiebeweges (Abszisse) ausgestaltet. Dadurch ist es möglich, wie in 6 berechnet, durch eine Umrechnung mittels der Auswerteeinheit mittels des Arkustangens-Funktion (Ordinate) einen im Wesentlichen linearen Bereich über den relevanten Verschiebeweg / Messweg (Abszisse) zu erreichen.
Der Effekt der Schrägstellung ist auch in Verbindung mit 7 nochmals deutlich zu erkennen. Somit wird mittels der Magnetfeldsensoreinheit 3 und der Auswerteeinheit ein Arkustangens-Signal / ein Arkustangens-Verhältnis (Ordinate) zwischen der Flussdichtekomponenten in Y-Richtung und in X-Richtung des Magnetfeldsensoreinheit-Koordinatensystems erzeugt, welches Signal / Verhältnis über den Verschiebeweg (Abszisse) hinweg, je nach Magnetverkippung, annähernd linear mit veränderlicher Steigung ausgebildet ist / verläuft. Dadurch ist in dem infrage kommenden Verschiebebereich 6, d.h. um eine bestimmte Länge gegenüber der in 1 dargestellten Neutralstellung nach links und rechts, die Position des Schaltelementes 2 in jeglicher Position ermittelbar.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es insbesondere möglich, einen Verschiebeweg von 12mm anhand eines annähernd linearen Verlaufes des Arkustangesverhältnisses der zweiten Richtungskomponente relativ zu der ersten Richtungskomponente über einen Winkelbereich von annährend 360° zu erreichen. Der Luftspalt 9, das heißt der Abstand normal zur Verschiebeebene 8 beträgt vorzugsweise ca. 8,2 mm von einem der Verschiebeebene 8 nächstgelegenen Ende beider Magnete 4a, 4b zur Verschiebeebene 8.
In Verbindung mit 4 ist es gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel auch möglich, die Magnete 4a und 4b so anzuordnen, dass ihre Dipolachsen 7a und 7b hin zur Verschiebeebene 8 nicht aufeinander zu, sondern voneinander weg verlaufen. Der übrige Aufbau sowie die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispieles entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel.
In anderen Worten ausgedrückt, sind erfindungsgemäß zwei Blockmagnete (Magnete 4a und 4b) relativ zueinander geneigt angeordnet. Dadurch kann das Sensorsignal (Signal an der Magnetfeldsensoreinheit 3) so beeinflusst werden, dass ein linearer Verlauf über einen großen Winkelbereich vorliegt. Für 90° zueinander geneigte Magnete kann ein Winkelbereich von 360° über einen Weg (Verschiebebereich 6) von ca. 25mm linear gemessen werden. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel den aktuellen Geometriestand einer Gabel (Schaltgabel) eines E-Achsen-Aktors (EAA / Schaltvorrichtung) mit der erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Ein Doppelblockmagnet (Magneteinheit 5) besteht aus zwei NdFeB Magneten (Magnete 4a und 4b) der Abmaße 7mm × 6mm × 7mm, wobei die Magnete in Richtung der kurzen Kante magnetisiert sind (lokale x-Achse). Der Abstand (Abstand zwischen den Massenschwerpunkten) der Magnete (Magnete 4a und 4b) zueinander beträgt vorzugsweise 14mm. Der Radius der Auswertestrecke (Verschiebebereich 6), der mit dem Abstand des Sensors 3 zum Drehpunkt der Gabel übereinstimmt, beträgt 36,5mm. Der Abstand der Magnete 4a, 4b normal zum Sensor wird als Luftspalt 9 bezeichnet und besitzt in diesem Ausführungsbeispiel nach 1 einen nominellen Wert von 8,2 mm. Die betrachtete Auswertestrecke besitzt eine Länge von 12mm in Umfangsrichtung (Schwenkrichtung). Das Verhältnis des Magnetabstandes zur Kantenlänge der Magnete 4a, 4b beträgt damit in etwa eins, während das Magnetfeld auf etwa dem Doppelten dieser Länge ausgewertet wird. Der Luftspalt 9 ist größer als die Kantenlänge des Magneten 4a, 4b, allerdings geringer als die Auswertestrecke 6. Da die Feldlinien die Magnete 4a, 4b in der Anordnung, wie sie in 1 gegeben ist, aus Sicht des Sensors 3 an einander zugeneigten Flächen der Magnete 4a, 4b verlassen (vgl. 3), wird diese Konstellation im Folgenden als zueinander verkippt bezeichnet. Der Verkippungswinkel wird dabei pro Magnet 4a, 4b um dessen y-Achse (Achse senkrecht zur Dipolachse 7a, 7b) definiert, sodass die Anordnung in 1 um 45° zueinander verkippt ist. Der Nullpunkt des Verkippungswinkels ist dabei so definiert, dass die Magnetisierungsrichtung des einen Magneten 4a in, und die des anderen Magneten 4b entgegen der Luftspaltrichtung 9 (der Richtung hin und normal zur Verschiebeebene 8) zeigt.
Über Hallsensoren (in der Magnetfeldsensoreinheit 3) kann eine Positionsmessung bestimmter Bauteile erfolgen. Hierfür werden auf den Bauteilen Magnete 4a, 4b montiert, deren Magnetfelder bzw. dessen Komponenten der fest im Raum positionierte Sensor 3 misst. Der Verschiebeweg 6 des Magneten 4a, 4b ist in einer Simulation dadurch dargestellt, dass das Magnetfeld 12 entlang eines Auswertepfades (Auswertestrecke / Messweg 6) gemessen wird. Dieser Pfad spiegelt die Relativbewegung zwischen den Magneten 4a, 4b und des Sensors 3 wider. Der Verlauf des Magnetfeldes 12 entlang dieses Pfades entspricht damit dem vom Sensor 3 gemessenen Signal bei einer Bewegung des Magneten 4a, 4b. Bei Linearwegsensoren wird der Arcustangens der einzelnen Komponenten des Magnetsfeldes 12 berechnet, um ein bijektives Signal zu erhalten (vgl. 5). Ziel ist es, dass die Arcustangens-Funktion über den gesamten Messweg 6 ein möglichst lineares Signal mit möglichst hoher Steigung aufweist. Je höher die Steigung, desto größer der Winkelbereich, den das Signal abdeckt. Des Weiteren hat das Magnetfeld 12 unter allen Toleranzbedingungen stark genug sein, um den Sensor 3 verlässlich auszulösen.
Das System reagiert prinzipiell besonders sensibel auf Änderungen des Luftspalts 9. Andere Toleranzen zeigen nur sehr geringen Einfluss auf das Sensorsignal. Daher sind die Magneten 4a, 4b auch so im Betrieb relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit 3 angeordnet, dass ein Signal des Arcus Tangens erhalten wird, das unsensibel auf Variationen des Luftspaltes 9 reagiert. Diese Variationen werden durch geometrische Toleranzen bedingt. Des Weiteren soll sich der Betrag der magnetischen Flussdichte nicht wesentlich verringern. Im konkreten Anwendungsfall betragen die dynamischen Luftspalttoleranzen +/–0,67mm. Aufgrund des Bauraums ist der Abstand der beiden Magnete 4a, 4b auf 7mm begrenzt.
Für den Fall, dass der Sensor 3 auf den Nominalzustand kalibriert wurde, liefert der Wegfehler die Wegdifferenz, die der Sensor 3 falsch erfasst, wenn sich im Betrieb die maximale dynamische Luftspalttoleranz einstellt. Für den unverkippten Magneten 4a, 4b beträgt der maximale Wegfehler, der bei der Auslegung berücksichtigt werden muss 0,25 mm, da die Differenz von min. zu max. Fall betrachtet werden muss. Der Betrag der magnetischen Flussdichte befindet sich in diesen Fällen zwischen 28mT und 45mT.
Durch das Verkippen der Magneten 4a, 4b voneinander weg um jeweils 45°, wie in 4 dargestellt, wird der Wegfehler der dynamischen Luftspalttoleranz zusätzlich reduziert. Der maximale Fehler beträgt in diesem, nicht bzgl. des Verkippungswinkels optimierten Fall etwa 0,145mm. Gleichzeitig reduziert sich der abgedeckte Winkelbereich von 140° auf etwa 110°, was für den verwendeten Sensor 3 allerdings ausreichend ist. Der Betrag der magnetischen Flussdichte befindet sich in diesen Fällen zwischen 25mT und 44mT. Das Verkippen der Magnete 4a, 4b voneinander weg verursacht also keine signifikante Veränderung im Betrag der magnetischen Flussdichte. Durch das konstruktive Verkippen der Magnete 4a, 4b in der Doppelblockanordnung erhält man die Möglichkeit, das Magnetfeld 12 innerhalb eines geringen Bauraums gezielt zu verändern. Je nach Randbedingungen können die Magnete 4a, 4b zueinander oder voneinander weg verkippt werden. Wie zuvor gezeigt, kann durch das Verkippen voneinander weg der Wegfehler der Luftspalttoleranz verringert werden, ohne das Magnetfeld 12 zu schwächen. Dabei muss allerdings eine Verringerung des Winkelbereiches in Kauf genommen werden. Durch das Verkippen der Magnete 4a, 4b zueinander kann der Wegfehler ebenfalls verringert werden. In diesem Fall beträgt er lediglich 0,09mm. Dafür liegt der Betrag der magnetischen Flussdichte zwischen 13mT und 41mT. Der Winkelbereich erweitert sich jedoch auf 180°. Des Weiteren lässt sich festhalten, dass durch die Verkippung der Magnete 4a, 4b neben der Steigung im Allgemeinen auch die Linearität des Arcustangens beeinflusst werden kann. Dieser Effekt hängt dabei neben der Magnetgröße vor allem vom Magnetabstand ab.
Bezugszeichenliste

1: Messsystem
2: Schaltelement
3: Magnetfeldsensoreinheit
4a: erster Magnet
4b: zweiter Magnet
5: Magneteinheit
6: Verschiebebereich
7a: erste Dipolachse
7b: zweite Dipolachse
8: Verschiebeebene
9: Luftspalt
10: Magnethaltebereich
11a: erstes Teilmagnetfeld
11b: zweites Teilmagnetfeld
12: Magnetfeld / Gesamtmagnetfeld
13: Lagerbuchse
14: X-Richtungspfeil der Magnetfeldsensoreinheit
15: Y-Richtungspfeil der Magnetfeldsensoreinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011088662 A1 [0003]
DE 102011088667 A1 [0003, 0032]

Claims

Betätigungsvorrichtung mit einem Messsystem (1) zum Erfassen einer Verschiebeposition eines Schaltelementes (2), mit einer zum Detektieren zumindest zweier Richtungskomponenten eines Magnetfeldes ausgebildeten Magnetfeldsensoreinheit (3), sowie einer zwei Magnete (4a, 4b) aufweisenden und zum Verbinden mit dem Schaltelement (2) vorbereiteten Magneteinheit (5), wobei die Magneteinheit (5) so relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit (3) angeordnet ist, dass ein durch die Magnete (4a, 4b) erzeugtes mehrdimensional ausgerichtetes Magnetfeld durch die Magnetfeldsensoreinheit (3) in einem bestimmten Verschiebebereich (6) der Magneteinheit (5) erfassbar ist, und wobei die beiden Magnete (4a, 4b) so relativ zueinander angeordnet sind und/oder ausgestaltet sind, dass eine erste, einen Nordpol und einen Südpol des ersten Magneten (4a) miteinander verbindende Dipolachse (7a) schräg zu einer zweiten, einen Nordpol und einen Südpol des zweiten Magneten (4b) miteinander verbindende Dipolachse (7b) ausgerichtet ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung als ein Teil einer Drehmoment übertragenden Einrichtung ausgebildet ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (4a) und/oder der zweite Magnet (4b) ein Permanentmagnet sind/ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (4a) und/oder der zweite Magnet (4b) blockförmig oder stabförmig ausgebildet sind/ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (4a) so relativ zu dem zweiten Magneten (4b) angeordnet ist, dass die erste Dipolachse (7a) sowie die zweite Dipolachse (7b) dieser beiden Magnete (4a, 4b) auf einer gemeinsamen Ebene liegen.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnete (4a, 4b) so relativ zueinander angeordnet sind, dass die erste Dipolachse (7a) in einem Winkel zwischen 25° und 90° relativ zu der zweiten Dipolachse (7b) ausgerichtet ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnete (4a, 4b) so angeordnet sind, dass die erste Dipolachse (7a) und/oder die zweite Dipolachse (7b) in einem Winkel zwischen 30° und 80° schräg zu einer Verschiebeebene (8), innerhalb derer die Magnete (4a, 4b) relativ zu der Magnetfeldsensoreinheit (3) verschiebbar angeordnet sind, ausgerichtet sind/ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoreinheit (3) einen mehrdimensionalen Hallsensor aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit datenübermittelnd mit der Magnetfeldsensoreinheit (3) verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit ausgestaltet ist, einen Arkustangenswert zweier von der Magnetfeldsensoreinheit (3) erfasster, richtungsunterschiedlicher Messdatenwerte zu berechnen.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnete (4a, 4b) so relativ zueinander angeordnet sind, dass ein detektierter Arkustangensverlauf innerhalb des bestimmten Verschiebebereiches (6) einen annährend linearen Zusammenhang mit dem Verschiebeweg aufweist.
Schaltvorrichtung zum Wählen und/oder Ein-/Auslegen einer Übersetzungsstufe eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit einem beweglichen Schaltelement (2) und einer Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Magneteinheit (5) mit dem Schaltelement (2) fest verbunden ist und die Magnetfeldsensoreinheit (3) mit einem gehäusefesten Abschnitt verbunden ist und die Magneteinheit (5) sowie die Magnetfeldsensoreinheit (3) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass ein Verschiebebereich (6) des Schaltelementes (2) in einem Betrieb vollständig erfassbar ist.