-
Die Erfindung betrifft ein Schaltelement für ein Kraftfahrzeugwechselgetriebe mit einer einhüllenden Kontur, zwei Sacklöchern, die jeweils einen Sacklochboden und eine Sacklochwandung aufweisen und die axial voneinander durch einen Schaltelementzwischenabschnitt beabstandet sind, zwei Magneten, die jeweils in einem der Sacklöcher angeordnet sind und gemeinsam einen Signalgeber zur Positionsbestimmung des Schaltelements ausbilden.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Ein Schaltelement der gattungsgemäßen Art kommt insbesondere in Handschaltgetrieben aber auch in automatisierten Schaltgetrieben oder in Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Zunehmend ist es erforderlich, die genaue Position von Schaltelementen, insbesondere von Schaltwellen, bestimmen zu können.
-
Gemäß einem vorbekannten Stand der Technik basiert die Lageerkennung eines Schaltelements auf dem Prinzip der Detektierung eines lokal veränderten Magnetfelds unter Ausnutzung des Hall-Effekts. So offenbart die
EP 1 350 991 B1 eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Schaltwalzenstellung, wobei ein Taster eine konturierte Umfangsfläche einer mit einer Schaltwelle fest verbundenen Sensorscheibe abtastet. Durch berührungslose Messung der Position des Tasters wird dann die Schaltstellung mittels eines Hall-Elements bestimmt. Mit dieser Lösung wird meist schaltender Hallsensor verwendet, der dazu ausgelegt ist, diskrete Schaltstellungen zu detektieren. Im Falle des Einsatzes von Hall-Schaltern erhält man nur binäre Zustandsinformation und damit keine exakte Position eines Schaltelements. Zwischenpositionen können daher nicht erfasst werden.
-
Zur Lösung dieses Problems existieren Ansätze für kontinuierliche Wegmessungen, die darauf basieren, die Flussdichte von Magneten oder den Winkelverlauf des Magnetfeldes zu messen. Derartige Schaltvorrichtungen gehen aus
DE 10 2006 011 207 A1 und
US 2009 / 0001971 A1 hervor.
DE 10 2009 051 125 A1 zeigt einen Wirbelstromsensor, in
DE 10 2013 205 901 A1 wird das Magnetfeld durch ein ferromagnetisches Element linearisiert. Gemäß
DE 10 2015 200 802 A1 soll der Drehwinkel übersetzt werden, was aber ebenfalls die Messfehler übersetzt.
-
-
Die Signale von Magneten, die für die kontinuierliche Wegmessung verwendet werden, weisen jedoch nachteiligerweise hohe Temperaturabhängigkeiten im Falle der Flussdichtemessung auf oder sind durch eine hohe Nichtlinearität im Falle der Winkelverlaufmessung gekennzeichnet. Daher ist ein hoher Aufwand bezüglich der Kompensation, Linearisierung oder Einlernen jeder einzelnen Schaltvorrichtung erforderlich. Ferner sind hohe Anforderungen an die Komponenten zu stellen, deren Serienstreuung nur sehr klein ausfallen darf.
-
Zudem hängt die Genauigkeit der Wegmessung von der Stärke des Magnetfeldes ab. Insbesondere muss in dem relevanten Messbereich die Magnetfeldstärke bestimmte Grenzwerte einhalten, um durch die Messelektronik sicher auswertbar zu sein. Zwischen den Magneten weist die Feldstärke ein Minimum auf. Um dort die notwendige Minimalfeldstärke sicherzustellen, bedarf es relativ feldstarker Magneten, was mit hohen Kosten verbunden ist.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltelement mit einem Signalgeber zur Verfügung zu stellen, dessen kontinuierliche Positionserfassung auch mit feldschwachen Magneten möglich ist.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schaltelement gemäß Anspruch 1. Am Schaltelement sind zwei Sacklöcher axial hintereinander angeordnet und voneinander durch einen Schaltelementzwischenabschnitt beabstandet. In jedem der Sacklöcher ist ein Magnet angeordnet. Gemeinsam bilden die Magneten einen Signalgeber, der die Ortsbestimmung des Schaltelements durch einen Sensor ermöglicht.
-
Das fehlende Material am Übergang am radial außen liegenden Übergang des Sacklochs zum Schaltelement verändert den Feldlinienverlauf der Magneten. Insbesondere vergleichmäßigt sich dadurch die Magnetfeldstärke im Luftspalt, der das Schaltelement umgibt, so dass damit dort auch die minimale Feldstärke - wenn auch zu Lasten der Feldstärke in anderen Bereichen - steigt. Da bei der Bemessung der Magneten auf die minimale Feldstärke abgestellt wird, ermöglicht die Erfindung die Verwendung schwächerer Magneten.
-
Auf der der gedachten Verbindungsgeraden durch beide Magnete kann zwischen ihnen ein ferromagnetischer Werkstoff angeordnet sein. Der an dieser Stelle angeordnete ferromagnetische Werkstoff bewirkt, dass die Magnetfeldlinien, die ohne den Werkstoff stärker gewinkelt zur Oberfläche des Schaltelements verliefen, in die Senkrechte deformiert werden. Durch diese Parallelisierung der Feldlinien im Polumfeld lassen sich in einem vorbestimmten, radialen Abstand zum Schaltelement Magnetfeldänderungen leichter detektieren.
-
Die beiden Magnete sind axial zueinander beabstandet angeordnet. Sie sind bevorzugt als Permanentmagnete ausgebildet. Sie können beispielsweise als rechteckförmige oder zylindrisch ausgebildete Stabmagneten ausgebildet sein. Sie sind in ihrer Feldstärke und in ihren äußeren Abmessungen vorzugsweise gleich.
-
Die beiden Magnete sind vorzugsweise hinsichtlich des von ihnen erzeugten Magnetfeldes gegensinnig zueinander angeordnet.
-
Die beiden Magnetelemente sind so angeordnet, dass die aus der Mitte der Magnetelemente austretenden Magnetfeldlinien senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Schaltelements stehen. Sie sind dabei vorzugsweise in gleichem Abstand von der Schaltachse des Schaltelements entfernt angeordnet.
-
Vorzugsweise sind die Magnete allein aufgrund ihres Magnetismus an dem Schaltelement gehalten und nicht beispielsweise zusätzlich stoffschlüssig gesichert. Das ferromagnetische Schaltelement besteht dazu beispielsweise aus einer Stahllegierung. Die Magnete können aber auch form- und/oder kraftschlüssig gesichert sein.
-
Die Magnete sind in den Sacklöchern des Schaltelements angeordnet. Die Sacklöcher bilden radial weisende Ausnehmungen in der Mantelfläche des Schaltelements aus. Sie weisen vorzugsweise Konturen auf, die komplementär zu denjenigen der Magnete sind. Ein Herausfallen oder ein unbeabsichtigtes Abstreifen der Magnete während der Montage kann dadurch verhindert werden, so dass auf zusätzliche, aufwändige Sicherungsmaßnahmen verzichtet werden kann. Gleichwohl können die Magnete in der Ausnehmung dennoch zusätzlich gesichert, beispielsweise verklebt oder mit Kunststoff verspritzt werden.
-
Die Sacklöcher weisen jeweils einen Sacklochboden und Sacklochwandungen auf. Beispielsweise sind die Sacklöcher zylindrisch ausgebildet und/oder können gebohrt sein. Alternativ sind sie kalottenförmig oder quaderförmig ausgebildet. Letztere Sacklöcher können durch Stanzen hergestellt sein. Die Sacklochwandungen verlaufen radial und sind damit zur Verschieberichtung des Schaltelements gewinkelt angeordnet.
-
Das Schaltelement ist in zumindest eine Richtung verschiebbar, die die Axialrichtung definiert. Zusätzlich kann es verdrehbar sein (Schaltwelle) oder als eine lediglich axial verschiebbare in Umfangsrichtung feste Schaltstange ausgebildet sein. Das Schaltelement kann beispielsweise einen runden oder als eine Schaltschiene einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dabei können die Sacklöcher in Umfangsrichtung hintereinander oder versetzt zueinander angeordnet sein. Das Schaltelement kann ferner eine Schaltgabel oder ein anderweitig in einem Getriebe eines Kraftfahrzeugwechselgetriebes bewegliches Bauteil wie beispielsweise ein verschiebbares Bauteil einer Parksperre sein.
-
Der Schaltelementzwischenabschnitt ist der Abschnitt des Schaltelements, der auf einer gedachten Verbindungslinie zwischen den beiden Sacklochwandungen ausgebildet ist. Die Sacklochwandungen verlaufen im Wesentlichen radial. Die Sacklochwandungen können in einem zum Schaltelementzwischenabschnitt weisenden Übergangsbereich gewinkelt zur Radialrichtung ausgebildet sein. Die Winkelung kann durch eine Fase, durch ein Verrunden oder anderweitigen Materialabtrag hergestellt werden. Vorzugsweise ist die Winkelung umlaufend ausgebildet, so dass das Sackloch einen symmetrischen Übergangsbereich aufweist.
-
Alternativ kann das Sackloch als Stufenbohrung ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine Nachbearbeitung ggf. entfallen.
-
In einer weiteren Variante sind die Sacklöcher in einer gemeinsamen Axialnut angeordnet. Die Magnete stehen in diesem Fall aus den Sacklöchern radial vor, vorzugsweise durchdringen sie den Hüllkreis des Schaltelements aber nicht. Damit kann das Schaltelement an seiner Mantelfläche gelagert werden, ohne dass das Lager auf auskragende Magneten angepasst werden müsste. Die Außenkontur der so durch die Schaltwelle und die Magnete gebildeten Schaltanordnung ist daher im Bereich des Sacklochs abgeflacht, wobei sich beidseits der Magneten in Axialrichtung Wände ergeben, die die Magnete einfassen. Im Längsschnitt gesehen ist die Außen-kontur somit durch den Hüllkreis der parallel zur Drehachse verlaufenden Mantelfläche der Schaltanordnung gebildet, die lediglich im Bereich der Sack-löcher nach radial innen versetzt ist.
-
Das Magnetfeld des Signalgebers wird durch einen bevorzugt getriebegehäusefesten Sensor detektiert. Der Sensor und die Magnete sind bevorzugt relativ zueinander in einem gleichbleibenden Abstand unter Bildung eines Luftspalts bewegt. Der Sensor steht vorzugsweise mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung, die zur Weiterverarbeitung des gemessenen Signals, beispielsweise der Magnetfeldrichtung, in eine axiale Position ausgebildet ist.
-
Durch das vorgeschlagene Konzept wird eine kontinuierliche Messung des Magnetfeldes mit hinreichender Genauigkeit für eine kontinuierliche Positionsbestimmung des Schaltelements ermöglicht. Das gemessene Signal ist bereits linear oder ein gut linearisierbares Signal, das eine genaue axiale Positionsbestimmung des Schaltelements relativ zum Gehäuse zulässt. Hierzu wird das von den zwei Magneten erzeugte Magnetfeld hinsichtlich der Richtung und/oder Stärke von dem Sensor erfasst und hieraus die axiale Lage bestimmt. Die beiden Magneten sind in Messrichtung hintereinander angeordnet, wodurch die Magnetfeldrichtung im Wesentlichen proportional zur axialen Position und unempfindlich gegen Störgrößen ist.
-
Ermöglicht wird dies durch die Verwendung zweier Magneten, die entgegengesetzt zueinander magnetisiert und in Messrichtung nebeneinander angeordnet sind und vorzugsweise die gleiche Stärke aufweisen. Bei geeignetem Abstand zwischen den Magneten ergibt sich für einen bestimmen Luftspalt über dem Messweg vorteilhaft ein minimaler Linearitätsfehler der Messgröße. Ferner ist der ideale Luftspalt in dieser Konfiguration kleiner als die typischen Luftspalte mit einfachen Magneten, was zusätzlich positiv auf die Integrierbarkeit der Lösung wirkt.
-
Ein erfindungsgemäßes Schaltelement kann unmittelbar in einem Getriebegehäuse gelagert sein. Vorzugsweise ist es in einem Gehäuse gelagert, in das der Sensor zur Erfassung der Feldlinien der Magnete integriert ist. Das Gehäuse und das Schaltelement mit den Magneten bilden eine Schaltvorrichtung. Die Schaltvorrichtung kann insbesondere mehrere Reihen hintereinander angeordneter, metallischer Wälzkörper aufweisen, welche auf dem Schaltelement unmittelbar benachbart zu den Magneten abwälzen, ohne dass die Messgenauigkeit signifikant beeinträchtigt wird.
-
Figurenliste
-
In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltelements in einer Schaltvorrichtung mit einem Sensorlager,
- 2a, 2b eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt,
- 3a, 3b eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt,
- 4a, 4b eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt,
- 5a, 5b eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltelements für 1 in einer perspektivischen Darstellung und in einem Längsschnitt und
- 6 ein Schaltelement für 1 ohne optimierte Sacklochkontur in einem Längsschnitt und
- 7 eine schematische Darstellung der durch den Sensor detektierten Magnetfeldstärke der Schaltelemente nach den 2b und 6.
-
Ausführliche Beschreibung der Figuren
-
In 1 ist ein Teil einer Schaltvorrichtung 9 eines Zahnräderwechselgetriebes eines Kraftfahrzeugs skizziert, deren grundsätzlicher Aufbau bekannt ist. Mittels nicht dargestellter Betätigungselemente kann ein Schaltelement 1 in Form einer Schaltwelle in einem Gehäuse 10 in Richtung seiner Längsachse 22 axial verschoben werden. Mit dem Schaltelement 1 kann eine nicht dargestellte Schaltgabel bewegt und hiermit ein Schaltvorgang durchgeführt werden. Dazu ist es in einem Sensorlager 20 gelagert, von dem vorliegend dessen Hülsenkontur 14 und ein Sensor 11 dargestellt sind. Ihre axiale Position kann durch ein nicht dargestelltes Rastelement, das gegen eine Rastierkontur 24 vorgespannt ist, gesichert werden.
-
Die Ermittlung der axialen Position des Schaltelements 1 erfolgt mit einer Sensorik, die aus zwei Magneten 6, 7 als einem Signalgeberpaar und dem Sensor 11 gebildet ist. Der erste Magnet 6 und der zweite Magnet 7 sind ortsfest auf dem Schaltelement 1 angeordnet. Beide Magneten 6, 7 haben somit einen definierten Abstand zueinander. Die als Permanentmagneten ausgebildeten Magnete 6, 7 sind gegensinnig angeordnet, d. h. die Nord- und Südpole sind gegensinnig orientiert. Der Sensor 11 ist in einem radialen Abstand von dem Schaltelement 1 angeordnet und durch einen Luftspalt beabstandet. Der Sensor 11 ist am Gehäuse 10 ortsfest angeordnet.
-
Aufgrund des von den beiden Magneten 6, 7 erzeugten Magnetfelds ergibt sich über der axialen Verschieberichtung an jedem Ort eine lokale Richtung des Magnetfelds, die vom Sensor 11 erfasst werden kann; demgemäß kann der Sensor 11 einen Winkel erfassen, unter dem das Magnetfeld an einer gewünschten axialen Position steht. Dies gilt jedenfalls über den ausgewählten Messbereich, über den eine hoher Grad an Linearität zwischen dem Winkel und der axialen Position des Schaltelements 1 besteht.
-
Die 2a und 2b zeigen ein erstes Schaltelement 1, mit zwei Sacklöchern 3, 4, die axial versetzt zueinander angeordnet sind und jeweils einen Sacklochboden 13 und eine Sacklochwandung 23 aufweisen. Ihre Tiefe ist gleich, so dass sie den gleichen Abstand zur Mittelachse 19 des Schaltelements 1 besitzen. Zwischen den Sacklöchern 3, 4 befindet sich Material des Schaltelements 1, das einen Schaltelementzwischenabschnitt 5 bildet. Die Sacklöcher 3, 4 sind am gleichen Umfangswinkel angeordnet und weisen die gleiche Kontur auf. In jedem der Sacklöcher 3, 4 ist ein Magnet 6, 7 angeordnet. Beide Magnete 6, 7 weisen gleiche äußere Abmessungen und gleiche Feldstärke auf. In einem ersten, inneren Sacklochabschnitt 17 liegen die Magnete 6, 7 jeweils an der Sacklochwandung 23 an. Indessen sind sie in einem zweiten, äußeren Sacklochabschnitt 18 von der Sacklochwandung 23 beabstandet und bilden einen Übergangsbereich aus. Der Übergangsbereich ist als Fase 15 mit einem Winkel von vorliegend 30° ausgebildet und bildet daher einen Konus aus. Die radiale Tiefe des inneren Sacklochabschnitts 17 und des äußeren Sacklochabschnitts 18 sind in etwa gleich.
-
Das als Schaltstange ausgebildete Schaltelement 1 weist eine einhüllende Kontur 2 auf. Die Magnete 6, 7 erstrecken sich in Radialrichtung 12 nicht bis zur einhüllenden Kontur 2, sondern sind um einen Spalt 21 von dieser zurückversetzt.
-
Die Sacklöcher 3, 4 der 3a und 3b unterscheiden sich von denen der 2a und 2b dadurch, dass sie als Stufenbohrungen ausgebildet sind. Sie weisen einen Ringabsatz 25 auf. Die Magnete 6, 7 sind weiterhin in dem ersten, inneren Sacklochabschnitt 17 gehalten, der sich bis zum Ringabsatz 25 erstreckt. Radial außen an den Ringabsatz 25 schließt sich der zweite, äußere Sacklochabschnitt 18 an, der zunächst radial verläuft und weiter radial außen ebenfalls eine Fase 15 aufweist.
-
In der Ausführungsform nach den 4a und 4b sind die Sacklöcher 3, 4 in einer gemeinsamen Axialnut 8 angeordnet. Je nach Breite der Axialnut kann dadurch auf eine Fase 15 verzichtet werden, da durch die Axialnut 8 selbst sichergestellt ist, dass die Magenten 6, 7 zumindest in dem zueinander gewandten Bereich auf ihrem radial außen liegenden Abschnitt nicht von ferromagnetischem Material eingefasst sind.
-
Aus den 5a und 5b ist ersichtlich, dass die Freistellung zum Schaltelementzwischenabschnitt 5 nicht durch eine Fase 15, sondern durch einen Radius 16 erfolgt. Statt eines Radius 16 kann der Schaltelementzwischenabschnitt 5 auch eine andere Verrundung oder geometrische Form aufweisen, die zumindest in dem radial außen liegenden Bereich sicherstellt, dass die Magnete 6, 7 von dem Schaltelementzwischenabschnitt 5 beabstandet sind.
-
Da das Schaltelement nur begrenzt verschiebbar ist, kann es ausreichend sein, nur die die Messstrecke überstreichenden Bereiche des Schaltelements 1 mit Rücksprüngen zu versehen. So ist es in der Regel ausreichend, wenn die Fasen 15, Radien 16, Axialnut 8 lediglich im Bereich des Schaltelementzwischenabschnitts 5 abgeordnet sind bzw. ist. In allen Ausführungsformen sind die Magnete 6, 7 sind in dem Schaltelement 1 versenkt und stehen nicht über den Hüllkreis, die einhüllende Kontur 2, der Mantelfläche des Schaltelements 1 radial vor. Damit liegt zum Sensor 11 ein Luftspalt vor, und es ist sichergestellt, dass die Magneten 6, 7 nicht durch das Gehäuse 10 überstrichen werden und damit eine Lagerfunktion übernehmen.
-
6 zeigt ein Schaltelement 1 nach dem Stand der Technik mit zwei Magneten 6, 7 und einem Schaltelementzwischenabschnitt 5, der die Magneten 6, 7 radial vollständig einfasst. Die Sacklochwandung 23 weist einen Radialabschnitt 25 auf, der über die Magneten 6, 7 radial vorsteht. Dessen Radialabschnitt 25 deformiert das Magnetfeld der Magneten 6, 7 und schwächt dieses.
-
7 stellt die durch den Sensor 11 gemessene Feldstärke in Abhängigkeit der axialen Position des Schaltelements 1 dar. Dabei ist die höchste Feldstärke des Schaltelements 1 nach 6 zu 100% gesetzt. Wie aus der Kurve VI ablesbar ist, beträgt die minimale Feldstärke in dieser Ausführung etwa 20% des Maximalwerts.
-
Die Kurve II zeigt die Feldstärke eines Schaltelements 1 nach 2a, 2b, das sich von dem Schaltelement 1 der Kurve 6 nur im Vorhandensein der Fase 15 unterscheidet. Insbesondere ist die Feldstärke der verwendeten Magneten 6, 7 gleich hoch. Der detektierte Maximalwert der Feldstärke ist etwa 30% höher. Entscheidender ist, dass die detektierte Feldstärke in dem gesamten Messbereich um einen Offset höher ist. Der Offset schwankt weniger stark mit dem Verfahrweg als die Absolutfeldstärke, so dass die minimale Feldstärke bei 40% in Relativeinheiten liegt. Sie ist damit doppelt so hoch wie die Feldstärke eines Schaltelements nach 2. Da die minimale Feldstärke maßgeblich für die Bemessung der Magneten ist, ermöglicht die Erfindung die Verwendung schwächerer Magnete, um die gleiche Messgenauigkeit zu erreichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schaltelement
- 2
- einhüllende Kontur
- 3
- erstes Sackloch
- 4
- zweites Sackloch
- 5
- Schaltelementzwischenabschnitt
- 6
- erster Magnet
- 7
- zweiter Magnet
- 8
- Axialnut
- 9
- Schaltvorrichtung
- 10
- Gehäuse
- 11
- Sensor
- 12
- Radialrichtung
- 13
- Sacklochboden
- 14
- Hülsenkontur
- 15
- Fase
- 16
- Radius
- 17
- erster, innerer Sacklochabschnitt
- 18
- zweiter, äußerer Sacklochabschnitt
- 19
- Mittelachse
- 20
- Sensorlager
- 21
- Spalt
- 22
- Längsachse
- 23
- Sacklochwandung
- 24
- Rastierkontur
- 25
- Radialabschnitt
- II
- Feldstärke in Abhängigkeit der Axialposition des Schaltelements nach 2a, 2b
- VI
- Feldstärke in Abhängigkeit der Axialposition des Schaltelements nach 6
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1350991 B1 [0003]
- DE 102006011207 A1 [0004]
- US 2009/0001971 A1 [0004]
- DE 102009051125 A1 [0004]
- DE 102013205901 A1 [0004]
- DE 102015200802 A1 [0004]
- DE 102008052416 A1 [0005]
- DE 102008063598 A1 [0005]
- DE 19748115 A1 [0005]
