DE102022002884B4

DE102022002884B4 - Welle für eine Getriebegangschaltung und Messsystem zur Positionsbestimmung einer Welle

Info

Publication number: DE102022002884B4
Application number: DE102022002884.0A
Authority: DE
Inventors: Yan BONDAR
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2042-08-10
Also published as: DE102022002884A1

Abstract

Welle (W) für eine Getriebegangschaltung mit einer Drehachse (A), einem Durchmesser (D) und einer Mantelfläche (M), wobei- auf der Mantelfläche (M) ein erster Permanentmagnet (M1) mit einer ersten Magnetisierungsrichtung (R1) und ein zweiter Permanentmagnet (M2) mit einer zweiten Magnetisierungsrichtung (R2) angeordnet sind,- die erste Magnetisierungsrichtung (R1) zu der Drehachse (A) der Welle (W) in einem Winkel von 90°+/-10° und zu einer Tangente der Mantelfläche (M) in einem Winkel von 0°+/-1° verläuft,- die zweite Magnetisierungsrichtung (R2) zu der Mantelfläche (M) in einem Winkel von 90°+-10° verläuft,- der erste Permanentmagnet (M1) zum zweiten Permanentmagneten (M2) in Umfangsrichtung der Welle (W) beabstandet angeordnet ist und zu dem zweiten Permanentmagneten (M2) einen Abstand (A1) von höchstens einem Drittel des Durchmessers (D) der Welle (W) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Welle für eine Getriebegangschaltung und ein Messsystem zur Positionsbestimmung einer Welle.
Aus der US 8,970,210 B2 ist ein bidirektionaler magnetischer Positionssensor bekannt, wobei ein magnetisiertes Element mit einem spezifischen zwei- bzw. dreidimensionalen Magnetisierungsprofil an einem beweglichen Bauelement, z.B. einer Welle, angeordnet wird, um eine rotatorische und translatorische Position des Bauelement mittels eines Magnetfeldsensors zu bestimmen.
Die US 2018/0 335 131 A1 beschreibt ein Messsystem zum Detektieren einer Position einer Getriebewelle, die in ihrer Axialrichtung mit mehreren Getriebepositionen versehen ist. Insbesondere sind neben einer Neutralgetriebeposition auch eine Getriebeposition für einen Rückwärtsgang vorgesehen ist. Das Messsystem umfasst eine Magneteinheit mit einem auf der Getriebewelle angeordneten Detektionsmagneten, dessen erste Magnetisierungsrichtung radial in Bezug auf die Getriebewelle verläuft, so dass der Südpol auf der Mantelfläche anliegt und der Nordpol zu einer Sensoreinheit zeigt.
Der Detektionsmagnet gemäß der US 2018/0 335 131 A1 ist in Axialrichtung der Getriebewelle in einen ersten und zweiten Längenbereichsmagneten unterteilt, wobei der zweite Längenbereichsmagnet in Querrichtung in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist und der erste Abschnitt in gleicher Richtung wie der erste Längenbereichsabschnitt magnetisiert ist. Der erste Längenbereichsmagnet und der erste Abschnitt des zweiten Längenbereichsmagneten bilden somit eine L-Form. Der zweite Abschnitt des zweiten Längenbereichsmagneten weist eine zum ersten Abschnitt entgegengesetzte Magnetisierung auf. Der erste und zweite Längenbereichsmagneten bilden eine stabförmige Bauform einer integralen Struktur. Der Detektionsmagnet kann auch ohne den zweiten Abschnitt des zweiten Längenbereichsmagneten für die Magneteinheit eingesetzt werden.
Ein Magnetfeldsensor mit einem Dauermagneten als Geberelement ist aus der DE 10 2010 010 388 A1 bekannt. Dieser Dauermagnet ist als Magnetverbund mit mindestens drei magnetisierbaren Verbundelementen aufgebaut, die in einer geraden Richtung angeordnet sind, so dass diese Richtung auch die Längsrichtung des Geberelementes definiert. Diese Verbundelemente sind kraftschlüssig verbunden, wobei das mittlere Verbundelement senkrecht zur Längsrichtung magnetisiert ist, während die beiden äußeren Verbundelemente in Längsrichtung jedoch in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch eine Welle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem ersten Gegenstand der Erfindung wird eine Welle für eine Getriebegangschaltung bereitgestellt, wobei auf einer Mantelfläche der Welle ein erster Permanentmagnet mit einer ersten Magnetisierungsrichtung und ein zweiter Permanentmagnet mit einer zweiten Magnetisierungsrichtung angeordnet sind.
Die erste Magnetisierungsrichtung verläuft zu einer Drehachse der Welle in einem Winkel von 90°+/-10° und zu einer Tangente der Mantelfläche in einem Winkel von 0°+/-1°.
Die zweite Magnetisierungsrichtung verläuft zu der Mantelfläche in einem Winkel von 90°+-10°.
Der erste Permanentmagnet ist zum zweiten Permanentmagneten in Umfangsrichtung der Welle beanstandet angeordnet und weist zu dem zweiten Permanentmagneten einen Abstand von höchstens einem Drittel eines Durchmessers der Welle auf.
Es versteht sich, dass eine möglichst präzise Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen relativ zu der Welle und/oder einem für eine Positionsbestimmung einzusetzenden Sensor die Auswertung, d.h. die Positionsbestimmung vereinfachen. Andererseits können Abweichungen von einem genau senkrechten oder genau parallelen Verlauf auf einfache Weise bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Als Welle wird ein zylinderförmiges Maschinenelement zur Weiterleitung einer Drehbewegung und eines Drehmoments bezeichnet. Die Welle für eine Getriebegangschaltung überträgt beispielsweise eine Drehbewegung bzw. ein Drehmoment in Abhängigkeit von einem gewählten Gang und ist hierfür beispielsweise mit einem Schaltknüppel der Gangschaltung verbunden bzw. wird beispielsweise von einem Schaltknüppel der Gangschaltung bewegt.
Die beiden Permanentmagnete ermöglichen es, sowohl einen Drehwinkel der Welle um die Drehachse (Rotation) als auch eine Position der Welle entlang der Drehachse (Translation) auf einfache Weise mittels eines Magnetfeldsensors zu bestimmen. Die Anordnung der Permanentmagnete ist dabei relativ unkritisch. Daher handelt es sich um eine besonders einfache und kostengünstige Lösung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform weist die Welle um die Drehachse einen Bewegungsradius von höchstens 180° oder höchstens 120° oder höchstens 90° auf und/oder die Welle weist entlang der Drehachse einen Bewegungsradius von höchstens 50 cm oder höchstens 20 cm oder höchstens 10 cm auf, um sicherzustellen, dass sich die Permanentmagneten immer in einem „Erfassungsfeld“ einer die erzeugten Magnetfelder erfassenden Sensoreinheit befinden.
Je geringer der Abstand zwischen den Permanentmagneten, umso geringer kann die Größe bzw. Empfindlichkeit einer Sensoreinheit zum Erfassen der Magnetfelder dimensioniert werden.
Gemäß dem zweiten Gegenstand der Erfindung wird ein Messsystem zur Positionsbestimmung einer Welle bereitgestellt, wobei die Welle ausgehend von einer Ausgangsposition um einen Winkel von höchstens +/-90° um eine Drehachse drehbar und über eine Wegstrecke von höchstens +-30 cm entlang der Drehachse verschiebbar ist.
Das Messsystem umfasst eine Magneteinheit, eine Sensoreinheit und eine Auswerteeinheit.
Die Sensoreinheit ist in einer zu der Drehachse parallel verlaufenden ersten Ebene und in einem ersten Abstand zu einer Mantelfläche der Welle angeordnet.
Die Magneteinheit ist auf einem der Sensoreinheit in der Ausgangsposition zugewandten Abschnitt der Mantelfläche der Welle angeordnet.
Die Magneteinheit weist einen ersten Permanentmagnet mit einer zu der Drehachse der Welle in einem Winkel von 90°+/-10° und zu einer Tangente der Mantelfläche in einem Winkel von 0°+-10° verlaufenden ersten Magnetisierungsrichtung und einen zweiten Permanentmagneten mit einer zu der Mantelfläche in einem Winkel von 90°+/-10° verlaufenden zweiten Magnetisierungsrichtung auf.
Der erste Permanentmagnet ist zum zweiten Permanentmagneten in Umfangsrichtung der Welle beabstandet angeordnet und weist zu dem zweiten Permanentmagneten einen Abstand von höchstens einem Drittel des Durchmessers der Welle auf.
Die Sensoreinheit weist einen ersten Magnetfeldsensor und eine zweiten Magnetfeldsensor auf.
Der erste Magnetfeldsensor ist hinsichtlich einer zu der Drehachse parallelen Magnetfeldkomponente sensitiv und der zweite Magnetfeldsensor ist hinsichtlich einer zu der Drehachse senkrechten und zu der ersten Ebene parallelen Magnetfeldkomponente sensitiv.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Welle einer Welle mit daran angeordneter erfindungsgemäßer Magneteinheit entspricht.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Messsystems ist, dass aus relativ einfachen kostengünstigen Komponenten besteht und hinsichtlich der Positionierung der einzelnen Komponenten zueinander nicht besonders kritisch ist. Damit stellt das Messsystem eine besonders einfache und kostengünstige Lösung für eine All-Gang-Erkennung einer Gangschaltung dar.
Gemäß alternativer Ausführungsformen sind die Magnetfeldsensoren Hallsensoren oder magnetoresistive Sensoren, z.B. TMR-, GMR- oder AMR-Sensoren, sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgelegt, anhand eines Messwerts des ersten Magnetfeldsensors einen Drehwinkel der Welle um die Drehachse und/oder anhand eines Messwerts des zweiten Magnetfeldsensors einen Position der Welle entlang der Drehachse zu ermitteln.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Messsystem Teil einer Gangschaltung eines Kraftfahrzeugs oder Teil einer Gangschaltung einer Maschine ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die laterale und die vertikale Erstreckung sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigen, die

1 eine Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Welle,
2 eine Ansicht einer ersten erfindungsgemäße Ausführungsform eines Messsystems,
3 einen weitere Ansicht der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Messsystems,
4 eine schematische Ansicht einer Gangschaltung mit erfindungsgemäßer Magneteinheit,
5 Magnetfeldkomponenten über der Zeit für verschiedene Schaltvorgänge.

Die Abbildung der 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Welle W. Die Welle W weist eine Drehachse A, eine Mantelfläche M und einen Durchmesser D auf. Auf der Mantelfläche M sind in einem ersten Abstand A1 zueinander zwei Permanentmagnete M1 und M2 angeordnet.
Der erste Permanentmagnet M1 weist eine erste Magnetisierungsrichtung R1 auf, wobei die erste Magnetisierungsrichtung R1 senkrecht zu der Drehachse A und tangential zu der Mantelfläche M oder anders ausgedrückt zu einer Tangente der Mantelfläche M parallel verläuft.
Eine zweite Magnetisierungsrichtung R2 des zweiten Permanentmagneten M2 verläuft senkrecht zu der Mantelfläche M.
In den Abbildungen der 2 und 3 sind zwei Ansichten einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Messsystems zur Positionsbestimmung einer Welle W dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
Das Messsystem weist eine Magneteinheit, eine Sensoreinheit SE und eine Auswerteeinheit AE.
Die Magneteinheit umfasst die auf der Mantelfläche M der Welle W angeordneten Permanentmagnete M1 und M2. Die Welle ist ausgehend von einer Ausgangsposition um höchstens +-90° um die Drehachse A drehbar und um höchstens +/-30 cm entlang der Drehachse verschiebbar.
In der Ausgangsposition ist ein Abschnitt der Mantelfläche M der Welle W, auf dem die Magneteinheit angeordnet ist, der in einer ersten Ebene E1 angeordneten Sensoreinheit SE zugewandt.
Die Sensoreinheit SE umfasst zwei Magnetfeldsensoren, wobei der erste Magnetfeldsensor hinsichtlich einer parallel zu der Drehachse A verlaufenden Magnetfeldkomponente B_x sensitiv ist und der zweite Magnetfeldsensor hinsichtlich einer zu der Drehachse senkrecht und zu der ersten Ebene E1 parallel verlaufenden Magnetfeldkomponente B_y sensitiv ist.
In der Abbildung der 4 ist eine Gangschaltung mit erfindungsgemäßen Permanentmagneten M1 und M2 schematisch dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert.
Die sechs Gänge sind durchnummeriert. Der Rückwärtsgang ist mit R gekennzeichnet. Außerdem sind die Schaltwege, umfassend eine Gasse je Gang und eine neutrale Position, dargestellt.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform verläuft die erste Magnetisierungsrichtung R1 des ersten Permanentmagneten M1 parallel zu der neutralen Position der Schaltung. Die zweite Magnetisierungsrichtung R2 des zweiten Permanentmagneten M2 verläuft senkrecht zu der neutralen Position sowie senkrecht zu den Gassen.
Außerdem sind die von den Magnetfeldsensoren erfassbaren Magnetfeldkomponenten Bx und By eingezeichnet.
In der Abbildung der 5 sind simulierte Magnetfeldkomponenten für verschiedene Schaltvorgänge dargestellt.
Die Kurve K1 entspricht der Änderung der Magnetfeldkomponente By bei einer Bewegung eines Schaltknüppels von dem ersten Gang in die neutrale Position und weiter in den zweiten Gang. Die entsprechende Änderung der Magnetfeldkomponente Bx für dieselbe Bewegung ist als Kurve K3 dargestellt.
Die Kurve K2 zeigt die Änderung der Magnetfeldkomponenten By bei einer Bewegung von der neutralen Position in den Rückwärtsgang.

Claims

Welle (W) für eine Getriebegangschaltung mit einer Drehachse (A), einem Durchmesser (D) und einer Mantelfläche (M), wobei - auf der Mantelfläche (M) ein erster Permanentmagnet (M1) mit einer ersten Magnetisierungsrichtung (R1) und ein zweiter Permanentmagnet (M2) mit einer zweiten Magnetisierungsrichtung (R2) angeordnet sind, - die erste Magnetisierungsrichtung (R1) zu der Drehachse (A) der Welle (W) in einem Winkel von 90°+/-10° und zu einer Tangente der Mantelfläche (M) in einem Winkel von 0°+/-1° verläuft, - die zweite Magnetisierungsrichtung (R2) zu der Mantelfläche (M) in einem Winkel von 90°+-10° verläuft, - der erste Permanentmagnet (M1) zum zweiten Permanentmagneten (M2) in Umfangsrichtung der Welle (W) beabstandet angeordnet ist und zu dem zweiten Permanentmagneten (M2) einen Abstand (A1) von höchstens einem Drittel des Durchmessers (D) der Welle (W) aufweist.
Welle (W) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (W) um die Drehachse (A) einen Bewegungsradius von höchstens 180° oder höchstens 120° oder höchstens 90° aufweist.
Welle (W) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (W) entlang der Drehachse (A) einen Bewegungsradius von höchstens 50 cm oder höchstens 20 cm oder höchstens 10 cm aufweist.
Messsystem zur Positionsbestimmung einer Welle (W), wobei - die Welle (W) ausgehend von einer Ausgangsposition um einen Winkel von höchstens +/-90° um eine Drehachse (A) drehbar und über eine Wegstrecke von höchstens +-30 cm entlang der Drehachse (A) verschiebbar ist, - das Messsystem eine Magneteinheit, eine Sensoreinheit (SE) und eine Auswerteeinheit (AE) umfasst, - die Sensoreinheit (SE) in einer zu der Drehachse (A) parallel verlaufenden ersten Ebene (E1) und in einem ersten Abstand zu einer Mantelfläche (M) der Welle (W) angeordnet ist, - die Magneteinheit auf einem der Sensoreinheit (SE) in der Ausgangsposition zugewandten Abschnitt der Mantelfläche (M) der Welle (W) angeordnet ist, - die Magneteinheit einen ersten Permanentmagneten (M1) mit einer zu der Drehachse (A) der Welle (W) in einem Winkel von 90°+/-10° und zu einer Tangente der Mantelfläche (M) in einem Winkel von 0°+-10° verlaufenden ersten Magnetisierungsrichtung (R1) und einen zweiten Permanentmagneten (M2) mit einer zu der Mantelfläche (M) in einem Winkel von 90°+/-10° verlaufenden zweiten Magnetisierungsrichtung (R2) aufweist, - der erste Permanentmagnet (M1) zum zweiten Permanentmagneten (M2) in Umfangsrichtung der Welle (W) beabstandet angeordnet ist und zu dem zweiten Permanentmagneten (M2) einen Abstand (A1) von höchstens einem Drittel des Durchmessers (D) der Welle (W) aufweist, - die Sensoreinheit (SE) einen ersten Magnetfeldsensor und eine zweiten Magnetfeldsensor aufweist, - der erste Magnetfeldsensor hinsichtlich einer zu der Drehachse (A) parallelen Magnetfeldkomponente (B_x) sensitiv ist, - der zweite Magnetfeldsensor hinsichtlich einer zu der Drehachse (A) senkrechten und zu der ersten Ebene (E1) parallelen Magnetfeldkomponente (B_y) sensitiv ist und - die Auswerteeinheit (AE) ausgelegt ist, anhand eines Messwerts des ersten Magnetfeldsensors und anhand eines Messwerts des zweiten Magnetfeldsensors eine Position der Welle (W) entlang und um die Drehachse (A) zu bestimmen.
Messsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren Hallsensoren oder magnetoresistive Sensoren (TMR, GMR oder AMR) sind.
Messsystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AE) dazu ausgelegt ist, anhand eines Messwerts des ersten Magnetfeldsensors einen Drehwinkel der Welle (W) um die Drehachse (A) zu ermitteln.
Messsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (AE) dazu ausgelegt ist, anhand eines Messwerts des zweiten Magnetfeldsensors eine Position der Welle (W) entlang der Drehachse (A) zu ermitteln.
Messsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (S) Teil einer Gangschaltung eines Kraftfahrzeugs ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (S) Teil einer Gangschaltung einer Maschine ist.